1、第3讲 燃料乙醇技术,本章主要内容,第1节 概述 第2节 第1代燃料乙醇技术 第3节 第2代燃料乙醇技术,第1节 概述,“We can get fuel from apples, weeds, sawdust, almost anything And it remains for someone to find how this fuel can be produced commercially- better fuel at a better price than we now know.”,Henry Ford,乙醇汽油：在不添加含氧化合物的液体烃中加入一定量变性燃料乙醇后用作点燃式内燃机
2、的燃料。,2、燃料乙醇及乙醇汽油,变性燃料乙醇：指加入25(v/v)的变性剂（即车用无铅汽油）后,使其与食用酒精相区别而不能饮用的燃料乙醇。,燃料乙醇：未加变性剂、可作为燃料用的无水乙醇（无水酒精）。,无水乙醇：原料经发酵、蒸馏、脱水后制得的水含低于0.5%（v/v）的乙醇。,对水分和杂醇的要求不同：在食用酒精生产中水和乙醇在蒸馏时产生共沸，因此食用酒精中最多含有95.5%(m/m)的乙醇，并对杂醇含量进行控制。而无水乙醇是采用其它方法将水含量脱到0.5%(v/v)以下的乙醇，对杂醇含量控制不严。,燃料乙醇与实用酒精有何区别？,如果乙醇汽油与水接触，乙醇和水将从乙醇汽油中分离出来，产生分层，使
3、乙醇汽油不能正常燃烧。,燃料乙醇为何要控制水分？,车用乙醇汽油罐内侵入过多的水分，乙醇将会从汽油中分离出来，造成相分离。出现这种情况时，油罐上层为组分油和少量的乙醇；下层由大约20的水、70乙醇和10的组分油组成。,我国虽然对E7.7、E10、E15不同变性燃料乙醇含量的车用乙醇汽油进行了试验工作，但为了在推广应用时便于管理和监督，参照美国经验，只推广使用E10一种车用乙醇汽油。,我国车用乙醇汽油的混配比例是多少？,车用乙醇汽油能够降低HC和CO的排放，其中CO的排放可减少近30，虽然NOX的排放略有增加，但汽车尾气的排放总量减少。,乙醇汽油的排放属性如何？,Energy content,汽油
4、 乙醇 生物柴油,100% 67% 86%,燃料乙醇与汽油有何区别？,燃料乙醇与汽油有何区别？,辛烷值越高，抗爆性就越好，发动机就可以用更高的压缩比。这样既可提高发动机功率，增加行车里程数，又可节约燃料。,3. 乙醇生产工艺流程,Biomass,Pretreatment,Hydrolysis,Fermentation,Distillation,Ethanol,淀粉原料乙醇生产工艺流程,木质纤维素原料乙醇生产工艺流程,纤维素乙醇生产技术的工艺流程,秸秆发酵乙醇的主要难题,原料分散-集运增加成本 组分复杂-必先预加处理 多酶体系-效率亟待提高 戊糖难用-酵母先要改造,第2节 第2代燃料乙醇技术,S
5、ource: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation,美国玉米用途,燃料 or 食物?,能源植物：玉米、柳枝稷、白杨,纤维乙醇成本构成,Biomass Feedstock,Feed Handling,Pretreatment / Conditioning,Saccharification and fermentation,Cellulase,Distillation and Solids,Recovery,Wastewater Treatment,Boiler/Turbogenerator,Utilities,Storage,(0.3
6、0),(0.20),(0.10),-,0.10,0.20,0.30,0.40,折旧费,原料费,工艺电费,电网电费,工厂电费,固定成本,33%,5%,18%,12%,9%,10%,4%,4%,4%,1%,NREL Analysis,Fermentable Carbohydrate Cost ($/kg),$0.00,$0.05,$0.10,$0.15,$0.20,$0.25,$0.30,Corn (dry mill),$0.152,$0.148,With Coproducts,玉米乙醇与纤维乙醇成本对比,Laser and Lynd, 2007,联合生物加工工艺：利用一种微生物在同一个反应器中完
7、成纤维素酶制备、纤维素糖化及乙醇发酵的全过程,Consolidated Bio-processing, CBP,_,提高水解效率,纤维素酶负荷减半,消除预处理,联合生物加工CBP,3%,13%,22%,41%,成本降低幅度,技术进步对成本的影响,目前仍没有发现一种天然微生物能同时具备高效降解纤维素和高选择性生产乙醇的能力, 这已成为发展CBP 技术所需解决的关键问题,CBP面临的难题及解决方向：,利用基因工程技术, 对现有微生物进行基因重组是解决该问题的有效途径。,Section of a pine board,3 nm,Polymerized glucose,Somerville, 2006
8、,植物细胞壁 燃料,Parallel strands of glucose polymers,Cellulose microfibril,“recalcitrance”,chemical pretreatments,Cosgrove, 2006,结晶区,无定形区,纤维素,木质素,1.预处理,预处理的目的:,将纤维素从木质纤维素结构中释放出来: 脱除或水解半纤维素 脱除木质素,降低纤维素的结晶度,为酶提供足够多的可及面,脱除抑制物,预处理方法,粉碎: 所有工艺都需有的步骤,研磨Milling: 球磨 Ball milling 双辊磨Two-roll milling 锤式粉碎Hammer mill
9、ing 功能Functions: 降低原料尺寸Size reduction 降低结晶度Degree of crystallinity 高耗能过程High energy costs,辐射处理Irradiations,辐射Irradiation: 射线辐射Gamma-ray irradiation 电子束辐照Electron-beam irradiation 微波辐照Microwave irradiation 效果好 费用高,水热处理Hydrothermal process,在150-210 度热水中蒸煮 水分在高温高压下:渗入生物质内部Penetrate into the biomass, 水解
10、纤维素Hydrate cellulose, 脱除半纤维素Remove hemicellulose (a major function), 脱除部分木质素Remove part of lignin (but not so effective), 水解作用的产生是由于乙酸等羧酸的生成 优点: 不需添加化学品No addition of chemicals, 处理后不需要中和No neutralization afterward, 对反应器无腐蚀No corrosion-resistant materials for reactor, 可以跟木质素分离方法结合Could be combined wi
11、th e.g. a delignification process,Corn Stover Pretreatment,高温水处理,玉米秆降解特性,处理前SEM （1000）,处理后SEM （1000）,汽爆处理Steam explosion,蒸汽爆破设备,蒸汽爆破前后原料对比,Steam gun,Receiving vessel,处理后的玉米秆,稀酸辅助汽爆处理,与汽爆相同的温度和压力 添加下列物质促进效果 Dilute-acid (0.1-1% acids: H2SO4, HCl, etc.) Carboxylic acids (e.g. acetic acid) 1-4% SO2 CO2
12、功能Functions: 聚合物解聚Open up the polymers 水解半纤维素Hydrolysis of hemicellulose,汽爆和其他热处理技术对比,碱液蒸煮Alkaline cooking,用碱液进行处理: NaOH, Ca(OH)2 (lime) or Ammonia (AFEX) 造纸制浆常用工艺 (kraft process) 有效脱除木质素 降低纤维素结精度,氨爆破法（Ammonia Fiber Explosion，AFEX）是一种将热处理和化学处理结合在一起的联合处理技术，是指在中等温度（60100）和高压（250300psi）条件下对木质纤维处理一段时间，然
13、后快速释放压力以破坏木质纤维的结构。,Before pulping,30 minutes after kraft cooking,1 hour after kraft cooking,Fully pulped (1.5 hours),处理条件：3份NaOH+1份Na2S浸泡1.5h并加热到170，然后在此温度下处理1.5h,湿式氧化处理wet oxidation,用水和空气或者氧气在140200下处理一段时间 半纤维素大量转化为单糖 木质素被分离和氧化 纤维素发生部分降解,有机溶剂Organosolves/离子液体Ionic liquids,木质纤维素加入有机溶剂中加热使其溶解： Lignin
14、g And/or cellulose 温度 80-200 : 根据所用溶剂确定 简单的溶剂有乙醇和丙酮 离子液体成为一个热点研究领域,离子液体：由体积较大的不对称有机阳离子和体积较小的无机/有机阴离子组成的在室温下呈熔融态的盐, 具有优异的溶解性、热稳定性、化学惰性、强极性、不挥发、难氧化和可设计等性能。,目前用于溶解、加工纤维素的离子液体大致分成三大类： （1）二烷基咪唑类、N-烷基吡啶类、季铵类的氯代盐 （2）羧酸类酯盐 （3）烷基磷酸酯盐,AMImCl 溶解纤维素的偏光显微照片,1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐EMImAc中柳枝稷茎细胞原位动态溶解过程的共焦荧光图像,(1)离子液体的毒性、安
15、全性、生物降解性和生物蓄积性, 及这些指标对人类和环境的影响亟需研究,离子液体应用需要解决的问题：,(2)离子液体的不稳定性: 虽然大多数离子液体的热稳定性温度可高达200 , 但是文献报道的数据大多是在氮气下的热分解温度参数, 与离子液体实际使用过程中所处的复杂化学环境有着很大的差别,(3)离子液体的成本, 离子液体与纤维素的分离、回收再利用以及废弃离子液体处理方法的建立等也已成为离子液体在纤维素化学中大规模应用亟需研究的问题,白腐真菌的概念不是生物学术语，而是一种功能描述的概念,生物处理：白腐真菌,纯培养的白腐真菌菌丝体,木质素的降解过程,木质素,脱甲基化,羟基化,芳环开裂,白腐真菌细胞外
16、酶,愈创木基和丁香基亚单位,甲氧基含量减少,邻苯二酚,脂肪羧酸,水解,预处理技术的比较,*: Mosier et al., 2005. Bioresource Technology 96: 673-686,相对于淀粉转化的酶蛋白用量，纤维素的降解需要40100倍的酶量。,（1）纤维素的可及度,影响纤维素水解的因素：,（2）纤维素的结晶度,（3）木质素的类型及分布,预处理方式对酶的影响,水洗酸处理玉米秸秆,未水洗酸处理玉米秸秆,碱处理玉米秸秆,不同处理强调碱处理玉米秸秆,（1）半纤维素和木质素的空间位阻效应,预处理方式对酶影响机制：,（2）酶与木质素的非特异性吸附,（3）预处理所释放的抑制剂对酶
17、活性的抑制：糠醛、醋酸,纤维素酶系,内切酶葡聚糖酶 (EG),纤维二糖水解酶(CBH),结合域,催化域,内切酶葡聚糖酶 （EG）,纤维二糖水解酶 （CBH）,-葡萄糖苷酶 （BG）,里氏木霉（Trichoderma reesei）,目前最广泛使用的用于生物质水解的商品化酶制剂由T. reesei 深层发酵生产 T. reesei的分布: 广泛分布在各种土壤等环境中 嗜好植物根系发达的地方,Trichoderma reesei,T. Reesei的酶系:,二种外切葡聚糖苷酶：CBH和CBH 三种内切葡聚糖苷酶：EG、EG和Eg -葡萄糖苷酶,纤维素酶存在的两类体系,非复合型,复合型：纤维小体,纤
18、维素酶通过细胞分泌, 游离于胞外，如T. reesei 纤维素酶体系,酶组分与无催化活性的支架蛋白组装成的多酶复合体, -glucoside,纤维小体（cellulosome） “超分子机器”,纤维小体超分子复合体是某些厌氧菌产生的由多个亚基共同组装而成的大分子机器，是致力于组织、协调多种酶组分协同高效催化降解木质纤维素的胞外蛋白质复合体,纤维小体普遍存在于厌氧菌中，其原因可能在于依靠高效的多酶复合体精确调节代谢活动，抵消厌氧发酵产能的不足,热纤梭菌纤维小体的结构特点及组装机理,I型黏合(cohesin)-锚定(dockerin)蛋白,II型黏合(cohesin)-锚定(dockerin)蛋白
19、,酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)异源表达纤维素酶,秸秆发酵乙醇的主要难题,原料分散-集运增加成本 组分复杂-必先预加处理 多酶体系-效率亟待提高 戊糖难用-酵母先要改造,Ethanol,葡萄糖,Ethanol,木糖,酿酒酵母S. cerevisiae工程菌株发酵葡萄糖和木糖的对比,葡萄糖发酵,木糖发酵, 2 - 5 g乙醇 /Lh 1 - 2 g 乙醇/Lhg 干细胞,时间, 0.05 - 0.15 g 乙醇/Lh 0.05 - 0.1 g 乙醇/Lhg 干细胞,时间,戊糖难用纤维乙醇发展的主要难题之一,途径,酵母菌的木糖代谢工程改造,运动发酵单胞菌木糖代谢的代谢工
20、程改造,解决戊糖发酵难题的途径,大肠杆菌木糖代谢的代谢工程改造,XI: 木糖异构酶 XR: 木糖还原酶 XDH: 木糖醇脱氢酶 XK: 木酮糖激酶,酿酒酵母不能利用木糖，但可以利用其异构体木酮糖，因此，为了使酵母能够利用木糖，需要引入异源的转化木糖为木酮糖的途径,木糖发酵产乙醇途径,5-磷酸木酮糖,转酮酶,转酮酶,转醛酶,5-磷酸核糖,7-磷酸景天庚酮糖,3-磷酸甘油醛,6-磷酸果糖,4-磷酸赤藓糖,6-磷酸葡萄糖,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,6-磷酸果糖,戊糖磷酸途径（PPP）,TAL1-转醛醇酶(TAL) TKL1-转酮酶(TKL), 木糖自然发酵 乙醇耐受性低,树干毕赤酵母Pichi
21、a stipitis,Xylose,Xylitol,Xylulose,X-5-P,PPP and Glycolysis,乙醇,XYL1,XYL2,XYL3,酿酒酵母S. cerevisae,Xylose,Xylitol,Xylulose,X-5-P,PPP and Glycolysis,乙醇, 经过工程应用考验 乙醇耐受性强,XYL1-木糖还原酶(XR) XYL2-木糖醇脱氢酶(XDH) XYL3-木酮糖激酶(XK),3. 中间代谢物的流失,2. 辅酶因子再生,5. 副产物抑制,1. 低摄取率,XYL,XOH,XUL,XYL,XOH,XUL,X-P,GLY,ETOH,乙酸,细胞质,外部基质,4
22、. 好氧代谢,CHO,C-OH,C=O,CHO,C-OH,C=O,P,XR,XDH,XK,NADPH,NADP+ NADH NAD+,酿酒酵母S. cerevisiae工程菌株发酵木糖主要制约因素,XYL:木糖 XOH:木糖醇 XUL:木酮糖,线粒体,（1）木糖运输障碍,在酿酒酵母中，木糖的吸收主要是通过高亲和力葡萄糖运输因子进行，因此，葡萄糖的存在可以强烈抑制木糖发酵酵母菌株对木糖的吸收,酿酒酵母S. cerevisiae工程菌株发酵木糖低效的主要原因,Glucose & Xylose,Cellobiose & Xylose,Ethanol,Ethanol,木质纤维素,预处理,半纤维素,乙醇
23、,Time,S. cerevisiae DA24-16BT3TimeHa et al. PNAS, 108:504-509,纤维素,木糖,木糖,木糖醇,木酮糖,PPP,EMP,纤维二糖,葡萄糖,S. cerevisiae,戊糖已糖共代谢途径,酿酒酵母S. cerevisiae工程菌株发酵木糖低效的主要原因,（2）有氧呼吸与氧化还原平衡对木糖代谢的影响,木糖还原酶对辅酶因子NADPH的亲和力远远高于对NADH 的亲和力，但随后的木糖醇脱氢酶却需要以NAD+为辅因子，,酵母菌株只能在有氧条件下利用木糖，但乙醇的产生则需要厌氧条件。,酿酒酵母S. cerevisiae工程菌株发酵木糖低效的主要原因,（3）低效PPP代谢途径,TAL1和TKL1在酵母菌的表达水平低于其在树干比赤酵母中的表达。,XI: 木糖异构酶 XR: 木糖还原酶 XDH: 木糖醇脱氢酶 XK: 木酮糖激酶,酿酒酵母不能利用木糖，但可以利用其异构体木酮糖，因此，为了使酵母能够利用木糖，需要引入异源的转化木糖为木酮糖的途径,木糖发酵产乙醇途径,木糖异构酶XI研究,异源XI在酿酒酵母中的功能表达研究已延续了20多年,高水平表达真菌XI的酿酒酵母研究,为改进基于XI的木糖利用而进行的代谢工程研究,为改进基于XI的木糖利用而进行的进化工程研究,纤维乙醇研究一条漫长而曲折的路,纤维乙醇研究涉及的技术途径,
