纖維素乙醇

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纖維素乙醇(英语Cellulosic ethanol)是從木材,草,或植物的不可食用部分製造的生物燃料

它是從木質纖維素產生的一種類型的生物燃料,木質纖維素包含在許多植物的結構材料中。木質纖維素主要是由纖維素半纖維素木質素組成。玉米秸稈柳枝稷,芒屬草物種,木屑和草坪和樹木維護的副產物是一些用於乙醇生產比較流行纖維素源料。與如玉米和甘蔗糖來源相比,從木質纖維素生產的乙醇具有原料來源豐富多樣的優點,但是需要有更大的加工量才能提供糖單體给微生物,讓微生物通過發酵來生產乙醇。

柳枝稷​​芒草是當今正在被研究的主要的生物質材料,因為其具有較高的每英畝生產力。但是,纖維素包含在草地,森林,世界各地里幾乎所有的天然自由生長的植物,樹和灌木中,而不需要農業的努力或成本使其生長。

歷史[编辑]

在1819年, 法國化學家亨利·Braconnot ( Henri Braconnot),第一個發現用硫酸處理的纖維素能被水解成糖。[1]然後,水解的糖可以處理通過發酵形成乙醇。第一個商業化乙醇生產開始在德國於1898年,在那裡他們用酸来水解纖維素。

生產方法[编辑]

纖維素乙醇研究的生物反應器

從纖維素生產乙醇的兩種方法是:

  • Cellulolysis工序(Cellulolysis processes),包括由水解預處理的木質纖維素原料,採用來分解複雜的纖維素轉化為單糖,如葡萄糖,隨後的發酵蒸餾
  • 氣化(Gasification)處理,將所述木質纖維原料轉為氣態的一氧化碳和氫氣。這些氣體可以通過發酵或化學催化轉化成乙醇。

正如普通的純乙醇的生產,這些方法包括蒸餾

纖維素水解Cellulolysis(生物的方法)[编辑]

用生物方法生產乙醇的階段是:[2]

  1. “預處理”階段,以使木質纖維素材料,如木材或稻草適合於水解
  2. 纖維素水解(cellulolysis),打破了這種分子轉化為糖
  3. 从殘留材料分離出糖溶液,尤其是木質素
  4. 糖溶液的微生物發酵
  5. 蒸餾產生大約95%的純酒精
  6. 脫水分子篩帶來的乙醇濃度超過99.5%

2010年,基因工程酵母菌株被開發生產自己消化纖維素的酶。[3]假設該技術可以擴展到工業水平,這將消除纖維素水解(cellulolysis)的一個或多個步驟,從而降低了所需的時間和生產成本。

氣化工藝(熱化學方法)[编辑]

流化床英语Fluidized bed氣化器,位於奧地利布爾根蘭州居興

氣化過程不依賴於纖維素分解(cellulolysis)的化學分解。相反打破了纖維素轉化為糖分子,原料中的碳被用部分燃燒轉化成合成氣。然後,一氧化碳,二氧化碳和氫氣可送入一個特殊類型的發酵罐英语Syngas fermentation。不同于使用糖發酵用酵母,這種工藝英语Syngas fermentation使用楊氏梭菌英语Clostridium ljungdahlii(Clostridium ljungdahlii)的細菌。[4]這種微生物將攝取一氧化碳,二氧化碳和氫,並產生乙醇和水。該過程因此可以分成三步:

  1. 氣化 - 複雜的基於碳的分子被分解開为一氧化碳,二氧化碳和氫氣
  2. 發酵 - 利用楊氏梭菌生物轉換的一氧化碳,二氧化碳和氫氣轉化成乙醇
  3. 蒸餾 - 乙醇與水分離

最近的一項研究發現了另一個梭狀芽孢桿菌 (Clostridium)的細菌,這似乎是上文提到的从一氧化碳製造乙醇效率的兩倍。[5]

經濟[编辑]

轉移到可再生燃料資源已經是很多年的目標了。 然而,大多數的可再生燃料生產是使用玉米生產的乙醇。在2000年,美國的玉米乙醇生產只有62億升,而在短短的十年(2010年)中,它已經擴大800%到500億升。[6]轉移到可再生燃料資源的政府壓力已經明顯,因為美國環境保護局已經實施了2007年可再生燃料標準(RFS)使用一個百分比可再生燃料的產品,否則將面臨處罰。取代玉米轉移到纖維素乙醇生產已經由美國政府大力推動。[7] 即使這些政策的頒布,和政府企图建立一個纖維素乙醇市場,這種燃料在2010年和2011年仍沒有商業化生產。[8]能源獨立和安全法案最初設置的目標為分別是在2010年為1億加侖,在2011年為2.5億加侖,及在2012年為5億加侖。

參看[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ Braconnot, H. Annalen der Physik. 1819, 63, 348.
  2. ^ Zhu JY, Pan XJ, Wang GS, Gleisner R. Sulfite pretreatment (SPORL) for Robust enzymatic saccharification of spruce and red pine. Bioresource Technology. 2009, 100 (8): 2411–2418. doi:10.1016/j.biortech.2008.10.057. PMID 19119005. 
  3. ^ Galazka, J.; Tian, C.; Beeson, W.; Martinez, B.; Glass, N.; Cate, J. Cellodextrin Transport in Yeast for Improved Biofuel Production. Science. 2010, 330 (6000): 84–86. Bibcode:2010Sci...330...84G. doi:10.1126/science.1192838. PMID 20829451.  编辑
  4. ^ Providing for a Sustainable Energy Future by producing clean RENEWABLE liquid energy and green power. Bioengineering Resources Inc. [2007-11-28]. 
  5. ^ "Formation of Ethanol from Carbon Monoxide via New Microbial Catalyst", Biomass & Energy v. 23 (2002), p. 487–493.
  6. ^ Deepak, K., & Ganti, M. Impact of pretreatment and downstream processing technologies on economics and energy in cellulosic ethanol production. Biotechnology for Biofuels, 4
  7. ^ http://www.nytimes.com/2012/01/10/business/energy-environment/companies-face-fines-for-not-using-unavailable-biofuel.html?_r=0
  8. ^ U.S. Will Be Hard-Pressed to Meet Its Biofuel Mandates | MIT Technology Review