以植物纤维为原料年产10万吨燃料酒精工厂设计文献综述

 2022-03-14 20:52:01

设计的目的及意义

1.1 设计的目的

随着社会的高速发展，人们对于能源的需求量日益增加，使得能源供给成为社会发展的战略性问题。同时，化石能源的过度开采和使用，也对生态环境造成了严重破坏。因此，开发和利用绿色可再生能源成为人们的焦点。木质纤维素类生物质是一种分布广、储量丰富并含有大量可发酵糖的可再生资源，通过生物化学等方法可以转化为气态、液态和固态燃料。木质纤维素是自然界中存在最广泛的一类碳水化合物，同时也是地球上数量最多的生物质资源，植物每年通过光合作用产生约1.55times;1011 t纤维素类物质，仅我国农作物秸秆量就达6亿多t。目前，自然界中只有一小部分木质纤维素得到了利用，绝大多数木质纤维素被浪费并造成了环境污染。作为一种绿色生物能源，以木质纤维素类生物质类为原料制备的燃料酒精受到人们广泛关注。然而，如何低能耗且高效地将木质纤维素类生物质转化为燃料酒精是当下需要解决的难题。

1.2 设计的意义

将木质纤维素转化为燃料酒精的措施可以缓解资源不足等难题，并对环境的保护作出巨大的贡献。因此，利用工业技术和生物质生产燃料酒精等产品，具有重要的理论意义和较高的社会价值。利用微生物生产的纤维素酶将其转化为糖，并进一步发酵生成燃料酒精等化工原料，对开发新能源、保护环境有非常重要的现实意义。

文献综述

    1. 木质纤维素

木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素3部分组成，其结构和性质较为复杂。半纤维通过氢键与纤维素相连，其侧链通过阿魏酸或醛酸与木质素相连，半纤维素与木质素将纤维素包裹起来，形成难以被微生物降解的聚合体。由于纤维素本身高度结晶，难以被纤维素酶水解，使得木质纤维素乙醇加工过程变得困难。因此，木质纤维素原料转化前须经过适当的预处理，以利于后续的酶解发酵过程。酶解前对底物进行预处理，可以打破木质纤维素原有的复杂结构，增大底物的孔隙率和比表面积，提高酶与底物进行的接触面积，从而提高酶解效率，最终达到提高乙醇产率的目的。一般情况下，可以通过部分水解木质素和半纤维素，破坏纤维素的结晶结构，在此基础上，通过纤维素酶和半纤维素酶水解纤维素和半纤维素，再通过微生物对己糖、戊糖进行发酵，得到所需的最终产物乙醇。

    1. 预处理

目前，木质纤维素类生物质生产燃料酒精的全过程包括原料收集和预处理、酶解糖化、发酵及产物分离。木质纤维素转化为乙醇的过程中，预处理是至关重要的一步。木质纤维素具有很强的抗逆性，其原因包括木质化程度、细胞壁结构组分的异质性和复杂性、酶作用于不溶性底物的困难性以及细胞壁厚度等等，这些化学和结构特性影响酶对木质纤维素的可及性和酶活，进而增加生物质转化费用。预处理的目的是破坏木质纤维素结构，降低纤维素结晶度和聚合度，从而增加纤维素的可接触面积，提高纤维素的转化率，产生更多可发酵单糖，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等。纤维素的预处理主要有物理法、化学法或生物法。挤出法、研磨法、水热法、蒸汽爆破法和超临界二氧化碳爆破法等是常见的物理法。挤出法和研磨法能够明显增加纤维素的可及性且不产生或产生较低的抑制性物质。蒸汽爆破提高了水解效率，但抑制性物质产生较多且设备要求高，投入成本高。预处理可以通过解离木质纤维素中的不同成分来破坏原料的天然致密结构，从而达到提高纤维素酶解效率的目的。

生物法预处理主要是指利用细菌、真菌和放线菌等微生物产生的降解酶来促进木质纤维素中各组分的降解。生物法预处理可在温和条件下降解木质纤维素类底物，具有作用范围广泛、适应性强、投资成本和能量需求低等特点，在秸秆类生物质降解方面具有很大的优势，是一种环境友好型预处理方法。然而，生物法预处理技术整体上还处于发展期，当前发现的高效微生物种类较少，并且预处理周期较长，水解速率较低。此外，目前的单一菌种预处理技术均存在不足之处，木质纤维素的完全降解还得依靠微生物群落的共同作用。目前生物法预处理技术研发的重点有两个：一个是筛选可以产生高效降解组合酶的菌株；二个是通过基因改造技术对木质纤维素降解菌株进行改造，提高底物降解效果。

化学预处理技术是利用化学试剂，对木质纤维素中的一种或几种化学成分进行有效地解聚，具有反应效率高、操作时间短等优点，但是产生的副产物较多。常用的化学预处理法包括碱法、酸法、有机溶剂和离子液体预处理法。碱法预处理主要通过OH离子分解木质素与半纤维素间的酯键，使天然木质素转变为碱木质素而溶解在碱液中，从而有效减少其对纤维素酶的吸附作用和空间位阻作用，进而提高底物酶解效率。酸法与碱法预处理最主要的区别是，酸法预处理主要是去除生物质中的半纤维素成分，具有反应效率高、使用方便等优点。

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