前言：中文期刊网精心挑选了纤维素乙醇范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
纤维素乙醇范文1
关键词：生物乙醇 纤维素酶 工程菌株
The study and development progress of Bio-ethanol and cellulase production
Liping Yang1 Shuiwen Cai1 Ling Luo1 Hui Liu1，2
1. Changsha Environmental Protection and Professional technique College, 410004 2 Hunan
2. Agricultural university, 410128, Changsha, China
Abstract: With the fossil fuels from shortage to exhaustibility, the humanity is facing toward a common problem in energy crisis. Finding new energy sources is important to sustainable economic development and even human survival. Bio-ethanol, as an energy source that is renewable, affordable, and environmentally safe, will become a substitute for oil. Elevation of cellulase production and reduction of the cellulase production cost are the key factor for enhancing the market competitiveness of cellulosic bioethanol. In this paper, we discussed the development progress of bio-ethanol and cellulose industry to provide a basis for the future upgrading of bio-ethanol production industry and the development of gene engineering strain.
Keywords: bio-ethanol cellulose engineering strain
随着石化燃料由短缺变成枯竭，能源危机是人类面临的共同问题。1998年，Campbell和Laherrere对石油储备和未开发的石油进行评估后认为，天然油在2010年前的产量就开始下降，到2050年全球每年石油供应量将从目前的25亿桶下降到5亿桶[1]。随着石化燃料供应的减少，寻找新的能量来源关系到经济的可持续发展乃至人类的生存问题。生物乙醇作为一种可再生的、经济上可承受的，并且对环境安全的能源物质将逐渐成为石油的替代品[2]。生物乙醇的生产经历了以1代淀粉原料生产乙醇和以木质纤维素为代表的非淀粉原料的2代生物乙醇工业。2代生物乙醇生产克服不与食品的供应之间存在竞争，但是纤维素酶产量低、不稳定、难以工业化导致2代生物乙醇的生产成本大大提高。本文从生物乙醇产业发展过程、木质纤维质物质生产生物乙醇的市场前景及纤维素降解酶的研究进展进行综述，为生物乙醇生产产业的提升、纤维素工程菌的研发提供基础。
生物乙醇产业发展过程
从上世纪80年代开始，人们就开始以谷物为原料来生产乙醇用作供氧燃料，这些被业内称为第1代燃料乙醇的原料。在一些国家，如美国、加拿大、巴西、中国等，乙醇已经被广泛地掺入到汽油中来代替纯汽油使用，其中乙醇的体积含量可达到10%。最近美国正在实施一项混合燃油计划E85，即汽车制造商生产一种可使用乙醇混合物E85（85% 的乙醇和15% 的汽油按体积比混合）的汽车[3]。巴西早在1929年就建立了一项利用乙醇作为发动机燃料的计划，并在接下来几年里安装了第一个使用乙醇作为燃料的发动机。1984年，巴西要求新生产的汽车能使用水化生物乙醇（96%的生物乙醇+4%的水）作为燃料[3]。混合燃料的使用不仅可以减少汽油的使用量，还可以降低温室效应气体以及有毒气体的释放。
但是随着世界人口的不断增长，以谷物等第1代淀粉原料生产乙醇就与食品的供应之间存在竞争，这些谷物为原料生产乙醇就不能满足全球的需求。中国在过去三十年中GDP的年平均增长量为10%，这使得中国成为世界上最大的燃料消费国之一，同时也成为世界上造成空气污染最严重的国家。由于大部分的能源由燃烧化石燃料提供，中国政府正努力解决诸如国内因迅速枯竭的石油和天然气资源而越来越依赖进口石油来满足国内一半的实际需求[4]，以及严重的环境污染等问题。为了改善现状，中国政府决定增加使用能源的种类，尤其提倡使用可再生的、排放更少温室气体的燃料，如乙醇这样的生物燃料和生物柴油。由于生物燃料从诸如玉米、木薯、大豆这样的农产品中提取而来，这对改善中国农村人口的经济状况有积极影响。除了向乙醇生产者发放津贴以鼓励乙醇的生产之外，中国政府近年来也强制要求中国十个省份必须销售浓度为10%的乙醇汽油，这些措施使得中国2008年的乙醇产量迅速达到14.6亿升且在2010年达到21.5亿升，一举成为继美国和巴西之后的世界第三乙醇生产大国。尽管中国政府之前要求到2020年国内乙醇的年消费量要达到100亿升，然而由于担心乙醇生产可能与食物生产行业形成竞争，且考虑到国内农村可用耕地数量有限，以及水资源供应短缺的问题，中国政府于2007年宣布暂停国内谷物乙醇的生产。
为了解决这个矛盾，以木质纤维素为代表的非淀粉原料成为生物乙醇生产的重要原料物质。木质纤维素，其结构复杂，有三种：纤维素35%～37%、半纤维(23-25%)和木质素(18-22%)组成。每年光合可产生大于1，500亿吨的植物干物质，其中一半以上是纤维素和半纤维素[5]。另外，人类活动产生的废弃物中也含有大量的纤维素，如农业废物( 稻草、稻壳、麦秆、花生壳、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣等)、食品加工废物(果皮、果渣等)、木材废物(木屑、树皮)以及城市废弃物(40%~60% 固体废物是垃圾和废纸)等。如果能有效地利用生物转化技术将这些纤维素转化成简单糖，再发酵产生乙醇等能源物质，不仅可以变废为宝，而且还可以避免由于化石燃料燃烧所带来的环境污染，更重要的是可以缓解或解决石化能源短缺乃至枯竭所带来世界性能源危机。
木质纤维质物质生产生物乙醇的市场前景
到2020年，全世界从木质纤维素物质生产生物乙醇的产量大约是165亿加仑（合计约625亿升），美国将占有63.9%的市场，欧洲和中国分别将占有10.4%和11.5%的市场[3]。目前，生物乙醇的产业，尤其是非淀粉类的生物乙醇产业主要在于政府的补贴和维持，其原因在于利用木质纤维生产生物乙醇的生产成本较高。第1代淀粉类原料与第2代非淀粉类原料发酵生产生物乙醇不同之处在于前面的预处理和酶解糖化过程。淀粉类原料很容易被酶接触到，就被淀粉酶和糖化酶酶解为葡萄糖(C6糖)，然后葡萄糖再被普通的酵母发酵生产出乙醇，这样，生产工艺环节少，流程短，成本就非常低。但是木质纤维素物质经过自然选择和漫长进化，木质素将半纤维素和纤维素紧密包裹在内部，形成紧密结构，被天然“设计”成可以抵御酶进攻的分子结构。因此与淀粉乙醇不同的是首先要有高温高压蒸汽或结合加酸碱等化学品的预处理技术将紧密结构打开，让酶能够接触到纤维素和半纤维素。纤维素和半纤维素酶解后发酵可以生产出乙醇[6]。纤维素酶解后可得到葡萄糖(C6糖)，半纤维素酶解后可得到木糖(C5糖)，淀粉类和纤维素都是由葡萄糖聚合成的长链结构，只是结合的方式不同而已，因此酶解过程需要的酶是不同的；而半纤维素是由C5糖聚合而成的长链结构，也需要特定的酶。纤维素及半纤维酶的成本更高，这也是导致木质纤维素乙醇成本比淀粉乙醇高的重要原因之一。在每加仑生物乙醇的生产中，利用木质纤维生产，纤维素酶的成本大约是15-20美分，而利用淀粉类生产，淀粉酶的费用仅仅只占到了2－4美分[7]。因此要想提高纤维素生产生物乙醇的市场的竞争力，提高纤维素酶的产量，降低纤维素酶的成本成为解决问题的关键因素。我国是纤维素酶的需求大国，由于纤维素酶的广泛应用，我国市场需求量将以每年25%～35%的速度上升，用纤维素酶产业化生产生物乙醇的关键技术将在未来几年内得到解决，那时我国纤维素酶年需求量将增加到25-40万吨，每年将为我国节省生产燃料乙醇用粮500-1，000万吨[8]。由于产酶菌种落后，产率低，成本高，严重影响我国纤维素酶工业发展，从而阻碍了以木质纤维素为原料的2代生物乙醇工业的发展。
木质纤维素及纤维素降解酶
木质纤维素，其结构复杂，有三种：纤维素(35%～37%)、半纤维(23%-25%)和木质素(18%-22%)组成[9]。纤维素属于可再生自然资源，是生物界最重要的碳源物质，每年由光合作用产生的植物干质量约1，500亿吨，其中纤维素占850亿吨[5]。
纤维素酶(cellulase)是指能够水解纤维素β-1，4-D-葡萄糖苷键，使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称。纤维素酶是一种具有很高活力的木聚糖酶，是一种复合酶，属生物催化剂[10]。纤维素酶主要是指三类关键酶:（1）外切型纤维素酶，系统命名为外切β-1，4-D-葡聚糖酶，又称纤维二糖水解酶(EC3.2.1.91，也称Cl酶)。这类酶作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4-糖苷键，每回依次从纤维素分子中切下一个纤维二糖分子，所以又称纤维二糖水解酶(简称CBH)。（2）内切型纤维素酶，系统命名为内切β-l，4-D-葡聚糖酶(EC3.2.1.4，也称Cx酶或CMCase)。这类酶是纤维素酶中最重要的酶，它作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解β-1，4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带有非还原末端的小分子纤维素。（3）纤维二糖酶，系统命名为β-葡萄糖苷酶(EC2.1.21，也称CB酶)，这类酶将纤维二糖水解成葡萄糖分子。当以上三种纤维素酶的关键酶的活性比例适当时，就能协同作用完成对纤维素的降解，但各个酶组分单独作用时效果极差。所以说纤维素酶降解纤维素时一个协同表达和作用的过程[11-12]。
不同来源的纤维素酶分子特征和催化活性都不尽相同。细菌产生的纤维素酶量少，主要是内切酶，大多数对结晶纤维素没有活性，而且不能分泌到细菌细胞外，常常聚集形成多酶复合体[13]。真菌能产生大量的纤维素酶，产生的酶组分，能分泌到菌体外，一般不聚集成多酶复合体，但可以相互发生强烈的协同作用。纤维素酶分子的大小因来源不同也有明显的差异，变化范围很广。多数真菌和少数细菌的纤维素酶都受到糖基化，所含碳水化合物的比率不同在很大程度上决定了酶的多型性，表现为分子量的差别[14]。纤维素酶的酶活力一般都很低，因而酶生产成本高。据报道，纤维素水解成葡萄糖所需的酶蛋白要比淀粉相应水解所需的大100倍，这是影响纤维素酶实际应用的重要原因之一[3]。
迄今为止，人们已从40多种细菌和数种真菌中克隆到了多种纤维素酶基因，有一百多种基因可在大肠杆菌中表达，大多数克隆的纤维素酶基因能产生信号肽，从而使表达产物部分或全部转移至E.coli的细胞质间隙[15]。虽然克隆到大肠杆菌的基因，不需要载体的启动子就可表达，但表达水平很低，推测可能是其启动子不能完全被识别的缘故。但在大肠杆菌中表达纤维素酶基因存在两个主要问题:一是提取有很大困难，二是表达水平低、酶蛋白不能分泌，离工业化应用的目标还有一定的距离，所以在纤维素酶基因的表达方面人们将目光转向了真核表达系统[16]。
木霉属是研究最广泛的纤维素酶产生菌[6]，世界纤维素酶市场中的纤维素酶20%是来自木霉属和曲霉属[17]。绿色木霉是一种在各种气候带的土壤中能够普遍存在的一种多细胞丝状真菌，能够分泌完全的纤维素酶系，其中产量较高并且稳定，是目前纤维素酶商业化生产的主要生产菌株[18]。对于绿色木霉的研究直到九十年代初仅有CBHⅠ基因克隆的报道，王建荣、张曼夫利用里氏木霉的基因序列同源片段做探针，构建了绿色木霉基因文库，并克隆了CBHⅠ、CBHⅡ基因，并对其基因结构进行了研究[19]。
纤维素酶的合成一般受纤维素诱导及葡萄糖降解物的阻遏，多数菌株纤维素酶的合成既受纤维二糖、山梨糖等的诱导，又为葡萄糖、甘油等易利用碳源的阻遏，还受菌体生长速度的影响[6]。在绿色木霉中，纤维素酶属诱导型酶类，其多个酶组分的表达经过严密的调控。在绿色木霉中能产生分泌型的纤维素酶，当CBHⅡ基因缺失时，会影响纤维素酶系其他酶的表达，而缺失其他基因时，只单独影响自身的表达。另有研究表明CBHⅡ是纤维素酶系统中最先表达的酶，其表达产物进一步诱导其他纤维素酶基因的表达，但CBHⅡ基因的表达受纤维素降解产物葡萄糖的抑制[20]。
随着基因工程技术的发展，定点突变和基因重排技术在纤维素酶的生产工业中的应用越来越广泛。在里氏木霉 (T.reesei) 中，需要产生至少14种酶协同作用才能水解未经化学处理过的植物干物质。为了降低纤维素酶的复杂性，将里氏木霉的CBH1、嗜酸耐热菌的葡聚糖内切酶EI 以及曲霉(Aspergillus niger)的β- 葡萄糖苷酶以90∶9∶1(质量比)混合形成一个三元复合物，此三元复合物在120 小时内水解预处理过的纤维素的能力与李氏木霉中纤维素酶体的水解能力相当。为了提高此三元复合物水解纤维素的活力，利用定点突变的方法对葡聚糖内切酶EI的活性位点进行修饰，结果与突变前的三元复合物相比，其水解纤维素的活性提高了12%[21]。Zinnia R等在里氏木霉菌中应用同源重组技术将外切β－葡萄糖苷酶整合到egl3和xyn3基因启动子的下游，增强了纤维素酶的表达量4倍到7.5倍，这些重组菌株能有效的降解纤维素物质[22]。
生物乙醇及纤维素降解酶的未来发展趋势
随着石化燃料供应的减少，寻找新的能量来源关系到经济的可持续发展乃至人类的生存问题。生物乙醇作为一种可再生的、经济上可承受的，并且对环境安全的能源物质将逐渐成为石油的替代品[2]。由于产酶菌种落后，产率低，成本高，严重影响我国纤维素酶工业发展，从而阻碍了以木质纤维素为原料的2代生物乙醇工业的发展。因此要想提高纤维素生产生物乙醇的市场的竞争力，提高纤维素酶的产量，降低纤维素酶的成本成为解决问题的关键因素。目前纤维素酶工程菌株中不稳定、产酶量不高、难应用于大规模产业化大规模生产等三大难题。利用基因工程技术改造菌种，尤其是纤维素酶基因启动子的改造，在发酵过程中其酶形成过程不受主要代谢产物葡萄糖的抑制，促进其他纤维素酶基因的协同表达，大幅度提高菌株在发酵过程中的产纤维素酶的能力，将是工程菌柱构建的方向，构建不受葡萄糖抑制、稳定、高效的表达纤维素酶工程菌。可以解决本项目的实施将会大大提高纤维素酶的产量，降低木质纤维素生产生物乙醇时纤维素降解成本，从而促进木质纤维素生产生物乙醇产业的发展。
参考文献：
[1] C. J. C. a. J. H. Laherrère, Scientific American 3, 78 (1998).
[2] F. W. Bai, W. A. Anderson, M. Moo-Young, Biotechnol Adv 26, 89 (Jan-Feb, 2008).
[3] S. I. Mussatto et al., Biotechnol Adv 28, 817 (Nov-Dec, 2010).
[4] T. Tan, F. Shang, X. Zhang, Biotechnol Adv 28, 543 (Sep-Oct, 2010).
[5] S. B. Leschine, Annu Rev Microbiol 49, 399 (1995).
[6] Y. Sun, J. Cheng, Bioresour Technol 83, 1 (May, 2002).
[7] C. Schubert, Nat Biotechnol 24, 777 (Jul, 2006).
[8] 2, (2010).
[9] D. T. Yin et al., Bioresour Technol, (Feb 2, 2010).
[10] 孙俊良, 北京:科学出版社, (2004).
[11] W. S. Adney, C. J. Rivard, S. A. Ming, M. E. Himmel, Appl Biochem Biotechnol 30, 165 (Aug, 1991).
[12] Y. Wang, M. Radosevich, D. Hayes, N. Labbe, Biotechnol Bioeng, (Dec 29, 2010).
[13] T. Liu, L. Lin, Z. Sun, R. Hu, S. Liu, Biotechnol Adv 28, 602 (Sep-Oct, 2010).
[14] H. Chen, W. Qiu, Biotechnol Adv 28, 556 (Sep-Oct).
[15] A. I. Osadchaia, L. A. Safronova, L. V. Avdeeva, V. M. Iliash, Mikrobiol Z 71, 41 (Sep-Oct, 2009).
[16] C. M. Lo, Q. Zhang, N. V. Callow, L. K. Ju, Bioresour Technol 101, 717 (Jan, 2010).
[17] C. S. Goh, K. T. Tan, K. T. Lee, S. Bhatia, Bioresour Technol 101, 4834 (Jul, 2010).
[18] 刘北东，杨谦，周麒, 环境科学 25, 127~132 (2004).
[19] 王建荣，张曼夫, 真菌学报 13, 235~240 (1994).
[20] .T. Kotake et al., Biochem J 377, 749 (Feb 1, 2004).
纤维素乙醇范文2
关键词：第二代生物燃料；纤维素乙醇；纤维素汽油；草油
文章编号：1005-6629(2011)12-0067-03 中图分类号：TK6 文献标识码：E
1 第二代生物燃料的由来
石油是主要的化石能源之_，―直以来都推动着工业和社会的发展。然而，地球上蕴藏的可开发石油资源却只剩下几十年的寿命，而且使用石油资源所带来的环境问题也日益突出：石油燃烧会产生大量的含碳氧化物及少量含硫、含氮化合物，这些化合物要么是温室气体，要么能产生酸雨，不仅造成环境污染更能伤害人体健康。因此，积极寻找一种石油的替代资源就势在必行，于是生物质能就渐渐进入了人们的视Wo所谓生物质能就是储存于生物质资源中的能量，这些生物质能源主要是指可再生的有机物质资源，主要包括农作物、树木等植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物等，可以储存由光合作用产生的能量，因此，生物质能也是太阳能的一种转化形式，也具有可再生、应用潜力大等特点，科学家们需要做的就是，将这些能量进行开发并加以应用。
20世纪30年代，巴西最早使用甘蔗进行发酵，生产出乙醇燃料，用以驱动汽车，像巴西这种以可食用作物(主要包括玉米、大豆、甘蔗等)为原料制造出的生物质能被称为第一代生物燃料，其代表产品是通常所说的生物乙醇和生物柴油，前者由富含单糖、寡糖或淀粉的生物质原料经过发酵、蒸馏、脱水等步骤制成，后者为以动植物油脂为原料，经过酯交换反应(碱、酸、酶催化或超临界条件下)加工而成的脂肪酸甲酯或乙酯燃料。虽然第一代生物燃料已在许多发达国家推广使用，但第一代生物燃料并非长久之计，原因有二。其一，没有足够的耕地以满足发达国家10％的液态燃油原料需求，比如在2008年，由于生产第一代生物燃料而对粮食作物的额外需求使得粮食价格大幅上涨；其二，原料成本太高，特别是生物柴油，原料构成了其成本的70％，这也使得第一代生物燃料的价格高于石油，远离了人们所期望的对替代石油具有积极影响的能源形式。
20世纪90年代，美国可再生能源实验室研究开发利用纤维素废料生产乙醇的技术，这也标志着第二代生物燃料的诞生。所谓第二代生物燃料是指以非粮作物和农业废弃物为原料的可再生替代能源，这些原料包括玉米秸秆、木材废料及草本类能源作物。与第一代生物燃料的原材料(粮食作物)相比，这些原料作物成本低、量大，更关键的是这些作物的种植生产不会干扰和危及粮食生产。第二代生物燃料的诸多优势使其具有更加明朗的发展前景，其代表产品主要有纤维素乙醇和纤维素汽油两种。
2 第二代生物燃料的生产
2.1纤维素乙醇的生产技术
第一代生物燃料的原料(甘蔗、玉米等)本身富含糖类，将其转化为乙醇的生产工艺较为简单，而第二代生物燃料主要以纤维素质材料为原料，其炼制过程比第一代生物乙醇的合成多了两个步骤：生物质原料的预处理和纤维素、半纤维素的降解，这也是目前纤维素乙醇生产的难点之一，而整个炼制过程则涉及多个生物催化反应，它们可以按照多个方式组合形成不同的工艺路线。目前已建有示范装置的纤维素乙醇生产技术主要有4种：硫酸／酶水解一发酵技术、硫酸水解一发酵技术、酸水解―发酵一酯化一加氢技术和酶水解一发酵技术。这4种技术最大的不同点在于纤维素水解方式的差异：前3种均采用酸水解，而第4种采用生物酶水解。实际工业生产中，用酶替代酸水解纤维素，可以在比较缓和的条件下操作，可以减少糖的降解，提高乙醇收率，因此酶水解、发酵技术路线(见图1所示)是纤维素乙醇生产的发展方向，此项技术由美国可再生实验室开发。
首先，将经研磨后的生物质原料(玉米秸秆、玉米芯等)进行预处理(见图2上半部)，其目的是将原料“解封”进而得到纤维素、半纤维素和木质素，再将这些成分进行增溶和分离，为水解变为可发酵的糖做好准备。实际上在植物体内，长长的纤维素构筑了植物细胞(见图2，直线型为纤维素，曲线型为半纤维素)，纤维素分子被半纤维素和木质素环绕，因此，科学家必须先用酸、碱或加热等方法进行预处理，以解开植物细胞内的“矩阵”。最新研究表明，用氢氧化钠的水一乙醇溶液进行预处理，得到的纤维素是一种纳米级的海绵体，可使4～6nm直径的酶进入纤维素中进行酶解，能把生产纤维素乙醇的预处理成本由50美分／加仑降至4～5美分／加仑，可与用玉米淀粉生产第一代乙醇的预处理成本2美分／加仑竞争。
接着，用酶将“降解”得到的纤维素、半纤维素进行水解从而得到葡萄糖和戊糖单体。不同的纤维素原料和不同的预处理工艺应采用不同类型和数量的酶，所以酶的生产成本就成为纤维素乙醇生产的第一项核心。起初，在20世纪90年代末，酶的生产成本很高，约在5美元／加仑以上，目前，酶的生产成本已降至原来的1／30，使生产纤维素乙醇用酶的成本降至10～18美分／加仑，为纤维素乙醇生产技术的产业化奠定了基础。
最后，用酵母菌将葡萄糖、戊糖进行发酵得到发酵液，再将发酵液进行产品分离便得到纤维素乙醇。
2.2纤维素生物汽油生产技术
纤维素乙醇的能量密度较低，单位体积的能量只有常规汽油的66％，不适合大量与汽油调和使用，同时乙醇含氧量高，会腐蚀管道，还会吸收管道中的水分和杂质，难以保证乙醇汽油质量。因此，在开发纤维素乙醇的同时又在开发纤维素生物汽油，目前已进行试验装置实验的技术有快速热解一加氢改质技术(如图3所示)。
首先，采用快速热加工催化裂解技术将生物质原-料转化为用以生产汽油的芳香烃分子。所谓生物质热裂解技术是生物质在惰性气氛下受高温加热后，其分子破裂而产生可燃气体(一般为CO、H2、CH4等的混合气体)、液体(焦油)及固体(木炭)的热加工过程。生物质热裂解液化是在中温(500～650℃)、高加热速率(104～105℃/s)和极短气体停留时间(小于2s)条件下，将生物质直接热裂解，产物经快速冷却，可使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前冷凝，从而得到高产量的生物质液体油(热解油)。此种技术分两步进行：第一步将纤维素(已预处理)用热砂快速加热，在循环流化床反应器中无氧存在的条件下加热到500℃，不到2秒，纤维素就被分解成富含氧的四到六个碳的有机小分子；第二步用复杂的三维催化剂催化分解含氧小分子，催化剂将氧原子从中移出并生成碳环，然后快速冷却，大约得到65％～75％(质量分数)的芳香烃分子(热解油)和少量不冷凝的气体(CO2、CO、H2O)与焦炭(可用作燃料)。
接着，再将热解油进行两段加氢除去氧和水，转化为运输燃料。其中第一段使氢和氧结合生成水，以蒸汽
形态脱除；第二段使热解油部分转化并改质为纤维素生物汽油。
3 第二代生物燃料的展望
生物燃料正在由第一代向第二展。第一代生物燃料的生产工艺已经较为成熟，美国、欧盟和巴西等一些国家已经形成了较完善的产业链。相反，目前第二代生物燃料的生产技术还未获得关键性的突破，大规模的商业化生产还有待时日。表1简要列举了两代生物燃料发展的特点对比。
目前第二代生物燃料的发展面临着生产技术与生产成本两大难题。就生产技术而言，在生产纤维素乙醇时，原料大多要经过强酸处理，以便从木质素中去除碳水化合物。经过酸处理的原料还要接受碱处理，目的是中止酸化过程。被水浸泡后木质素会被水稀释，不能直接用作燃料，除非人们把木质素与水分离，但这个过程要投入大量能源，势必增加生产成本；就生产成本而言，以秸秆为例，秸秆是向农民收购的，当没有生产纤维素生物燃料时，秸秆是农业废弃物可以轻易获取，但是一旦开始生产，农民就会向你要钱了，原料的价格很可能会随之上涨，势必会增加生产成本。
虽然第二代生物燃料的发展遇到了_一些阻碍，但毕竟只是刚刚起步。从长远来看，随着生物质资源的合理利用、相关技术水平的提高和产品生产规模的扩大，第二代生物燃料的成本将会逐渐降低，而石油等化石燃料价格出现大幅回落的可能性不大，第二代生物燃料有望成为具有成本优势的替代燃料之一。于是各国纷纷将目光转向第二代生物燃料的研究开发，其中，美国政府于2008年2月宣布提供为期4年总额为3380万美元的资助，重点开发将纤维素生物质转化为糖类的酶系统；英国政府于2007年“英国生物质战略”，提出要通过立法鼓励生物燃料领域的技术创新，支持第二代生物燃料的开发；中国政府也于2007年底启动了“纤维素乙醇的高温发酵和生物炼制”重大项目，重点用于突破木质纤维素生产燃料乙醇的技术瓶颈。
实际上，第二代生物燃料的原料多为富含纤维素、生长迅速的草本植物及其废弃物，若将英文汽油单词(gasoline)中前缀“gas”去掉，引入"grass”(草)就组成了一个形象生动的专有名词“草油”(grassoline)。随着各国在“草油”生产工艺中的大量投入，在未来5～15年生物质转换技术将逐步从实验室走向市场，使用第二代生物燃料为动力的汽车数量也将迅速增长，即将到来的“草油”时代必将从根本上改善我们的世界。
参考文献：
[1]魏学锋，张小云，易婕等.生物质燃料的开发利用现状与展望[J].节能，2004，(8)：14～17.
[2]仉磊，章晓庆译，将草炼成油[J].环球科学，2009，(8)：18～20.
纤维素乙醇范文3
【摘要】
目的优选黄芪总黄酮的提取工艺。方法用正交设计法探讨了影响纤维素酶法提取黄芪中总黄酮的主要因素，并确定了最佳提取工艺。结果纤维素酶法提取黄芪总黄酮的最佳工艺条件为:酶解时间为120 min，酶解温度为30℃，酶量为8 mg，pH值为4.5。结论此工艺简单可行，是一条提取黄芪总黄酮类物质的有效途径。
【关键词】 纤维素酶 黄芪 总黄酮 正交设计法
Abstract：ObjectiveTo opmtimize the extraction technics for total flavonoids from Astragalus. MethodsThe orthogonal design was conducted to investigate the main cellulose enzymatic extraction of total flavonoids from Astragalus and the best extraction technics was determined. ResultsThe optimum conditions cellulose enzymatic extraction of total flavonoids from Astragalus were as follows: enzymolysis time 120min， hydrolysis temperature 30 ℃， enzyme volume 8mg， PH value 4.5.ConclusionThis method is simple and feasible. It is an effective way for extraction of total flavonoids from Astragalis.
Key words：Cellulase; Astragalus; Total flavonoids; Orthogonal design
黄芪为豆科植物蒙古黄芪Astragalus Technology或膜夹黄芪Astragalus membranaceus的干燥根，具有补气固表、利尿托毒、排脓、敛疮生肌等功效。黄芪中的主要有效成分为多糖、皂苷和黄酮类化合物，其中黄酮类化合物主要包括毛蕊异黄酮(calycosin ) 及其糖苷芒柄花素 (formononetin)和芒柄花苷(ononion) 等［1］ 。研究证实黄芪中的黄酮类成分具有多种药理活性，具有清除氧自由基、抑制脂质过氧化、增强免疫力、抗病毒以及促进细胞增殖的作用［2～3］。
近年来，酶技术应用于中草药有效成分的分离提取取得了不少新的成果，尤其应用纤维素酶可破坏细胞壁的致密结构，加速药用有效成分的溶出，提高药用有效成分的提取率。酶解过程的实质是通过酶解反应促进传质过程。纤维素酶是一组能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称。纤维素是黄芪细胞壁的主要成分，亦是胞内黄酮等大分子溶出的主要屏障，利用纤维素酶水解细胞壁，利于胞内成分溶出［4～9］。但将纤维素酶应用于提取黄芪中总黄酮的研究鲜见报道。本实验将上海伯奥生物科技有限公司提供的绿色木酶（主要成分为纤维素酶，以下简称纤维素酶）用于黄芪总黄酮的提取，应用正交设计优化酶法提取黄芪总黄酮的工艺条件，探讨各因素对黄芪总黄酮提取率的影响，以期达到提高提取率、缩短提取时间、减少能耗和有效保存黄芪总黄酮的生物活性，并为植物酶技术在中药有效成分的提取方面的应用提供依据。
1 仪器与试剂
1.1 仪器
HH-6恒温水浴锅（江苏金坛市宏华仪器厂）；RE-52CS旋转蒸发器(巩义市英峪予华仪器厂)；予华牌循环水真空泵(河南省巩义市英峪予华仪器厂)；UV1101紫外/可见分光光度仪(上海天美科学仪器有限公司)；AY120电子分析天平（日本岛津公司）；KH-400KDB型高功率数控超声清洗器（昆山禾创超声仪器有限公司）；摇摆式高速中药粉碎机(大德中药机械有限公司)。
1.2 试剂
乙醇（无水乙醇）；5%亚硝酸钠；10%硝酸铝；4%氢氧化钠；乙酸（冰醋酸）；无水乙酸钠；芦丁对照品（中国药品生物制品检定所，批号:050923）， 黄芪购自广州致信中药饮片有限公司，纤维素酶 (活性单位≥15 U／mg)由上海伯奥生物科技有限公司提供。
2 方法与结果
2.1 黄芪总黄酮成分提取
称取纤维素酶8 mg，用pH=4.5的HAc-NaAc缓冲液10 ml混合后与1g黄芪粉末（过50目筛）混合均匀，在30℃ 下处理1 h后加95％ 的乙醇20 ml，在70℃ 下浸提1 h过滤，用20 ml体积分数85％ 的乙醇洗涤残渣过滤，合并滤液，回收乙醇，残渣溶于质量分数为85%的乙醇，定容至25 ml，精密吸取1 ml于25 ml的容量瓶中，30%乙醇定容，得供试品溶液。
2.2 黄芪总黄酮含量的测定
2.2.1 芦丁对照品溶液的制备
准确称取于芦丁对照品10 mg， 置于50 ml 容量瓶中， 加30%的乙醇30 ml， 超声使之溶解， 冷却至室温， 并稀释至刻度， 摇匀， 得浓度为200 μg/ml 的芦丁对照品溶液， 冷藏， 备用。
2.2.2 吸收波长的选择
对照品测定波长的确定：取对照品溶液1 ml，按标准曲线项下的方法进行，在400～700 nm波长范围内扫描，结果在500 nm波长处为最大吸收。样品测定波长的确定：取样品的乙醇提取液1 ml，按标准曲线项下的方法进行，在400～700 nm波长范围内扫描，结果在500 nm波长处有最大吸收。
2.2.3 标准曲线制备
精密称取芦丁对照品溶液0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 ml分别至25 ml容量瓶中，分别加入5%亚硝酸钠溶液0.3 ml，摇匀，放置6 min，加入10%硝酸铝溶液0.3 ml，放置6 min，加入1 mol氢氧化钠溶液4 ml，分别用30%的乙醇定容，放置15 min，置比色皿中，在500 nm波长处测定吸光度。以吸光度A为纵坐标，浓度C为横坐标，绘制标准曲线。经回归统计，得标准曲线方程：A=0.010 9C-0.001 3，r=0.999 8。浓度在0～400 μg/ml范围内与吸光值线性关系良好。
2.3 黄芪中总黄酮提取率的测定
取黄芪中总黄酮提取液用紫外分光光度计于500nm下测出吸光度A代入以下回归方程式及下列公式，计算出黄芪中总黄酮的提取率。 提取率（%）=（C×V×10-6）W，式中V为定容体积（ml），W为黄芪药粉质量（g），C为黄芪提取液浓度（μg/ml）。
2.4 单因素实验及正交实验酶法提取的整个工艺分为酶解和浸提两部分，准确称取黄芪1g，加入缓冲溶液和一定比例的酶，黄芪经酶解后在相同的条件下浸提，过滤，按标准曲线方法测定吸光度。
2.4.1 考察酶解温度对总黄酮提取率的影响
称取纤维素酶8 mg，用pH=4.5的HAc-NaAc缓冲液10 ml混合后与1 g黄芪粉末（过50目筛）混合均匀，分别在30，35，40，45，50，55℃ 下处理1 h后加95％ 的乙醇20 ml，在70℃ 下浸提1 h过滤，用20 ml体积分数85％ 的乙醇洗涤残渣过滤，合并滤液，回收乙醇，残渣溶于质量分数为85%的乙醇，定容至25 ml，精密吸取1 ml于25 ml的容量瓶中，30%乙醇定容，按标准曲线操作测定总黄酮含量。绘制单因素图见图1。由于一般纤维素酶的活性多在40～60℃较好，因此考察酶解温度为30，40，50，60，70℃对黄芪中总黄酮提取率的影响。由图1可知，在40℃以下总黄酮的提取率随温度的升高而增大，温度为40℃时，黄芪总黄酮提取率最大，随后温度进一步升高黄芪总黄酮收率逐渐减小，温度在60℃，70℃时提取率稳定，趋向一致。这是因为40℃时纤维素酶发挥最大活性，有利于黄酮类化合物的溶出，提高黄芪总黄酮提取率。而温度进一步提高，则不利于酶活力的发挥，温度过高会使酶蛋白变性失活，丧失催化能力，因而提取效果变差。
2.4.2 考察酶解时间对总黄酮提取率的影响
称取纤维素酶8 mg，用pH=4.5的HAc-NaAc缓冲液10 ml混合后与1 g黄芪粉末（过5目筛）混合均匀，在45 ℃下分别处理30，60，90，120，150 min后加95％ 的乙醇20 ml，在70℃下浸提1 h，过滤定容方法同上，单因素图见图2。从图2中可知，随着酶解时间的延长，总黄酮的提取率也随着提高，当酶解2 h即可达到最佳效果，在2 h之前，延长酶解时间可明显提高总黄酮提取率，但在2.5 h实验时的总黄酮的提取率仅比2 h略高，说明酶解已经基本完成，没有再增加酶解时间的必要。
2.4.3 考察酶用量对总黄酮提取率的影响
分别称取纤维素酶4，6，8，10，12 mg，用pH=4.5的HAc-NaAc缓冲液10 ml混合后与1g黄芪粉末（过5目筛）混合均匀，在45℃下处理1 h后加入95%的乙醇20 ml，在70℃ 下浸提1 h。过滤定容方法同上，其单因素图见图3。由图3可看出，在酶用量在8 mg之前，随着酶用量的增大，总黄酮的提取率逐步提高，酶用量到8 mg之后，总黄酮的提取率上升趋势不明显。纤维素酶用量对酶解用一定的影响，在一定的酶浓度范围内，随着酶量的增加，纤维素酶解率增大。由于一定量的纤维素在一定条件下，纤维素分子能和酶分子结合的结合点数有限当这些结合点全部被纤维素酶分子占据后，再增加纤维素酶用量，起不到酶解作用，而从经济角度考虑，酶用量也要尽可能的少。因此最佳的酶用量为8 mg。
2.4.4 正交实验上面讨论了各单因子的影响，但是在实际的操作中，各因素是相互交差影响的。因此，为全面考查影响因素，设计了4因素3水平正交实验，结果见表1～2。从表2的K值和极差R值可以看出，在4个影响总黄酮提取率的因素中，影响顺序为：酶解温度（B）＞酶量（C）＞酶解时间（A）。其中A3B1C3为最佳优化条件，即酶解时间为120 min，酶解温度为30℃，酶量为12 mg，pH值为4.5。经测定，在此最优工艺条件下，黄芪中总黄酮的提取率为0.402%。比较初步优化和正交优化的结果可以看出，两者的条件基本不同。原因可能在于4个主要因素相互影响，有相互作用。表1 正交实验的因素及水平，表2 酶法提取黄芪中总黄酮的正交实验结果（略）。
3 讨论
实验结果表明，酶解时间的延长、酶量的适当加大、适当的温度和pH值有利于提高黄芪有效成分提取率。各因素对总黄酮的提取率的影响大小次序先后为：酶解温度＞酶量＞酶解时间。各因素的优化工艺参数为：A3B1C3，即酶解时间为120 min，酶解温度为30℃，酶量为12 mg，pH值为4.5。在此最优工艺条件下，黄芪中总黄酮的提取率为0.402%。如“2.4.3”项结果，在本实验参数的基础上，为了获得较高的提取率、节省酶用量，酶用量取8 mg。此工艺简单可行，是一条提取黄芪总黄酮类物质的有效途径。
纤维素酶是一组能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称。黄芪细胞的细胞壁主要由纤维素构成，纤维素酶可以将其水解为葡萄糖，使其内容物更容易被提取出来。纤维素酶只是破坏黄芪细胞的细胞壁，其细胞内部物质并不含有纤维素类物质，因此纤维素酶对其内容物的成分没有任何影响。中草药种类繁多，有效成分结构复杂。为了提高中草药有效成分的提取率，可应用酶法提取中药有效成分。随着酶技术在中草药有效成分提取方面研究的不断深入，应用纤维素酶、果胶酶以及复合酶提高中草药药用有效成分的提取率，将成为充分利用中草药资源的有效途径，酶技术必将在中药现代化进程中发挥重要作用。
参考文献
［1］姚美村，齐莹，毕开顺，等.黄芪药效物质基础研究［J］.中国野生植物资源，2000，19(2): 361.
［2］汪德清，田亚平，宋淑珍，等.黄芪总黄酮抗突变作用实验研究［J］.中国中药杂志，2003， 28(12):1164.
［3］汪德清，田亚平， 宋淑珍，等.黄芪总黄酮生物学活性作用的化学成分基础研究［J］.军医进修学院学报，2006，1:13.
［4］余洪波，张晓昱.酶法在中药提取中的研究进展［J］.中成药，2005，27（5）：591.
［5］施英英，薛赔俭，夏黎明.酶法提取葛根渣中异黄酮的研究［J］.林产化学与工业，2006，26（1）：62.
［6］奚奇辉，李士敏.纤维素酶在竹叶总黄酮提取中的应用［J］.中草药，2004，35（2）：166.
［7］王敏，高锦明，王军，等.苦荞茎叶中总黄酮酶法提取工艺研究［J］.中草药，2006，37（11）：1645.
纤维素乙醇范文4
关键词：麦草；乙醇提取；木质素；汽爆；红外光谱
中图分类号：S543；TQ914．1 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2012）06－1228-04
Study on the Extracting Technology of Lignin from Wheat Straw by Organic Solvent
TIAN Yi－hong，LI Da－chen，GONG Da－chun
（College of Chemistry and Life Science，Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China）
Abstract： Lignin was extracted by organic solvent from exploded wheat straw， purified by Bj?rkman method and analyzed by Infrared spectrometry（IR）． The extraction conditions were optimized by orthogonal experiment． The results indicated that the optimum extraction conditions were， volume ratio of ethanol， 30％（containing 1g／L NaOH）； Reaction temperature， 160 ℃； Reaction time， 15 min． The yield of crude lignin reached 35．26％． IR results showed that the obtained lignin contained 3 basic structures， guaiacyl（G）， syringyl （GS） and p－hydroxyphenyl（H）． The active groups were well reserved and would be the idea material for synthesis of other chemical materials．
Key words： wheat straw； ethanol extraction； lignin； steam exploded； IR
木质素是一类由苯丙烷单元通过醚键和碳－碳键连接的复杂的无定形高聚物［1］。在植物体内木质素与纤维素、半纤维素等一起构成超分子体系，木质素作为纤维素的粘合剂，能增强植物体的机械强度［2］。分解后的木质素单体及其二聚体可转化为有工业意义的化学品，如被誉为香料之王的香草醛，具有较强的抗氧化、抗菌活性和一定抗肿瘤作用的香草酸，以及阿魏酸、苯酚类物质等［3，4］。
木质素分离提取的方法，大致可分为两大类：一类是将木质素以外的成分溶解，木质素作为不溶物质沉淀下来；另一类是利用有机溶剂将木质素溶解，从而使木质素与纤维素分离，得到木质素［5］。
作为木质素提取的新方法的有机溶剂法主要是利用有机溶剂（或和少量催化剂共同作用）良好的溶解性和易挥发性，分离、水解或溶解植物中的木质素，使得木质素与纤维素充分、高效分离。整个提取过程形成一个封闭的循环系统，可以通过蒸馏法来回收有机溶剂，反复循环利用，无废水或只有少量废水排放，得到的高纯度木质素是良好的化工原料，也为木质素资源的大规模开发利用提供了一条新途径。
汽爆处理可以回收半纤维素，而木质素仍残留在纤维素固体材料中，汽爆过程使木质素结构中的α－丙烯醚键和部分β－丙烯醚键裂开，使乙醇更易提取出木质素［6］。使用有机溶剂分离纤维素、半纤维素、木质素与现有的碱法或酸法相比有许多优势：①使用真空干燥，可以使萃取物与溶剂较为快速有效地分离；②萃取液可以通过冷凝回收循环使用，减少了污染物的排放；③使用有机溶剂使提取环境相对温和，对木质素的变性程度较少，便于后续的化学改性的实施。
采用有机溶剂提取的方法从汽爆麦草中有效提取木质素，并结合红外光谱分析手段研究其结构特征，以期通过对木质素结构的研究来开发高附加值的木质素产品。
1 材料与方法
1．1 材料
汽爆麦草（爆破温度220℃，爆破压力1MPa），购自河南天冠集团，由三峡大学艾伦・麦克德尔米德再生能源研究所保存。
1．2 方法
1．2．1 汽爆麦草组分分离工艺 汽爆麦草组分分离工艺流程见图1。
1．2．2 原材料的成分分析 将汽爆麦草过40目筛，于60℃烘干至恒重后存放于干燥器中备用。用Kett 610型水分测定仪测定其含水率。应用VELP Raw Fiber Extractor纤维素测定仪［7］测定原料中纤维素、半纤维素、木质素质量分数。
1．2．3 汽爆材料的水提 称取5 g汽爆麦草，加去离子水100 mL，混合加热到一定温度（25～100 ℃），边加热边搅拌，保温一段时间（5～60 min）后进行抽滤，重复以上步骤4～5次，抽滤后定容为100 mL，利用DNS法在480 nm测定水提液中木糖浓度［8］。木糖得率＝提取的木糖质量／［汽爆麦草的质量（1－w）］，w为汽爆麦草含水率。
1．2．4 木质素的有机溶剂萃取分离 取水提过的汽爆麦草干燥残渣作原料，按照固液比1∶50（m／V，g∶mL，下同）加入一定体积分数的乙醇溶液（含1 g／L NaOH）于高压反应釜中进行反应。反应全部完成后通冷凝水冷却、离心。滤渣水洗至中性后烘干，即得纤维素。滤液在40 ℃真空旋转蒸发至浑浊，回收乙醇以便再利用。因木质素在酸性条件下可沉淀，用3 mol／L的HCl调pH至2．5～3．0，使滤液在搅拌下絮凝。取一张烘干至恒重的滤纸，将絮凝混合液用该滤纸过滤，所得固体与滤纸一起烘干至恒重后称其总质量，减去滤纸质量后，用于计算木质素得率。木质素得率＝木质素质量／水洗后麦草干渣质量×100％。试验过程中使固液比（1∶50）及乙醇溶液中NaOH浓度（1g／L）保持恒定，采用正交设计的方法，着重考察乙醇体积分数、反应温度、保温时间对木质素得率的影响。
1．2．5 木质素的提纯方法（Bj?rkman法）［9］ 将粗木质素水洗风干后溶解于体积分数为90％的乙酸溶液中，3 500 r／m离心15 min除去沉淀杂质。然后将上清液转移到去离子水中使木质素析出沉淀，经离心后用去离子水水洗沉淀至无醋酸气味后进行自然风干，再将其溶解于1，2－二氯乙烷/乙醇（2∶1，V／V，下同）溶液中，离心除去沉淀不溶物，然后在溶液中加入乙醚使木质素析出，经离心得到木质素沉淀，用去离子水水洗3次，经真空干燥后得纯化后的木质素。
1．2．6 木质素红外光谱分析方法 采用KBr压片法：称取纯化后的木质素试样2 mg和KBr 300 mg一起研磨，在红外光谱仪中扫描，扫描波长范围为370～4 000 cm－1得到红外光谱图。
2 结果与分析
2．1 汽爆麦草中各组分质量分数分析
利用VELP Raw Fiber Extractor纤维素测定仪测得试验中所用不同处理方法得到的麦草中半纤维素、纤维素、木质素的质量分数如表1所示。由表1可见，麦草经汽爆处理后，原料中半纤维素、纤维素和木质素均发生不同程度地降解。水洗后的汽爆麦草与未洗的汽爆麦草相比各组分均呈增加趋势，主要是因为水洗除去了大部分可溶性物质，如汽爆过程中产生的木糖、葡萄糖、甲酸、乙酸、乙酰丙酸、羟甲基糠醛和糠醛等。乙醇萃取后的汽爆麦草的纤维素质量分数很高，主要原因是大部分有机溶剂型木质素及部分可溶于乙醇的物质被提取了出来。
2．2 汽爆麦草中各水洗因素对木糖去除效果的影响
由表1可见，汽爆麦草的半纤维素很大一部分被水解，同时还产生了很多可溶于水的化学物质，因此进行水洗既可以回收糖类等供微生物利用，还可以将残留的半纤维素和木质素除去。水提液中的物质主要来自于半纤维素，由于具有部分木质素和色素而使水提液呈现黄褐色。各种水洗因素对木糖去除效果的影响可以通过观察木糖得率得到，见图2至图5。
从图2可以看出，当固液比为1∶30时木糖得率最高。从图3可以看出，提取温度过低木糖得率很低，随着提取温度的上升木糖得率提高，当提取温度为100 ℃时，木糖得率略有下降，可见并非提取温度越高越有利于木糖的提出。从图4可以看出，随着提取时间的增长，木糖得率在上升。然而，经15 min提取后木糖得率上升缓慢，由此可见经15 min提取即可有效地提出木糖。从图5可以看出，随着提取次数的增多，木糖得率在上升，但经2次提取后木糖得率上升缓慢，可见经2次提取即可达到较理想的效果。综上所述，汽爆麦草在固液比为1∶30，85 ℃热水提取2次，每次提取15 min，木糖得率较高，达到1．51％，可以有效地去除木糖。
2．3 乙醇提取木质素的最佳工艺条件的获得
采用NaOH为催化剂，用乙醇提取木质素，木质素得率受到保温时间、乙醇体积分数和反应温度等多种因素的共同影响，通过正交设计方案进行试验以期获取最佳工艺条件，因素与水平见表2，试验结果如表3所示。
从表3的直观分析和极差分析的结果可知，保温时间以及反应温度对木质素得率的影响较大，具有显著性。乙醇体积分数对木质素得率的影响很小，乙醇主要发挥溶剂的作用［8］，乙醇提取木质素的最佳工艺条件为乙醇体积分数30％，反应温度160 ℃，保温时间15 min，并以1 g／L NaOH作为反应催化剂，这时木质素得率高达35.26%，且生产效率最高，成本最低。
2．4 纯化后的木质素的红外光谱分析
提取的木质素中含有部分降解的木质素、色素和糖，采用Bj?rkman法纯化，加入体积分数为90％的乙酸溶液主要去除糖类物质，加入1，2－二氯乙烷/乙醇是为了去除色素和部分降解的木质素［9］，经纯化的木质素，仍含有少量糖。本试验中纯化后的木质素产品经KBr压片后所测红外光谱图见图6，木质素分子结构中的特征基团在红外光谱上有明确的特征峰。
从木质素红外光谱图（图6）可以看出，在3 400 cm－1附近有宽而强的峰，这是－OH中氢键伸缩振动峰，2 935 cm－1为C－H的伸缩振动峰。木质素各官能团的特征吸收主要集中在800~1 800 cm－1的指纹区，将它们的主要吸收峰位置及峰的归属列于表4。
从图6及表4可见，1 328（紫丁香基的C－O伸展振动）、1 260～1 270（愈创木基甲氧C－O伸展振动）和1 032（愈创木基振动）cm－1处有吸收峰，表明乙醇提取的木质素含有愈创木基和紫丁香基结构；同时，在1 167cm－1处也有明显地吸收，此为酯键中C－O－C伸展振动，由此说明所得木质素含有酯基结构［10］。由以上分析结果可知，本试验提取出的木质素含有的3种基本结构为愈创木基、紫丁香基和对－羟基苯丙基。乙醇提取出的木质素在结构上较好地保留了各种活性基团，而且活性基团含量丰富，有望成为合成其他化工方面材料的理想原料。
3 结论
采用有机溶剂法对汽爆麦草中木质素的提取工艺进行了探索，通过正交试验分析提出了合适的提取方法以及最优的工艺条件，并对木质素产品的结构进行了表征。
1）汽爆不但能有效地回收半纤维素，而且使木质素软化和部分断裂，使乙醇更易提取出木质素。
2）汽爆渣在固液比为1∶30，85℃热水提取2次，每次提取15min时木糖得率达到1．51％，可以有效地去除木糖。
3）采用有机溶剂法提取木质素的最佳工艺条件为乙醇体积分数30％，反应温度160 ℃，保温时间15 min，并取1 g／L NaOH作为反应催化剂，此时木质素得率最高达35．26％。
4）木质素经纯化后利用红外光谱分析检测，发现于此条件下所提取出的木质素含有3种基本结构，为愈创木基、紫丁香基和对－羟基苯丙基，它们在结构上较好地保留了各种活性基团，有望成为高分子材料改性的绿色原料。
5）乙醇提取木质素具有环保节能、对木质素的活性基团影响小的优点，试验中乙醇回收率可达80％，并且可以回收再利用。
参考文献：
［1］ 高 洁，汤烈贵．纤维素科学［M］． 北京：科学出版社，1999．
［2］ 邱卫华，陈洪章． 木质素的结构、功能及高值化利用［J］． 纤维素科学与技术，2006，14（1）：52－59．
［3］ 孙 勇，李佐虎，陈洪章．木质素综合利用的研究进展［J］．纤维素科学与技术，2005，13（4）：42－48．
［4］ 廖俊和，罗学刚． 有机溶剂法提取木质素最新研究进展［J］． 林产化工通讯，2004，38（3）：20－24．
［5］ 苏同福，高玉珍，刘 霞，等． 木质素的测定方法研究进展［J］． 河南农业大学学报，2007，41（3）：356－362．
［6］ 陈洪章，李佐虎． 木质纤维原料组分分离的研究［J］． 纤维素科学与技术，2003，11（4）：31－40．
［7］ 曾 晶，龚东平，龚大春，等． 木质纤维素分级处理工艺［J］． 湖北农业科学，2009，48（1）：164－167．
［8］ 王文岭，黄雪松． DNS法测定木糖含量时最佳测定波长的选择［J］． 食品科学，2006，27（4）：196－198．
纤维素乙醇范文5
生物燃料乙醇是以淀粉质(玉米、小麦、薯类等)、糖质(甘蔗、甜高粱茎秆)等为原料，经发酵、蒸馏制成乙醇。脱水后再添加变性剂(车用无铅汽油)变性的无水乙醇。它不是一般的酒精。而是它的深加工产品。燃料乙醇既可以直接替代汽油等化石燃料，又可按照一定的比例与汽油混合，作为汽油的增氧剂和高辛烷值调和组分。在汽油中加入一定比例的燃料乙醇(称为车用乙醇汽油，加入比例通常为10％，简称E10)，可显著降低汽车尾气排放的污染物，既有利于减少对进口能源的依赖，保障国家能源安全，又有利于增加农民收入和提供就业机会。
上个世纪末，在粮食相对过剩的条件下，我国开始利用陈化粮制取生物燃料乙醇。“十五”期间，国家投资50余亿元，批准4个示范工程。分别在黑龙江省(年产20万吨)、吉林省(年产60万吨)、河南省(年产30万吨)和安徽省(年产6万吨)，以陈化粮为原料生产燃料乙醇，并由石油部门调合成车用乙醇汽油按国家标准10％的添加比例，在9省进行推广。车用燃料乙醇汽油销量达到1000万吨左右，占当年全国汽油消费量的20％左右。
综合分析国家发展改革委能源研究所、国际能源署(IEA)、美国能源部(EAI)和欧佩克(OPEC)等机构的研究结果表明，2010年和2020年中国汽油需求量分别为0.60亿吨～0.66亿吨和0.86亿吨～1.10亿吨。如果按照10％的添加比例计算，预测到2010年，燃料乙醇需求量为600万吨～660万吨；2020年为860万吨～1100万吨，未来需求潜力很大。
国家可再生能源中长期发展规划中提出“到2010年，增加非粮原料燃料乙醇年利用量200万吨。到2020年，生物燃料乙醇年利用量达到1000万吨”。但是，目前我国对于发展燃料乙醇还存在着不同声音，认为挤占了耕地和粮食。特别是美国利用玉米发展燃料乙醇产业，引起国际相关农产品价格不断上涨等问题，更是引起了人们的警觉。我国发展生物燃料乙醇产业，必须研究和思考原料来源、技术成熟度等相关条件。
燃料乙醇原料来源分析
我国可用于生产生物燃料乙醇的主要原料来源包括粮食(玉米)、薯类(木薯、甘薯)、甜高粱茎秆、甘蔗及农作物秸秆等。我国人多地少，耕地资源紧缺，粮食供需处于紧平衡，以玉米为原料的燃料乙醇发展空间受到极大的限制，原料多元化势在必行。以玉米等谷物类作物为原料生产燃料乙醇。弱化了传统的玉米食物属性，增强了工业属性。如果消耗过多的玉米生产燃料乙醇，在中国人多地少的国情下，势必会挤占用于生产食物的耕地面积；另一方面是与畜争粮，抬高玉米市场价格，增加饲料成本，对养殖业发展将产生连锁反应，所以应严格限制玉米等粮食作为生产燃料乙醇的原料。以甘蔗为原料生产燃料乙醇具有单位土地面积产量高、生产成本较低、化石能源替代效益较为显著等优点，但由于我国食糖的长期供需形势趋紧，也不宜作为主要发展方向。应在确保国家粮食安全基础上，坚持“不与民争粮、不与粮争地”的原则，开发利用盐碱地、荒山和荒地等后备土地资源，采取提高单产及间套作等措施，因地制宜地种植薯类(木薯、甘薯)、甜高粱等非粮能源作物，为燃料乙醇提供原料。
不同的非粮燃料乙醇原料特性见表1。
利用后备土地资源发展燃料乙醇前景分析
后备土地资源是指在一定自然、技术、经济、生态环境下可以开发利用但目前尚未利用的土地资源。据2002年度全国土地利用变更调查显示，如果把未利用或未充分利用的土地资源如苇地和滩涂以及未利用地中的荒草地、盐碱地、沼泽地、裸土地和其他未利用土地都作为后备土地资源，其面积可达8873.99万公顷，占全国土地总面积的9.33％。其中，根据2000～2003年国土资源部在新一轮国土资源大调查中进行的全国耕地后备资源调查评价，我国有集中连片、具有一定规模的耕地后备资源734.4万公顷，仅为后备土地资源的8.28％。其中，可开垦耕地701.66万公顷，可复垦土地32.72万公顷。
根据我国耕地后备资源的面积、类型、光热条件，可将全国的耕地后备资源划分为8个区域。考虑到生态环境保护、耕地动态平衡、城镇化以及能源作物的适应性和增产等因素，采取分步骤实施的开发策略，设定2010年开发10％的后备耕地、2020年最大开发50％，则2010年我国非粮能源作物燃料乙醇生产能力约为255万吨，2020年约1355万吨(见表2)。
当然。这部分土地多数位于我国西北部。由于受到热量条件、水资源条件、风沙盐碱等条件限制，开发利用的成本较高。此外，上述后备耕地资源是目前经济技术条件下可供开发利用的。随着科学技术和现代工业交通运输业的发展。土地开发成本是可以逐步降低的；或由于土地产品需求增加，价格上涨。而使经济效益提高，可以使原来利用不够经济的土地变成比较经济，从而增加了土地的经济供给量。所以，后备土地资源的经济供给量是动态变化的、有弹性的。
提高能源作物单产发展燃料乙醇前景分析
木薯
目前，我国广西木薯种植的主要品种是上个世纪30、40年代引进的南洋红，约70％木薯种植面积使用该品种，由于种植时间长。该品种退化严重，产量低。2005年，广西木薯平均产量为1.2吨～1.3吨／亩，同国际上平均产量最高的国家――印尼的1.6吨／亩相比，产量低1／4。如果引进推广优良新品种以及配套的栽培管理技术，亩产可达3吨～5吨。而且提高了淀粉含量。以广西为例。2010年如果亩产达到2吨。可年新增燃料乙醇产能75万吨；2020年如果亩产达到3吨。可年新增燃料乙醇产能222万吨。
甘薯
我国是世界第一大甘薯种植国，甘薯常年种植面积保持在700万公顷左右，甘薯总产1.5亿吨，占世界总产86％。虽然我国甘薯的种植面积和产量均居世界首位，但甘薯的加工业发展却很缓慢。如果将30％的甘薯用作生产燃料乙醇．目前可生产燃料乙醇450万吨。目前，我国甘薯亩产仅在1.5吨左右。通过培育推广高淀粉含量新品种以及配套的栽培管理
技术，亩产可达3吨～5吨。2010年如果亩产达到2吨，可年新增燃料乙醇产能150万吨；2020年亩产达到3吨，年新增燃料乙醇产能450万吨。
替代种植发展燃料乙醇前景分析
我国高粱种植面积较低，而且甜高粱亩产籽粒达200千克～400千克。略低于普通高粱产量。因此，利用现有高粱土地种植甜高粱对粮食生产不会有太大的影响。2005年我国高粱种植面积为57万公顷。2010年按10％的甜高粱替代率计算，新增甜高粱茎秆乙醇产能为22万吨；2020年按50％的甜高粱替代率计算，新增甜高粱茎秆乙醇产能为112万吨。
综上所述，利用后备土地资源种植非粮能源作物，提高木薯、甘薯等能源作物的单产以及替代种植等方式，2010年燃料乙醇的可供应量约500万吨，2020年燃料乙醇的可供应量约2000万吨。可以满足近期发展需求。
生物燃料乙醇技术评价
生物燃料乙醇是通过发酵法生产的，即利用微生物的发酵作用将糖分或淀粉转化为乙醇和CO2，也可将纤维素类水解生成单糖后再发酵产生乙醇。用于发酵法制取燃料乙醇的原料，按成分分为三种：糖质、淀粉质和纤维素，后两种原料均需要先通过水解得到可发酵糖；按照发酵过程物料存在状态，可分为固体发酵法、半固体发酵法和液体发酵法；根据发酵醪注入发酵罐的方式不同，可分为间歇式、半连续式和连续式。
糖质原料制取乙醇技术是以甘蔗、甜高粱茎秆为原料，经过物理方法预处理后，采用发酵蒸馏的方法生产燃料乙醇淀粉质原料制取乙醇技术是以玉米、木薯、甘薯等淀粉含量高的生物质为原料。经过粉碎、蒸煮和糖化后，形成可发酵性糖。再进行发酵处理，得到燃料乙醇的技术；纤维素原料制取乙醇技术是以秸秆为原料，经过物理或化学方法预处理，利用酸水解或酶水解的方法将秸秆中的纤维素和半纤维素降解为单糖，然后，再经过发酵和蒸馏生产的燃料乙醇的技术。
三种不同生产工艺技术的特性对比见表3。
目前。我国淀粉类原料发酵法制取乙醇技术比较成熟，并已经进行了工业化生产，中粮集团正在广西北海建设年产20万吨燃料乙醇项目。我国在甜高粱、木薯等能源作物开发和利用方面取得了一定成绩，自主开发的固体、液体发酵工艺和技术达到应用水平，并在黑龙江省建成年产5000D屯的甜高粱茎秆生产乙醇示范装置。但是，目前还存在着发酵菌种培育、关键工艺和配套设备优化、废渣废水回收利用等问题。
据测算，我国农作物秸秆年产量约6亿吨。其中有1.5亿～2亿吨可能源化利用。纤维素原料来源比较丰富，有一定的发展前景。国际能源公司都在竞相改进将纤维素转化为乙醇的技术。但由于技术上的限制，目前世界上还没有一家纤维素乙醇制造厂的产量达到商业规模。我国也正在开展纤维素制取燃料乙醇的技术研究开发。中粮黑龙江肇东酒精有限公司、安徽丰原集团、山东龙力科技有限公司等建立了千吨级纤维素乙醇中间试验装置。
纤维素乙醇范文6
Abstract: Advances of domestic and overseas biomass fuel ethanol is outlined in this paper. Having evaluated its economic， energy， environmental and social benefits， thereafter its importance as a part of Chinese energy strategy had been confirmed. Finally， a feasible scheme for fuel ethanol production from biomass in large scale is suggested， used for reference.
Key words: Syngas; Ethanol; Cellulose; Catalyst
全球变暖、化石能源日渐消耗……引发了人们对新型、可再生能源的深刻思考。如巴西、美国、中国等国正积极开发、利用生物质燃料乙醇生产技术。但如果一如既往以大量粮食生产燃料乙醇势必和人“争食”、“争地”，造成人类生存隐患，走“非粮”路线是大势所趋。其中，纤维素地球贮量丰富，其能量来自太阳，通过光合作用固定下来，取之不尽，用之不竭，各国正如火如荼地进行着相关研究 [1-5]。本文分析了燃料乙醇发展经济、能源、环境、社会效益，肯定了其能源战略地位，提出几条实现我国生物燃料规模化生产的可行性建议以资借鉴。
1 国内外燃料乙醇发展概况
目前面临化石能源危机，一些农产品丰富的国家正大力发展乙醇汽油供应市场。巴西从1975年开始实施“燃料乙醇计划”，以其富产甘蔗为原料，目前已形成1000多万吨产能，替代了1／3车用燃料。为推广燃料乙醇，美国制定了积极的经济激励政策，计划从2006年至2012年，可再生能源燃料年用量从1200万吨增加到2300万吨。日本重点研究利用农、林废弃物等植物纤维素制备燃料乙醇。欧盟、加拿大、菲律宾、墨西哥等国也在在积极进行着相关研究 [1]。
目前，中国是继巴西、美国之后全球第三大生物燃料乙醇生产和消费国。“十一五”期间将生产600万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇500万吨。实践证明我国过去以粮食为原料生产燃料乙醇，不符合国情，探索非粮能源资源是大势所趋 [1]。全国相关研究正如火如荼进行着，呈现一派“百花齐放，百家争鸣”的景象。特别是筹建中的中国科学院青岛生物能源与过程研究所，顺应时代潮流而生，肩负历史、国家使命，是集中力量办大事的“国家队”。
2 中国能源战略
随着全球变暖和化石能源消耗，人们对新型替代能源--乙醇的关注度日益上升，正成为许多国家新能源政策的重要组成部分。以此为契机，8年前中国上马了燃料乙醇项目，也意在解决过剩陈化粮问题。经过1999-2005几年间不懈努力，国家首批4家燃料乙醇定点生产企业完成了规划建设的102万吨产能，基本实现了“十五”提出的“拉动农业、保护环境、替代能源”三大战略目标。然而我国人口众多，人均耕地少，用大量粮食生产燃料乙醇必然要和人“争食”、“争土地”，造成人类生存空间越来越小，不符合我国国情。因此，2006年12月国家发改委和财政部联合下发了《关于加强生物燃料乙醇项目建设管理、促进产业健康发展的通知》要求生物燃料乙醇项目建设需经国家投资主管部门核准，未经国家核准不得增加产能 [1-5]。
在规划实施中，国家采取国际通行做法，对燃料乙醇生产给予财政补贴和产业政策扶持。财政补贴额逐年减少，2007年每生产一吨燃料乙醇国家给予1373元补贴，到2008年底将采取弹性补贴方式以尽可能避免企业亏损 [1]。未来工作依据是国家《生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划》，其总体思路是积极培育石油替代市场，促进产业发展；根据市场发育情况，扩大发展规模；确定合理布局，严格市场准入；依托主导力量，提高发展质量；稳定政策支持，加强市场监管。其基本原则有7条：因地制宜，非粮为主；能源替代，能化并举；自主创新，节能降耗；清洁生产，循环经济；合理布局，留有余地；统一规划，业主招标；政策支持，市场推动 [1]。“十一五”期间我国将生产600万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇500万吨。这一产量的制定主要取决于全国用于非粮生产的盐碱地和荒地面积 [1]。并且国家将继续实行生物燃料乙醇“定点生产、定向流通、市场开放、公平竞争”的相关政策 [1]。
3 燃料乙醇效益
燃料乙醇是通过对乙醇进一步脱水，再加上适量变性剂制成。目前，中国试点推广的E10乙醇汽油是在汽油中掺入10％纯度达99.9％以上的乙醇制成 [2]。简而言之，燃料乙醇发展实现了“十五”规划中提出的“拉动农业、保护环境、替代能源”三大战略目标 [1]，不仅部分解决了汽油紧张，拉动了大宗农产品的消费，为农民增加了收入，也促进了国家可持续发展战略。乙醇燃烧值仅为汽油2/3，但其分子中含氧，抗爆性能好，取代传统MTBE为汽油抗爆、增氧添加剂，避免了其毒害性 (致癌，地下水污染)，具有优良能源、环保效益。如汽油中乙醇添加量≤l5％时，对汽车行驶性能无明显影响而尾气中温室气体含量降低30％-50％。添加10％，其辛烷值可提高2-3倍，还可清洁汽车引擎，减少机油替换使其动力性能增加 [3]。事非偶然，联合国工业发展组织就在维也纳乙醇专题讨论会上提出：“乙醇应该被当作燃料和化工原料永久的和可供选择的来源” [3]。
4 燃料乙醇生产原料
一次能源必将耗竭，研究、开发可再生能源势在必行。以混配乙醇汽油 (E10乙醇汽油) 为例，每用1000万吨就可节省1O0万吨汽油，而要提炼这些汽油至少需要300万吨原油，足见乙醇的能源战略地位 [1]。
燃料乙醇生产原料主要有玉米 (美国)、甘蔗(巴西)、薯类、谷类等。不同原料全生命周期的能量效益也不同，由高到低依次是甜甘蔗、甜高梁 > 木薯 > 玉米、小麦。如巴西甘蔗能量比达到1︰8以上，玉米、小麦等粮食作物及木薯、甘薯大约是1︰1.3～1.4，产生正效益 [1]。然而以粮食为原料，势必与人“争粮”、“争地”，利用非粮资源是大势所趋。非粮资源包括木薯、甘薯、甜高梁，还有大量粮食作物秸秆，农业、工业、生活废料等纤维素、半纤维素、木素及其它可用生物有机质资源。其中，纤维素是地球上贮量最丰富的有机物，其能量来自太阳，通过植物光合作用固定下来。每年地球上由光合作用生成的植物体总量达1.5×l011 kg，40％是纤维素。按全球人口平均，每人每天可分摊到56 kg。日本就重点研究利用农、林废弃物等植物纤维素制备燃料乙醇 [3]。如我国过去以玉米为原料生产燃料乙醇，成本相对要高，不符合人多地少的国情。因此，现阶段国家对生物燃料乙醇项目建设实行核准制。“十一五”专项规划要求燃料乙醇生产走“非粮”路线。此外，欧盟、加拿大、菲律宾、墨西哥等国也正如火如荼地进行着相关研究 [1]。
5 燃料乙醇生产路线
对于生物质衍生合成气制乙醇有并存、竞争的化学法、生物法两种转化技术：
（1）生物法：纤维素、半纤维素，酸解或酶解或发酵单糖 (五碳、六碳糖)，化学、酶催化及微生物发酵乙醇
（2）化学法：纤维素、半纤维素、木素及其它生物体有机物，热解合成气 (H2， CO)，化学或酶催化或微生物发酵乙醇
在某些方面，化学法好比西药，强烈、见效快，生物法好比中药，温和、见效慢。两种方法“各有千秋”，其制约因素是成本和高效、廉价催化剂、酶和合适微生物的开发等关键技术。总而言之，生物法具有选择性、活性好、反应条件温和等优点，但原料利用率低、反应时间长、产物浓度低及酶、微生物活性易受影响且纤维素降解和单糖转化所需酶、微生物适于不同反应条件，不能很好耦合。相比，化学法具有原料利用率高、反应时间短、催化剂构成简单、没有严格反应条件限制等优点，但为高温、高压过程，对设备要求高 [1-5]。
6 能效分析转贴于
生物质直接燃烧热效率很低，只有10％左右，而将它们转化成气体或液体燃料 (甲烷、氢气、乙醇、丁醇、柴油等) 热效率可达30％以上，缓解了人类面临的资源、能源、环境等一系列问题 [4]。其次，乙醇燃烧值仅为汽油2/3，但分子中含氧，用作汽油添加剂抗暴性能好、低排放，可提高其辛烷值2-3倍，还能使汽车动力性能增加等 [3]。
7 经济分析
目前中国试点推广的E10乙醇汽油价格按国家同期公布的90号汽油出厂价乘以价格系数0.911。90号汽油目前出厂价不到5000元/吨。由于玉米价格上涨导致生产成本增加，每销售1吨燃料乙醇要亏损数百元且在汽油多次提价之前，每吨亏损一度达到了1000多元 [2]。此外，燃料乙醇定价机制不合理，有两个“倒挂”，不能充分体现其价值：一是油价倒挂，我国原油价格和国际市场接轨，但成品油没有实现接轨；二是燃料乙醇产品价格倒挂。原本成品油价格就低，再乘以0.911所形成的价格对燃料乙醇经济性就很差。另外，以燃料乙醇取代高价MTBE，而燃料乙醇各项指标接近或优于MTBE，价格更高才合理，但并非如此，从技术上也没有充分体现其经济性。就目前生产工艺而言，燃料乙醇生产成本本来就很高再加上定价机制不合理，导致生产企业严重依赖于国家财政补贴 [1]。
建 议
要实现我国生物燃料规模化生产，关键要解决好资源、技术、市场、国家投资、价格和税收政策四个环节问题；在尽量不与粮食作物争地的情况下，积极开发非粮原料种植基地；努力开发自主知识产权，争取生产技术、设备国产化；延长产业链，除燃料乙醇外生产如乙酸乙酯、乙烯、环氧乙烷等化工产品。这样，实现了对资源综合利用，“吃干榨尽”，大大提高了农产品附加值，也在一定程度上减少了企业亏损。
参考文献
[1] 秦凤华. 燃料乙醇蒸蒸日上 [J]. 中国投资， 2007， 38-41.
[2] 任波. 乙醇汽油转折 [J]. 财经， 2007， 178: 100-102.
[3] 雷国光. 用纤维质原料生产燃料乙醇是我国再生能源发展的方向 [J]. 四川食品与发酵， 2007， 43 (135): 39-42.
