Sustainable Energy 可持续能源, 2015, 5(6), 69-75 Published Online December 2015 in Hans. /journal/se /10.12677/se.2015.56009文章引用: 徐蕾, 孟永斌, 张子东, 刘英, 张莹, 孟庆焕, 聂思铭, 路祺. 再生生物质制备燃料乙醇的研究进展[J]. 可Research Progress in the Preparation of Fuel Ethanol from Renewable BiomassLei Xu 1,2, Yongbin Meng 1,2, Zidong Zhang 1,2, Ying Liu 1,2, Ying Zhang 1,2, Qinghuan Meng 1,2, Siming Nie 1,2, Qi Lu 1,21National-Local Joint Engineering Laboratory for Ecological Use of Biological Resources, Harbin Heilongjiang 2Key Laboratory of Forest Plant Ecology of Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin HeilongjiangReceived: Dec. 9th , 2015; accepted: Dec. 23rd , 2015; published: Dec. 30th , 2015Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/AbstractCellulose is one of the most widely used renewable resources in the world. In this article, we re-viewed the research progress of cellulose as raw materials to develop the alternative energy sources, and focused on the research progress and development trend of cellulose enzymatic hy-drolysis and ethanol production. In this paper, the latest development of cellulosic ethanol is re-viewed, and the application of cellulose in the preparation of fuel ethanol is described. KeywordsCellulose, Ethanol, Fuel, Enzymolysis再生生物质制备燃料乙醇的研究进展徐 蕾1,2，孟永斌1,2，张子东1,2，刘 英1,2，张 莹1,2，孟庆焕1,2，聂思铭1,2，路 祺1,2* 1生物资源生态利用国家地方联合工程实验室，黑龙江 哈尔滨 2东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨收稿日期：2015年12月9日；录用日期：2015年12月23日；发布日期：2015年12月30日 *通讯作者。

徐蕾等摘要纤维素是世界上存在最广泛的可再生生物质资源。

本文综述了以纤维素为原料，开发替代能源研究进展，重点介绍了纤维素酶解和发酵生产乙醇研究进展与发展趋势，评述了纤维素制备乙醇的最新进展，旨在全面阐述纤维素在燃料乙醇制备中的应用。

关键词纤维素，乙醇，能源，酶解1. 引言随着人们生活水平的提高，整个社会对能源的需求与日聚增。

乙醇作为一种替代或部分替代的可再生能源，可以在一定程度上缓解石油、天然气等不可再生化石能源日渐枯竭带来的能源压力。

因此，可再生资源的生物质正在逐渐取代化石能源被人类作为未来能源利用[1] [2]。

纤维素、半纤维素、木质素是世界上存在最广泛的可再生生物质资源。

可以利用的纤维类生物质资源很多，包括各种农业残余物，林业残余物，专门栽培的作物以及各种废弃物(包括城市固体垃圾、废纸、甘蔗渣、玉米纤维和造纸废液等)。

目前，这些资源多半尚未得到充分的开发利用，有些还造成污染，如秸秆就地焚烧、农产品加工废物和城市丢弃有机垃圾等。

利用木质纤维素为原料，综合利用生物酶工程技术、微生物发酵技术等，可以成功地制备乙醇燃料、生物柴油及氢[3]-[8]。

本文综述了纤维素为原料，开发替代能源研究进展，重点介绍了纤维素酶解和发酵生产乙醇研究进展与发展趋势，评述了纤维素制备乙醇的最新进展，旨在全面阐述纤维素在燃料乙醇制备中应用。

2. 纤维素在能源领域应用目前，植物纤维资源转化液体燃料主要通过两条途径：热裂解和生物转化。

其中，燃料乙醇的发酵生产由于具有产物得率高、品质好，已经成为生物质资源开发的主要研究热点。

1) 纤维素制备汽油Huber等将柳枝稷、白杨树等植物的木质纤维素转化为汽油。

这种反应的关键是：加入固体催化剂ZSM5后，讯速加热水解植物的纤维素；ZSM5可以加速反应减少纤维素浪费。

在反应结束之后，迅速的冷却即后得到分解的产物，其中包含有多个汽油成分的混合物质。

纤维素汽油是绿色的汽油，能够直接用于现有的发动机的引擎。

所以纤维素汽油是具有发展前景的替代能源[9]。

2) 纤维素制备氢气氢气是新型的绿色燃料，使用氢气作为燃料与传统燃料汽油等相比较具有高效清洁、绿色环保等优点。

制备氢气的方法与传统的热分解法、石油裂化法和电解水制备氢等常用的制备方法相比较，利用纤维素为原料微生物发酵制备的氢有能量消耗较少，制备反应的条件温和等特点[10]。

3) 从纤维素制备生物柴油生物柴油与传统石油蒸馏得到的柴油相比其具有良好的润滑性能和低温发动机就能够启动的优良性能。

生物制备的柴油硫元素含量很低，燃烧后产生有毒物质如二氧化硫和硫等含量较少，并且燃烧充分，废气中微颗粒含量也大量降低，同时废气中并不含有碳氢化合物。

绿色柴油燃料能够降低对生态环境地污染；氧含量高，燃烧的产生烟尘废气等也更少。

现代制备生物柴油使用食用油作为原料不仅价格昂贵，并且其还具有与人争粮等缺点。

因此使用较廉价且易于取材的原材料用来制备生物柴油是其发展的关键。

徐蕾等世界上利用植物纤维素来制备生物柴油的研究及应用仍然处于初期的探索阶段。

目前生物柴油的大规模的工业化生产还有一定地距离，利用天然纤维素制备生物柴油的发展具有广阔的前景。

4) 纤维素制备生物乙醇乙醇作为燃料能够替代汽油、柴油等燃料直接进行燃烧使用，同时亦作为民用和工业的燃料，故称燃料乙醇[11]。

每公斤的乙醇点燃充分燃烧烧后释放约三万千焦耳的热量，同时其并不含有硫化物和灰分；产能高、是极具发展潜力，可以工业化生产地新型能源燃料[12]。

当今世界使用生物乙醇发酵的主要原材料为玉米、土豆、糖类作物和植物纤维原料。

植物纤维素具有贮存量大、易于取材，且不与人争粮的优点，具有更广阔的发展前景。

3. 纤维素发酵生产乙醇工艺植物纤维发酵生产乙醇的技术起步较晚，但是由于植物纤维是现代含量丰富地可再生资源，统计数据显示表明，每年由绿色植物通过光合作用生产地纤维素重量达1011~1012 t，为自然界贮存量最多的可再生材料。

而农作物剩余物是储存量丰富取材方便、价格低廉的生产乙醇的原材料。

随着植物纤维发酵制乙醇的研究深入，大规模生产乙醇技术也日趋完善；其流程图如图1所示。

1) 植物纤维素原料植物原料由纤维素、半纤维素和木质素等形成的结构复杂的超分子化合物，并进一步形成形态多样的细胞壁结构[13]。

天然的木质纤维素分子间纤维素微纤丝之间的结构紧密孔隙狭小，并且经常伴随着其他次生物质填充。

预处理纤维素改变天然纤维素的复杂结构，降低纤维素的结晶区的结晶程度，除去木质素、半纤维素等；增加水解效率。

常用预处理有物理和化学等方法；如放射、磨、高压热水解、有机溶剂萃取、稀酸水解、浓酸低温水解、酸催化水解和粉碎等方法。

2) 纤维素酶水解纤维素原料添加纤维素酶混合后通过水解地方式把原材料转化为能够发酵的糖，然后经过微生物发酵将糖制备乙醇。

酶水解与酸水解植物纤维素的方法相比较后可以得知酶法水解具有反应条件平和，并且不会产生有毒的降解物质，还原糖转化产率高、投资的硬件设备的成本较低等优点。

3) 纤维素水解发酵生产乙醇工艺流程通过纤维素酶地水解作用，能够将纤维降解为简单地糖类如葡萄糖、木糖等，通过连续发酵或间歇发酵生产乙醇，整个过程与淀粉糖化发酵过程基本相似。

纤维发酵制备乙醇3种工艺：①分别水解发酵工艺，纤维素原料与纤维素酶作用得到可发酵的糖，然后利用微生物进行发酵制备乙醇，两步反应分别在不同地容器内进行。

②同步水解发酵，使用混合细菌来水解纤维素产生单糖转化为乙醇发酵同时，生产乙醇的过程有含有综合的发酵副产品。

③城市废物复合水解和发酵纤维废料为原料，用有机溶剂萃取木质素作为预处理；脱木素后在酶解槽中酶作用下进行水解糖化反应。

采用高温单芽孢菌属和热纤梭菌复合菌株发酵来产生乙醇。

Figure 1. Main process flow chart of alcohol transformation from biomass of plantcellulose图1.植物纤维类生物质转化为乙醇的主要工艺流程徐蕾等4) 五碳糖的乙醇发酵半纤维素虽然容易被分解，但是其水解产物中含有大量地戊糖，而戊糖一般不能被普通地酿酒酵母直接利用发酵制备乙醇。

事实上，自然界存在若干能够发酵木糖制备乙醇的菌。

但是，这些菌株需要严格的微氧条件，且不能受高浓度酒精及预处理产生的毒素[14]。

目前用纤维素生产燃料乙醇的技术已日趋完善，在生物质利用的关键技术方面，木质纤维素水解、微生物利用、生物反应器与产品提纯等技术都取得长足的发展，但其中用于纤维素发酵的生物酶价格过高，纤维素乙醇的价格无法与粮食乙醇相匹敌，也很难实现工业化生产。

4. 纤维素酶水解纤维素研究纤维素酶糖化过程是纤维素生产乙醇发酵过程中的一个关键环节，酶水解效率直接接影响乙醇产率。

纤维素酶是复合酶系统[15] [16]。

植物纤维素的分解需要酶系统内的内切葡聚糖酶(EG)，外切葡聚糖酶(CBH)和β-糖苷酶酶(BG)各种组分的协同作用完成植物纤维素的酶解反应，最终生产葡萄糖[17]。