木质纤维素的酶降解工艺.doc

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1、木质纤维素的酶降解工艺　　木质纤维素的酶降解工艺　　　　姓名：黄国昌学院：生命科学院学号：405604604515　　　　1.文献综述　　1.1研究的意义　　能源问题是关系国民经济发展的大事，目前大多数国家仍以石油为主。但从世界石油储量和消费量来看，今后全世界能开采的石油约2万亿桶，估计可再用50年左右，石油的最终枯竭是在所难免的，开发其替代品是人们关心的问题。燃料乙醇属可再生资源，用它取代部分汽油，意义重大，有关人士称之为“一次能源的革命”。将乙醇与汽油按一定的比例混配成的乙醇汽油，不仅能减少汽油消耗，而且能有效降低汽油尾气污染，推广和使用对于解决能源

2、危机和环境污染具有重要的意义。　　乙醇不仅是助燃剂，而且是抗爆剂，添加到汽油中可提高汽油的辛烷值，并能够降低环境污染。美国加利福尼亚的科学家经研究认为，为了提高汽油辛烷值而加入汽油中的MTBE(甲基叔丁基醚)有致癌作用，虽有争议，但加利福尼亚州还是决定2002年起禁止使用MTBE，美国环保署现也同意逐步禁止使用。乙醇可代替MTBE加入汽油，而且乙醇的燃烧在自然界形成自身的循环，减少了能够形成臭氧的污染物的排放，没有任何污染，且缓解地球的温室效应。目前我国乙醇生产原料主要为国库备荒陈粮。我国人口众多，粮食并不宽裕.陈粮毕竟有限，拓宽燃料乙醇生产原料，降低生

3、产成本是势在必行，必须尽快加快研究。就世界范围来说，尽管有报道称美国用于乙醇生产的玉米量至少可以扩大五倍而不会破坏其市场。但人口的增长，可耕地的减少，粮食作为原料终究不能长久。现在各国正致力于开发天然纤维素生产燃料乙醇，这主要是基于废物利用的考虑。天然的木质纤维素资源是地球上最丰富和廉价的可再生资源，主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素(木素)，纤维素可水解为葡萄糖，能很容易地用酵母发酵成乙醇，半纤维素可水解为戊糖和已糖，也可用来发酵生产乙醇。我国是农业大国，植物纤维资源也十分丰富，仅农业秸杆、皮壳就达4亿多吨，林业生产所提供的采伐和加工剩余物也有100

4、0万吨之多，然而，在这庞大的数量中，人类仅能在建筑、造纸、纺织、燃料、饲料等方面利用其中极少的一部分。随着世界人口的激增，粮食和能源的短缺将日趋严重，从天然纤维素生产燃料乙醇是一条解决能源危机的有效途径，因此，研究植物纤维素制燃料乙醇具有深远的现实意义。　　1.2木纤维素的性质　　木质纤维素的结构较复杂。细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构,纤维素镶嵌其中。纤维素是由葡萄糖通过β-1,4糖苷键联接而成的线性长链高分子聚合物。纤维素大约由500到10000个葡萄糖单元组成。纤维素分子中的羟基易于和分子内或相邻的纤维素分子上的含氧基团之间形成氢

5、键,这些氢键使很多纤维素分子共同组成结晶结构,并进而组成复杂的微纤维、结晶区和无定形区等纤维素聚合物。X-射线衍射的实验结果显示,纤维素大分子的聚集,一部分排列比较整齐、有规则,呈现清晰的X-射线衍射图,这部分称之为结晶区；另一部分的分子链排列不整齐、较松弛,但其取向大致与纤维主轴平行,这部分称之为无定形区。结晶结构使纤维素聚合物显示出刚性和高度水不溶性。因此高效利用纤维　　素的关键在于破坏纤维素的结晶结构,使纤维素结构松散,使得酶水解或化学水解更容易进行。　　半纤维素在结构和组成上变化很大,一般由较短高度分枝的杂多糖链组成。组成半纤维素的结构单元主要有

6、:木糖、甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖,半乳糖等。各种糖所占比例随原料而变化,一般木糖占一半以上。半纤维素排列松散,无晶体结构,故比较容易被稀酸水解成单糖。　　木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳碳键连接而成的高分子化合物。木质素不能水解为单糖,在纤维素周围形成保护层,影响纤维素水解。木质素中氧含量低,碳含量较高,其能量密度(27MJ/kg)较高,水解中留下的木质素残渣可作为燃料。　　1.3木质纤维素的水解工艺　　木质纤维素原料具有较复杂的结构特点,需要将其水解成单糖,才能被微生物发酵利用生产乙醇。针对不同木质纤维素原料特性,需要采用不同的水解工艺,一般分为酸水解

7、工艺和酶水解工艺。　　1.3.1酸水解工艺　　酸水解又分为浓酸水解和稀酸水解法。　　1.3.1.1浓酸水解工艺　　浓酸水解在19世纪即已提出,它的原理是秸秆纤维素在较低的温度下可完全溶解于72%的硫酸、42%的盐酸和77%～83%的磷酸中,导致纤维素的均相水解。浓硫酸水解为最常用方法,其主要优点是糖的回收率高,大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。　　WilliamAFarone等提出的浓酸水解工艺:生物质原料干燥至含水10%左右,并粉碎到约3～5mm。把该原料和70%～77%的硫酸混合,以破坏纤维素的晶体结构,最佳酸液和固体质量比为1.25∶1

8、,糖的水解收率达到90%左右。浓酸对水解反应器的腐蚀作用是一个重要问题。近年来在