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摘要：玉米秸秆是一种丰富的、可再生的绿色资源,本文主要从预处理、水解、发酵和蒸馏四个环节对玉米秸秆生产酒精的工艺流程展开探讨.

关键词：玉米秸秆酒精发酵预处理发酵

中图分类号：G718 文献标识码：C 文章编号：1672-1578（2016）11-0280-01

燃料酒精作为石油的替代能源,已经成为各国可再生能源开发利用的重要研究发展方向.目前,玉米等淀粉质原料生产燃料酒精技术已相当成熟,我国已经实现工业化生产,但随着陈化粮消耗殆尽,淀粉质原料存在“和民争粮,和粮争地”等问题,大量利用玉米生产燃料酒精受到严重限制[1].利用玉米秸秆生产酒精,不仅可以缓解日益严重能源危机,环境污染,食物短缺等问题,也为人类社会的可持续发展提供了保证[2].玉米秸秆经预处理及水解后,纤维素等分解成糖,经发酵蒸馏提取酒精,本文主要对这些工艺展开讨论.

1 原料预处理

玉米秸秆的结构较为复杂,纤维素、半纤维素被木质素包围,严重影响纤维素等的降解效率,水解之前应进行预处理.经预处理,纤维素和半纤维素及木质素分离开,聚合度较低,从而提高了玉米秸秆纤维素的水解糖化效率.目前普遍采用的预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法、生物法四种[3].物理法主要采用机械粉碎、超声波处理和蒸汽爆破等物理方法,该方法预处理污染小,操作简单,但是能耗大,成本较高.化学法主要采用酸、碱或者有机溶剂等对玉米秸秆进行预处理,破坏纤维素和木质素之间的晶体结构,打破木质素对纤维素的包裹.该方法成本较低,但易产生化学污染.物理化学法是指在对玉米秸秆的预处理过程中同时采用物理和化学两种方法,二者相结合可提高玉米秸秆的预处理效率[4].如通过汽爆方法和化学添加剂相结合,不仅可以加快预处理速度,也能尽量降低环境污染.生物法主要通过微生物作用于玉米秸秆,达到分离纤维素和木质素的目的,该种方法不仅效率高而且能在正常条件下进行,节约成本,是一种有潜力的预处理方法.

2 纤维素水解

玉米秸秆经预处理后,纤维素只有分解成糖可进行发酵成酒精,这个过程被称为纤维素的水解过程.目前玉米秸秆纤维素的水解工艺主要有酸法水解和酶法水解两种,水解后纤维素和半纤维素的氢键被破坏,分解成单糖供发酵过程.

2.1 酸法水解

酸法水解主要以硫酸作为催化剂对玉米秸秆中纤维素进行分解.包括稀酸水解和浓酸水解两种.稀酸水解通常采用0.2%-0.5%的稀硫酸水解纤维素,优点是反应条件温和,设备要求较低,但反应过程中产生大量副产物且产糖率低.浓酸水解的优点是产糖率较稀酸水解高且反应过程副产物少,但反应时间较长,腐蚀性强,不仅对反应设备要求较高,而且硫酸回收工艺复杂.

2.2 酶法水解

酶法水解利用纤维素复合酶分解玉米秸秆中的纤维素,纤维素酶包括葡聚糖酶和纤维二糖酶.水解过程中葡聚糖酶先将纤维素分解为纤维二糖,纤维二糖再在纤维二糖酶的作用下分解成葡萄糖供发酵过程使用.酶法水解相对酸法水解反应条件温和,催化效率高且能耗低,纤维素酶的专一性高,产物单一,副产物相对较少.但酶法水解中酶的固定化程度困难,反应过程中酶的消耗量较高,导致成本较高.

3 酒精发酵

酒精发酵的最终目的就是让水解中产生的葡萄糖通过发酵转化为酒精,发酵方法主要有以下几种：

3.1 直接发酵法

直接发酵法就是直接利用纤维分解细菌发酵纤维素生产酒精,此方法不需要经过酸法水解和酶法水解预处理过程.采用适合酒精发酵的生产菌株是直接发酵法的技术关键,但目前国际上还未找到一种既具备分解纤维素又能发酵成酒精的优良菌株,一般利用热纤梭菌和热硫化氢梭菌混合菌直接发酵,前者主要将纤维素分解成单糖但乙醇产率较低,后者主要将单糖转化为酒精但不能分解纤维素.

3.2 间接发酵法

间接发酵法将玉米秸秆的发酵过程分为两步,是目前研究最多的方法之一.第一步利用纤维素酶将玉米秸秆中的纤维素分解成为单糖,分解后的糖作为后续发酵所需的碳源；第二步再利用酒化酶将单糖发酵成酒精.间接发酵方法正处在研究阶段,但应用到生产中的突出问题是第一步产生的单糖随着浓度的增加会反过来抑制第一步反应的进行,而第二步随着酒精浓度的增加也会抑制菌株的发酵能力,给发酵过程带来巨大影响.

3.3 同步糖化发酵法

同步糖化发酵法主要是为了解决间接发酵法面临的反馈抑制问题,两者原理相同.该方法最早由Gauss等提出,糖化和发酵同时在一个反应器内连续进行,将纤维素水解和酒精发酵同步进行,水解产生的葡萄糖由于发酵浓度降低,消除了高浓度糖对纤维素酶的抑制作用.同步发酵法的优点是简化了生产设备,节约了生产时间,消除了抑制作用,降低了生产成本,但反应过程中面临的最突出问题如何实现纤维素发酵和酒精发酵的条件兼容.

4 酒精蒸馏

玉米秸秆发酵后的混合发酵液成分相当复杂,酒精浓度相对较低,必须将酒精从混合液中分离出来才可加以利用.酒精具有沸点低、易挥发等特性,因此酒精分离通常采用蒸馏的方法.酒精蒸馏过程中通过控制温度将酒精从混合溶液中挥发出来,经冷凝装置冷却后由气态变为液态,回收得到高纯度酒精,为了避免安全事故的发生,蒸馏过程中的温度控制成为关键.传统的玉米秸秆酒精蒸馏工艺为双塔式精馏,由于其能耗较高逐渐被三塔式精馏工艺取代.

5 结语

我国作为一个农业大国,玉米秸秆产量十分丰富,这些可利用的生物质资源如果通过堆积腐烂和焚烧的方式处理,不仅造成资源浪费而且会造成极大的环境污染.目前玉米秸秆生产酒精的工艺技术已逐步成熟,生产过程中所面临的一些问题还需进一步的研究和探索,随着技术的进一步发展和完善,利用玉米秸秆生产酒精将会在解决日益严重的能源问题上发挥巨大作用.

参考文献：

[1] 闫莉,吕惠生,张敏华等.纤维素乙醇生产技术及产业化进展[J].酿酒科技,2013（10）：80-84.

[2] 黄宇彤,杜连祥,赵继湖.世界燃料酒精生产形势[J].酿酒,2001,（5）：24-26.

[3] 胡徐腾.纤维素乙醇研究开发进展[J].化工进展,2011,30（1）：137-143.

[4] 岳国君,武国庆,林鑫等.纤维素乙醇工程化探讨[J].生物工程学报,2014,30（6）：816-827.

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