纤维素制取乙醇技术 顾思杰16300720087 私家车的普及使得我们的出行变得更加方便,但是随着私家车的普及大量使用矿物燃料 带来的环境问题日益严重,寻找可再生的清洁能源成为当前迫在眉睫的任务。酒精被誉为可 再生绿色能源燃料,由于其燃烧污染小、容易运输和贮藏,在价格上酒精也可与汽油相竞争 因此,酒精成为最有可能取代石油的新能源,具有巨大的开发前景。1996年,美国可再生 资源实验室(NREL)研究开发出利用纤维素废料生产酒精的技术,由美国哈斯科尔工业集 团公司建立了一个1MW稻壳发电示范工程,年处理稻壳1.2×104t,年发电量800×104kW, 年产酒精2500t 、技术原理 (1)直接发酵法 直接发酵法就是以纤维素为原料进行直接发酵,不需要进行酸解或酶解前处理过程。这 种工艺设备简单,成本低廉,但酒精产率不高,易产生有机酸等副产物。其难点在于很难找 到高效的酒精发酵菌株。另外,为解决该法乙醇产量低、易产生有机酸等副产物的问题,可 以采用混合菌直接发酵。例如热纤梭菌能分解纤维素,乙醇产率较低(约50%),热硫化氢 梭菌不能利用纤维素,但二者混合发酵,乙醇产率可达70%,并且可将乙醇与乙酸的比值 提高10倍以上。 (2)间接发酵法 间接发酵法先用纤维素酶水解纤维素,酶解得到的糖液进行发酵。此法中乙醇产物的形 成受末端产物、低浓度细胞以及基质的抑制。为了克服乙醇产物的抑制,必须不断的从发酵 罐中移出乙醇,采取的方法有:减压发酵法、快速发酵法等。对细胞进行循环利用,可以克服细 胞浓度低的问题。筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株,以及使菌体分阶段 逐步适应高基质浓度,可以克服基质抑制。 (3)糖化、发酵二段发酵法 先进行纤维素水解,生成葡萄糖:再将葡萄糖作为发酵碳源,进一步发酵生成酒精。酒 精产物的形成主要受末端产物抑制,为了提高酒精产率,必须不断地将其从发酵罐中移出。 采取方法有减压发酵法、快速发酵法。对细胞进行循环使用,可克服细胞浓度低的问题。筛 选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株,以及使菌体分阶段逐步适应高基质浓度 也可克服基质抑制 (4)同步糖化发酵法(SF法) 纤维素的酶水解和发酵糖化产生酒精的过程在同一装置内连续进行,这样酶水解的产物 葡萄糖因菌体的不断发酵而被利用,消除了因葡萄糖浓度较高而对纤维素酶的反馈抑制作 用。纤维素酶的最适温度为50℃,酵母发酵温度在37~40℃,最终产物乙醇对纤维素酶和 微生物的活性、中间产物木糖对水解过程都有抑制作用。解决方法是选用耐热酵母菌或耐热 酵母菌与普通酵母菌混合发酵,以解决最适温度差异问题:通过基因工程在酒精发酵菌中引 入利用木糖的基因,减弱木糖的抑制作用;采用非等温同步糖化发酵法(NSF),使2个阶 段保持各自的最适温度,提高酒精产率纤维素制取乙醇技术 顾思杰 16300720087 私家车的普及使得我们的出行变得更加方便，但是随着私家车的普及大量使用矿物燃料 带来的环境问题日益严重，寻找可再生的清洁能源成为当前迫在眉睫的任务。酒精被誉为可 再生绿色能源燃料，由于其燃烧污染小、容易运输和贮藏，在价格上酒精也可与汽油相竞争， 因此，酒精成为最有可能取代石油的新能源，具有巨大的开发前景。1996 年，美国可再生 资源实验室（NREL） 研究开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，由美国哈斯科尔工业集 团公司建立了一个 1MW 稻壳发电示范工程，年处理稻壳 1.2×104t，年发电量 800×104kW， 年产酒精 2500t。 一、技术原理 （1）直接发酵法 直接发酵法就是以纤维素为原料进行直接发酵，不需要进行酸解或酶解前处理过程。这 种工艺设备简单，成本低廉，但酒精产率不高，易产生有机酸等副产物。其难点在于很难找 到高效的酒精发酵菌株。另外，为解决该法乙醇产量低、易产生有机酸等副产物的问题，可 以采用混合菌直接发酵。例如热纤梭菌能分解纤维素，乙醇产率较低（约 50％），热硫化氢 梭菌不能利用纤维素，但二者混合发酵，乙醇产率可达 70％，并且可将乙醇与乙酸的比值 提高 10 倍以上。 （2）间接发酵法 间接发酵法先用纤维素酶水解纤维素,酶解得到的糖液进行发酵。此法中乙醇产物的形 成受末端产物、低浓度细胞以及基质的抑制。为了克服乙醇产物的抑制,必须不断的从发酵 罐中移出乙醇,采取的方法有:减压发酵法、快速发酵法等。对细胞进行循环利用,可以克服细 胞浓度低的问题。筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株,以及使菌体分阶段 逐步适应高基质浓度,可以克服基质抑制。 （3）糖化、发酵二段发酵法 先进行纤维素水解，生成葡萄糖；再将葡萄糖作为发酵碳源，进一步发酵生成酒精。酒 精产物的形成主要受末端产物抑制，为了提高酒精产率，必须不断地将其从发酵罐中移出。 采取方法有减压发酵法、快速发酵法。对细胞进行循环使用，可克服细胞浓度低的问题。筛 选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株，以及使菌体分阶段逐步适应高基质浓度 也可克服基质抑制 （4）同步糖化发酵法(SSF 法) 纤维素的酶水解和发酵糖化产生酒精的过程在同一装置内连续进行，这样酶水解的产物 葡萄糖因菌体的不断发酵而被利用，消除了因葡萄糖浓度较高而对纤维素酶的反馈抑制作 用。纤维素酶的最适温度为 50℃，酵母发酵温度在 37～40℃，最终产物乙醇对纤维素酶和 微生物的活性、中间产物木糖对水解过程都有抑制作用。解决方法是选用耐热酵母菌或耐热 酵母菌与普通酵母菌混合发酵，以解决最适温度差异问题；通过基因工程在酒精发酵菌中引 入利用木糖的基因，减弱木糖的抑制作用；采用非等温同步糖化发酵法（NSSF），使 2 个阶 段保持各自的最适温度，提高酒精产率