甘蔗乙醇的利用

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1、甘蔗乙醇的利用陈勇（2110410110） 指导教师：张庆庆 摘要摘要：中国经济快速发展,能源需求剧增,缺口不断扩大,以及化石能源资源贫乏的先天不足 的矛盾日益突出。鉴于能源、环境、再生资源利用等问题，生物质能源引起了各国甚至全 球的高度重视，甘蔗乙醇作为生物质新能源具有很好前景。本文主要介绍了甘蔗乙醇的国 内外研究现状以及甘蔗渣成分，并总结介绍了最新利用蔗渣的方法，制备乙醇和功能性低 聚木糖的研究情况。 关键词关键词：甘蔗渣；乙醇；低聚木糖Use of sugarcane ethanol Abstract As Chinas rapid economic development,energy

2、 demand surge, gap continued to expand, and congenital deficiency of fossil energy resource-poor contradictions have become increasingly prominent.In view of issues such as energy, environment, renewable resources utilization, biomass energy has attracted great attention to national and even global,

3、 sugarcane ethanol as a new bio- energy with good prospects.This article mainly introduces domestic and foreign research status of sugarcane ethanol and bagasse components, and summary describes the most recent uses of bagasse, glycolic and on functional xylo-oligosaccharides of the situation. Keywo

4、rds:Bagasse;Ethanol;Xylo-sugar植物有机物是自然界分布最广、产量最多、价格低廉的可再生资源和能源， 地球上每年大约形成1000亿t。这些植物纤维质除少量用于造纸、建筑、纺织等 行业或用作粗饲料、薪柴外，大部分未被有效利用，有些还造成环境污染。20 世纪50年代以来，随着世界人口的迅猛增长，能源危机、食物短缺和环境污染 等问题日益严重地威胁着整个世界，这些问题引起了人们的广泛关注。通过生 物技术将这些纤维废弃物转化为能源(如酒精)、化工产品和食品(功能性低聚糖、 膳食纤维等)，可一举数得，同时缓解人类面临的能源、食品和环保等3大危机， 因而成为世界各国近年竞相开展的热

5、门研究课题。甘蔗是人类迄今所栽培的生 物量最高的大田作物1，主要用于生产白砂糖。制糖生产中，甘蔗经破碎和提 取蔗汁中的蔗糖分后，留下的大量纤维性废渣(蔗渣)是甘蔗制糖工业的主要副 产品，属于农业固体废弃物中的一种，也是一种可再生资源，一般湿蔗渣产率 为榨蔗量的1/5一1/4。早在上世纪末，许多产糖国家，如巴西、古巴、美国、 墨西哥、澳大利亚、肯尼亚、南非、泰国等，都对开发甘蔗渣资源用于产热和 供能有浓厚的兴趣，因它符合各国所倡导的采用本土资源使能源多样化的政策 2。而在我国，目前糖厂的蔗渣除部分用于造纸外，大部分直接被用作锅炉燃料烧掉，并未得到充分的利用，这样一是污染环境;二是浪费资源。全国每

6、年甘 蔗的种植面积约113h扩，除每年生产800多万t蔗糖外，还产生800多万t蔗渣纤 维。因而，利用糖厂的这些纤维质副产品制造高附加值的产品(如生产酒精、功 能性低聚糖、膳食纤维等)有诱人的发展前景。用生物技术将这些纤维废弃物转 化为能源和化工产品，利用了通过光合作用转化了的二氧化碳和储存于植物中 的太阳能，从而具有降低温室效应气体的巨大潜力。因此具有可持续发展的潜 力，能促进农村及其他相关行业的经济发展，具有广阔的应用前景。 1.甘蔗渣的化学成分甘蔗渣的组成化合物以纤维素、半纤维素、木质素为主，淀粉和可溶性糖 含量较少纤维素的结构式为(C6HloOS)。H20，葡萄糖基由p一1，4糖昔键结

7、合而 成链状高分子化合物。蔗渣纤维素大多数属于植物的次生壁一类纤维素分子， 其平均聚合度约为1000左右，其中大约30一100个纤维素分子在氢键作用下，形成结晶的或类结晶的微纤丝。微纤丝的结晶部分是由纤维素分子整齐规则地折 叠排列，在微纤丝的结晶部分里，葡萄糖分子的轻基在分子内部或分子外部的 氢离子相结合，没有游离的轻基存在而具有牢固的晶体结构。因此，纤维素结 晶部分比较难分解，只有破坏纤维素结晶结构才能有效地降解纤维素。半纤维素是由多种糖基(戊糖基、己糖基)和糖醛酸基组成，分子中往往带 有支链的复合聚糖的总称。戊糖基以木糖、阿拉伯糖基为主，己糖基是葡萄糖 基、甘露糖基、半乳糖基、鼠李糖基。甘

8、蔗渣的半纤维素含量一般为17%一 36%，其中大约70%为木聚糖，30%为聚阿拉伯糖。半纤维素组成复杂，其分解需 要多种酶的作用。半纤维素的彻底降解需要木聚糖酶、木糖昔酶、阿拉伯糖普 酶和葡萄糖醛酸酶，其分解产物主要是木糖、阿拉伯糖和葡萄糖醛酸。木质素 由苯丙烷结构单元组成复杂的近球形结构的芳香族高聚体化合物。分子质量为 2.45一30kD，高低值分布较广。木质素由于分子大，没有易被水解的键，溶解性差，且含有各种稳定的复 杂的键型及重复的单元，微生物及其分解的胞外酶不易与之结合，对酶的水解 作用呈抗性，是微生物难以降解的芳香族化合物。蔗渣的木质素在甘蔗表皮组 织部分含量较多，约占18%一23%

9、。 2.甘蔗乙醇的国外研究现状20世纪70年代，美国植物生理学家A1exanderAG教授利用甘蔗属的 S.OFFICINARUM(高贵种)同热带杂草杂交，育成一种生物量达240270吨公顷， 总可发酵糖量达每公顷4855吨干重的非食用甘蔗新品种。用此种甘蔗为原料 进行燃料乙醇的中间试验，每公顷年产271吨的能源甘蔗最终可生产296吨燃 料乙醇。但是，由于全球蔗渣木质纤维酶解糖化产业化技术尚未形成，该生产 线至今未投入商业化生产。至20世纪80年代，美国、巴西、印度等国科学家调 整育种目标，培育出RB72454、RB855536和SP94115等一批糖、能兼用的 甘蔗新品种，支持以甘蔗为原料的

10、糖、酒联产计划。巴西是世界上发展甘蔗乙醇最早和最成功的国家，从1978年实行“甘蔗乙 醇计划”以来，甘蔗面积从66万公顷，扩大到2006年的658万公顷；甘蔗总产从 045亿吨增加到450亿吨；蔗糖总产从450万吨增加到2 500万吨；燃料乙醇 产量从无增加到157亿升，占世界燃料乙醇总产420亿升的374，成为世界第 一生物能源大国，现有350家甘蔗加工企业。2006年新建41个甘蔗乙醇、制糖工 厂，建成后可增加7 000万吨的甘蔗加工能力，其中23是生产燃料乙醇。与此 同时，巴西还在加快燃料乙醇专用管道的建设，以提高乙醇的运输能力。目前，巴西甘蔗平均单产8693吨公顷，比我国高1623吨公

11、顷，全 国原料蔗平均蔗糖分15以上，比我国高07个百分点(绝对值)以上。近年， 由于世界油价飙升，全球对乙醇需求急剧增加。为此，澳大利亚、泰国、印度、 南非、哥伦比亚和中美洲国家纷纷学习巴西经验。近几年，巴西政府还特别注 重扩展新能源的海外出口市场，已将日本、中国、俄罗斯、印度、南非和美国 等列为巴西未来燃料乙醇的出口市场。 3.甘蔗乙醇的国内研究和开发现状 在品种选育方面， “十五”期间，由福建农林大学主持，利用远缘杂交、系 谱选择与分子标记辅助鉴定，培育出福农951702、福农9l4621、粤糖93 159、粤糖94128、桂糖94116等一批糖、能兼用甘蔗新品种。蔗茎产量达 95120吨

12、公顷，平均蔗糖分15.0以上，最高168一186。抗花叶病、 抗旱甘蔗转基因系产量提高20一30，锤度提高23个百分点(绝对值)。在能源甘蔗的高效产业化技术和周年供应系统方面也进行大面积示范。在发酵技 术方面，利用甘蔗清汁发酵生产燃料乙醇技术(已获国家发明专利)，采用双流 加连续发酵技术进行中试，结果表明，每12吨甘蔗生产1吨乙醇。同时还筛选了 一批耐35、耐酒精浓度1517的优良菌株。 4.纤维素降解制备乙醇 4.1蔗渣预处理 4.1.1物理法包括球磨、压缩球磨、爆破粉碎、冷冻粉碎，Y一射线、声波、电子射线等， 均可使纤维素粉化、软化、提高纤维素的酶解转化率。 4.1.2化学法 化学预处理方

13、法有无机酸、碱和有机溶剂等方法。其机理主要是溶剂使纤 维素、半纤维素和木质素吸胀并破坏其结晶性，使蔗渣溶解、降解，从而增加 可消化性。 4.1.3物理一化学法主要综合物理法和化学法的长处，弥补其不足。例如化学添加剂和汽爆方 法的结合、化学添加剂和高温超临界反应的结合等等。 4.1.4生物法常用于降解木质素的是白腐病真菌、褐腐病真菌、软腐病真菌和某些细菌。 试验取得了一定的成功，但多停留在实验室阶段。 4.2糖化经过预处理的蔗渣常常通过酸法或酶法来糖化，即将纤维素和半纤维素降 解(水解)成单糖。纤维素完全降解后得到葡萄糖，半纤维素完全降解产物为木 糖。 4.3发酵 用酵母将降解所得单糖(主要是葡

14、萄糖)转化为酒精，对于部分半纤维素降解所 得的木糖，用其生产酒精有两种方法:一种是利用管囊酵母进行发酵;另一种是 通过酶法将木糖异构化为木酮糖，然后再经过啤酒酵母将其发酵为酒精。 5.半纤维素的酶解制备功能性低聚木糖 5.1蔗渣预处理甘蔗渣的预处理方法有物理法、化学法、物理一化学法及生物法。 5.2木聚糖的提取 5.2.1直接高温蒸煮 直接高温蒸煮提取是利用木聚糖含有的乙酞基侧链在高温蒸煮时脱乙酞， 形成乙酸，体系的pH值下降，木聚糖分子发生自水解，使溶解度增加的原理进 行的8。 5.2.2碱法提取木聚糖 日本在酶法制备木聚糖的研究中对原料预处理进行了研究，采用不同稀碱 溶液提取木聚糖，取得了

15、较好的结果9。 5.2.3酸法提取木聚糖 目前，酸法提取木聚糖已成功用于木糖生产。但提取木聚糖存在较大的缺 点，比如提取液中木糖比例很高，不能满足低聚木糖的生产要求;在提取过程中 会产生许多副反应并生成一些可能的致癌物质，从而影响到终产品的安全性。 在高温蒸煮法的基础上提出的酸预处理后湿法蒸煮的方法，副反应大大降低， 且工艺上较为可行。5.3木聚糖的水解制备低聚木糖酶法是目前生产低聚木糖的主要方法。利用内切木聚糖酶水解木聚糖底物 得到的以木二糖、木三糖为主要成分的混合物。 5.4低聚木糖的纯化可以通过离子交换树脂和膜过滤进行分离纯化;用活性碳、硅藻土进行脱 色处理，可得到高纯的低聚木糖产品。

16、6.结语综上所述，甘蔗乙醇在节能降耗、改善大气环境质量和缓解粮食 生产供需结构矛盾等方面具有显著的优势,推广生产甘蔗乙醇可谓是一项利国利 民的战略性举措。甘蔗渣除了上文提到的应用外，还可以制膳食纤维、木糖醇、 柠檬酸、饲料、防火的纤维素材料、作为油的吸附剂等。甘蔗渣的研究必将促 进食品、饲料、环境保护、能源和资源开发等各个行业的发展，并将成为一个 大有发展前途的新兴产业。 参考文献 1黄祖新，陈由强，陈如凯.甘蔗渣的酶降解研究进展.甘蔗J ，2004，11(4):52 2陈家楠.纤维素化学的现状与发展趋势.纤维素科学与技术J ，1995，3(l):l一10 3窦正远，邱玉桂，詹怀宇等.甘蔗渣制浆造纸【M.广州:华南理工大学出版社， 1990.2536 4杨斌，高孔荣.甘蔗渣的糖化及转化为酒精的研究概况.食品与发酵工业J， 1995，6:64 5吴昊，杨思行，张艳杰.功能性低聚糖的开发现状及在食品中的应用.中国乳品工业 J2001(3):41一45