胡晶(康泰斯(上海)化學(xué)工程有限公司, 201203)

生物法制取纖維素乙醇技術(shù)

胡晶(康泰斯(上海)化學(xué)工程有限公司, 201203)

用生物法制取纖維素乙醇主要包括兩個(gè)過(guò)程，首先是將纖維素水解生成發(fā)酵單糖，其次是通過(guò)微生物發(fā)酵生成乙醇。本文首先介紹了纖維素水解發(fā)酵的四種工藝，并對(duì)它們各自的制備原理、優(yōu)點(diǎn)和局限性進(jìn)行了分析。接著從制備原理、優(yōu)缺點(diǎn)方面分析比較了生物質(zhì)合成氣發(fā)酵工藝。

生物法；制??；纖維素乙醇；技術(shù)

目前，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，能源短缺和能源消費(fèi)所引起的問(wèn)題也成為人們所擔(dān)憂的問(wèn)題。如何能夠獲得無(wú)污染的可再生能源是重中之重。用生物法制取纖維素乙醇技術(shù)，不僅有廣泛的原料來(lái)源，而且制作過(guò)程環(huán)保無(wú)污染，是最有前景的制作乙醇的方法。

1 纖維素的水解發(fā)酵工藝

(1)濃酸水解工藝 濃酸水解的原理是將結(jié)晶纖維素在較低溫度下可以在濃硫酸溶液完全溶解為低聚糖。然后再在此基礎(chǔ)上加水加熱并稀釋?zhuān)?jīng)過(guò)一定的時(shí)間就可以水解為單個(gè)的葡萄糖了。濃酸水解有很大的優(yōu)點(diǎn)，它可以溶解不同的的原料，回收率非常高，溶解速度也非常快。但是濃酸水解往往條件苛刻，對(duì)設(shè)備的要求極高，因此造成了成本高。而且濃酸用完之后一定要做好殘余物的回收工作，不然極其容易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

(2)稀酸水解工藝 稀酸水解主要是利用化學(xué)反應(yīng)，它的原理是稀酸溶液中的氫離子是自由的，它可以與纖維素反應(yīng)，從而破壞纖維素的穩(wěn)定性，使其與水反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)纖維素長(zhǎng)鏈的連續(xù)解聚，直到纖維素最終分解成為一個(gè)一個(gè)的葡萄糖單元。稀酸水解的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短，比較適合工業(yè)化生產(chǎn)，但是由于稀酸水解的產(chǎn)物不徹底，產(chǎn)生的糖會(huì)繼續(xù)分解，影響糖收率。

因此為了減少單糖的分解，一般稀酸水解工藝不可以直接進(jìn)行，要分為兩個(gè)步驟。首先是分解半纖維素，分解條件為低溫，產(chǎn)物以木糖為主。第二個(gè)步驟是分解纖維素，分解條件為高溫，產(chǎn)物主要是葡萄糖。這一步的高溫條件對(duì)設(shè)備的要求極高，因此稀酸溶解也不適合大產(chǎn)量的工業(yè)化生產(chǎn)。

(3)酶水解工藝 在化學(xué)反應(yīng)中，酶是一種能促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行的活性物質(zhì)。在纖維素的酶水解工藝中最不可或缺的物質(zhì)就是纖維素酶。纖維素酶并不是單一的一種酶，它是促進(jìn)纖維素分解為單糖的一類(lèi)酶的統(tǒng)稱。主要包括內(nèi)切葡萄糖酶、外切葡萄糖酶和纖維素二糖酶。在纖維素的水解過(guò)程中，這三種酶在不同的階段發(fā)揮著不同的作用。纖維素的水解需要這三種酶的共同協(xié)同作用來(lái)完成。酶水解工藝相對(duì)于濃酸水解和稀酸水解工藝而言，因?yàn)樗枰臈l件(如酸堿度和溫度)都比較溫和，因此對(duì)設(shè)備的要求不是很高。此外，它的轉(zhuǎn)化效率也很高，無(wú)污染、無(wú)腐蝕。

酶水解工藝的缺點(diǎn)是反應(yīng)速率慢無(wú)法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而且由于纖維素自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)很穩(wěn)定，一般的酶并不能直接接觸纖維素表面。因此，必須先進(jìn)行預(yù)處理來(lái)改變纖維素的結(jié)構(gòu)，降低纖維素的結(jié)晶度和聚合度。

(4)其他水解發(fā)酵工藝 纖維素的復(fù)合水解發(fā)酵工藝是利用多種方法結(jié)合起來(lái)分解纖維素的。這種方法也是需要先對(duì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，然后用多種方法結(jié)合的方式對(duì)纖維素和半纖維素進(jìn)行發(fā)酵處理。復(fù)合水解方法可以根據(jù)纖維素的性質(zhì)采取最優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵方法，可以節(jié)省時(shí)間和原料成本。

2 生物質(zhì)合成氣發(fā)酵工藝

生物質(zhì)合成氣發(fā)酵工藝是在間接制備乙醇的過(guò)程中常用的一種工藝。第一個(gè)過(guò)程是熱化學(xué)工藝，這個(gè)過(guò)程的目的是制備生物質(zhì)合成氣，它需要利用氣化裝置將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為富含一氧化碳、二氧化碳和氫氣的中間氣體，然后利用氣體整合設(shè)備制成生物質(zhì)合成氣。第二個(gè)過(guò)程是生物發(fā)酵，主要是利用細(xì)菌的運(yùn)用，將生物氣在特定的發(fā)酵設(shè)備中轉(zhuǎn)化為乙醇。

合成氣發(fā)酵工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，條件也比較溫和，需要細(xì)菌等微生物的作用，它的原料來(lái)源特別廣泛，既可以是單一的專(zhuān)門(mén)的原料，也可以是多種原料的復(fù)合物，比如腐爛的植物，人們平時(shí)日常生活中產(chǎn)生的垃圾以及煤炭等都可以是生物質(zhì)合成氣發(fā)酵工藝的原料。利用這種方法制備乙醇，一方面可以實(shí)現(xiàn)廢物的重新利用，減少環(huán)境污染。另一方面它不需要昂貴的酶物質(zhì)，也不需要苛刻的反應(yīng)條件，過(guò)程比較簡(jiǎn)單。但是利用生物質(zhì)合成氣發(fā)酵工藝制備乙醇的技術(shù)條件在我們國(guó)家還不是太成熟，需要進(jìn)一步的探究。

3 結(jié)語(yǔ)

如今，環(huán)境問(wèn)題開(kāi)始引起了人們的重視。用生物法制取纖維素乙醇工藝主要使用環(huán)保的方法制備燃料可以實(shí)現(xiàn)廢物的回收利用。本文介紹了纖維素水解發(fā)酵的四種工藝，并對(duì)它們各自的制備原理、優(yōu)點(diǎn)和局限性進(jìn)行了分析，從制備原理、優(yōu)缺點(diǎn)方面分析比較了生物質(zhì)合成氣發(fā)酵工藝。綜合來(lái)講，這些方法以目前的技術(shù)條件還有很大的局限性，不足以適用于工業(yè)化生產(chǎn)，因此，還應(yīng)深入完善技術(shù)和工藝方法。

[1]石元春，汪燮卿，依偉倫.中國(guó)可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究—生物質(zhì)能卷[M].北京：中國(guó)電力出版社 ，2008;106叢書(shū)——110.

[2]劉榮厚，梅曉巖，顏勇捷.燃料乙醇的制作工藝與實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：221-222.

[3]張素平，顏勇捷，任錚偉等.關(guān)于纖維素制取乙醇技術(shù)的思考[J].化學(xué)進(jìn)展，2007,19(7/8):1129-1133.