西南交通大学 郭曼
蓄电池恒温箱摘要：随着科学技术的发展和机械化程度的提高，燃料能源短缺现象日趋严重。开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。纤维素乙醇是一种清洁且资源丰富的可再生能源，其具有广阔的发展前景，将成为未来最重要的可再生能源之一。本文综述了纤维素制取乙醇的原理、纤维素乙醇生产技术、国内外纤维素乙醇研究及应用现状、发展纤维素乙醇的意义，分析了纤维素乙醇产业化亟待解决的技术问题，指出了今后研发方向。
关键词：纤维素；乙醇；燃料乙醇
前言
能源是人类赖以生存和发展的基础，它既是国民经济发展的动力，又是衡量综合国力、国家文明发达程度和人民生活水平的重要指标。工业化的发展及人口的膨胀对自然资源的巨大消
耗和大规模的开采，已导致地球上现有资源的削弱、退化、枯竭，资源与环境问题已成为当前世界人类面临的重要问题之一。利用新技术创造出新的能源形式以满足人类社会的可持续发展，已成为解决现有能源日益枯竭问题的必要手段。在新能源开发方面，生物技术被认为是最具有发展前景的技术，必将在解决人类所面临的能源危机方面发挥大的作用。
近年来，随着全球经济的快速增长，尤其是亚洲国家新兴经济体的出现，原油消耗量大幅度增加，原油价格持续走高，开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。由于生物燃料具有可补充石化燃料资源、降低石油资源对外依存度、减少温室气体和污染物排放的特点，近年来受到世界各国的广泛关注。乙醇能源以其环保、可再生、资源丰富等优点已成为一种重要的替代能源。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，也是当前利用率最低的资源，是各国新资源战略的重点。中国可利用的木质纤维素每年在7亿吨左右，这些丰富而廉价的自然资源主要来源于农林业废弃物、工业废弃物和城市废弃物。所以，纤维素乙醇是未来发展的必然方向。
1、纤维素生物质制备乙醇技术
纤维素生物质是由纤维素（30-50%），半纤维素（20-40%），和木质素（15-30%）组成
的复杂材料。纤维质生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。纤维素中的六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇每一种植物的确切成分都不尽相同。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。将木质纤维素类物质转化为燃料乙醇，必须首先将木质纤维素降解为纤维素、半纤维素和木质素，然后纤维素或半纤维素降解为葡萄糖或戊糖，最后将单糖发酵为乙醇。一直以来，将纤维质生物质转化成乙醇是科学家们面对的巨大挑战。酸、高温等苛刻的条件都曾经被用来尝试将纤维素分子打断、水解成单一的糖。
随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。
纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。
2、纤维素酶的分类和作用机制
2.1 纤维素酶的分类
纤维素酶是降解纤维素原料生成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单种酶，而是起协同作用的多组分酶系。根据其催化功能不同分为：①内切葡萄糖苷酶（Cx酶），该酶随机水解β-1,4糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素；②外切葡萄糖苷酶（C1酶），它能从纤维素分子的还原或非还原端切割糖苷键，生成纤维二糖；③β-葡萄糖苷酶（纤维二糖酶），它把纤维二糖降解成单个葡萄糖分子。只有它们协同作用，才能把纤维素分子降解成葡萄糖。
2.2 纤维素酶的作用机制
纤维素酶降解纤维素时，先吸附到纤维素表面，然后其中的内切酶在葡聚糖链的随机位点水解底物产生寡聚糖，外切酶从葡聚糖链的还原或非还原端进行水解产生纤维二糖，β-葡萄糖苷酶水解纤维素二糖为葡萄糖，这三类酶“协同作用”最终将纤维素降解为葡萄糖。
3、利用纤维素制取燃料乙醇的基本原理
纤维素废弃物的主要有机成分包括半纤维素、纤维素、和木质素3部分。前两者都能被水解
为单糖，单糖再经发酵生成乙醇，而木质素不能被水解且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。糖炒栗子机
半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物，聚合度较低，也无晶体结构，故较易水解。半纤维素水解产物主要是木糖，还包括少量的阿拉伯糖、葡糖糖、半乳糖和甘露糖，含量因原料不同而不同。网带窑
纤维素的性质很稳定，只有在催化剂存在下，其水解反应才能显著进行。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和酶水解工艺，其中酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。纤维素经水解可生成葡萄糖，易于发酵成乙醇。
4、利用纤维素制取燃料乙醇的工艺
4.1生物化学法生产纤维素乙醇
从木质纤维素出发生产燃料乙醇，首先必须将生物大分子降解为能够被酵母或细菌代谢合成乙醇的小分子糖类物质。目前工业上使用的流程如图1所示。
很黄很的动态图580期图1. 纤维素乙醇的生产流程
生化法生产纤维素乙醇有3个关键步骤，即生物质预处理、纤维素水解和单糖发酵。由于木质纤维素的结构紧凑，纤维素难于被生物酶水解，通过生物质预处理，改变天然纤维的结构，分离纤维素、半纤维素和木质素，增加纤维素与酶的接触面积，可提高纤维素的酶解效率。纤维素酶水解是生产纤维素乙醇的关键步骤，酶水解具有反应条件温和，无剧毒副产物，糖化效率高，可以和发酵过程耦合等优点，是目前最具有优势的纤维素水解技术。
（1）原料预处理
天然纤维素材料的结构性质非常复杂，主要是纤维素的高度结晶性和木质化，阻碍了酶与纤维素的接触，使其难以直接被生物降解。对大多数天然纤维素材料来说，直接进行酶促水解，酶解率一般都非常低(<20%)聚氨酯1，因此必须对原料进行适当预处理，以破坏木质纤维素
结构，释放出纤维素和半纤维素。
木质纤维素分子内和分子间存在氢键，聚集态结构复杂且结晶度高、反应活性低。其含有的木质素和半纤维素在空间上可阻碍甚至封闭纤维素分子与酶或化学试剂的接触，酶可及度差，更增加了水解的难度。通过预处理脱除木质素和半纤维素，消除空间障碍，降低纤维素的聚合度和结晶度，同时避免或消除不利于酶解和发酵的因素，有利于纤维素的降解和发酵生产乙醇。木质纤维素生物质的预处理方法主要有：
1. 物理处理法
可破坏木质纤维素生物质的物理结构，降低结晶度，包括球磨、剪切、挤压等，其中最有效的是球磨，但因能耗高而很少采用。
2. 稀酸处理法
用稀酸在较低的温度下处理木质纤维素生物质，可降解其半纤维素，生成单糖和可溶性低聚糖，提高原料的酶可及度及纤维素的可消化性。该法效果较好、成本较低，已得到广泛应用。尤其用于将半纤维素中的木聚糖转化为木糖，再经微生物发酵生产乙醇。
3. 碱处理法
用NaOH、Ca(OH)2等碱性试剂处理木质纤维素生物质，脱除木质素，提高纤维素的酶可及度。预处理对酶解糖化效率和乙醇生产成本影响极大。
4. 湿法氧化处理法
指水、氧化剂等在高温、一定压力下氧化降解木质纤维素生物质的过程。碱性条件可防止纤维素破坏，使木质素和半纤维素溶于碱液，与纤维素分离，且形成的糠醛等副产物较少。
5. 蒸汽爆碎处理法
该法是比较有效、低成本和无污染的新技术。向装有木质纤维素生物质的压力罐通入高压蒸汽，使罐温度达到200～废橡胶炼油240℃左右，维持较短时间(30s～20min)后，突然减压将物料喷出，使物料爆碎。在高温条件下，原料中的半纤维素会迅速分解释放出有机酸，进而发生自水解作用而溶化。细胞间的木质素也能出现熔化，并发生部分降解，变得易被热水、有机溶剂或稀碱抽提。加上突然减压爆碎的机械分离作用，使植物细胞间质或细胞壁变疏松，
细胞游离，纤维素的可消化性明显增强。
（2）纤维素水解糖化
水解主要是为了将纤维素等多糖水解转化为单糖，主要方法包括酸水解法和生物酶水解法。
① 酸水解技术
在酸水解工艺中，可以使用盐酸或硫酸，按照使用酸的浓度不同可以进一步分为浓酸水解和稀酸水解。
浓酸水解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，经一定时间后就把低聚糖水解成葡萄糖。浓酸水解的优点是糖的回收率高（可达90%以上），可以处理不同原料，相对迅速（10~12h），并极少降解。
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。
由于酸对生产设备的腐蚀作用，特别是高温条件下稀酸的强烈腐蚀作用，酸水解反应器不得不采用价格昂贵的贵金属合金或非金属材料制造，使得木质纤维素的酸水解技术难以适应燃料乙醇生产规模大、产品附加值低的特点。同时，水解所生成糖还有可能发生进一步分解或聚合反应，水解同时还会产生一些抑制生物生长副产物，给后续酒精发酵带来困难。
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