第3讲-燃料乙醇资料课件

第第3 3讲讲 燃料乙醇技术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代燃料乙醇技术第第1 1节节 概述概述 “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：乙醇汽油：乙醇汽油：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的燃料。用作点燃式内燃机的燃料。用作点燃式内燃机的燃料。用作点燃式内燃机的燃料。2 2、燃料乙醇及乙醇汽油、燃料乙醇及乙醇汽油变性燃料乙醇：变性燃料乙醇：变性燃料乙醇：变性燃料乙醇：指加入指加入指加入指加入2 25 5(v/v)(v/v)的变性剂（即车用无铅汽油）后的变性剂（即车用无铅汽油）后的变性剂（即车用无铅汽油）后的变性剂（即车用无铅汽油）后,使使使使其与食用酒精相区别而不能饮用的燃料乙醇。其与食用酒精相区别而不能饮用的燃料乙醇。其与食用酒精相区别而不能饮用的燃料乙醇。其与食用酒精相区别而不能饮用的燃料乙醇。燃料乙醇：燃料乙醇：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）。未加变性剂、可作为燃料用的无水乙醇（无水酒精）。未加变性剂、可作为燃料用的无水乙醇（无水酒精）。未加变性剂、可作为燃料用的无水乙醇（无水酒精）。无水乙醇：无水乙醇：无水乙醇：无水乙醇：原料经发酵、蒸馏、脱水后制得的水含低于原料经发酵、蒸馏、脱水后制得的水含低于原料经发酵、蒸馏、脱水后制得的水含低于原料经发酵、蒸馏、脱水后制得的水含低于0.5%0.5%（v/vv/v）的）的）的）的乙醇。乙醇。乙醇。乙醇。对水分和杂醇的要求不同：对水分和杂醇的要求不同：对水分和杂醇的要求不同：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在食用酒精生产中水和乙醇在蒸馏时产生共在食用酒精生产中水和乙醇在蒸馏时产生共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沸，因此食用酒精中最多含有沸，因此食用酒精中最多含有沸，因此食用酒精中最多含有95.5%(m/m)95.5%(m/m)的乙醇，并对杂醇含量进行的乙醇，并对杂醇含量进行的乙醇，并对杂醇含量进行的乙醇，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控制。而无水乙醇是采用其它方法将水含量脱到控制。而无水乙醇是采用其它方法将水含量脱到控制。而无水乙醇是采用其它方法将水含量脱到0.5%(v/v)0.5%(v/v)以下的乙醇，以下的乙醇，以下的乙醇，以下的乙醇，对杂醇含量控制不严。对杂醇含量控制不严。对杂醇含量控制不严。对杂醇含量控制不严。燃料乙醇与实用酒精有何区别？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，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，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，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，使乙醇汽油不能正常燃烧。使乙醇汽油不能正常燃烧。使乙醇汽油不能正常燃烧。使乙醇汽油不能正常燃烧。燃料乙醇为何要控制水分？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；下层由大约约约约2020的水、的水、的水、的水、7070乙醇和乙醇和乙醇和乙醇和1010的组分油组成。的组分油组成。的组分油组成。的组分油组成。我国虽然对我国虽然对我国虽然对我国虽然对E7.7E7.7、E10E10、E15E15不同变性燃料乙醇含量的车用乙醇汽油进行不同变性燃料乙醇含量的车用乙醇汽油进行不同变性燃料乙醇含量的车用乙醇汽油进行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，只推广使用推广使用推广使用推广使用E10E10一种车用乙醇汽油。一种车用乙醇汽油。一种车用乙醇汽油。一种车用乙醇汽油。我国车用乙醇汽油的混配比例是多少？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车用乙醇汽油能够降低车用乙醇汽油能够降低车用乙醇汽油能够降低HCHC和和和和COCO的排放，其中的排放，其中的排放，其中的排放，其中COCO的排放可减少近的排放可减少近的排放可减少近的排放可减少近3030，虽然虽然虽然虽然NONOX X的排放略有增加，但汽车尾气的排放总量减少。的排放略有增加，但汽车尾气的排放总量减少。的排放略有增加，但汽车尾气的排放总量减少。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？乙醇汽油的排放属性如何？Energycontent汽油汽油 乙醇乙醇 生物柴油生物柴油 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？燃料乙醇与汽油有何区别？燃料乙醇与汽油有何区别？性性质质乙乙醇醇汽汽油油化学式化学式C2H5OHC4-12烃合物烃合物相对分子质量相对分子质量4695120碳碳(%)52.58588氢氢(%)131215氧氧(%)34.80C/H3.9715.67.4密度密度(20)(kg/L)0.78930.720.78沸点沸点()78.530200凝固点凝固点()-114-57粘度粘度(20)(mPas)1.20.650.85辛烷值辛烷值111(RON)91(RON)汽化潜热汽化潜热(kJ/kg)904297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。提高发动机功率，增加行车里程数，又可节约燃料。提高发动机功率，增加行车里程数，又可节约燃料。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BiomassPretreatmentHydrolysisFermentationDistillationEthanol淀淀粉粉原原料料乙乙醇醇生生产产工工艺艺流流程程木木质质纤纤维维素素原原料料乙乙醇醇生生产产工工艺艺流流程程纤维素酶斜面菌种纤维素酶斜面菌种纤维原料纤维原料纤维原料纤维原料酒酒 精精 酵酵 母母 斜斜 面面摇瓶种子摇瓶种子配料配料配料配料茄子瓶茄子瓶一级种子一级种子同步糖化发酵同步糖化发酵发酵罐发酵罐卡氏罐卡氏罐二级种子二级种子酒酒 精精 发发 酵酵 醪醪 液液纤维素酶发酵醪液纤维素酶发酵醪液残渣残渣固液分离固液分离燃料燃料酒母罐酒母罐蒸馏塔蒸馏塔蒸馏塔蒸馏塔乙乙乙乙醇醇醇醇脱水塔脱水塔脱水塔脱水塔无无无无 水水水水 乙乙乙乙 醇醇醇醇废液废液处理处理或或回用回用电力、蒸汽电力、蒸汽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秸秆发酵乙醇的主要难题u原料分散原料分散-集运增加成本集运增加成本u组分复杂组分复杂-必先预加处理必先预加处理u多酶体系多酶体系-效率亟待提高效率亟待提高u戊糖难用戊糖难用-酵母先要改造酵母先要改造第第2 2节节 第第2 2代燃料乙醇技术代燃料乙醇技术Source:NicolleRagerFuller,NationalScienceFoundation美国玉米用途美国玉米用途燃料燃料 or or 食物食物?预处理预处理糖化糖化（水解）（水解）发酵发酵PlantBiomassETHANOLnzymes(Cellulase&b-Glucosidase)能源植物：玉米、柳枝稷、白杨能源植物：玉米、柳枝稷、白杨纤维乙醇成本构成纤维乙醇成本构成BiomassFeedstockFeedHandlingPretreatment/ConditioningSaccharificationandfermentationCellulaseDistillationandSolidsRecoveryWastewaterTreatmentBoiler/TurbogeneratorUtilitiesStorage(0.30)(0.20)(0.10)-0.100.200.300.40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 AnalysisFermentableCarbohydrateCost($/kg)$0.00$0.05$0.10$0.15$0.20$0.25$0.30Corn(drymill)EnzymeOperating(non-enzyme)Capital(non-enzyme)Feedstock$0.152$0.148WithCoproductsCellulosicBiomassCurrent$0.168$0.194WithCoproductsMature$0.083$0.079WithCoproducts玉米乙醇与纤维乙醇成本对比玉米乙醇与纤维乙醇成本对比LaserandLynd,2007联合生物加工工艺：利用一种微生物在同一个反应器中联合生物加工工艺：利用一种微生物在同一个反应器中完成纤维素酶制备、纤维素糖化及乙醇发酵的全过程完成纤维素酶制备、纤维素糖化及乙醇发酵的全过程ConsolidatedBio-processing,CBP纤维乙醇生产工艺进展纤维乙醇生产工艺进展纤维素酶制备纤维素酶制备纤维素水解（糖化）纤维素水解（糖化）己糖发酵己糖发酵戊糖发酵戊糖发酵_CBPCBP:ConsolidatedbioprocessingSHFO2SSFO2SSCFO2SHF:Separatehydrolysis&fermentationSSF:Simultaneoussaccharification&fermentationSSCF:Simultaneoussaccharification&co-fermentation提高水解效率提高水解效率纤维素酶负荷减半纤维素酶负荷减半消除预处理消除预处理联合生物加工联合生物加工CBP0%10%20%30%40%50%3%13%22%41%成本降低幅度成本降低幅度C5&C6糖的同时利用糖的同时利用增加发酵产率增加发酵产率提高乙醇浓度提高乙醇浓度6%2%11%CBP工艺后提高乙醇浓度工艺后提高乙醇浓度6%技术进步对成本的影响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生产乙醇的能力生产乙醇的能力生产乙醇的能力,这已成为发展这已成为发展这已成为发展这已成为发展CBP CBP CBP CBP 技术所需解决的关键问题技术所需解决的关键问题技术所需解决的关键问题技术所需解决的关键问题CBP面临的难题及解决方向：面临的难题及解决方向：利用基因工程技术利用基因工程技术利用基因工程技术利用基因工程技术,对现有微生物进行基因重组是解决该问题的有效途对现有微生物进行基因重组是解决该问题的有效途对现有微生物进行基因重组是解决该问题的有效途对现有微生物进行基因重组是解决该问题的有效途径。径。径。径。预处理预处理糖化糖化（水解）（水解）发酵发酵PlantBiomassETHANOLnzymes(Cellulase&b-Glucosidase)Section of a pine board3 nmPolymerized glucoseSomerville,2006植物细胞壁植物细胞壁 燃料燃料ParallelstrandsofglucosepolymersCellulosemicrofibril缓慢高成本步慢高成本步骤“recalcitrance”chemicalpretreatmentsenzymedigestionsugarsFermentationethanolCosgrove,2006结晶区无定形区纤维素木质素半纤维素半纤维素预处理1.预处理预处理预处理的目的预处理的目的:u将纤维素从木质纤维素结构中释放出来将纤维素从木质纤维素结构中释放出来:l脱除或水解半纤维素脱除或水解半纤维素l脱除木质素脱除木质素u降低纤维素的结晶度降低纤维素的结晶度u为酶提供足够多的可及面为酶提供足够多的可及面u脱除抑制物脱除抑制物预处理方法预处理方法物理方法物理方法化学及物理化学方法化学及物理化学方法生物方法生物方法粉碎粉碎:-Ball milling-Two-roll milling-Hammer milling-Colloid milling-Vibro energy milling辐射射:-Gamma-ray irradiation-Electron-beam irradiation-Microwave irradiation其他其他:-Hydrothermal-High pressure steaming-Expansion-Extrusion-Pyrolysis爆破爆破:-Steam,Ammonia,CO2,SO2,Acids碱碱处理理:-NaOH,NH3,(NH4)2SO3酸酸处理理:-Sulfuric,Hydrochloric&Phosphoric acids气体气体处理理:-ClO2,NO2,SO2 氧化氧化:-Hydrogen peroxide-Wet oxidation-Ozone木木质素溶素溶剂提取提取:-Ethanol-water extraction-Benzene-water extraction-Ethylene glycol extraction-Butanol-water extraction-Swelling agents有机溶有机溶剂/离子液体离子液体真菌及放真菌及放线菌菌(lignin peroxidase,manganese peroxidase,laccase)粉碎粉碎:所有工艺都需有的步骤所有工艺都需有的步骤研磨研磨Milling:球磨Ballmilling双辊磨Two-rollmilling锤式粉碎Hammermilling功能功能Functions:降低原料尺寸Sizereduction降低结晶度Degreeofcrystallinity高耗能过程高耗能过程Highenergycosts辐射处理辐射处理Irradiations辐射辐射Irradiation:射线辐射Gamma-rayirradiation电子束辐照Electron-beamirradiation微波辐照Microwaveirradiation效果好效果好费用高费用高水热处理水热处理Hydrothermalprocess在在150-210度热水中蒸煮度热水中蒸煮水分在高温高压下水分在高温高压下:渗入生物质内部Penetrateintothebiomass,水解纤维素Hydratecellulose,脱除半纤维素Removehemicellulose(amajorfunction),脱除部分木质素Removepartoflignin(butnotsoeffective),水解作用的产生是由于乙酸等羧酸的生成水解作用的产生是由于乙酸等羧酸的生成优点优点:不需添加化学品Noadditionofchemicals,处理后不需要中和Noneutralizationafterward,对反应器无腐蚀Nocorrosion-resistantmaterialsforreactor,可以跟木质素分离方法结合Couldbecombinedwithe.g.adelignificationprocessCornStoverPretreatment0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%0510152025Pretreatment Time(min.)Solubilization(%)200C190C180C170C高温水处理高温水处理玉米秆降解特性玉米秆降解特性10203040506070800510152025Pretreatment Time(min.)Glucose Yield(%)200 C190 C180 C170 C处理前处理前SEM（1000）处理后处理后SEM（1000）汽爆处理汽爆处理Steamexplosion蒸汽爆破设备蒸汽爆破设备蒸汽爆破前后原料对比蒸汽爆破前后原料对比SteamgunReceivingvessel料仓处理后的玉米秆稀酸辅助汽爆处理稀酸辅助汽爆处理与汽爆相同的温度和压力与汽爆相同的温度和压力添加下列物质促进效果添加下列物质促进效果Dilute-acid(0.1-1%acids:H2SO4,HCl,etc.)Carboxylicacids(e.g.aceticacid)1-4%SO2CO2功能功能Functions:聚合物解聚Openupthepolymers水解半纤维素Hydrolysisofhemicellulose指标指标汽爆汽爆汽喷汽喷蒸煮蒸煮爆破速度爆破速度0.00875s10s-爆出料温度爆出料温度609898均匀性均匀性好好差差好好组分分离效果组分分离效果好好差差很差很差处理时间处理时间90s600s4h能耗能耗0.25t/t2t/t6t/t汽爆和其他热处理技术对比碱液蒸煮碱液蒸煮Alkalinecooking用碱液进行处理用碱液进行处理:NaOH,Ca(OH)2(lime)orAmmonia(AFEX)造纸制浆常用工艺造纸制浆常用工艺(kraftprocess)有效脱除木质素有效脱除木质素降低纤维素结精度降低纤维素结精度氨爆破法（氨爆破法（AmmoniaFiberExplosion，AFEX）是一种将热处理和化学处理结合在）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（一起的联合处理技术，是指在中等温度（60100）和高压（）和高压（250300psi）条件）条件下对木质纤维处理一段时间，然后快速释放压力以破坏木质纤维的结构。下对木质纤维处理一段时间，然后快速释放压力以破坏木质纤维的结构。Beforepulping30minutesafterkraftcooking1hourafterkraftcookingFullypulped(1.5hours)处理条件：处理条件：3份份NaOH+1份份Na2S浸泡浸泡1.5h并加热到并加热到170，然后在此温度下处理，然后在此温度下处理1.5h湿式氧化处理湿式氧化处理wetoxidationu用水和空气或者氧气在用水和空气或者氧气在140200下处理一段时间下处理一段时间u半纤维素大量转化为单糖半纤维素大量转化为单糖u木质素被分离和氧化木质素被分离和氧化u纤维素发生部分降解纤维素发生部分降解有机溶剂有机溶剂Organosolves/离子液体离子液体Ionicliquidsu木质纤维素加入有机溶剂中加热使其溶解：木质纤维素加入有机溶剂中加热使其溶解：LigningAnd/orcelluloseu温度温度80-200:根据所用溶剂确定根据所用溶剂确定u简单的溶剂有乙醇和丙酮简单的溶剂有乙醇和丙酮u离子液体成为一个热点研究领域离子液体成为一个热点研究领域离子液体：离子液体：离子液体：离子液体：由体积较大的由体积较大的由体积较大的由体积较大的不对称有机不对称有机不对称有机不对称有机阳离子阳离子阳离子阳离子和体积较小的和体积较小的和体积较小的和体积较小的无机无机无机无机/有机阴离有机阴离有机阴离有机阴离子子子子组成的在室温下呈熔融态的盐组成的在室温下呈熔融态的盐组成的在室温下呈熔融态的盐组成的在室温下呈熔融态的盐,具具具具有优异的溶解性、热稳定性、化学惰有优异的溶解性、热稳定性、化学惰有优异的溶解性、热稳定性、化学惰有优异的溶解性、热稳定性、化学惰性、强极性、不挥发、难氧化和可设性、强极性、不挥发、难氧化和可设性、强极性、不挥发、难氧化和可设性、强极性、不挥发、难氧化和可设计等性能。计等性能。计等性能。计等性能。目前用于溶解、加工纤维素的离子目前用于溶解、加工纤维素的离子目前用于溶解、加工纤维素的离子目前用于溶解、加工纤维素的离子液体大致分成三大类：液体大致分成三大类：液体大致分成三大类：液体大致分成三大类：（1 1 1 1）二烷基咪唑类、）二烷基咪唑类、）二烷基咪唑类、）二烷基咪唑类、N-N-N-N-烷基吡啶类、烷基吡啶类、烷基吡啶类、烷基吡啶类、季铵类的氯代盐季铵类的氯代盐季铵类的氯代盐季铵类的氯代盐（2 2 2 2）羧酸类酯盐）羧酸类酯盐）羧酸类酯盐）羧酸类酯盐（3 3 3 3）烷基磷酸酯盐）烷基磷酸酯盐）烷基磷酸酯盐）烷基磷酸酯盐AMImCl溶解纤维素的偏光显微照片溶解纤维素的偏光显微照片1-乙基乙基-3-甲基咪唑醋酸盐甲基咪唑醋酸盐EMImAc中柳枝稷茎细胞原位动态溶中柳枝稷茎细胞原位动态溶解过程的共焦荧光图像解过程的共焦荧光图像(1)离子液体的毒性、安全性、生物降解性和生物蓄积性离子液体的毒性、安全性、生物降解性和生物蓄积性,及这些指标及这些指标对人类和环境的影响亟需研究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：离子液体应用需要解决的问题：(2)离子液体的不稳定性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应用亟需研究的问题白腐真菌的概念白腐真菌的概念不是生物学术语不是生物学术语，而是一种，而是一种功能描述的概念功能描述的概念纤维素木腐真菌木腐真菌WoodRottingFungi木质纤维素Ligno-cellulose软腐真菌SoftrotFungi褐腐真菌BrownrotFungi白腐真菌WhiterotFungi木质素半纤维素多糖类软腐真菌：主要降解纤维素，对木质素降解软腐真菌：主要降解纤维素，对木质素降解缓慢且不彻底。缓慢且不彻底。褐腐真菌：主要降解纤维素、半纤维素和部褐腐真菌：主要降解纤维素、半纤维素和部分多糖类，几乎不降解木质素。分多糖类，几乎不降解木质素。白腐真菌：主要降解木质素和多糖类，对纤白腐真菌：主要降解木质素和多糖类，对纤维素和半纤维素降解能力弱。维素和半纤维素降解能力弱。生物处理：白腐真菌生物处理：白腐真菌纯培养的白腐真菌菌丝体漆酶漆酶（Lac）木质素过氧化物酶（木质素过氧化物酶（LiP）能氧化高氧化还原电位的化合物，催化酚类、能氧化高氧化还原电位的化合物，催化酚类、非酚类物质氧化，参与木质素解聚。非酚类物质氧化，参与木质素解聚。锰过氧化物酶（锰过氧化物酶（MnP）表现出对锰二价离子的绝对需要，氧化氧化还表现出对锰二价离子的绝对需要，氧化氧化还原电位相对低的化合物，参与木质素解聚。原电位相对低的化合物，参与木质素解聚。木木质质素素氧氧化化酶酶系系需需H2O2的过氧化物酶的过氧化物酶含铁的血红蛋白含铁的血红蛋白胞外酶胞外酶含铜多酚氧化酶（对二酚氧化酶）含铜多酚氧化酶（对二酚氧化酶）以单酚、二酚、二胺、多酚类化合物为底物。参与木质素的解聚和降解。以单酚、二酚、二胺、多酚类化合物为底物。参与木质素的解聚和降解。木质素的降解过程木质素的降解过程木质素木质素脱甲基化脱甲基化羟基化羟基化芳环开裂芳环开裂白白腐腐真真菌菌细细胞胞外外酶酶愈创木基和丁香基亚单位愈创木基和丁香基亚单位甲氧基含量减少甲氧基含量减少邻苯二酚邻苯二酚脂肪羧酸脂肪羧酸水解水解木质素主要前体物木质素主要前体物对豆香醇对豆香醇松柏醇松柏醇芥子醇芥子醇愈愈创创木木基基木木质质素素愈愈创创木木基基丁丁香香基基木木质质素素愈愈创创木木基基丁丁香香基基对对羟羟苯苯基基木木质质素素主主要要存存在在于于草草本本植植物物中中主主要要存存在在于于裸裸子子植植物物中中主主要要存存在在于于木木本本植植物物中中预处理技术的比较预处理技术的比较方法方法增加表面积增加表面积纤维素脱晶纤维素脱晶去半纤维素去半纤维素去木质素去木质素改变木质素结构改变木质素结构蒸汽爆破蒸汽爆破+-+-+热水热水+-+-+热水（调热水（调pH）+-+-热水（流动热水（流动)+-+稀酸稀酸+-+-+稀酸（流动）稀酸（流动）+-+AFEX+石灰石灰+-+*:Mosieretal.,2005.BioresourceTechnology96:673-686预处理预处理糖化糖化（水解）（水解）发酵发酵PlantBiomassETHANOLnzymes(Cellulase&b-Glucosidase)相对于淀粉转化的酶蛋白用量，纤维素的降解需要相对于淀粉转化的酶蛋白用量，纤维素的降解需要40100倍倍的酶量。的酶量。（1）纤维素的可及度纤维素的可及度影响纤维素水解的因素：影响纤维素水解的因素：（2）纤维素的结晶度纤维素的结晶度（3）木质素的类型及分布木质素的类型及分布预处理方式对酶的影响预处理方式对酶的影响水洗酸处理玉米秸秆水洗酸处理玉米秸秆未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碱处理玉米秸秆不同处理强调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：预处理方式对酶影响机制：（2）酶与木质素的非特异性吸附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活性的抑制：糠醛、醋酸预处理所释放的抑制剂对酶活性的抑制：糠醛、醋酸纤维素酶系纤维素酶系内切酶葡聚糖酶内切酶葡聚糖酶(EG)纤维二糖水解酶纤维二糖水解酶(CBH)结合域结合域催化域催化域内切酶葡聚糖酶内切酶葡聚糖酶（EG）纤维二糖水解酶纤维二糖水解酶（CBH）-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶（BG）里氏木霉（里氏木霉（Trichoderma reesei）u目前最广泛使用的用于生目前最广泛使用的用于生物质水解的商品化酶制剂物质水解的商品化酶制剂由由T.reesei 深层发酵生产深层发酵生产uT.reesei的分布的分布:广泛分布在各种土壤等环境中广泛分布在各种土壤等环境中嗜好植物根系发达的地方嗜好植物根系发达的地方Trichoderma reeseiT.Reesei的酶系的酶系:p二种外切葡聚糖苷酶：二种外切葡聚糖苷酶：CBH和和CBHp三种内切葡聚糖苷酶：三种内切葡聚糖苷酶：EG、EG和和Egp-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶纤维素酶存在纤维素酶存在的两类体系的两类体系非复合型非复合型复合型：纤维小体复合型：纤维小体纤维素酶通过细胞分泌纤维素酶通过细胞分泌,游离于胞外，如游离于胞外，如T.reesei 纤维素酶体系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组分与无催化活性的支架蛋白组装成的多酶复合体酶复合体-glucoside-glucoside纤维小体（纤维小体（cellulosome）“超分子机器超分子机器”纤维小体超分子复合体是某些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厌氧菌产生的由多个亚基共同组装而成的组装而成的大分子机器大分子机器，是致，是致力于组织、协调多种酶组分协力于组织、协调多种酶组分协同高效催化降解木质纤维素的同高效催化降解木质纤维素的胞外蛋白质复合体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热纤梭菌纤维小体的结构特点及组装机理I型黏合型黏合(cohesin)-锚定锚定(dockerin)蛋白蛋白II型黏合型黏合(cohesin)-锚定锚定(dockerin)蛋白蛋白纤维素的碳水纤维素的碳水化合物结合模块化合物结合模块CBM（cellulosebindingmodule)纤维素酶的催化域纤维素酶的催化域酿酒酵母酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)异源表达纤维素酶异源表达纤维素酶预处理预处理糖化糖化（水解）（水解）发酵发酵PlantBiomassETHANOLnzymes(Cellulase&b-Glucosidase)秸秆发酵乙醇的主要难题秸秆发酵乙醇的主要难题u原料分散原料分散-集运增加成本集运增加成本u组分复杂组分复杂-必先预加处理必先预加处理u多酶体系多酶体系-效率亟待提高效率亟待提高u戊糖难用戊糖难用-酵母先要改造酵母先要改造Ethanol葡萄糖Ethanol木糖酿酒酵母酒酵母S.cerevisiae工程菌株工程菌株发酵葡萄糖和木糖的酵葡萄糖和木糖的对比比葡萄糖葡萄糖发酵酵木糖木糖发酵酵2-5g2-5g乙醇乙醇乙醇乙醇/Lh/Lh1-2g1-2g乙醇乙醇乙醇乙醇/Lhg/Lhg干干干干细细胞胞胞胞时间时间0.05-0.15g乙醇乙醇/Lh0.05-0.1g乙醇乙醇/Lhg干干细胞胞时间时间戊糖难用戊糖难用纤维乙醇发展的主要难题之一纤维乙醇发展的主要难题之一途途径径酵母菌的木糖代谢工程改造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程改造运动发酵单胞菌木糖代谢的代谢工程改造解决戊糖发酵难题的途径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大肠杆菌木糖代谢的代谢工程改造XI:木糖异构酶木糖异构酶XR:木糖还原酶木糖还原酶XDH:木糖醇脱氢酶木糖醇脱氢酶XK:木酮糖激酶木酮糖激酶酿酒酵母不能利用木糖，但可以利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的转化木糖为木酮糖的途径木糖发酵产乙醇途径木糖发酵产乙醇途径5-磷酸木磷酸木酮糖酮糖转酮酶转酮酶转酮酶转酮酶转醛酶转醛酶5-磷酸核磷酸核糖糖7-磷酸景天庚磷酸景天庚酮糖酮糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛6-磷酸果糖磷酸果糖4-磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖5-磷酸木磷酸木酮糖酮糖3-磷酸甘油磷酸甘油醛醛6-磷酸果糖磷酸果糖戊糖磷酸途径（戊糖磷酸途径（PPP）TAL1-转醛醇酶转醛醇酶(TAL)TKL1-转酮酶转酮酶(TKL)木糖自然木糖自然发酵酵 乙醇耐受性低乙醇耐受性低树干毕赤酵母树干毕赤酵母PichiastipitisXyloseXylitolXyluloseX-5-PPPPandGlycolysis乙醇乙醇XYL1XYL1XYL2XYL2XYL3XYL3酿酒酵母酿酒酵母S.cerevisaeXyloseXylitolXyluloseX-5-PPPPandGlycolysis乙醇乙醇 经过工程工程应用考用考验 乙醇耐受性乙醇耐受性强强XYL1-木糖还原酶木糖还原酶(XR)XYL2-木糖醇脱氢酶木糖醇脱氢酶(XDH)XYL3-木酮糖激酶木酮糖激酶(XK)3.中中间代代谢物的流失物的流失2.辅酶酶因子再生因子再生5.副副产物抑制物抑制1.低低摄取率取率XYLXOHXULXYLXOHXULX-PGLYETOH乙酸乙酸乙酸乙酸细胞胞质外部基外部基质4.好氧代好氧代谢CHOC-OHC=OCHOC-OHC=OPXRXDHXKNADPHNADP+NADHNAD+酿酒酵母酿酒酵母S.cerevisiae工程菌株发酵木糖主要制约因素工程菌株发酵木糖主要制约因素XYL:木糖木糖XOH:木糖醇木糖醇XUL:木酮糖木酮糖线粒体（1）木糖运）木糖运输障碍障碍在在酿酒酵母中，木糖的吸收主要是通酒酵母中，木糖的吸收主要是通过高高亲和力葡萄糖运和力葡萄糖运输因子因子进行，因此，葡萄糖的存在可以行，因此，葡萄糖的存在可以强强烈抑制木糖烈抑制木糖发酵酵酵母菌株酵母菌株对木糖的吸收木糖的吸收酿酒酵母酿酒酵母S.cerevisiae工程菌株发酵木糖低效的主要原因工程菌株发酵木糖低效的主要原因Glucose&XyloseCellobiose&XyloseEthanolEthanol木木质纤维素素预处理理半半纤维素素乙醇乙醇TimeS.cerevisiaeDA24-16BT3TimeHaetal.PNAS,108:504-509纤维素素木糖木糖木糖木糖木糖醇木糖醇木木酮糖糖PPPEMP纤维二糖二糖葡萄糖葡萄糖S.cerevisiae戊糖已糖共代谢途径戊糖已糖共代谢途径酿酒酵母酿酒酵母S.cerevisiae工程菌株发酵木糖低效的主要原因工程菌株发酵木糖低效的主要原因（2）有氧呼吸与氧化）有氧呼吸与氧化还原平衡原平衡对木糖代木糖代谢的影响的影响木糖木糖还原原酶酶对辅酶酶因子因子NADPH的的亲和力和力远远高于高于对NADH的的亲和力，但随后的木糖醇脱和力，但随后的木糖醇脱氢酶酶却需要以却需要以NAD+为辅因子，因子，酵母菌株只能在有氧条件下利用木糖，但乙醇的酵母菌株只能在有氧条件下利用木糖，但乙醇的产生生则需需要要厌氧条件。氧条件。酿酒酵母酿酒酵母S.cerevisiae工程菌株发酵木糖低效的主要原因工程菌株发酵木糖低效的主要原因（3）低效）低效PPP代代谢途径途径TAL1和和TKL1在酵母菌的表达水平低于其在在酵母菌的表达水平低于其在树干比赤酵母中干比赤酵母中的表达。的表达。XI:木糖异构酶木糖异构酶XR:木糖还原酶木糖还原酶XDH:木糖醇脱氢酶木糖醇脱氢酶XK:木酮糖激酶木酮糖激酶酿酒酵母不能利用木糖，但可以利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的转化木糖为木酮糖的途径木糖发酵产乙醇途径木糖发酵产乙醇途径木糖异构酶木糖异构酶XI研究研究u异源异源XI在在酿酒酵母中的功能表达研究已延酒酵母中的功能表达研究已延续了了20多年多年u高水平表达真菌高水平表达真菌XI的的酿酒酵母研究酒酵母研究u为改改进基于基于XI的木糖利用而的木糖利用而进行的代行的代谢工程研究工程研究u为改改进基于基于XI的木糖利用而的木糖利用而进行的行的进化工程研究化工程研究预处理预处理糖化糖化（水解）（水解）发酵发酵PlantBiomassETHANOLnzymes(Cellulase&b-Glucosidase)纤维乙醇研究纤维乙醇研究一条漫长而曲折的路一条漫长而曲折的路蛋白质组学组学Discovery-driven转录组学代谢组学 通量组学DNA芯片技术二维电泳/质谱技术多维色谱/质谱技术同位素-核磁共振技术计算生物学基因组模型化技术实验生物科学Hypothesis-driven分子遗传学分子微生物学蛋白质工程结构生物学代谢工程重组DNA技术蛋白质结晶及晶体衍射技术酶的定向进化技术高通量筛选技术微生物生理学反向代谢工程技术从基因组从基因组到产品到产品纤维乙醇研究涉及的技术途径纤维乙醇研究涉及的技术途径