农林生物质生产生物基燃料/化学品的关键技术

农林生物质生产生物基燃料/化学品的关键技术

农林生物质能源的利用不仅可以减少对传统石化能源的依赖，以及燃烧引起的硫化物、一氧化碳等危害气体对生态环境及人类健康的危害，同时可减少农林废弃物的堆放导致的生态污染等问题。从农林废弃物等可再生资源转化利用获得新能源、燃料乙醇等化工原料，已成为世界各国经济和社会发展的重大战略。

由于政府大力推动、企业高度重视、大学与研究机构积极参与，利用农林生物质生产生物基燃料/化学品的生物工程技术研究工作不断取得新的进展。Mu等（2008）探讨了利用中空纤维膜进行肺炎克雷伯杆菌生产1，3-丙二醇，和酯酶催化生产生物柴油的耦合工艺。甲酯化时的甘油副产物透膜后被该菌直接转化生成1，3-丙二醇。脂肪酶催化转化20 h生物柴油最高转化率可达84%。Kim等（2015）对硝酸预处理玉米秸秆葡萄糖和木糖发酵生产生物乙醇和生物柴油进行了探讨。利用响应面方法优化了硝酸预处理条件，在最适条件（151.9℃，0.68%HNO3，2.5 min）下获得78%木糖产率和57%葡萄糖产率。酵母菌通过半同步糖化发酵产生22.4 g/L乙醇。此外，弯曲隐球菌能发酵秸秆预处理液生产1.0 g/L油脂。 Morikawa（2014）探讨了麦秸秆发酵同时生成乙醇和生物柴油工艺，通过优化半纤维素稀酸预水解和纤维素酶解，最终提取到最大量总糖。结果发现，超稀酸（质量分数0～0.1%）预处理获得木糖浓度太低，高质量分数硫酸（0.3%～0.6%）在140～160℃条件下处理提取到木糖质量分数达到60%～70%。预处理固体基质同步糖化发酵产乙醇可达15.1 g/L。预处理液经过一株诱变菌弯曲隐球菌发酵可积累油脂，该油脂经固定化脂肪酶催化生成生物柴油达90%。Visser等（2011）研究了黄豆、蓖麻籽、麻疯树、棕榈仁、葵花籽和棉籽等榨油后的纤维质发酵产乙醇的能力，以及是否满足醇酯化需要。结果表明，所有这些作物都能产生足够乙醇用于生物柴油生产需要，其中棉籽生产乙醇产量是需求的4.7倍。棕榈产乙醇潜力最大，可产乙醇108 m3/km2；其次是麻疯树，可产乙醇40 m3/km2。Metsoviti等（2012）开展了以生物柴油加工副产物粗甘油为碳源培养产酸克雷伯菌FMCC-197同时产1，3-丙二醇，2，3-丁二醇和乙醇的研究。不同的甘油原料和培养条件对这些产品生产有重要影响：发酵时pH稳定，无氮气注入对1，3-丙二醇产生有积极影响；批次发酵时甘油初始质量浓度为120 g/L时1，3-丙二醇达到41.3 g/L。在适宜条件下通过分批补料培养，120 g/L甘油可转化生成50.1 g/L的1，3-丙二醇，同时产生25.2 g/L乙醇。当无氮气注入时不产生2，3-丁二醇，葡萄糖存在有助于生产2，3-丁二醇，葡萄糖单独作为碳源时可产生32.1 g/L的2，3-丁二醇。Chen（2011）评估了琥珀酸放线杆菌A.succinogenes ATCC 55618同步糖化发酵油菜籽粕产琥珀酸的可行性。琥珀酸产量达到23.4 g/L，生产强度为0.33 g/（L·h），转化率为11.5%。CN201510212735.5提供了一种农林生物质废弃物浓醪发酵产纤维素乙醇的方法，生物质废弃物甘油溶液混合后加热升温至150～240℃，保温蒸煮0.5～5 h；蒸煮结束后，加入沸水使甘油质量分数在30%～70%时充分离解15～60 min；离解疏散后过滤或者离心即获得粗纤维素，甘油溶液和沸水分别洗涤1～4次后，即获得甘油有机溶剂预处理纤维素；以初始基质质量分数10%～40%的该纤维素为基质，按10～80 FPU/g干基质添加纤维素酶，按6～20 g/L添加硫酸铵作氮源，按6%～14%质量分数接入酿酒酵母种子液后在32～42℃下进行糖化发酵40～120 h，产乙醇可达80 g/L以上。CN200910182254.9以农业废弃物秸秆为原料，用微生物同步糖化发酵生产丁二酸，秸秆经切割粉碎、稀碱预处理后，在里氏绿色木霉所产的纤维素酶和琥珀酸放线杆菌的共同作用下发酵生成丁二酸。70 g/L的稀碱预处理后的秸秆经38℃厌氧发酵生产丁二酸35.5 g/L。CN200910012133.X涉及一种以文冠果为原料多产物联产的方法，其以文冠果为原料，将果壳、种皮、种仁分离后，利用果壳、种皮生产纤维素乙醇；种仁油与果壳、种皮生产的乙醇发生酯交换反应生产生物柴油；生成的副产物甘油通过微生物转化生产1，3-丙二醇；同时可得到药用皂苷、粗蛋白质和木质素；生成的乙醇可在生物柴油生产、皂苷提取以及1，3-丙二醇的双水相萃取环节循环利用。CN201310009358.6报导了一种有机废弃物为原料联产乙醇、生物柴油和沼气等生物能源。其步骤为：将木质纤维素原料预处理进行酶解产糖、乙醇发酵后，通过向酶解残渣添加畜禽粪便，通过厌氧发酵制取沼气，沼渣通过食腐性昆虫转化，有机废水用作培养微藻，昆虫和微藻用来制备生物柴油。能源植物转化利用系统，收集过程废水与沼液、废气、沼渣等固体，分离和富集沼气过程二氧化碳，用于栽培甜高粱、甘蔗等含糖类，以及紫薯等含淀粉类，杨树等含纤维素类，乌桕树等含油脂类能源植物。这些能源植物所产生的生物质又可以用来提取糖源、淀粉、脂肪和纤维素，用来生产生物能源。

开发生物工程技术，解决农林生物质生产生物基燃料/化学品过程中原料转化率低、能耗高和二次污染等问题，构建农林生物质多级联产生物基燃料和化学品的技术集成，实现清洁生产，将是未来我国生物质能源开发利用的研究重点。

（江南大学图书馆 张群）