劉吉新

玉米秸稈發(fā)酵法生產(chǎn)燃料酒精的研究進(jìn)展

劉吉新

（吉林省新天龍實業(yè)有限公司，吉林四平 136500）

在綠色發(fā)展理念引領(lǐng)下，我國能源與環(huán)保的建設(shè)已經(jīng)形成了一定的規(guī)模。在節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境的大背景下，如何實現(xiàn)再生能源的最大利用正在成為許多國家新的能源發(fā)展方向。生物能源中，乙醇作為安全、清潔的燃料正在被廣泛關(guān)注和運(yùn)用。而利用玉米生產(chǎn)燃料酒精的方法也正在由傳統(tǒng)的發(fā)酵方法向著新的方法改進(jìn)和升級。

玉米秸稈；發(fā)酵法；燃料酒精；綠色理念

傳統(tǒng)的玉米淀粉作為酒精燃料的生產(chǎn)原料雖然是目前較為成熟的技術(shù)，但是已經(jīng)受到了限制。在綠色理念的指導(dǎo)下，對可再生能源的研發(fā)已經(jīng)成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。研究更新的玉米秸稈生產(chǎn)燃料酒精的課題迫在眉睫，解決這一技術(shù)難點(diǎn)就可以起到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的作用。利用發(fā)酵法將玉米秸稈轉(zhuǎn)化成氣體或者酒精等液體燃料之后，產(chǎn)生的熱效率可以達(dá)到30%以上，既可以緩解資源危機(jī)、食物污染問題，也可以充分利用玉米秸稈中的纖維素等被分解后的材料實現(xiàn)能源的再生和利用。

1　玉米秸稈生產(chǎn)酒精工藝概述

1）玉米秸稈中的植物細(xì)胞壁是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等組成。詳細(xì)的化學(xué)組成參見表1，工藝流程見圖1。

表1　玉米秸稈化學(xué)組成

玉米秸稈生產(chǎn)酒精工藝：

圖1　玉米秸稈生產(chǎn)酒精工藝流程

將玉米秸稈的半纖維素、纖維素經(jīng)過高溫結(jié)合形成晶體結(jié)構(gòu)，這些鏈結(jié)構(gòu)牢固地結(jié)合在一起，形成微纖維，相當(dāng)于水解，這便是玉米秸稈的預(yù)處理。預(yù)處理可以將纖維素、半纖維素等進(jìn)行切斷，破壞它們的晶體結(jié)構(gòu)［1］。

2）對纖維質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，可以將玉米秸稈粉碎成碎片狀進(jìn)行預(yù)處理，原料在這種環(huán)境下被快速釋放壓力。木聚糖部分經(jīng)過溶解后，水解成木糖，外源硫酸的可以增加木糖低聚物，外源硫酸的存在使得原料維持時間少于1min就可以被分解成微小顆粒進(jìn)入預(yù)處理反應(yīng)器內(nèi)。

3）濕氧化法是在20世紀(jì)90年代由ANNE提出的。這種方法是在加溫加壓的情況下，使用水和氧氣共同反應(yīng)而成的處理方法。濕氧化法對玉米秸稈的纖維素具有有效性。纖維素在這種方法下會發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生膨脹，形成堿化纖維素。加入碳酸鈣后，纖維素中的木質(zhì)素得到緩和作用后，純度升高，不會產(chǎn)生糠醛這樣的副產(chǎn)品。

4）玉米秸稈纖維素水解后，在催化劑的作用下，例如無機(jī)酸和酶，可以形成酸水解，這種成分主要破壞纖維素、半纖維素，將其中的氫鍵轉(zhuǎn)化為單糖，形成稀酸水解和濃酸水解。稀水解一般形成兩個階段的分解。第一個階段從半纖維素中獲得糖產(chǎn)量最大化，第二個階段采用高溫操作使纖維素水解為碳糖并產(chǎn)生大量副產(chǎn)物［2］。

5）濃酸水解在50℃的條件下發(fā)生2～6h的反應(yīng)。首先是降解，物質(zhì)濃縮瀝干后，脫水形成糖。在35%的硫酸中浸泡1～4h后再進(jìn)行脫水干燥，形成了酸，剩余的固體殘渣經(jīng)過循環(huán)利用，收到的糖濃度極高，富含物里面不包括糠醛。但是有硫酸，由于其腐蝕性強(qiáng)，因此處理起來相當(dāng)困難。

6）采用酶水解技術(shù)是利用酶水解時發(fā)生的生化反應(yīng)。常壓下其消耗過后具有較高的選擇性，產(chǎn)率較高。國外試驗證明玉米秸稈在經(jīng)過水解濕氧化處理后，酶解纖維轉(zhuǎn)化率為95%。但是這種纖維素中，酶的成本過高。因此生產(chǎn)一加侖燃料級酒精所需的酶纖維素需要大約5美元。

2　玉米秸稈發(fā)酵法生產(chǎn)燃料酒精

木糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化成酒精是在20世紀(jì)50年代末提出的。直到80年代被驗證了木糖確實可以被微生物作用發(fā)酵形成酒精（SSF法）。從此，100多種微生物被發(fā)現(xiàn)可以使木糖發(fā)酵成酒精。

1）使用固定化細(xì)胞提高發(fā)酵罐內(nèi)的細(xì)胞濃度，最終提高了發(fā)酵液酒精的濃度。固定化細(xì)胞中使用混合固定細(xì)胞進(jìn)行發(fā)酵，酵母與纖維二糖酶固定化，將纖維二糖基質(zhì)轉(zhuǎn)化成酒精。這是目前玉米秸稈生產(chǎn)酒精的重要方法。

2）使用玉米秸稈的糖化液進(jìn)行混合菌種的培養(yǎng)，利用多種酒精發(fā)酵菌進(jìn)行發(fā)酵，近年來這種基因工程菌的應(yīng)用對于糖快速轉(zhuǎn)成酒精很有幫助。

3　結(jié)束語

玉米秸稈發(fā)酵工藝生產(chǎn)酒精具有其他淀粉類原料不具備的優(yōu)勢，因此，完全具有規(guī)模化生產(chǎn)的可能性。但是由于其在預(yù)處理技術(shù)中還存在著一些缺陷，因此建議盡快通過基因工程技術(shù)來研究秸稈生產(chǎn)燃料酒精的原生質(zhì)體融合技術(shù)，相信經(jīng)過不懈努力，研發(fā)出這種高效、低成本的新工藝的目標(biāo)為時不遠(yuǎn)。

［1］ 張強(qiáng).餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精的工藝［J］.化工進(jìn)展，2015，（1）.

［2］ 馮南.利用纖維素原料生產(chǎn)燃料酒精的研究進(jìn)展［J］.黑龍江科技信息，2014，（2）.

Research Progress on the Production of Fuel Alcohol by Corn Straw Fermentation under the Green Concept

Liu Ji-xing

Under the guidance of the concept of green development，the construction of energy and environmental protection in China has formed a certain scale.In the context of the international energy conservation environment，how to achieve the maximum utilization of renewable energy is becoming the direction of energy development in many countries.In bio energy，ethanol as a safe and clean fuel is being widely concerned and applied.And the method of using corn to produce fuel alcohol is also being improved and upgraded by the traditional fermentation method to the new method.

corn straw；fermentation；fuel alcohol；green concept

TQ223.122

A

1003-6490（2016）06-0117-02

2016-06-25

劉吉新（1972—），男，吉林四平人，工程師，主要研究方向為酒精加工。

收稿日期：2016-06-11

作者簡介： 李卓坪（1984—），男，河北邯鄲人，工程師，主要研究方向為水污染控制和生態(tài)治理。