田曉明 陳文秀

(吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司 吉林 132101）

玉米秸稈制酒精

田曉明 陳文秀

(吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司 吉林 132101）

玉米秸稈作為一種可再生的生物質(zhì)資源，如果能夠應(yīng)用到酒精發(fā)酵中生產(chǎn)工業(yè)酒精應(yīng)用于生產(chǎn)和能源領(lǐng)域，有重要的意義。為此本文對(duì)玉米秸稈制酒精展開(kāi)探討，主要分析了玉米秸稈制酒精的工藝流程，大致從預(yù)處理、水解、發(fā)酵和蒸餾四個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述。

玉米秸稈；酒精發(fā)酵；工藝

一、預(yù)處理

玉米秸稈的纖維素成分較為復(fù)雜，這樣會(huì)嚴(yán)重影響微生物對(duì)纖維素等木質(zhì)素的降解，因此需要對(duì)原材料進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的目的主要是讓纖維素和木質(zhì)素及半纖維素分開(kāi)，增加其及度，從而提高植物纖維素的酶水解糖化的效率。目前針對(duì)預(yù)處理經(jīng)常采取的方法是物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物法四種。物理法是指對(duì)玉米秸稈采用機(jī)械粉碎、蒸汽爆破和超聲波處理等各種物理方法，從而讓玉米秸稈更容易被纖維素酶水解[1]。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是污染小，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但是這些過(guò)程能夠需要大量的機(jī)械設(shè)備工作對(duì)能耗需求大，成本較高?；瘜W(xué)法就是通過(guò)對(duì)玉米秸稈采用酸、堿或者有機(jī)溶劑等各種化學(xué)物質(zhì)對(duì)秸稈預(yù)處理。讓這些化學(xué)物質(zhì)通過(guò)化學(xué)作用破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，打破木質(zhì)素與纖維素的連接。該方法能夠節(jié)約成本，但是在使用中容易產(chǎn)生污染。物理化學(xué)法是指在對(duì)玉米秸稈的預(yù)處理過(guò)程中不僅僅采用物理方法而且結(jié)合化學(xué)方法，能夠發(fā)揮這種方法的長(zhǎng)處，讓它們有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米秸稈的優(yōu)化處理。比如采用化學(xué)添加劑和汽爆方法相結(jié)合，既能加快反應(yīng)速度，也能實(shí)現(xiàn)盡量減少環(huán)境污染問(wèn)題。生物法是指在進(jìn)行玉米秸稈的預(yù)處理過(guò)程中利用微生物的獨(dú)特作用實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的處理。該種方法能夠在正常條件下進(jìn)行，對(duì)環(huán)境污染小，效率也高是一種有潛力的預(yù)處理方法。

二、玉米秸稈的水解

玉米秸稈中纖維素要想進(jìn)行酒精發(fā)酵，必須把纖維多糖轉(zhuǎn)變?yōu)閱翁遣趴梢赃M(jìn)行，該過(guò)程需要經(jīng)過(guò)水解才能實(shí)現(xiàn)。玉米秸稈的水解主要有兩種途徑分布是酸法和酶法。

1.玉米秸稈的酸法水解

酸法水解就是在對(duì)玉米秸稈纖維素進(jìn)行分解的過(guò)程中采取加酸的方式實(shí)現(xiàn)水解。酸法水解具體可以劃分為稀酸水解和濃酸水解兩種。稀酸水解時(shí)一般采取的稀硫酸濃度為0.2 %～0.5 %，通過(guò)稀酸水解的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)需要的條件相對(duì)比較溫和，對(duì)設(shè)備要求不高，效率也很高，但是缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，生成葡萄糖的產(chǎn)率較低，影響后續(xù)的工作開(kāi)展。濃酸水解時(shí)采用的硫酸濃度在10%～30%，該方法比稀酸水解需要的溫度和壓力條件低一些，同時(shí)生產(chǎn)的酒精產(chǎn)量也高一些。但是不足之處是對(duì)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，加上濃硫酸的濃度較高，腐蝕性較強(qiáng)，對(duì)設(shè)備的需求高一些，必須選擇那些耐酸耐壓設(shè)備，這些設(shè)備會(huì)經(jīng)常因?yàn)楦g問(wèn)題影響使用。

2.玉米秸稈的酶法水解

考慮到酸水解的環(huán)境污染問(wèn)題和產(chǎn)物復(fù)雜的問(wèn)題，人們?nèi)缃裼盅芯砍鲆粋€(gè)更為先進(jìn)的方法就是利用纖維素酶對(duì)玉米秸稈進(jìn)行分解。纖維素酶是一種有真菌等微生物分泌的復(fù)合酶，包括內(nèi)切型葡聚糖酶、外切型葡聚糖酶和纖維二糖酶等3種主要組分[2]。該復(fù)合酶發(fā)揮作用的機(jī)制一般這些認(rèn)為，前兩種酶先把纖維素分解為纖維二糖，然后纖維二糖酶再把纖維二塘分解成為葡萄糖，用于后續(xù)工藝生產(chǎn)。利用纖維素分解酶對(duì)玉米秸稈水解能夠在條件較為溫和的情況下進(jìn)行，并且催化效率高。但是該方法不利于對(duì)酶進(jìn)行固定化催化，導(dǎo)致酶的消耗較為嚴(yán)重，成本上升，影響其生產(chǎn)應(yīng)用。

三、酒精發(fā)酵

用玉米秸稈發(fā)酵方法生產(chǎn)乙醇是生物質(zhì)能研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 隨著生物質(zhì)能源的經(jīng)濟(jì)價(jià) 值的日益凸顯，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)的研究課題。當(dāng)前，利用玉米秸稈制取酒精的技 術(shù)在中國(guó)北方已經(jīng)得到了一定范圍的應(yīng)用。 本報(bào)告從技術(shù)概念分析入手，分析玉米秸稈乙 醇轉(zhuǎn)化的各個(gè)方面技術(shù)、制取酒精的核心技術(shù)、和生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)組成。在專利申請(qǐng)方面， 分析各個(gè)類別的專利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人（專利權(quán)人）的專利擁有情況，發(fā)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的專利分 布和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。酒精發(fā)酵的實(shí)質(zhì)就是讓水解中產(chǎn)生的葡萄糖利用發(fā)酵的方式產(chǎn)生酒精，具體到生產(chǎn)工藝可以分為以下幾種類型。

1. 一步發(fā)酵法

一步發(fā)酵法就是直接利用微生物實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)酒精，該方法不需要經(jīng)過(guò)水解處理過(guò)程。該方法的技術(shù)關(guān)鍵就是需要找到適合酒精發(fā)酵的生產(chǎn)菌株，直接利用植物纖維素發(fā)酵獲得酒精。該方法從生產(chǎn)工藝的角度來(lái)說(shuō)減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)是比較理想的工藝流程，能夠減少生產(chǎn)成本和節(jié)約時(shí)間。但是如何得到合適的酒精發(fā)酵菌株是關(guān)鍵。目前的工藝設(shè)計(jì)是尋找一種微生物具備纖維素分解和酒精發(fā)酵的優(yōu)良菌株很難，可以通過(guò)混合菌株的方式實(shí)現(xiàn)一步法發(fā)酵。比如有研究發(fā)現(xiàn)熱纖梭菌能分解纖維素，熱硫化氫梭菌能利用單糖進(jìn)行酒精發(fā)酵產(chǎn)率相當(dāng)高，因此采取混合菌種進(jìn)行發(fā)酵，效果很好。

2.兩步發(fā)酵法

兩步發(fā)酵法是指在玉米秸稈到酒精產(chǎn)出的過(guò)程中，采取兩步實(shí)現(xiàn)。第一步先讓玉米秸稈中的纖維素分解成為六碳糖；第二步再利用微生物把六碳糖通過(guò)酒精發(fā)酵產(chǎn)生酒精[3]。該發(fā)酵方法在生產(chǎn)上正在研究應(yīng)用，應(yīng)用中的突出問(wèn)題是第一步產(chǎn)生的單糖會(huì)通過(guò)反饋抑制作用，影響第一步反應(yīng)的進(jìn)行。第二步會(huì)產(chǎn)生較高濃度的酒精，高濃度的酒精會(huì)對(duì)發(fā)酵菌株產(chǎn)生抑制作用，并影響其發(fā)酵過(guò)程。因此需要解決發(fā)酵過(guò)程中高產(chǎn)物濃度對(duì)酒精發(fā)酵的抑制作用。

3. 同步糖化發(fā)酵法

針對(duì)兩步發(fā)酵法中出現(xiàn)的問(wèn)題，人們研究了同步糖化發(fā)酵法。就是把纖維素水解過(guò)程和酒精發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行同步化，這樣就可以實(shí)現(xiàn)纖維素水解的產(chǎn)物單糖，能夠直接用于酒精發(fā)酵。 同步糖化發(fā)酵法能解決產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)的一致作用，降低生產(chǎn)成本[4]。但是目前最突出的問(wèn)題是纖維素發(fā)酵過(guò)程的酶體系需要的酸堿度和反應(yīng)條件與酒精發(fā)酵所需要的酸堿度和反應(yīng)條件并不完全一致，因此如何讓纖維素發(fā)酵和酒精發(fā)酵在條件上兼容并實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)進(jìn)行需要繼續(xù)研究。

四、酒精蒸餾

通過(guò)酒精發(fā)酵獲得的酒精溶液是一個(gè)濃度相對(duì)較低，而成分相對(duì)復(fù)雜的混合物，這種混合液體既不能用于燃燒，也不能用于其它生產(chǎn)應(yīng)用，因此需要把酒精重這些混合液體中分離出來(lái)。對(duì)于酒精分類最長(zhǎng)采用的是蒸餾法。由于酒精容易揮發(fā)，沸點(diǎn)低，而水溶液不容易揮發(fā)，因此可以采用蒸餾法對(duì)溶液進(jìn)行蒸餾[5]。通過(guò)對(duì)溫度的控制實(shí)現(xiàn)酒精從溶液中揮發(fā)出來(lái)，通過(guò)冷凝裝置的冷凝作用，讓酒精有氣態(tài)變?yōu)橐后w，然后通過(guò)接受裝置就獲取了純度較高的酒精。在進(jìn)行酒精蒸餾的過(guò)程中一定要控制好蒸餾的溫度，以免引發(fā)安全事故。

五、結(jié)語(yǔ)

玉米秸稈在我國(guó)每年都有數(shù)以億噸的產(chǎn)量提供，如果讓這些生物質(zhì)資源通過(guò)焚燒的途徑處理一方面會(huì)造成環(huán)境污染，同時(shí)也是資源的浪費(fèi)。因此對(duì)玉米秸稈開(kāi)展酒精發(fā)酵具有重大的社會(huì)意義、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益。雖然在目前對(duì)玉米秸稈生產(chǎn)酒精的工藝流程還沒(méi)有成熟，有些工藝需要進(jìn)一步探索和研究，但是最后會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步，讓該技術(shù)在解決能源供應(yīng)上發(fā)揮應(yīng)有的功能。秸稈是豐富的可再生資源,主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。木 質(zhì)纖維原料作為一種可轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生資源，其轉(zhuǎn)化利用已成為必然趨勢(shì)。木質(zhì)纖維是廉價(jià)易得、來(lái)源豐富的可再生資源和能源。通過(guò)相關(guān)的生物轉(zhuǎn)化手段可以生產(chǎn)乙醇部分代替石油，不僅有利于環(huán)境保護(hù)和資源再利用，而且還可以減少溫室氣體的排放和緩解化石能源的危機(jī)，這也是世界整個(gè)能源發(fā)展的方向。本文綜述了植物秸稈通過(guò)生物生產(chǎn)的方法制得乙醇的生產(chǎn)工藝。

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Maize straw brew ethyl alcohol

Tian Xiaoming Chen Wenxiu
(Jilin fuel ethanol LLC. Jilin 132101)

Maize straw as one kind of renewable biomass resourses,if can be used in production and energy fields to produce industrial alcohol,it will has an important meaning.So this paper extends discussion around using maize straw to brew alcohol,mainly analyzes the technological process from pretreatment, hydrolysis, fermentation and distill these four links.

Maize straw;alcoholic fermentation;technology

S513

A

田曉明（1985-），男，吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司；陳文秀， 工作單位：吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司。