7.6 乙醇发酵工艺类型
分步糖化发酵（SHF） 同步糖化发酵（SSF） 固定化细胞发酵法 综合生物工艺（CBP）
7.6 .1 分步糖化发酵（SHF）
分步糖化发酵即糖化、发酵二段发酵法，也称水解发酵 二段法，该法是目前研究最多的一种方法。 首先利用化学方法或细菌进行水解，生成己糖（纤维素水
解产物）或木糖（半纤维素水解产物）； 然后再将水解得到的糖作为发酵碳源，利用酵母或细菌发
蛋白饲料
浓缩
7.2.1 一代燃料乙醇生产技术
淀粉类原料的乙醇生产技术
原 料 预 处 理
水 热 处 理
水 解 糖 化
乙 醇 发 酵
蒸 馏
产 品
7.2.2 二代燃料乙醇生产技术
原料种类
➢农业废弃物 ➢林业废弃物 ➢工业废弃物 ➢城市生活垃圾
木质纤维素原料的特性
主要成分
纤维素 半纤维素
木质素
7.2.2 二代燃料乙醇生产技术
酵生产乙醇。
7.6 .2 同步糖化发酵（SSF）
指用一种可产生纤维素酶的微生物和酵母在同一容器内 连续进行纤维素的糖化和发酵。
SHF与SSF的优缺点对比？
7.6 .3 固定化细胞发酵法
固定化细胞就是被限制自由移动的细胞，即细胞受到物 理化学等因素约束或限制在一定的空间界限内，但细胞仍保 留催化活性并具备能被反复或连续使用的活力。
浓酸水解 稀酸水解 酶水解
7.3 淀粉质原料制乙醇
英文： Starch
分子式： (C6H10O5)n
结构式：
O
CH2OH O
OH
OH
O
7.3 淀粉质原料制乙醇
淀粉的性质 显色反应：遇碘变色 糊化 “退减”作用（老化）
在酶或酸等作用下分解 发生酯化、醚化、接枝共聚等化学反应 水解反应（糖化反应）
生物质生化转化技术
第七章 生物质燃料乙醇技术
燃料乙醇
乙醇，ethanol, 俗称酒精
燃料乙醇，fuel bioethanol 是指体积浓度达到99.5%以上的 无水乙醇。
燃料乙醇经变性后与汽油按一定比例 混合可制车用乙醇汽油、乙醇柴油、 乙醇润滑油等。
燃料乙醇
乙醇的燃料性质
项目
数值
密度（20℃）/（kg/L）
植物纤维素的水解包括酸水解、酶水解、微生物水解，经 过预处理的纤维素通过通过酸水解或酶水解来糖化。
[C6H10O5]n + nH2O → nC6H12O6
7.4 .2.1 纤维质原料制乙醇——酸水解
CH2OH
O
O OH
O
OH
CH2OH
CH2OH
O
O
OH
O OH
O
OH
OH
CH2OH
O
OH
O
OH
β-1,4-苷键
7.3 淀粉质原料制乙醇
7.3 淀粉质原料制乙醇
直链淀粉与支链淀粉的比较
项目 分子形状 聚合度
尾端基
碘着色反应 吸附碘量/% 凝沉性质
络合结构
X射线衍射分析 老化性质
直链淀粉 直链分子 100～6000
支链淀粉 支链分子 1000～3000000
一端为非还原尾端基，另一 分子具有一个还原尾端基和
7.4 纤维质原料制乙醇
单子叶植物
树木
纸张 废纤维 玉米芯
草 麦秸 城市固体纤维垃圾
植物纤维原料成分/%
名称 茎 叶 纤维 硬木 软木 新闻纸 废纸
半纤维素 25-50 80-85 5-20 24-40 25-35 25-40 10-20 20-30 35 35-50 50 9
纤维素 25-40 15-20 80-90 40-55 45-55 40-55 60-70 60-80
45 25-40
30 50
木质素 10-30
18-25 25-35 18-30 5-10 2-10
15 10-30
15 17
7.4 .1 纤维质原料制乙醇——纤维质原料预处理
物理法
机械粉碎 蒸汽爆破 微波处理 高能辐射
……
化学法
酸处理 碱处理 溶剂处理 SO2处理
……
物理-化学法 生物法
7.4 .2 纤维质原料制乙醇——纤维质原料的糖化
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：适宜温度，10h左右。
发 酵
3个 阶段
2.主发酵期：30～34℃，12h左右。
3.发酵后期：30～32℃ ，30～40h。
4步12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。
C6H12O6 + 2NAD + 2H3PO4 → 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2ATP
2.细菌乙醇发酵法（ED途径）
C6H12O6 + ADP + H3PO4 → 2CH3CH2OH + 2CO2 + ATP
7.5 乙醇的蒸馏与脱水
乙醇的蒸馏与脱水
发酵成熟醪组成 ➢ 挥发性杂质：甲醇、乙醛、杂醇油 ➢ 不挥发性杂质：甘油、琥珀酸、乳酸、无机盐类 、脂肪酸、酵母以及不发酵性糖等。
0.7839
馏程/℃
78
辛烷值
100-112
闪点/℃
13
热值/(kJ/L)
21.26
汽化潜热/(kJ/kg)
854
车用汽油添加一定量的
乙醇E10的检测结果
项目
含量/%
CO
减少20-50
烃类化合物
减少15-40
CO2
基本无区别
SO2
无
NOx
减少0-15
7.1 燃料乙醇的发展现状
稳步发展期
快速发展期
缓慢发展期
7.2.1 一代燃料乙醇生产技术
原料
糖类：甘蔗、甜高粱、甜菜等，无需经过水解工序即 可直接酒精发酵。
淀粉：玉米、小麦、薯类等，需要经过水解和糖化为 单糖或多糖后才能进行乙醇发酵。
7.2.1 一代燃料乙醇生产技术
糖类原料的乙醇生产工艺过程
发酵前处理 酵母培养 乙醇发酵
稀释 酸化 灭菌 澄清 添加营养盐
该法是在酶固定化基础上发展起来的一项技术。
发展新动向：混合固定细胞发酵
7.6 .4 综合生物工艺（CBP）
又称直接微生物转化（DMC），即将纤维素酶生产、水 解和发酵组合在一步里完成。这就要求纤维素酶生成和酒精 发酵都由一种微生物或一个微生物群体来实行。
常用微生物：热纤维梭。能够分解纤维素，并使产生的 纤维二糖、葡萄糖、果糖等发酵，水解和发酵的最佳温度为 56~64℃，最佳pH值为6.4~7.4。
7.4.2.1 纤维质原料制乙醇——酸水解
稀酸水解
多相水解 高温高压条件
纤维素 水解纤维素 可溶性多糖
葡萄糖
7.4.2.2 纤维质原料制乙醇——酶水解
催化剂：纤维素酶
普遍认可的酶水解机理： 首先由内切葡聚糖酶作用于纤维素的非结晶区，使其露出
许多末端供外切葡聚糖酶作用，纤维二糖酶从非还原性末端依 次分解，产生纤维二糖，然后部分降解的纤维素进一步由内切 葡聚糖酶和纤维二糖酶协同，分解生成纤维二糖、纤维一糖等
糖
酶 液化(糊化→老化) α-淀粉酶 糊精、低聚糖
化 方 法
解 法 糖化
糖化酶
葡萄糖
酸酶结合 水解法
酸酶水解法 酶酸水解法
淀粉水解糖 （葡萄糖）
7.3 淀粉质原料制乙醇——发酵
2种 途径
1.酵母乙醇发酵法（EMP途径/糖酵解途径）： 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 2.细菌乙醇发酵法（ED途径）：
蒸馏与脱水
7.2.1 一代燃料乙醇生产技术
糖类原料的乙醇生产工艺过程
发酵前处理 酵母培养 乙醇发酵
酵母扩大培养 酒母扩大培养
蒸馏与脱水
7.2.1 一代燃料乙醇生产技术
糖类原料的乙醇生产技术
甘蔗 压榨 蔗渣
复合絮凝剂
混合汁
絮凝过滤
滤泥
有机肥
燃料乙醇
酒精脱水
清汁
浓缩
发酵
蒸馏
废醪液
发电或生产纸浆
能源甘蔗清汁发酵燃料乙醇新工艺
OH
CH2 O HO
OH
O
CH2
OHO OH
OH
O
CH2
OHO OH
OH
O
CH2
OHO OH
O O
OH
温度：温度增加10℃，水解速度提高1.2倍。 催化剂：有机酸、氢溴酸、氢碘酸、硫酸、盐酸。
7.4 .2.1 纤维质原料制乙醇——酸水解
浓酸水解
均相水解 葡萄糖的回聚
纤维素 酸复合物 低聚糖 葡萄糖
发酵法生产乙醇
原料
➢ 淀粉原料：薯类、谷物等 ➢ 糖类原料：甘蔗、甜高粱等 ➢ 纤维质原料：芦苇、苎麻秆、秸秆和稻壳等
乙醇发酵的生化反应过程
水解
糖酵解
还原
乙醇发酵的基本工艺流程
原料
前处理
乙醇发酵
糖类原料 淀粉原料
压榨、制浆、 提取汁液
水解糖化
纤维原料
蒸汽爆破、酸 碱处理、酶水
解
后处理
乙醇
蒸馏 脱水
世界前五位乙醇生产国家
生产产量/106L
18000 16000 14000 12000 10000
8000 6000 4000 2000
0
美国
巴西
中国
欧盟
印度
国外发展现状
1、巴西
3、加拿大
2、美国