農(nóng)林生物質(zhì)生產(chǎn)生物基燃料/化學(xué)品的關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)林生物質(zhì)生產(chǎn)生物基燃料/化學(xué)品的關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)林生物質(zhì)能源的利用不僅可以減少對(duì)傳統(tǒng)石化能源的依賴，以及燃燒引起的硫化物、一氧化碳等危害氣體對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類健康的危害，同時(shí)可減少農(nóng)林廢棄物的堆放導(dǎo)致的生態(tài)污染等問題。從農(nóng)林廢棄物等可再生資源轉(zhuǎn)化利用獲得新能源、燃料乙醇等化工原料，已成為世界各國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略。

由于政府大力推動(dòng)、企業(yè)高度重視、大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)積極參與，利用農(nóng)林生物質(zhì)生產(chǎn)生物基燃料/化學(xué)品的生物工程技術(shù)研究工作不斷取得新的進(jìn)展。Mu等（2008）探討了利用中空纖維膜進(jìn)行肺炎克雷伯桿菌生產(chǎn)1，3-丙二醇，和酯酶催化生產(chǎn)生物柴油的耦合工藝。甲酯化時(shí)的甘油副產(chǎn)物透膜后被該菌直接轉(zhuǎn)化生成1，3-丙二醇。脂肪酶催化轉(zhuǎn)化20 h生物柴油最高轉(zhuǎn)化率可達(dá)84%。Kim等（2015）對(duì)硝酸預(yù)處理玉米秸稈葡萄糖和木糖發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇和生物柴油進(jìn)行了探討。利用響應(yīng)面方法優(yōu)化了硝酸預(yù)處理?xiàng)l件，在最適條件（151.9℃，0.68%HNO3，2.5 min）下獲得78%木糖產(chǎn)率和57%葡萄糖產(chǎn)率。酵母菌通過半同步糖化發(fā)酵產(chǎn)生22.4 g/L乙醇。此外，彎曲隱球菌能發(fā)酵秸稈預(yù)處理液生產(chǎn)1.0 g/L油脂。 Morikawa（2014）探討了麥秸稈發(fā)酵同時(shí)生成乙醇和生物柴油工藝，通過優(yōu)化半纖維素稀酸預(yù)水解和纖維素酶解，最終提取到最大量總糖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超稀酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～0.1%）預(yù)處理獲得木糖濃度太低，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸（0.3%～0.6%）在140～160℃條件下處理提取到木糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%～70%。預(yù)處理固體基質(zhì)同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇可達(dá)15.1 g/L。預(yù)處理液經(jīng)過一株誘變菌彎曲隱球菌發(fā)酵可積累油脂，該油脂經(jīng)固定化脂肪酶催化生成生物柴油達(dá)90%。Visser等（2011）研究了黃豆、蓖麻籽、麻瘋樹、棕櫚仁、葵花籽和棉籽等榨油后的纖維質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)乙醇的能力，以及是否滿足醇酯化需要。結(jié)果表明，所有這些作物都能產(chǎn)生足夠乙醇用于生物柴油生產(chǎn)需要，其中棉籽生產(chǎn)乙醇產(chǎn)量是需求的4.7倍。棕櫚產(chǎn)乙醇潛力最大，可產(chǎn)乙醇108 m3/km2；其次是麻瘋樹，可產(chǎn)乙醇40 m3/km2。Metsoviti等（2012）開展了以生物柴油加工副產(chǎn)物粗甘油為碳源培養(yǎng)產(chǎn)酸克雷伯菌FMCC-197同時(shí)產(chǎn)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養(yǎng)條件對(duì)這些產(chǎn)品生產(chǎn)有重要影響：發(fā)酵時(shí)pH穩(wěn)定，無氮?dú)庾⑷雽?duì)1，3-丙二醇產(chǎn)生有積極影響；批次發(fā)酵時(shí)甘油初始質(zhì)量濃度為120 g/L時(shí)1，3-丙二醇達(dá)到41.3 g/L。在適宜條件下通過分批補(bǔ)料培養(yǎng)，120 g/L甘油可轉(zhuǎn)化生成50.1 g/L的1，3-丙二醇，同時(shí)產(chǎn)生25.2 g/L乙醇。當(dāng)無氮?dú)庾⑷霑r(shí)不產(chǎn)生2，3-丁二醇，葡萄糖存在有助于生產(chǎn)2，3-丁二醇，葡萄糖單獨(dú)作為碳源時(shí)可產(chǎn)生32.1 g/L的2，3-丁二醇。Chen（2011）評(píng)估了琥珀酸放線桿菌A.succinogenes ATCC 55618同步糖化發(fā)酵油菜籽粕產(chǎn)琥珀酸的可行性。琥珀酸產(chǎn)量達(dá)到23.4 g/L，生產(chǎn)強(qiáng)度為0.33 g/（L·h），轉(zhuǎn)化率為11.5%。CN201510212735.5提供了一種農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物濃醪發(fā)酵產(chǎn)纖維素乙醇的方法，生物質(zhì)廢棄物甘油溶液混合后加熱升溫至150～240℃，保溫蒸煮0.5～5 h；蒸煮結(jié)束后，加入沸水使甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%～70%時(shí)充分離解15～60 min；離解疏散后過濾或者離心即獲得粗纖維素，甘油溶液和沸水分別洗滌1～4次后，即獲得甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理纖維素；以初始基質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～40%的該纖維素為基質(zhì)，按10～80 FPU/g干基質(zhì)添加纖維素酶，按6～20 g/L添加硫酸銨作氮源，按6%～14%質(zhì)量分?jǐn)?shù)接入釀酒酵母種子液后在32～42℃下進(jìn)行糖化發(fā)酵40～120 h，產(chǎn)乙醇可達(dá)80 g/L以上。CN200910182254.9以農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈為原料，用微生物同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸，秸稈經(jīng)切割粉碎、稀堿預(yù)處理后，在里氏綠色木霉所產(chǎn)的纖維素酶和琥珀酸放線桿菌的共同作用下發(fā)酵生成丁二酸。70 g/L的稀堿預(yù)處理后的秸稈經(jīng)38℃厭氧發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸35.5 g/L。CN200910012133.X涉及一種以文冠果為原料多產(chǎn)物聯(lián)產(chǎn)的方法，其以文冠果為原料，將果殼、種皮、種仁分離后，利用果殼、種皮生產(chǎn)纖維素乙醇；種仁油與果殼、種皮生產(chǎn)的乙醇發(fā)生酯交換反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油；生成的副產(chǎn)物甘油通過微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)1，3-丙二醇；同時(shí)可得到藥用皂苷、粗蛋白質(zhì)和木質(zhì)素；生成的乙醇可在生物柴油生產(chǎn)、皂苷提取以及1，3-丙二醇的雙水相萃取環(huán)節(jié)循環(huán)利用。CN201310009358.6報(bào)導(dǎo)了一種有機(jī)廢棄物為原料聯(lián)產(chǎn)乙醇、生物柴油和沼氣等生物能源。其步驟為：將木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理進(jìn)行酶解產(chǎn)糖、乙醇發(fā)酵后，通過向酶解殘?jiān)砑有笄菁S便，通過厭氧發(fā)酵制取沼氣，沼渣通過食腐性昆蟲轉(zhuǎn)化，有機(jī)廢水用作培養(yǎng)微藻，昆蟲和微藻用來制備生物柴油。能源植物轉(zhuǎn)化利用系統(tǒng)，收集過程廢水與沼液、廢氣、沼渣等固體，分離和富集沼氣過程二氧化碳，用于栽培甜高粱、甘蔗等含糖類，以及紫薯等含淀粉類，楊樹等含纖維素類，烏桕樹等含油脂類能源植物。這些能源植物所產(chǎn)生的生物質(zhì)又可以用來提取糖源、淀粉、脂肪和纖維素，用來生產(chǎn)生物能源。

開發(fā)生物工程技術(shù)，解決農(nóng)林生物質(zhì)生產(chǎn)生物基燃料/化學(xué)品過程中原料轉(zhuǎn)化率低、能耗高和二次污染等問題，構(gòu)建農(nóng)林生物質(zhì)多級(jí)聯(lián)產(chǎn)生物基燃料和化學(xué)品的技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，將是未來我國生物質(zhì)能源開發(fā)利用的研究重點(diǎn)。

（江南大學(xué)圖書館 張群）