玉米發(fā)酵生產(chǎn)酒精工藝

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1、玉米發(fā)酵生產(chǎn)酒精工藝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,而且可以部分或全部替代汽油,具有安全、清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)主要以糖蜜、薯類、谷物為原料發(fā)酵而成。近年來,隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及可利用耕地面積的減少使得酒精生產(chǎn)成本日趨增高,利用豐富、廉價的玉米秸稈為原料生產(chǎn)酒精已成為必然趨勢。我國是一個農(nóng)業(yè)大國,各種纖維素原料資源非常豐富,僅玉米秸稈年產(chǎn)量大約2億噸。目前,玉米秸稈除了少部分被利用外,大部分以堆積、焚燒等形式直接傾入環(huán)境,極大地污染了環(huán)境,也是一種資源浪費(fèi)。如果將玉米秸稈經(jīng)過預(yù)處理后水解,其所含的纖維素和半纖維

2、素可分解成糖,經(jīng)發(fā)酵可轉(zhuǎn)化為酒精,轉(zhuǎn)熱效率可達(dá)30%以上。這樣不但緩解人類所面臨的食物短缺,環(huán)境污染、資源危機(jī)等一系列問題,而且還能實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展,因而近年來玉米秸稈成為生物能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。玉米生產(chǎn)酒精的工藝流程如圖。1玉米秸稈簡介玉米秸稈主要由植物細(xì)胞壁組成,基本成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等。木質(zhì)素將纖維素和半纖維素層層包圍。纖維素是一種直鏈多糖,多個分子平行排列成絲狀不溶性微小纖維,半纖維素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖組成,木質(zhì)素是以苯丙烷及衍生物為基本單位組成的高分子芳香族化合物。其中,木質(zhì)素是一種燃料,半纖維素可水解為五碳糖

3、,而纖維素水解為六碳糖比較困難。2玉米秸稈預(yù)處理由于玉米秸稈結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不僅纖維素、半纖維素被木質(zhì)素包裹,而且半纖維素部分共價和木質(zhì)素結(jié)合,同時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)處理方法有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和微生物法等。2.1擠壓膨化法該方法屬于物理處理法,是將原料粉碎后調(diào)節(jié)至一定水分,加入擠壓機(jī)內(nèi),物料在螺桿的旋轉(zhuǎn)推動下向前運(yùn)動,同時被剪切、擠壓。并且在摩擦熱的作用下溫度可接近140℃;然后從擠壓機(jī)中噴出,物料的壓力突然降低、體積迅速膨脹,纖維素晶體結(jié)構(gòu)

4、被破壞,從而為纖維素的酶解處理創(chuàng)造條件。這種預(yù)處理方法生產(chǎn)過程連續(xù),不需要消耗蒸汽,而且具有滅菌效果。2.2濕氧化法濕氧化法屬于化學(xué)處理法,是指在加溫加壓條件下,水和氧氣共同參加的反應(yīng)。濕氧化法對玉米秸稈處理效果很好,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Na2CO3后起緩和作用,能防止纖維素被破壞,使木質(zhì)素和半纖維素溶解于堿液中而與纖維素分離。這樣得到的纖維素純度較高,且副產(chǎn)物很少。匈牙利Eniko等人采用濕氧化法在195℃,15min,1200千帕O2,Na2CO32g/L條件下,對60g/L玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理。其中60%

5、半纖維素、30%木質(zhì)素被溶解,90%纖維素呈固態(tài)分離出來,纖維素酶解轉(zhuǎn)化率(ECC)達(dá)85%左右。2.3酸處理法酸處理法也是一種化學(xué)處理法,這種方法可追溯到1980年,而在德國可能更早。該法是采用硫酸、硝酸、鹽酸、磷酸等對纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理,其中以硫酸研究和應(yīng)用的最多。處理后,半纖維素首先水解得到無碳糖,纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,原料疏松,可發(fā)酵性強(qiáng)。但水解前必須將pH值調(diào)整到中性,還應(yīng)該注意反應(yīng)器的耐酸性。2.4蒸汽爆破法蒸汽爆破法屬于物理處理化學(xué)法,是用蒸汽將原料加熱至180～200℃,維持5～30min,也可加熱到245℃,維持0.5～2.0min。高

6、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。該法成本較高,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(ECC)可達(dá)70%以上。2.5生物方法生物處理方法具有節(jié)約化工原料、能源和減輕環(huán)境污染等方面的優(yōu)點(diǎn)。有許多微生物能產(chǎn)生木質(zhì)素分解酶,如白腐菌,其分解木質(zhì)素的能力較強(qiáng),但活性較低,而且微生物處理周期長、菌體會破壞部分纖維素和半纖維素,降低纖維素的水解率,因此難以得到利用。瑞典等北歐國家則利用無纖維素酶的擔(dān)子菌突變株對纖維素材料進(jìn)行

7、脫木質(zhì)素處理,取得了一定的效果。3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,酸水解工藝又分為稀酸水解和濃酸水解。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。3.1濃酸水解用70%的硫酸50℃下在反應(yīng)器中反應(yīng)2～6h,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30%～40%的硫酸中浸泡1～4h。溶液再經(jīng)脫水和干燥后,在70%的硫酸下反應(yīng)1～4h,回收的糖和酸溶液經(jīng)過離子交換,分離出的酸在高效

8、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