Etanol combustible
El etanol combustible, también llamado bioetanol, se refiere al etanol obtenido mediante procesamiento biológico. Hoy en día, el 95% del etanol es bioetanol, y sólo el 5% se produce a partir de petróleo crudo, gas natural o carbón. En la actualidad, la producción de etanol utiliza principalmente almidón (principalmente cultivos alimentarios, como maíz, yuca, etc.) y azúcar (como caña de azúcar, remolacha azucarera, etc.) como materia prima de fermentación. La tecnología de utilización de fermentación microbiana para producir etanol. Está maduro, pero el alto costo de las materias primas hace que la aplicación industrial de la fermentación de granos para producir etanol sea limitada y existan desventajas como competir con la gente por alimentos o tierras, por lo que es imperativo encontrar nuevas materias primas.
La celulosa es el recurso renovable más abundante en la Tierra. Se estima que la producción anual total llega a 1500×108t, que contiene una enorme energía de biomasa. La producción anual de paja agrícola (como paja de arroz, paja de trigo, etc.) en mi país puede alcanzar aproximadamente 7×108t (equivalente a 5×108t de carbón estándar). La celulosa es un material polisacárido. Cada macromolécula de celulosa está formada por n residuos de glucosa (anhidroglucosa), que están unidos entre sí por 1 a 4 enlaces glucósidos (puentes de oxígeno). Como se muestra en la Figura 16.1.
Figura 16.1 Diagrama esquemático de la estructura de la celulosa
La celulosa no se hidroliza a temperatura ambiente, y la hidrólisis también es muy lenta a altas temperaturas. Sólo bajo la acción de un catalizador puede desarrollarse significativamente la reacción de hidrólisis de la celulosa. Los catalizadores más utilizados son ácidos inorgánicos o celulasas. La celulasa juega un papel muy importante en el proceso de conversión de bioetanol. Puede hidrolizar la celulosa y la hemicelulosa en glucosa y proporcionar abundantes sustratos para la conversión en etanol. La levadura y algunas bacterias en la naturaleza pueden producir glucosa en condiciones anaeróbicas. Entre ellos, la ecuación de hidrólisis de la celulasa es la siguiente (Mou Xiaohong, 2009):
Biología de Trichoderma
En el proceso de uso de celulasa para degradar la celulosa natural en glucosa, se debe confiar en la fibra. Los tres componentes de las enzimas de celulosa trabajan juntos para completar el proceso, es decir, las macromoléculas de celulosa, primero la endo-β-glucanasa (EC3.2.1.4, también conocida como enzima Cx, enzima CMC, EG) y exo-β-glucanasa. La β-glucanasa (EC3.2.1.91, también conocida como enzima Cl, celobiohidrolasa o CBH) degrada la celobiosa, que luego se degrada a celobiosa por la celobiasa (EC3.2.1.21, también conocida como β-glucosidasa o CB). ) para generar glucosa.
En la actualidad, entre los diversos procesos para producir etanol combustible a partir de celulosa vegetal en el país y en el extranjero, existen principalmente cuatro procesos de sacarificación y fermentación, a saber, sacarificación y fermentación por etapas (SHF) y sacarificación y fermentación simultáneas (SSF). ), sacarificación y fermentación simultáneas (SSCF) y bioprocesamiento combinado (CBP). El proceso SSCF puede realizar simultáneamente la hidrólisis de la celulasa y la fermentación de azúcares C5 y C6 en el mismo tanque de fermentación. Este proceso no solo ayuda a aliviar el efecto de inhibición de la retroalimentación de la glucosa sobre la celulasa, ahorra inversión en equipos, sino que también beneficia al etanol en el caldo de fermentación. La acumulación de alcohol aumenta la concentración final de etanol en el caldo de fermentación, reduce el consumo de energía de la destilación de etanol en la unidad de recuperación de etanol y reduce significativamente los costos de producción. El diagrama del proceso simultáneo de sacarificación y fermentación para la producción de bioetanol a partir de celulosa se muestra en la Figura 16.2 (Carlos Sáez, 2000).
Muchos microorganismos producen celulasas, pero la enzima más adecuada para hidrolizar la celulosa procede de Trichoderma. T.reesei es el microorganismo industrial de celulasa más investigado y utilizado en el mundo. Su ventaja es que su sistema enzimático tiene una alta actividad celulasa y puede producir una gran cantidad de proteínas extracelulares. es una exonucleasa (CBH) y tiene una gran capacidad para degradar la celulosa cristalina.
Figura 16.2 Diagrama esquemático de la producción de etanol a partir de materias primas celulósicas
En 1998, la Universidad Forestal de Nanjing construyó una línea piloto de producción de etanol combustible de fibra vegetal completa en Heilongjiang. La línea de producción procesa productos agrícolas y. fibras de plantas forestales diarias 5t (la producción diaria de etanol es de 0,8t). Las fibras vegetales secadas al aire se trataron previamente mediante explosión de vapor. Las cepas utilizadas para la preparación de celulasa fueron T.reesei y la levadura NL05 se llevó a cabo en un biorreactor de 20 m3 que utilizó material de pulverización de vapor como fuente de carbono. se sintetiza bajo una cierta velocidad de agitación y volumen de ventilación. Después de completar un ciclo de producción de enzima, el líquido de la enzima se usa para hidrolizar el material de inyección de vapor restante. La hidrólisis enzimática de fibras vegetales se realiza en dos reactores de 32m3. El 10% del material de inyección de vapor se utiliza para la preparación de celulasa todos los días, y la celulasa resultante hidroliza enzimáticamente el 90% restante del material de inyección de vapor.
La temperatura de hidrólisis enzimática es (50 ± 1) ℃ y el valor de pH inicial de la hidrólisis enzimática es 4,80. La cepa de fermentación simultánea de etanol de pentosa hexosa es Pichia pastoris NL02, y la fermentación en etanol del hidrolizado de enzima se realiza en un tanque de fermentación de 5 m3. Después de que el material de pulverización de vapor de fibra vegetal se degrada en monosacáridos bajo la acción de la celulasa, se obtiene una solución de azúcar hidrolizada de una cierta concentración mediante filtración con prensa y lavado. Las pentosas y hexosas en la solución de azúcar hidrolizada se sincronizan con la levadura bajo un suministro restringido de oxígeno. Condiciones fermentadas en etanol.
El Departamento de Energía de EE. UU. ha cooperado con Novozymes para invertir 30 millones de dólares en el desarrollo de celulosa hidrolasa para estudiar la hidrólisis enzimática del rastrojo de maíz en azúcar y luego fermentarlo para producir etanol. DOE construirá una planta de procesamiento anual de maíz La tecnología de producción de una planta piloto con 200t de paja y 6900gal de etanol combustible se divide en los siguientes pasos: primero triturar la paja de maíz y pretratarla con ácido sulfúrico al 1,1% y luego agregar Trichoderma celulasa; sacarificar durante 36 horas para convertir el 90% de la celulosa en glucosa; el jarabe se enfría a 41°C y se fermenta continuamente para obtener etanol con una concentración del 7,5%, se adsorbe y se deshidrata mediante tamices moleculares de destilación para generar el 99,5%; etanol, y el residuo residual se seca y se utiliza como combustible.
Además, Stevenson et al. (2002) informaron sobre un método de uso de Trichoderma para fermentar directamente la celulosa para producir etanol, lo que amplió aún más la vía de fermentación de Trichoderma para producir etanol. Aislaron una cepa de Trichoderma A10 del estiércol de vaca. Esta cepa puede convertir directamente celulosa o sustancias azucaradas en etanol en condiciones anaeróbicas. Se cultivó anaeróbicamente en medio MM con un contenido de celulosa de 50 g/l. Al optimizar las condiciones de cultivo, el rendimiento de etanol puede alcanzar 2 g/l después del precultivo por etapas y el cultivo anaeróbico profundo. Utilizando glucosa como fuente de carbono, el rendimiento de etanol puede alcanzar hasta 5 g/l, pero utilizando xilosa como fuente de carbono. , el etanol tiene el rendimiento más bajo.