秸桿生產(chǎn)酒精

米秸稈發(fā)酵法生產(chǎn)燃料酒精的研究進(jìn)展作者：樸敬惠、張強(qiáng)、陸軍、侯霖、金花［摘要］玉米秸稈主要由纖維素#半纖維素和木質(zhì)素組成"玉米秸稈經(jīng)過預(yù)處理!水解和發(fā)酵生成酒精"本文介紹了預(yù)處理!水解!發(fā)酵幾個(gè)關(guān)鍵工藝的研究進(jìn)展"［關(guān)鍵詞］玉米秸稈’酒精’預(yù)處理’發(fā)酵生物質(zhì)能的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱門的研究課題！對(duì)于中國!尤其東北等玉米主產(chǎn)區(qū)來講!玉米秸稈是一種豐富的資源!利用玉米秸稈生產(chǎn)燃料酒精越來越受到重視。酒精是一種重要的工業(yè)原料！廣泛應(yīng)用于食品！化工醫(yī)藥等領(lǐng)域!它可以部分或全部替代汽油！具有安全、清潔、再生等優(yōu)點(diǎn)!酒精主要以糖蜜、薯類、谷物為原料發(fā)酵生產(chǎn)！在我國東北主要以玉米為原料!可是由于人口增長及酒精生產(chǎn)成本問題！以玉米為原料生產(chǎn)酒精難以為繼!而利用豐富、廉價(jià)的玉米秸稈為原料生產(chǎn)酒精已成為必然趨勢(shì)’在我國玉米秸稈除了少部分被利用外!大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環(huán)境!造成極大污染和浪費(fèi)!而且這種直接燃燒的方法熱效率很低!只有10%左右!如果將它們轉(zhuǎn)化成氣體或液體燃料、酒精、氫氣、柴油等熱效率可達(dá)30%以上。這樣不但緩解人類所面臨的資源危機(jī)!食物短缺!環(huán)境污染等一系列問題!也為人類持續(xù)發(fā)展提供了保證。玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成!經(jīng)過預(yù)處理及水解后纖維素和半纖維素可分解成糖!最后經(jīng)發(fā)酵可轉(zhuǎn)化為酒精!本文主要對(duì)這些問題做一概述。1、玉米秸稈我國玉米秸稈年產(chǎn)量大約2億噸!玉米秸稈主要由植物細(xì)胞壁組成!細(xì)胞壁基本組成是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、表纖維素和半纖維素被木質(zhì)素層層包裹!纖維素是一種有100-1000P-D毗喃型葡萄糖單體以P-14糖苷鍵連接的直鏈多糖!多個(gè)分子平行排列成絲狀不溶性微小纖維!而半纖維素主要是木糖以及少量阿拉伯糖!半乳糖、甘露糖組成!而木質(zhì)素是以苯丙烷及其衍生物為基本單位構(gòu)成的高分子芳香族化合物!半纖維素較易水解為五碳糖!纖維素較困難水解為六碳糖，而木質(zhì)素一般作為燃料"&1E來柑I化學(xué)組成心）rll成1』：纖■:T.染37.3T■■'?T.卷20.6木匝素?17.5?扳：■?6.1的酸鹽2.0寸洛出物13.0II：它3.5注m及國再生說源實(shí)溢室2、玉米秸稈生產(chǎn)酒精途徑玉米秸稈中纖維素#半纖維素可作為酒精發(fā)酵原料玉米秸稈預(yù)處理纖維素 平紜雄素 木應(yīng)*萄藥德 本褪七乳剝等 「I I酒精 燃料（不能彩化為酒祐）3、玉米秸稈預(yù)處理玉米秸稈結(jié)構(gòu)復(fù)雜!纖維素!半纖維素不但被木質(zhì)素包裹"而且半纖維素部分共價(jià)和木質(zhì)素結(jié)合!纖維素具有高度有序晶體結(jié)構(gòu)"因此必須經(jīng)過預(yù)處理"使得纖維素!半纖維素!木質(zhì)素分離開”切斷它們的氫鍵”破壞晶體結(jié)構(gòu)”降低聚合度#常見預(yù)處理方法有以下幾種，見表。點(diǎn)2I球相I的幾種?處理方詼■JM」容酸姓M法誠處―法仃機(jī)有機(jī)處理法生物法融機(jī)化法.花?爆硯（＜|i'：ii]i I稀喂｛H備也）濃酸:H：SO4.HCI）*〔川「：比叫土"化23、-KM:ni化物前g儂/迫敏化物怖在這里主要介紹一下"近幾年國內(nèi)外研究比較熱門的有效的預(yù)處理方法：蒸汽爆破法和濕氧化法蒸汽爆破法蒸汽爆破法是用蒸汽，將原料加熱至200-400維持30s-20min,高溫高壓造成木質(zhì)素的軟化,然后迅速使原料減壓，造成纖維素晶體和纖維束的爆裂，使木質(zhì)素和纖維素分離#蒸汽爆破法的設(shè)備包括一個(gè)蒸氣發(fā)生器，一個(gè)恒壓反應(yīng)器，一個(gè)接收器和一個(gè)冷凝器，反應(yīng)器罐體是絕緣的以便使溫度保持恒定#。把玉米秸稈放入反應(yīng)器中，利用蒸汽對(duì)玉米秸稈進(jìn)行加熱，加熱后把反應(yīng)器底部閥門打開'，使反應(yīng)器壓力迅速降到大氣壓水平'固本及液體產(chǎn)物被收集到收集器底部的旋風(fēng)分離器"氣體產(chǎn)物通過收集器頂部進(jìn)入冷凝器"在我國可采用北京林業(yè)大學(xué)賴文衡教授研究的間歇蒸汽汽爆器對(duì)玉米秸稈進(jìn)行爆破處理"經(jīng)這種爆破器爆破的玉米秸稈"纖維素水解轉(zhuǎn)化率$；22%可達(dá)＜9=以上"而且這種技術(shù)對(duì)環(huán)境影響輕微"汽爆廢汽中含有少量糠醛可回收＞71?7@A#56!濕氧化法濕氧化法是!9世紀(jì)B9年代初提出來的"在加溫加壓條件下"水和氧氣共同參加的反應(yīng)＞7CD!9A"和其它處理方法相比較"濕氧化法在對(duì)玉米秸稈處理上證明是非常有效的"纖維素遇堿"只引起纖維素膨脹"形成了堿化纖維素"但能保持原來骨架"加入3%!2/5后起緩和作用"防止纖維素破壞"使木質(zhì)素和半纖維素溶于堿液中"而與纖維素分離"這樣得到的纖維素純度較高"并且象糠醛這樣的副產(chǎn)物非常少#匈牙利；-,E*等人采用濕氧化法在7F@!G7@&,-G7!H%I/!&!4J）3%!2/5對(duì)C94J）玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理"其中C9=半纖維素&59=木質(zhì)素被溶解"F9=纖維素呈固態(tài)分離出來"纖維素酶解轉(zhuǎn)化率$；22%達(dá)B@=左右＞!7D!1A#水解工藝"玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理后"纖維素水解只有在催化劑存在的情況下才能顯著進(jìn)行"常用催化劑是無機(jī)酸和酶"由此分別形成了酸水解工藝和酶水解工藝"水解主要是破壞纖維素&半纖維素的氫鍵"使之轉(zhuǎn)化為發(fā)酵的單糖#酸水解工藝又分為稀酸水解和濃酸水解＞!@G!CA#167稀酸水解一般采用稀硫酸K96@=:968=L"可在較溫和條件下進(jìn)行"水解一般分二個(gè)階段"第一階段為低溫操作"從半纖維素獲得最大糖產(chǎn)量"第二階段采用高溫操作使纖維素水解為六碳糖&糖的轉(zhuǎn)化率一般為@9=左右"稀酸水解容易產(chǎn)生大量副產(chǎn)物#168濃酸水解用＜9=的硫酸@9!下在反應(yīng)器中反應(yīng)8:CM"半纖維素首先被降解"溶解在水里的物質(zhì)經(jīng)過幾次濃縮瀝干后得到糖#半纖維素水解后的固體殘?jiān)?jīng)過脫水后"在59=:19=的硫酸中浸泡7:1M#溶液再經(jīng)脫水干燥后"再在＜9=的硫酸下反應(yīng)7:1M"回收的糖和酸溶液經(jīng)過離子交換"分離出的酸在高效蒸發(fā)器中重新濃縮"剩余的固體殘?jiān)鼊t再循環(huán)利用到下一次的水解中#濃酸水解過程的主要優(yōu)點(diǎn)是糖的回收率高"大約有F9=的半纖維素和纖維素轉(zhuǎn)化的糖被回收#濃酸水解糖的回收率高"副產(chǎn)物較少"然而從經(jīng)濟(jì)方面考慮必須回收濃硫酸"硫酸的分離和再濃縮增加了工藝的復(fù)雜程度"另外濃硫酸腐蝕性強(qiáng)處理較為困難#!"#酶水解從現(xiàn)有的水平來看!采用溫和的酶水解技術(shù)可能更為合適!酶水解是生化反應(yīng)!與酸水解相比!它可在常壓下進(jìn)行!這樣減少了能量的消耗!并且由于酶具有較高選擇性!可形成單一產(chǎn)物!產(chǎn)率較高"$%&’#$匈牙利()*+,等人采用-,.,/0122等水解經(jīng)濕氧化處理的玉米秸稈酶解纖維素轉(zhuǎn)化率"(33%高達(dá)2&’左右$!發(fā)酵工藝傳統(tǒng)的葡萄糖轉(zhuǎn)化成酒精的工藝是很簡單的!但是由于半纖維素其水解產(chǎn)物為以木糖為主的五碳糖!還有相當(dāng)量的阿拉伯糖生成"可占五碳糖的45’6758%$木糖的存在對(duì)纖維素酶水解起抑制作用!將木糖及時(shí)轉(zhuǎn)化為酒精對(duì)玉米秸稈的高效率酒精發(fā)酵是非常重要的$目前主要的發(fā)酵方法有9&":同步糖化發(fā)酵法";;<法％先用纖維素酶水解纖維素!酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源$由于乙醇產(chǎn)量受以下限制&未瑞產(chǎn)物抑制!低細(xì)胞濃度以及底物基質(zhì)抑制！為了克服反饋抑制作用!=>?@@等’:％AB年％提出在同一個(gè)反應(yīng)罐中進(jìn)行纖維素水解"糖化%和乙醇發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法C7ADEFG$";*0?HI>)J,?@;>KKL>M*N*K>I*,)>)ONJM0J)I>I*,)%$這樣纖維素酶對(duì)纖維素的酶水解和發(fā)酵糖化過程在同一裝置內(nèi)連續(xù)進(jìn)行!水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體的不斷發(fā)酵而被利用!消除了葡萄糖因基質(zhì)濃度對(duì)纖維素酶的反饋抑制作用$在工藝上采用一步發(fā)酵法!簡化了設(shè)備!節(jié)約了總生產(chǎn)時(shí)間!提高了生產(chǎn)效率$但也存在一些抑制因素!如木糖的抑制作用!糖化和發(fā)酵溫度不協(xié)調(diào)&P7固定化細(xì)胞發(fā)酵固定化細(xì)胞發(fā)酵具有能使發(fā)酵罐內(nèi)細(xì)胞濃度提高！細(xì)胞可連續(xù)使用!使最終發(fā)酵液酒精濃度得以提高$常用的載體有海藻酸鈉(卡拉膠(多孔玻璃等)固定化細(xì)胞的新動(dòng)向是混合固定細(xì)胞發(fā)酵!如酵母與纖維二糖酶一起固定化！將纖維二糖基質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇!此法引人注目!被看作是玉米秸稈生產(chǎn)乙醇的重要方法CE:QE7G*"結(jié)論玉米秸稈生產(chǎn)