文档介绍：纤维素水解制取燃料乙醇技术研究
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严永亮
材料工程学院
林业工程
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4. 发展前景
目录
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纤维素制乙醇在19世纪即已提出,方法是把纤维素水解为单糖,再把单糖发酵成乙醇。但该工艺虽然原料价格便宜,生产成本却很高,随着以石油为原料的合成乙醇大量生产,这类工厂大都关闭。在20世纪石油危机后,西方国家又开始重视纤维素制乙醇的技术。木质纤维素类原料被公认为来源最为广泛的燃料乙醇生产原料,包括农作物秸秆、壳皮、树枝、落叶、林业边角余料、城市垃圾等。天然木质纤维素类原料含有纤维素、半纤维素、木质素,三者相互缠绕的包裹在一起。我国是农业大国,每年产生大量的生物质废弃物,这些资源至今未被充分利用,而且还常因就地焚烧而污染环境;另一方面我国的石油资源有限,对油类产品的需求量却在不断的增加。显然,在我国发展生物质制取燃料乙醇技术具有重要的意义。
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纤维素是300-1500个葡萄糖以-1,4糖苷键结合起来的链状高分子化合物,经过水解又可生产葡萄糖,水解式:
纤维素的性质很稳定,只有在催化剂存在下才能显著地水解。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶,由此分别形成了酸水解(浓酸水解工艺和稀酸水解工艺)和酶水解工艺。酸水解法虽然比较古老,但也比较成熟;酶水解法则是近代才发展起来的
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浓酸水解原理
浓酸水解在19世纪即已提出,它的原理是结晶纤维素在较低温度下可完全溶解在硫酸中,转化成含几个葡萄糖单元的低聚糖。把此溶液加水稀释并加热,经一定时间后就可把低聚糖水解为葡萄糖。浓酸水解的优点是糖的回收率高(可达90%以上),可以处理不同的原料,相对迅速(总共10~12 h),并极少降解。但对设备要求高,而且酸必须回收。
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浓酸水解工艺
浓酸水解工艺的代表是Arkenol公司,该流程中对生物质原料采用两级浓酸水解工艺,水解中得到的酸糖混合液经离子排斥法(或所谓的色谱分离)分为净化糖液和酸液。糖液中还含少量酸,可用石灰中和,生成的石膏在沉淀槽和离心机里分离。色谱分离中得到的稀硫酸经过脱水浓缩后可回到水解工段中再利用。下图为Arkenol公司的浓酸水解流程。根据中试装置的实验结果,该水解工艺可得12%~15%浓度的糖液,纤维素的转化率稳定在70%。酸回收率也可达到97%。
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Arkenol公司的浓酸水解流程
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在纤维素的稀酸水解中,溶液中的氢离子可和纤维素上的氧原子相结合,使其变得不稳定,容易和水反应,纤维素长链在该处断裂,同时又放出氢离子,从而实现纤维素长链的连续解聚,直到分解成为最小的单元葡萄糖。所得葡萄糖还会进一步反应,生成不希望的副产品。
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稀酸水解工艺
稀酸水解常分两步进行:第一步用较低温度分解半纤维素,产物以五碳糖为主;第二步用较高温度分解纤维素,产物主要是葡萄糖。稀酸工艺的代表是美国的Celunol公司(原名BC International),采用2级稀硫酸水解工艺,如图所示。所用原料为甘蔗渣,单糖发酵的核心技术是转基因的大肠杆菌,由佛罗里达大学开发。
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2级稀硫酸水解工艺
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