抑制剂对乙醇产量的影响:一个迷你回顾

文摘

的兴趣生物燃料是由于使用的缺点吗化石燃料:高油价,他们的角色在全球变暖,和不可再生自然作为能源。从生物质生产燃料乙醇是一个有趣的替代传统的化石燃料。预处理和水解过程中糖的材料,随着糖发酵一些有毒化合物形成过程中影响微生物发酵。为了克服这些影响,封装酵母是一种可能的方法。

关键字

生物质能;化石燃料;木质纤维原料;水解;发酵

介绍

早些时候使用乙醇作为运输燃料;它被用于汽车的内燃机尼古拉·奥托在1897年发明的。后来并没有太多的兴趣,由于使用化石燃料乙醇。由于石油危机和气候变化,发达国家决定减少二氧化碳排放因此替代燃料乙醇吸引了注意力。30%乙醇可以与汽油混合没有任何必要的更改发动机的车辆。当添加到汽油、乙醇改善燃料燃烧和减少二氧化碳的排放,未燃烧的碳氢化合物,形成烟雾1- - - - - -5]。

乙醇作为燃料

乙醇比汽油高辛烷值,这个文件添加到汽油中,它能提高辛烷值,从而降低苯等有毒添加剂的使用。乙醇有一些很好的性质等传统化石燃料的高温蒸发,火焰温度低,更大的气体体积变化和特定能量高。修改引擎,促进纯乙醇作为燃料的使用在不久的将来,它将是有利的,比化石燃料。例如,巴西的车辆配备乙醇船上兼容的材料和电子引擎管理运行在纯乙醇(6- - - - - -11]。

燃料乙醇的贸易是相对不足的使用酒精饮料溶剂的目的和其他许多工业应用。基于生产乙醇的成本变化,原材料和政策(12- - - - - -16)(表1)。

乙醇的性质

乙醇也被称为酒精是易燃和无色液体。它主要是在酒精饮料。乙醇的分子式是介绍通常象征EtOH [17- - - - - -19)(表2)。

瑞典对乙醇

研究在瑞典乙醇被瑞典能源机构强化或瑞典国家技术委员会和工业发展,从30年。随着这些机构,许多公司在瑞典知道乙醇作为替代燃料的重要性,与勘探(大学提供技术和资金支持20.- - - - - -26]。第一个研究项目基于木质纤维素的乙醇是在1998年设计的,它是在2004年完成。瑞典试验工厂单位建立了同年在一些大学是历史上的一个决定性时刻乙醇的研究。2010年,根据瑞典法律,应该可以在至少一个可再生燃料加油站分布超过1000立方米/年。有近1500个车站提供E85燃料作为燃料在瑞典(http://www.sekab.com/biofuel)。

生物质乙醇生产

乙醇可以从每一种碳水化合物材料,生产的典型配方(CH2O) N。这些可分为淀粉、糖和木质纤维素的原材料。很高比例的糖存在于甜菜和甘蔗,这很容易可发酵乙醇。在巴西乙醇是定期从甘蔗生产27- - - - - -32]。小麦、玉米、大麦、黑麦和其他谷物淀粉包含提要的股票。在美国,乙醇主要来源于玉米和在欧洲(主要生产商法国、德国和西班牙)产生主要来自谷物(33- - - - - -39]。乙醇也可以从土豆和浪费土豆食品行业。乙醇生产的部分植物如淀粉或糖被称为第一代燃料。乙醇生产等组成的植物部分半纤维素,纤维素酶被称为第二代燃料。以达到大规模生产第二代燃料乙醇等木质纤维原料必须进一步发展[40-43]。更困难的半纤维素和纤维素转化为糖相比,淀粉饲料股票。木质纤维素的饲料股票包括农业废物,森林残留物,城市固体废弃物(垃圾),垃圾从纸浆/纸过程和能源作物。纤维素乙醇的农业废物包括作物废料如小麦秸秆、玉米秸秆(叶、茎和穗轴)、稻草、甘蔗渣(甘蔗废料)和森林废弃物主要是木屑从森林残留物留在森林里。

环境和社会方面

乙醇由可持续发展的环境、经济和社会方面。也知道三Ps(人、植物和利润)或三个Es(环境、经济和股票)。乙醇生命周期评估包括从原材料生产到消费的乙醇汽车(44- - - - - -49]。

原材料生产阶段、肥料、除草剂、设备和燃料。由于外部因素在生产层面,如价格变化的肥料、除草剂、设备和燃料也会导致生产成本的变化和一些生产nonsustainable石化。用水量对乙醇的原料有问题,因为它影响水资源对人类和由于污秽的水领域,废水表单字段处理之前需要治疗。

运输饲料股票从领域到生产需要重型车辆导致折旧的道路、交通流量的变化和可能导致事故(威胁到儿童的安全)是可能的负面社会影响(50- - - - - -56]。

在乙醇生产工厂,原料转换成乙醇,乙醇生产副产品一起这就增加了工厂的利润。为了对社会有积极的影响,植物管理需要照顾工人的安全、健康和为他们的孩子提供教育。Mainatence当地社区的学校和医院也会有积极的影响57- - - - - -59]。乙醇生产过程中,植物释放液体和空气污染物导致当地人民的健康问题,。所以乙醇行业需要解决的伦理和气候变化等环境问题(减少温室气体的温室气体),可持续发展,节能、节水,副产品(生成和利用)和废水处理。

近年来国内外木质纤维素乙醇

木质纤维原料中含有纤维素、半纤维素、木素和抽提。纤维素是β-D-glucose的聚合物。纤维二糖,葡萄糖单元的二聚体,是纤维素的基本构建块(60- - - - - -66年)(图1)。

纤维素是异质多糖,水解时酸降解成葡萄糖单体的化合物,甘露糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖。半纤维素的软木,硬木不同组成,表5中提到。糖的分析一些森林干燥木材重量的百分比是指出在上面表3(67年- - - - - -73年]。木质素提供了植物和树木的机械强度。它的结构是复杂的,疏水性,交叉联系,phenolpropane芳香族聚合物的基石。木质素来源于葡萄糖通过发展前兆醇如P-coumaryl酒精(I)、松柏醇(II)和sinapyl酒精(III)这是木质素的构建块。由于其复杂的结构对生物和化学降解。生物降解主要由真菌和放线菌(可以做图2)。

抽提对木质纤维原料是萜类化合物,类固醇,脂肪、蜡、酚类组分和无机组件。萜类化合物和类固醇溶于非极性有机溶剂。脂肪是饱和和不饱和脂肪酸。金属组件是钙、钾和镁。

为了从木质纤维原料生产乙醇,步骤是预处理、水解、发酵和蒸馏。在预处理和水解步骤以及糖,许多有毒化合物衍生如乙酸、糠醛、羟甲基糠醛和酚类化合物,影响发酵步骤(74年- - - - - -79年)(表4和图3)。

预处理

的过程中复杂的纤维素结构分解成更简单的物质被称为预处理。在生物处理,预处理的主要作用最终产量和数量和质量的差异总是注意到在这个过程中。有几种可能的方法在预处理过程中,使用基于材料接受治疗和根据条件提供了治疗方法可分为物理、化学和生物(80年- - - - - -83年]。

物理处理方法如球磨、胶体磨、锤铣、高压蒸汽、挤压、扩张,和热解主要是使用。目前,由于生物技术的进步,一些酶预处理之后,使用物理和化学采用过程如果需要(表5)。

预处理和水解的目的是生产可发酵糖,如戊糖和己糖从木质纤维素的物质,使木质素作为副产品可以用来生产燃料或电力(84年- - - - - -89年]。

水解

预处理后,纤维素和hemicelluose分为葡萄糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖和木糖,糖后用于生产乙醇的发酵过程。半纤维素的软木材主要由甘露糖和硬木含有木糖。水解可以由化学水解或酶水解。

化学水解

在化学水解木质纤维原料,经过化学处理如酸了一段时间,为了打破聚合物单体的糖。依赖于使用的方法不同时间和酸的浓度。化学水解分为浓酸水解和稀酸水解90年- - - - - -92年]。

在浓酸水解、硫酸或盐酸。稀酸相比,得到高糖产量和乙醇从而可以获得的高收益,但它有缺点,如极其腐蚀性,因此这个过程需要昂贵的合金或非金属结构。这创造了生产和维护成本高。

稀酸水解对木质纤维原料简单、迅速,除了代高浓度的有毒抑制剂影响发酵过程。一般低浓度酸,硫酸的0.5 - -1%,使用高温。稀酸水解步骤在一个阶段,有0.5%硫酸在温度188 - 234°C 7分钟观察到高葡萄糖产量得到了在温度高于220°C和甘露糖得到在温度低于200°C。低温稀酸水解两个阶段,甘露糖分离在第一阶段和第二阶段葡萄糖是高温分离。这两个阶段稀酸水解是更有效的比一个阶段水解(93年- - - - - -96年]。

酶法水解

酶法水解之前,木质纤维原料的化学预处理是必不可少的。木质纤维素是由酶的水解。不同类型的酶是用来区分糖和纤维素和半纤维素。主要是一组酶内切葡聚糖酶等exoglucanases,β-glucosidases和cellobiohydrolases应用,多糖是由内切葡聚糖酶分解成短的糖链。Exoglucanases去除纤维二糖和半个β-glucosidases此后降解纤维二糖和寡糖葡萄糖发酵。

木质纤维素发酵粉根据不同溶解氧浓度、细胞生理条件下,媒体和不同级别的有毒化合物的pH值。木质纤维原料中的糖类发酵分解的稀酸水解困难是由于抑制剂可能会影响发酵过程(97年- - - - - -101年]。

分批培养

批文化被称为系统微生物生长在静态或一组栽培介质和固定的条件如温度、压力和曝气。原位解毒在分批培养可以提高通过增加细胞浓度,如细胞固定化或转基因的细胞增加发酵抑制剂宽容和改变pH值等参数来减少羧酸的抑制作用。

连续培养

可以维持微生物种群在指数增长阶段和一个常数在很长一段时间内生物量浓度。它是一个开放的系统,不断通过持续提供营养和环境条件维护清除废物和产品。连续种植有一些优势在分批培养,细胞可以很容易地分离和发酵率高。缺点是低原位解毒的抑制化合物。在连续种植对木质纤维粉、封装的酵母提供更高的生物质相比,自由悬浮细胞生物反应器。

解毒

解毒主要取决于类型的木质纤维素的材料,和技术,一般的方法是生物、物理和化学可以减少抑制剂的浓度或将其转换成无毒的化合物。

抑制化合物在酿酒酵母发酵的影响

抑制剂的效果主要取决于微生物的类型、介质条件下,发酵类型和数量的抑制剂(24]。许多抑制剂以及糖在预处理和水解形成的木材,在弱酸形成抑制剂,呋喃醛、酚类化合物,由纤维素、半纤维素和木质素。抑制剂的浓度取决于原材料的类型和操作的水解条件。

有很多种不同的方法来减少抑制剂hemicellulosic粉。他们是防止在水解抑制剂的形成和消除有毒化合物(戒毒)或开发微生物发酵之前可以站抑制剂的效果和有毒化合物转化为产品将不会干扰新陈代谢(图4)。

呋喃醛

糠醛和羟甲基糠醛形成通过戊糖和己糖糖。高浓度的糠醛和羟甲基糠醛会影响酵母的增长。

糠醛会影响酶乙醇脱氢酶(ADH)、丙酮酸脱氢酶(PDH),乙醛脱氢酶(ALDH)和破坏细胞膜。糠醛是有毒的批量查看。当糠醛介质中它主要是转化为糠醇,通过醋酸的生产,因此当它存在于一个介质,产生大量的醋酸,导致的低生产乙醇。乙醇脱氢酶(ADH)帮助在这个转换。在低浓度糠醛有积极影响细胞的生长和高浓度可以停止增长或发酵。在批量查看,存在糠醛浓度超过1 g / l,二氧化碳进化和生存能力却降低了(101年]。发酵的糖浓度高的糠醛(4 g / l)可以抑制增长(80%)和乙醇(97%)的美国酵母生产。

羟甲基糠醛(羟甲基糠醛)是由己糖糖的降解。羟甲基糠醛会影响酶乙醇脱氢酶(ADH)、丙酮酸脱氢酶(PDH)和乙醛脱氢酶(ALDH)。一般来说,羟甲基糠醛的浓度低而糠醛;这是更少有毒由于其反应活性高。低数量的己糖半纤维素和水解条件下不降低己糖在一个大的水平。在浓度为1 g / l,羟甲基糠醛可以抑制细胞生长的酿酒酵母和停止发酵。

羧酸

羧酸抑制生物量形成和乙醇生产。弱酸将导致ATP耗竭,有毒离子积累和抑制芳香族氨基酸吸收[26]。醋酸来源于乙酰半纤维素组。在低pH值条件下,乙酸将在其未离解的形式,可以通过质膜扩散。在细胞质中pH值(7.4)的增加会导致分裂,即释放质子导致减少内部pH值和抑制细胞的活性。甲酸比乙酰丙酸抑制由于其低分子大小(101年- - - - - -104年]。乙酸的抑制程度取决于介质pH和氧气浓度等条件。乙醇生产加速了10 g / l的醋酸介质自由其他抑制化合物。

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