您好,欢迎来到爱go旅游网。
搜索
您的当前位置:首页用木质纤维素原料生产燃料乙醇预处理工艺研究进展

用木质纤维素原料生产燃料乙醇预处理工艺研究进展

来源:爱go旅游网
广l8 东化工 2010年第3期 第37卷总第203期 www.gdchem.corn 用木质纤维素原料生产燃料乙醇预处理工艺 研究进展 倪天茹,陶玲,任瑁 (兰州交通大学环境与市政工程学院环境生态研究所,甘肃兰州730070) f摘要]预处理是利用木质纤维索原料生产燃料乙醇过程中的关键步骤,其直接影响木质纤维素的水解效率和乙醇的生产成本。目前,对木 质纤维素原料的预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法。文章对以上几种预处理方法的研究进行了简要综述,并对各种方法 的优缺点进行了分析和讨论,最后对木质纤维紊原料生产燃料乙醇预处理方法进行了展望。 [关键词]燃料乙醇;本质纤维素;预处理 [中图分类号】TQ f文献标识码】A [文章编号】lO07-1865(2010)03-0018-03 Research Progress in Pretreatment of Lignocellulosic Materials for Fuel Ethanol Production Ni Tianru,Tao Ling,Ren Jun (School of Environmental and Municipal Engineering,Institute of Environment and Ecology,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China) Abstract:The pretreatment is one of the critical steps in the use of lignocellulosic materials to fuel ethanol production,which would directly influence hydrolysis eficifency of lignocellulose and ethanol production cost.Presently,the pretreatment methods of lignocellulose covered physical method,chemical method, physical&chemical method,and biological method.All the methods were introduced in the paper,the advantages and disadvantages of diferent pretreatment methods were discussed and analyzed in detail.The future development tendency of pretreatment methods of lignocellulosic materials for fuel ethanol production was also previewed Keywords:fue1 ethanol;lignocellulose;pretreatment 世界经济发展对能源需求的持续增长和日益严峻的环境 问题迫使人们寻求可再生能源,燃料乙醇就是其中一种重要的 可再生能源。目前有很多国家在研究以木质纤维素资源为原料 生产燃料乙醇。木质纤维素的主要成分是纤维素、半纤维素和 木质素,木素的存在阻碍了纤维素对酶的可及性_l J。因此,要 充分利用木质纤维素类资源必须先对其进行有效的预处理。20 世纪90年代初,国内外学者开始对木质纤维素的预处理进行 研究 J。目前,木质纤维素的预处理方法大致可分为物理法、 化学法、物理化学法以及生物法。 度和预处理时问对液态热水法预处理效果的影响非常显著,随 着热水温度的提高和预处理时间的延长,半纤维素的溶解程度 相应增加,并且增加幅度相当显著 。 2化学法 2.1酸法 酸预处理是最早被研究也是研究得最深入的化学法之一。 稀硫酸是应用最广泛的预处理方法,此外硝 “j、盐酸 、 磷酸¨ 也被用于木质纤维素预处理。Zhao等¨ 采用稀硫酸对 croflon茎进行预处理研究,结果表明,将其在1%H2SO4,8 :l液固比,120℃条件下处理120 min,46%的物质被溶解, 还原糖浓度达32.89%,纤维素含量提高到61.14%。Sun等 采用稀硫酸处理黑麦杆,结果表明,随着硫酸浓度的提高和反 应时间的延长,半纤维素的溶解程度显著增加。在0.9% H2SO4,90 min或1.2%H2SO4,60 min条件下处理黑麦杆, 超过5O%的半纤维素被溶解。计红果等… 在0.8%硫酸水溶液 中加入适量硫酸铁对玉米秸秆粉于8O~100℃搅拌、蒸煮回流 预处理。当底物/溶液比为1:15 g/mL,铁盐浓度为1.0mmoFL、 处理4 h时效果较好,纤维素转化率可由46.9%提高到5 1_3%, 酶水解初始速率由15.0 mg/(g.h)提高至17.9 mg/(g.h)。龚大 春等 研究表明,酸法一酶法结合处理小麦桔杆的最优条件为 在80℃、4%(体积分数)的稀硫酸、固液比为1:25的条件下 水解4 h,再在5O℃、pH 5.2、酶量25 FPA.g-l干物质、0.1 mg MgSO 下水解12 h,葡萄糖得率为34.5%,比未经酸处理直接 酶解葡萄糖的得率提高50%。 稀酸处理法可以有效地提高纤维素水解效率,但处理后一 部分糖转化成有毒的脱氢化合物,对微生物具有不同程度的毒 性,并且下游酶水解和发酵时必须进行中和处理。 2-2碱法 1物理法 1.1机械粉碎法 木质纤维素原料可以通过切碎、粉碎、碾磨处理,使颗粒 尺寸变小,结晶度降低。xu等 研究表明,大豆秸秆粉碎细 度由40目增加到140目时,酶解液还原糖量逐渐增加,细度 增加到1 40目后其还原糖量增加幅度减小,所以木质纤维素颗 粒细到一定程度后,继续粉碎只能有限地提高酶解效率,而处 理成本相对增加。机械粉碎法能耗大、成本高,但能提高原料 的比表面积,常与其他预处理技术联用 j。 1.2高温分解法 高温分解是将原料加热到300℃以上,纤维素快速分解 成为气体和残留固体。研究表明,高温分解后的木质纤维素经 0.5mol/LH2SO4,97 oC,2.5 h水解可使80%~85%的纤维素 转化成还原糖,其中50%以上为葡萄糖。当用氯化锌或碳酸 钠作催化剂时可以在较低温下实现对纯纤维素的分解 …。 1.3液态热水法 液态热水法反应温度一般为200 ̄230 oC,处理物料2~ l5 min,能使物料40%~60%溶解,可除去4%~22%的纤 维素、35%~60%的木质素以及所有的半纤维素。热水的温 [收稿日期]2009-12—30 [作者简介]倪 ̄i(1984一),女,安徽宿州人,在读硕士研究生,主要研究方向为环境生态学。 2010年第3期 第37卷总第203期 广东化工 l9 ⅥnvW.gdchem.com 目前使用较多的碱有氨、NaOH、Ca(OH)2和KOH。 NaOH溶液具有很强的木质素脱除能力,是目前应用最 广、备受关注的有效方法。Zhao等 采用NaOH对crofton茎在 不同条件下进行预处理研究,结果表明,最佳预处理条件为 10%NaOH,6:1液固比,1 10℃处理120 min。在此最佳预 处理条件下,25%木质素被脱除,纤维素含量提高到58.15%。 Silverstein等 采用NaOH对棉花秆进行预处理研究,结果表 明,在2%NaOH,10%固体含量,温度121℃,90 min常压 条件下,木质素去除率达到最大值65.63%。Varga等 将玉米 秸秆在高压锅中用10%的NaOH处理1 h,木质素的脱除率高达 95%。Zhu等 采用微波辅助NaOH预处理,将稻草在质量分 3.2 CO2爆破法 CO2爆破法原理类似于蒸汽爆破法,在高温高压下使固 体原料和CO2反应,经一段时间后,突然开阀减压,造成纤维 素晶体的爆裂。在处理过程中,部分CO 以碳酸形式存在,以 增加木质纤维素原料的水解率。CO 爆破法能显著提高半纤 维素水解程度,不产生发酵微生物的抑制物,成本高于蒸汽爆 破,但比氨纤维爆破低。 3.3氨纤维爆破法 氨纤维爆破法和蒸汽爆破预处理类似,即将木质纤维原料 在高温和高压下用液氨处理,然后突然减压使原料爆破。在一 个典型氨爆破处理过程中,液氨的添加量是每千克纤维质材料 数1%的NaOH溶液中,经700 W微波处理6 min,还原糖得率 最高。 氨也可被用来脱除木素。氨循环渗滤是研究较多的预处理 工艺 J,其应用条件是质量分数为10%~15%,温度为 15O~170℃。氨水浸泡预处理工艺近年来得到研究者的重视, 该工艺在相对温和的条件下进行,处理后大部分半纤维素仍保 留在固体样品中。Kim等 进行了氨水浸泡预处理研究,结 果表明,在氨水浓度15~30wt%,反应温度40 ̄90℃,浸泡 时间6~24 h条件下对玉米秸秆进行氨水浸泡预处理,最佳预 处理条件为15wt%氨水在60℃,固液比1:6下浸泡12 h。在 此条件下,木质素去除了达62%,85%木聚糖和 100%葡 聚糖仍保留在固体样品中。玉米秸秆在29.5 wt%氨水溶液中 室温浸泡1~6O d,4 d内可脱除约一半的木质素,浸泡60 d, 木质素去除率达73.5%。 氢氧化钙预处理是一种较低成本的预处理方法。国外学者 对氢氧化钙预处理木质纤维素原料进行了深入研究 J。氢氧 化钙预处理可以在较宽的温度范围内进行(25~130℃),相应 的处理时间也从几周到几小时。对于低木质素的草本科植物来 说氢氧化钙预处理足可以达到理想的消化率 ,但对于高木 质素的木本科植物需要通入氧气或空气以提高木质素去除率。 Kim等_j刮采用过量氢氧化钙(0.5 g Ca(OH)2/g干物料),在不同 温度下对玉米秸秆处理1~16N,木质素去除率最高达87.5%。 预处理后的秸秆在15 FPU/g纤维素的酶作用下,葡萄糖和木糖 得率可分别达到93.2%和79.5%。 碱法预处理具有较好的脱木质素作用,但成本较高且易产 生环境污染。 2.3氧化法 氧化处理就是利用过氧化氢 。 、过氧乙酸 J、臭氧或 氧气在碱性条件下,使木质素分解、半纤维素溶解。Vidal等_j 采用臭氧处理麦草,除去了60%的木质素,使水解率提高5倍。 对白杨木锯屑进行臭氧处理后木质素去除率达66%、失重达 30%。此外,还可采用湿氧化法对木质纤维素进行预处理L4…。 湿氧化法通常是在加温加压条件下,水、氧气和碱共同作用使 木质素和半纤维素溶解于碱液中而与纤维素分离。 2.4有机溶剂法 用于木质纤维素原料预处理的有机溶剂主要有甲醇、乙 醇、丙酮、乙烯基乙二醇、三甘醇及四氢化糠基乙醇,常与无 机酸催化剂混合使用。通常添加酸可以提高木糖的得率,但如 果将反应温度提高到185~215℃,对木质素的脱除没有明显 的效果。有机溶剂处理可降低成本,避免阻碍微生物生长、酶 法水解和发酵的化合物生成。但同时存在腐蚀和毒性等问题, 容易造成坏境污染。 3物理化学法 3.1蒸汽爆破法 蒸汽爆破法是在几十个大气压下,1 50 ̄240℃饱和水蒸 气中经几十秒至几分钟的瞬间处理之后,立即降至常压,使纤 维素材料爆碎成渣,孔隙增大。预处理时间和温度是影响蒸汽 爆破的主要因素。廖双泉等_4 采用蒸汽爆破处理技术处理剑 麻纤维,使纤维素含量提高到84.54%,木质素含量降低到 3.61%,实现了原料组分的有效分离。蒸汽爆破法可间歇也可 以连续操作,无环保或回收费用,但投资成本较高。 1~2 kg液氨,处理温度9O℃,保温时间30 min_q 。氨法爆破 法不会产生对微生物有抑制作用的物质,氨气可以回收,残留 的铵盐可以作为微生物的营养,但投资成本较高。 4生物法 生物法是采用分解木质素的微生物降解木质素,从而提 高纤维素和半纤维素的酶解糖化率。目前人们发现自然界中自 腐菌具有较强的木质素分解能力。潘亚杰等 利用白腐菌对 玉米秸秆进行生物降解预处理,固液比为1:9,降解周期为 14 d,在添加营养物质的情况下,玉米秸秆的木质素降解率为 55%~65%。杜甫佑等l4 研究了3株自腐菌对木质纤维素的作 用,结果表明,3菌株都能较快地降解木质素。生物法预处理 具有条件温和、专一性强、能耗低、不会对环境产生污染等优 点。但是木质素降解微生物种类少、木质素分解酶类的酶活力 低、处理时间长。 5结语 预处理是燃料乙醇生产中关键的第一步,它的效果不仅影 响最终乙醇的产率,还直接影响下游的工艺成本。纤维素预处 理方法虽然很多,但都存在一定的弊端。蒸汽爆破法和生物处 理法是今后纤维素乙醇生产预处理的发展方向,但目前蒸汽爆 破法的成本还比较高,生物法的周期较长,仍需加强对菌种的 选育和改进,提高降解效率,缩短作用时间。对现有的预处理 工艺进行改进,开发更加高效,无污染且成本低的预处理技术, 将是今后木质纤维原料预处理的发展趋势。 参考文献 [1]MosierN,WymanC,DaleB,et a1.Features ofpromisingtechnologiesfor pretreatment of lignocellulosic biomass[J].Bioresource Technology,2005, 96(6):673—686. [2]Weil J,Stgate P,Kohlmann J,et a1.Cellulose pretreatments of lignocellulosic substrates[J].Enzyme Microbial Technology,1 994,1 6: 1002.1004. [3]Bothast R J,Saha B C.Ethanol production from agricultural biomass substrates[C].AdvancesinAppliedMicrobiology,1997,44:26l・286. [4]Mooney C A,Mansifeld S D,Touhy M G,et a1.The effect ofinitial porevolume and lignin content on the enzymatic hydrolysis of softwoods[J].Bioresource Technology,1 998,64(2):1 1 3—1 1 9. [5]Esteghlalian A,Hashimoto A G,Fenske J J,et a1.Modeling and optimization ofthe dilute sulfuric acid pretreatment of corn stover,poplar and switehgrass[J.Bioresource Technology,1997,59(129—136):1 122-1 128. [6]LyerPV,WuZW,Kim SB,et a1.Ammonia recycled perolationprocess ofr pretreatment of herbaceous biomass[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,1996,57/58:12l一132. [7]Fang J M,Sun R C,Salisbury D,et a1.Comparative study of hemicelluloses from wheat straw by alkali and hydrogen peroxide extractions[J】.Polymer Degradation and Stability,1 999,66(3):423-432. [8]Xu Z,Wang Q H,Jiang Z H,et a1.Enzymatic hydrolysis of pretreated soybean straw[J].Biomass and Bioenergy,2007,31(2/3):162-167. [9]幸婷,程可可,张建安,等.利用木质纤维原料制取燃料乙醇预处理方 法的研究进展[J].现代化工,2007,27增刊(2):92—97. [10]Shafizadeh F,Lai Y Z.Thermal degradation of 2-deoxy—D—arabino.hexonic acid and 3-deoxy —D—ribo—hexono一1 , 广20 东化工 2010年第3期 第37卷总第203期 www.gdchem.tom 4-lactone[J].Carbohydrate Research,1 975,42:39.53. chemical composition and in vitro digestibility[J】.Animal Feed Science and Technology,1998,74(1):57—62. (1 1]Laser M,Schulman D,Allen S,et a1.A comparison ofliquid hot water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconversion to [29]Kim S,Holtzapple M T.Effect of structural features on enzyme digestibility ofcorn stover[J】.Bioresource Technology,2006,97(4):583-591. [30]Kim S,Holtzapple M T.Deligniifcation kinetics of corn stover in lime pretreatment[J】.Bioresource Technology,2006,97(5):778—785. [3 1]Saha B C,Cotta M A.Lime pretreatment,enzymatic sacchariifcation and fermentation of rice hulls to ethanol[J].Biomass and Bioenergy,2008, 32(101:971—977. ethanol[J].Bioresource Technology,2002,(1)81:33—44. (12 ̄Xiao W,Clarkson W W.Acid solubilization oflignin and bioconversion of treated newsprint to methane[J].Biodegradation,1 997,8:6 1,66. [13]OoldsteinI S,Easter JM.Animproved processfor converting celluloset0 ethanol[J].TAPPI Journal,1992,75(8):135 140. [14]Israilides C,Grant G A,Han Y W.Sugar level,fermentability,and acceptability of straw treated with different acids[J].Applied Environmental [32]Kaar W E,Holzapple M T.Using lime pretreatment to facilitate the Microbiology,1978,36(1):43.46. enzymic hydrolysis ofcorn stover[J].Biomass and Bioenery,2000,18(3): [1 5]Zhao X B,Zhang L H,Liu D H.Comparative study on chemical l89一l99. pretreatment methods or improving enzymatic digestibility of croflon weed [33]Kim S,Holtzapple M T.Lime pretreatment and enzymatic hydrolysis of stems[J].Bioresource Technology,2008,99(9):3729—3736. corn stover[J】.Bioresource Technology,2005,96(18):1944—2006. [1 6]Sun Y,Cheng-iJ.Dilute acid pretreatment of rye straw and bermudagrass [34]Sun R C,Tomkinson J,Ma P L,et a1.Comparative study of ofr ethanol production[J】.BioresourceTechnology,2005,96(14):1 599—1606. hemicelluloses from rice straw by alkali and hydrogen peroxide [1 7]计红果,庞浩,刘伟,等.铁盐对玉米秸秆稀酸预处理及酶解的影响 treatments[J].Carbohydrate Polymers,2000,42(2):111-122. [J].现代化工,2008,28增刊(2):120.124. [35]Sun R C,Tomkinson J,Wang S Q,et a1.Characterization oflignin from [I 8]龚大春,王栋,田毅红,等.稀酸法一酶法处理小麦秸秆木质纤维素的 wheat straw by alkaline peroxide treatment[J].Polymer Degradation and 最优条件fJ].湖北农业科学,2008,47(4):463.466. Stability,2000,67(1):101—109. [19]Silverstein R A,Chen Y,Sharma-Shivappa R R,et a1.A comparison of 『36]Teixeira L C,Linden J C,Schroeder H A.Alkaline and Peracetic Acid chemical pretreatment methods for improving sacchariifcation of cotton Pretreatments ofBiomassforEthanol Production[J].RenewableEnergy,1999, stalks[J].BioresourceTechnology,2007,98(16):3000—3011. 77—79:19.34. [20]Varga E,Scengyel z,Recaey K.Chemical pretreatments of com stover for 【37]Zhao X B,Wang L,Liu D H.Effect of several factors on peracetic acid enhancing enzymatic digestibility[J]. Applied Biochemistry and pretreatment of sugarcane bagasse for enzymatic hydrotysis[J].Journal of Biotcchnology,2002,98(1 00):73—87. chemicaltechnology andbiotechnology,2007,82(12):111 5—1211. [21]Zhu S D,Wu Y X,Yu z N.Production of ethanol from microwave [38]Zhao X B,Wang L,Liu D H.Peracetic acid pretreatment of sugarcane ・assisted alkali retreated wheat straw[J].Process Biochemistyr,2006,41(4): bagasse for enzymatic hydrolysis:a continued work[J].Journal of chemical 869—873. technology and biotechnology,2008,83(6):950-956. [22]Kim T H,Kim J S,Sunwoo C,et a1.Pretreatment of corn stover by [39]Vidal P E,Molinier J.Ozonolysis of lignin improvement of in vitro aqueous ammonia[J].Bi0resource Technology,2003,90(1):39—47. digestibility ofpolar sawdust[J].Biomass,1998,16(1):1—17. 『23]Kim T H,Lee Y Y.Pretreatment and fractionation of corn stover by [40]Martin C,Klinke H B,Thomsen A B.Wet oxidation as a pretreatment ammonia recycle percolation process[J].Bioresource Technology,2005, method for enhancing the enzymatic convertibility of sugarcane 96f】8):2007—2013. bagasse[J】. Enzyme and Microbial Technology,2007,40(3):426-432. 『24]Kim丁H,Lee Y Y.Fraction of coin stover by hot.water and aqueous [41]廖双泉,邵自强,马凤国,等.剑麻纤维蒸汽爆破处理研究[J1_纤维 ammonia treatment[J].Bioresource Technology,2006,97(2):224-232. 素科学与技术,2002,10(1):45—56. [25]Kim T H,Lee Y Y.Pretreatment of Corn Stover by Soaking in Aqueous [42]Sun Y,Cheng J.Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol Ammonia[J].Applied Biochemistyr and Biotechnology,2005,121-124: production:a review[J].BioresourceTechnology,2002,83:1-11. 】】l9一l】32. 【43]潘亚杰,张雷,郭军,等.农作物秸秆生物法降解的研究fJ].可再生 [26]Kim T H,Taylor F,Hicks K B.Bioethanol production from barley hull 能源,2005,3:33—35. using SAA(Soaking in aqueous amnmnia)pretreatment[J].Bioresource [44]杜甫佑,张晓昱,王宏勋,等.自腐菌降解木质纤维素顺序规律的研 Technology,2008,99(1 3):5694—5702. 究【Jj.纤维素科学与技术,2005,13(1):17-25. [27]Kim T H,Lee Y Y.Pretreatment of Corn Stover by Soaking in Aqueous Ammonia at Moderate Tempemtures[JJ.Applied Biochemistyr and (本文文献格式:倪天茹,陶玲,任瑶.用木质纤维素原料生 Biotechnology,2007,1 37—140(12):81—92. 产燃料乙醇预处理工艺研究进展[J】_广东化工,201 0,37(3): [28]Sirohi S K,Rai S N.Optimisation oftreatment conditions ofwheat straw 18—2O1 with lime: Effect of concentration, moisture content and treatment time on 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- igat.cn 版权所有

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务