纖維素乙醇

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纖維素乙醇英语Cellulosic ethanol)是從木材,或農作物不可食用部分之木質纖維素產生之一種生物燃料。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植物、木屑、草坪和樹木維護的副產物,皆為比較流行之木質纖維素原料。

纖維素普遍存在於世界各地自然生長的植物,不需要農耕上的努力即可使其生長。與玉米種子和甘蔗等來源相比,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單醣给微生物,讓微生物通過發酵來生產乙醇。

柳枝稷和​​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。

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]

另外一种替代方法是,气化的合成气可以被馈送到催化反应器中,在那里它被用于通过热化学方法来生产乙醇和其它高级醇。[6]这个过程也可以产生其他类型的液体燃料,一种替代的概念在蒙特利尔的公司Enerkem在他们位于魁北克韦斯特伯里工厂成功地得到证明。[7]

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。[8]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。[9] 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。[10]能源獨立和安全法案最初設置的目標為分別是在2010年為1億美制加侖,在2011年為2.5億美制加侖,及在2012年為5億美制加侖。然而,在2012年被预计生产纤维素乙醇约为1050万美制加仑,其目标还很远。[10]仅在2007年,美国政府提供的10亿美元的纤维素乙醇项目,而中国投资5亿美元投入纤维素乙醇的研究。[11]

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. ^ Power Energy Fuels Homepage. Power Energy Fuels, Inc. [2007-11-28]. 
  7. ^ Westbury, Quebec. [2011-07-27]. 
  8. ^ Deepak, K., & Ganti, M. Impact of pretreatment and downstream processing technologies on economics and energy in cellulosic ethanol production. Biotechnology for Biofuels, 4
  9. ^ http://www.nytimes.com/2012/01/10/business/energy-environment/companies-face-fines-for-not-using-unavailable-biofuel.html?_r=0
  10. ^ 10.0 10.1 U.S. Will Be Hard-Pressed to Meet Its Biofuel Mandates | MIT Technology Review
  11. ^ Sainz, M. B. (2011). Commercial cellulosic ethanol: the role of plant-expressed enzymes. Biofuels, 237-264.