淺談玉米秸稈酒精生產(chǎn)工藝

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1、淺談玉米秸稈酒精生產(chǎn)工藝　　摘要：玉米秸稈是一種豐富的、可再生的綠色資源，本文主要從預(yù)處理、水解、發(fā)酵和蒸餾四個環(huán)節(jié)對玉米秸稈生產(chǎn)酒精的工藝流程展開探討?！　￡P(guān)鍵詞：玉米秸稈酒精發(fā)酵預(yù)處理發(fā)酵　　中圖分類號：G718文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C文章編號：1672-1578（2016）11-0280-01　　燃料酒精作為石油的替代能源，已經(jīng)成為各國可再生能源開發(fā)利用的重要研究發(fā)展方向。目前，玉米等淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)燃料酒精技術(shù)已相當(dāng)成熟，我國已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但隨著陳化糧消耗殆盡，淀粉質(zhì)原料存在“與民爭糧，與糧爭地”等問題，大量利用玉米生產(chǎn)燃料酒精受到嚴(yán)重限制[1]。利用玉米秸稈生產(chǎn)酒精，不僅可以緩解日益嚴(yán)

2、重能源危機(jī)，環(huán)境污染，食物短缺等問題，也為人類社會的可持續(xù)發(fā)展提供了保證[2]。玉米秸稈經(jīng)預(yù)處理及水解后，纖維素等分解成糖，經(jīng)發(fā)酵蒸餾提取酒精，本文主要對這些工藝展開討論?！　?原料預(yù)處理5　　玉米秸稈的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，纖維素、半纖維素被木質(zhì)素包圍，嚴(yán)重影響纖維素等的降解效率，水解之前應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)預(yù)處理，纖維素和半纖維素及木質(zhì)素分離開，聚合度較低，從而提高了玉米秸稈纖維素的水解糖化效率。目前普遍采用的預(yù)處理方法主要有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物法四種[3]。物理法主要采用機(jī)械粉碎、超聲波處理和蒸汽爆破等物理方法，該方法預(yù)處理污染小，操作簡單，但是能耗大，成本較高。化學(xué)法主要采用酸、堿

3、或者有機(jī)溶劑等對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，破壞纖維素與木質(zhì)素之間的晶體結(jié)構(gòu)，打破木質(zhì)素對纖維素的包裹。該方法成本較低，但易產(chǎn)生化學(xué)污染。物理化學(xué)法是指在對玉米秸稈的預(yù)處理過程中同時采用物理和化學(xué)兩種方法，二者相結(jié)合可提高玉米秸稈的預(yù)處理效率[4]。如通過汽爆方法和化學(xué)添加劑相結(jié)合，不僅可以加快預(yù)處理速度，也能盡量降低環(huán)境污染。生物法主要通過微生物作用于玉米秸稈，達(dá)到分離纖維素和木質(zhì)素的目的，該種方法不僅效率高而且能在正常條件下進(jìn)行，節(jié)約成本，是一種有潛力的預(yù)處理方法?！　?纖維素水解　　玉米秸稈經(jīng)預(yù)處理后，纖維素只有分解成糖可進(jìn)行發(fā)酵成酒精，這個過程被稱為纖維素的水解過程。目前玉米秸稈纖維素的水

4、解工藝主要有酸法水解和酶法水解兩種，水解后纖維素和半纖維素的氫鍵被破壞，分解成單糖供發(fā)酵過程。　　2.1酸法水解　　酸法水解主要以硫酸作為催化劑對玉米秸稈中纖維素進(jìn)行分解。包括稀酸水解和濃酸水解兩種。稀酸水解通常采用0.2%-0.5%的稀硫酸水解纖維素，優(yōu)點是反應(yīng)條件溫和，設(shè)備要求較低，但反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量副產(chǎn)物且產(chǎn)糖率低。濃酸水解的優(yōu)點是產(chǎn)糖率較稀酸水解高且反應(yīng)過程副產(chǎn)物少，但反應(yīng)時間較長，腐蝕性強(qiáng)，不僅對反應(yīng)設(shè)備要求較高，而且硫酸回收工藝復(fù)雜。5　　2.2酶法水解　　酶法水解利用纖維素復(fù)合酶分解玉米秸稈中的纖維素，纖維素酶包括葡聚糖酶和纖維二糖酶。水解過程中葡聚糖酶先將纖維素分解為纖維

5、二糖，纖維二糖再在纖維二糖酶的作用下分解成葡萄糖供發(fā)酵過程使用。酶法水解相對酸法水解反應(yīng)條件溫和，催化效率高且能耗低，纖維素酶的專一性高，產(chǎn)物單一，副產(chǎn)物相對較少。但酶法水解中酶的固定化程度困難，反應(yīng)過程中酶的消耗量較高，導(dǎo)致成本較高?！　?酒精發(fā)酵　　酒精發(fā)酵的最終目的就是讓水解中產(chǎn)生的葡萄糖通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化為酒精，發(fā)酵方法主要有以下幾種：　　3.1直接發(fā)酵法　　直接發(fā)酵法就是直接利用纖維分解細(xì)菌發(fā)酵纖維素生產(chǎn)酒精，此方法不需要經(jīng)過酸法水解和酶法水解預(yù)處理過程。采用適合酒精發(fā)酵的生產(chǎn)菌株是直接發(fā)酵法的技術(shù)關(guān)鍵，但目前國際上還未找到一種既具備分解纖維素又能發(fā)酵成酒精的優(yōu)良菌株，一般利用熱纖梭菌

6、和熱硫化氫梭菌混合菌直接發(fā)酵，前者主要將纖維素分解成單糖但乙醇產(chǎn)率較低，后者主要將單糖轉(zhuǎn)化為酒精但不能分解纖維素?！　?.2間接發(fā)酵法5　　間接發(fā)酵法將玉米秸稈的發(fā)酵過程分為兩步，是目前研究最多的方法之一。第一步利用纖維素酶將玉米秸稈中的纖維素分解成為單糖，分解后的糖作為后續(xù)發(fā)酵所需的碳源；第二步再利用酒化酶將單糖發(fā)酵成酒精。間接發(fā)酵方法正處在研究階段，但應(yīng)用到生產(chǎn)中的突出問題是第一步產(chǎn)生的單糖隨著濃度的增加會反過來抑制第一步反應(yīng)的進(jìn)行，而第二步隨著酒精濃度的增加也會抑制菌株的發(fā)酵能力，給發(fā)酵過程帶來巨大影響?！　?.3同步糖化發(fā)酵法　　同步糖化發(fā)酵法主要是為了解決間接發(fā)酵法面臨的反饋抑制

7、問題，兩者原理相同。該方法最早由Gauss等提出，糖化和發(fā)酵同時在一個反應(yīng)器內(nèi)連續(xù)進(jìn)行，將纖維素水解和酒精發(fā)酵同步進(jìn)行，水解產(chǎn)生的葡萄糖由于發(fā)酵濃度降低，消除了高濃度糖對纖維素酶的抑制作用。同步發(fā)酵法的優(yōu)點是簡化了生產(chǎn)設(shè)備，節(jié)約了生產(chǎn)時間，消除了抑制作用，降低了生產(chǎn)成本，但反應(yīng)過程中面臨的最突出問題如何實現(xiàn)纖維素發(fā)酵和酒精發(fā)酵的條件兼容?！　?酒精蒸餾　　玉米秸稈發(fā)酵后的混合發(fā)酵液成分相當(dāng)復(fù)雜，酒精濃度相對較低，必須將酒