纤维素的分子结构
纤维素的结构
纤维素分子
结晶纤维素
植物细胞壁含 有
多糖和木质素
木质纤维 素结构
分层网格的微纤 维植物细胞壁
次结晶纤维素
木质纤维素组成
纤维素约45%（主要由葡萄糖聚合而成）、半纤维素约30%（主要由木糖 聚合组成）、木质素约25%（主要由复杂酚类聚合而成）。
（作物秸秆）木质纤维素预处理工艺
（C1 、Cx 、Cb） 协同作用的结果：
1. 首先Cx 酶在纤维 素内部随机的切
割，使其露出许
多供外切酶作用
的末端。
CX
C1
2. 然后在C1酶的作
用下生成大量纤
Cb
维二糖和纤维寡
糖。
3. 最后Cb酶将他们 进一步分解成葡
萄糖。
纤维二糖
两种途径
1.酵母乙醇发酵法：利用酿酒酵母、 管囊酵母、卡尔酵母、清酒酵母在 无氧条件下，得到乙醇
碱法预处理：是利用木质素能够溶于碱性溶液的特点，脱除木质素，引
起木质纤维原料润胀，导致纤维内部表面积增加，聚合度降低，结晶度 下降，从而促进酶水解的进行。常用的碱包括NaOH , KOH ,Ca(OH)2和氨水 等。
4. 生物法
生物法预处理条件温和，能耗低，无污染，但通常处理的时间较长，而 且许多白腐真菌在分解木质素的同时也消耗部分纤维素和半纤维素。
生物质是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源， 也是我国可再生能源发展的重点。
生 物 质
柳枝稷
芒草
秸秆发酵机理
秸秆预处理 01 物理法、物理化学法、化学法和生物法
糖化 02 将纤维素酶解为多糖或单糖。
微生物发酵和蒸馏提取乙醇 03 糖酵解阶段、丙酮酸转化为乙醇以及乙醇的提取的阶段
Prachand Shrestha, Mary Rasmussen. Solid-substrate fermentation of corn fiber by phanerochaete chrysosporium and subsequent fermentation of hydrolysate into ethanol [J]. J. Agric. Food. Chem, 2008, 56, 3918-3924
生物质定义
生物质是指利用大气、水、土地等通 过光合作用而产生的各种有机体，即 一切有生命的可以生长的有机物质通 称为生物质。它包括植物、动物和微 生物。
生物质
广义概念：生物质包括所有的植物、微生物以及以植 物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表 性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废 弃物和动物粪便。
纤维素酶水解工艺
1. 纤维素酶的定义
能水解植物纤维或经物理、化学方法处理过的纤维素（如CMC）的β-1, 4糖苷
键的酶。
作用方式
纤维素酶水解纤
2. 纤维素酶的分类
维素是各组酶
（一）内切β-1, 4葡聚糖水解酶－Cx （二）外切β-1, 4葡聚糖水解酶－C1 （三） β-1, 4葡萄糖苷酶－Cb
所以迄今为止，生产中大规模使用的仍是酵母。
氨纤维爆破(ammonia fiber explosion, AFEX)法：和蒸汽爆破预处理类似，但是 避免了高温条件下糖的降解以及有害物质的产生。
纤维素原料预处理方法
3. 化学法
稀酸预处理：通常采用0.3~3%的H2S04于110~220℃下处理一定时间。由
于半纤维素被酸水解成单糖，纤维残渣形成多孔或溶胀型结构，从而促 进了酶解效果。
2.细菌乙醇发酵法：利用厌氧发酵 单胞菌、棕榈发酵菌、运动发酵单 胞菌发酵
1.发酵前期：发酵菌种繁殖时期
发 酵
三个阶段
2.主发酵期：繁殖基本停止，主 要厌氧乙醇发酵
3.发酵后期：糖浓度降低，发酵作用
减弱，菌种死去
四步十二个反应
1.葡萄糖到二磷酸果糖，3步反应。
2.磷酸果糖到磷酸甘油醛，2步反应。 3.磷酸甘油醛到丙酮酸，5步反应 4.丙酮酸降解成乙醇，2步反应。
发酵微生物学
生产中能够发酵生产乙醇的微生物主要有酵母 菌和细菌。
目前工业上生产乙醇应用的菌株主要是酿酒酵 母，这是因为它发酵条件要求粗放，发酵过程 pH低，对无菌要求低，以及其乙醇产物浓度高 （实验室可达23%，v/v）。
细菌由于其生长条件温和，pH高于5.0，易染 菌，细菌还易感染噬菌体，一旦感染了噬菌体 将带来重大经济损失。
化石经济，付出了巨大的环境代价（空气污染和温室效应等）
廉价石油时代终结了 ---人类必须戒除“油瘾”
生物质资源开发是人类继续生存的必然选择
面对日益严峻的能源 和环境问题，开发利 用风能、太阳能、生 物质能等可再生能源 已成为世界各国的共 同选择。
孙凤莲, 杜巍. 生物质能源开发利用中的产业体系建设进展与评述[J]. 安徽农业科学, 2014, 42(24): 8323-8326
一、木质纤维素预处理的作用 天然纤维素的高度结晶性和木质化，阻碍了酶与纤维素 的接触使其难以直接被降解。必须通过预处理，以降低 纤维素的结晶度，增加纤维原料的多孔性，脱除木质素 的保护作用，增加酶与底物的接触面积，从而提高酶解 的效率。
二、预处理方法 物理法、物理化学法、 化学法和生物法。
李海涛, 姚开, 贾冬英等. 秸秆纤维素生物转化预处理方法研究进展[J]. 农业技术与装备, 2010, 14: 56-58
利用作物秸秆发酵生产工业乙醇利用作物秸秆发酵生产工业乙醇
姓名：高飞 学号：MG1430073
化石资源是现代工业和现代农业的物质基础
石油、煤炭、天然气不仅提供了 基本的能源，而且提供了99%的 有机工业原料。
中国的石油生产和需求： -----现状和预测
Environmental problem
纤维素原料预处理方法
1. 物理方法
机械粉碎是纤维原料预处理的常用方法，通过切、碾和磨等工艺使纤维原料 的粒度变小，增加底物和酶接触的表面积，降低纤维素的结晶度。机械粉碎 包括干法粉碎、湿法粉碎、振动球磨碾磨等。
2. 物理化学法
蒸汽爆破：将木质纤维原料用160~260℃水蒸汽处理适当时间(30 sec~20 min ) 后，突然减压，蒸汽从反应釜中迅速喷出，使原料爆破。该预处理加剧了纤 维素内部氢键的破坏和有序结构的变化，游离出新的羟基，增加了纤维素的 吸附能力，也促进了半纤维素的水解和木质素的转化。