許德長

摘要：燃料酒精是一種“綠色能源”，可以用含淀粉（玉米、小麥、和薯類等）、纖維素（秸稈、林木等）或糖蜜（甘蔗、甜高粱等）為原料經(jīng)發(fā)酵蒸餾生產(chǎn)?，F(xiàn)已成為發(fā)酵工程的研究熱點之一。探討了生產(chǎn)燃料酒精的主要原料、菌種、生產(chǎn)工藝等發(fā)展現(xiàn)狀，分析了目前燃料酒精生產(chǎn)過程中需要解決的問題及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：燃料酒精；發(fā)展進程；研究方向

燃料酒精即未加變性劑的、可做燃料用的無水乙醇。乙醇，又俗稱酒精，它是以玉米、小麥、薯類、糖蜜等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而制成。將乙醇進一步脫水后再加適量的變性劑可形成變性燃料乙醇，再與無鉛汽油按一定比例混配就形成了燃料酒精。燃料酒精主要作為汽車燃料使用，是一種新型綠色清潔型燃料。在這種燃料中，乙醇既是一種能源，又是一種良好的汽油增氧劑和高辛烷值調(diào)和組分，用以代替四已基鉛和甲基叔丁基醚。

燃料酒精作為一種新興、無污染、可再生清潔能源，具有良好的發(fā)展前景。目前世界上許多國家都對燃料酒精及其生產(chǎn)技術(shù)進行了深人的研究，本文對燃料酒精的研究及應(yīng)用狀況做一綜合性介紹。

1.纖維質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇的工藝技術(shù)

人類對纖維素的利用由來已久，在服裝、化工、造紙、食品、燃料、飼料等方面都得到廣泛應(yīng)用，而近年利用纖維素制造生物燃料酒精已成為該領(lǐng)域最具發(fā)展前途的新技術(shù)之一。

通過生物發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精的工藝關(guān)鍵包括纖維素原料的預處理、纖維素的水解糖化和糖化產(chǎn)物的發(fā)酵。

1.1纖維素原料的預處理

由于木質(zhì)素、半纖維素對纖維素的保護作用以及纖維素本身的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，天然的木質(zhì)纖維素直接進行酶水解時，其水解程度是很低的，即纖維素水解成糖的百分率很低，一般只有10%～20%左右。為了提高水解率，對木質(zhì)纖維素進行預處理是必要的。通過預處理來解除木質(zhì)素和半纖維素等對纖維素的保護作用和破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)增加其表面積，以達到提高水解率的目的。

2.纖維素水解

植物纖維的水解主要是指纖維素和半纖維素的水解。纖維素實質(zhì)上是一種己聚糖，半纖維素則主要是戊聚糖。主要水解方法有酸水解和酶水解。

3酸水解

纖維素的酸水解工藝又可分為濃酸水解、稀酸水解、序列水解等方法。無機酸催化纖維素分解的機理是：酸在水中解離并產(chǎn)生氫離子H+，后者進一步與水構(gòu)成不穩(wěn)定的水合氫離子，當纖維鏈上的β-1，4葡萄糖苷鍵和水合氫離子接觸時，后者將一個氫離子交給β-1，4葡萄糖苷鍵上的氧，使得這個氧變成不穩(wěn)定的四價氧。當氧鍵斷裂時，與水反應(yīng)生成兩個羥基，并重新放出氫離子H+。后者可再次參與催化水解反應(yīng)。由于溶液中游離氫離子濃度越高水解速度越快，故酸水解法多采用強酸。由于酸法水解需要耐酸、耐熱、耐壓特殊設(shè)備，水解所生成糖有可能發(fā)生進一步分解或聚合反應(yīng)，水解同時還會產(chǎn)生一些抑制微生物生長的副產(chǎn)物，給后續(xù)酒精發(fā)酵帶來困難，所以該法沒有很好的應(yīng)用價值和前景。

4纖維素發(fā)酵工藝

纖維素發(fā)酵生成乙醇的方法有直接發(fā)酵法、水解發(fā)酵二段法（（SHF）、同步糖化發(fā)酵（SSF）法、非等溫同時糖化發(fā)酵法（NSSF）、固定化細胞發(fā)酵法等。

4.1直接發(fā)酵法

直接發(fā)酵法就是以纖維素為原料進行直接發(fā)酵，不需要進行酸解或酶解前處理過程。這種工藝設(shè)備簡單，成本低廉，但酒精產(chǎn)率不高，而且易產(chǎn)生有機酸等副產(chǎn)物。

4.2水解發(fā)酵二段法（SHF）

將纖維素先用纖維素酶糖化，再經(jīng)酵母發(fā)酵成酒精的方法，即所謂水解發(fā)酵二段法。這種方法可以分別使用水解和發(fā)酵各自的最適條件（分別為50℃和300C），但是在第一階段中，纖維素降解產(chǎn)生的葡萄糖會對纖維素酶產(chǎn)生反饋抑制，而半纖維素水解糖化產(chǎn)生的木糖也會對纖維素酶產(chǎn)生抑制作用，影響纖維素的糖化。在第二階段中，酒精發(fā)酵的末端產(chǎn)物會抑制與發(fā)酵相關(guān)的酶的活性，降低酒精得率，所以必須不斷從發(fā)酵罐中移出酒精，另外較高的底物濃度也會對整個發(fā)酵過程產(chǎn)生抑制作用。

5.燃料酒精的研究方向

燃料酒精的價格比汽油貴約1000元/噸，且傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)方法對環(huán)境的污染都較大。因此如何采用高科技技術(shù)以降低生產(chǎn)成本、減少生產(chǎn)過程中對環(huán)境的污染是今后燃料酒精的研究方向。目前許多國家已致力于這方面的研究，并取得不少進展。

5.1改進原有技術(shù)，降低成本，減少污染

瑞典Alfa-Laval實驗室針對糖蜜原料，研究出了Biostill技術(shù)，Biostill酒精發(fā)酵工藝有兩種：單發(fā)酵罐法及雙發(fā)酵罐法?，F(xiàn)以雙發(fā)酵罐法為例簡介流程。雙發(fā)酵罐法為半連續(xù)酒精發(fā)酵工藝。糖蜜直接稀釋后流加人發(fā)酵罐，并加人營養(yǎng)鹽、消泡劑。無菌空氣由壓縮系統(tǒng)供給。菌種經(jīng)三級擴大培養(yǎng)后接人發(fā)酵罐。發(fā)酵廢氣用稀釋水清洗回收酒精。采用外循環(huán)板式冷卻器冷卻。一罐酵母活力衰竭后啟用另一罐。成熟醒旋流分離及離心分離后，酵母回用，清液經(jīng)預熱后加人粗餾塔。

該技術(shù)具有下述優(yōu)點：采用特殊的裂殖酵母，該菌株可在高滲透壓下發(fā)酵，無需進行糖蜜預處理；酵母分離回用，使罐內(nèi)酵母保持很高的濃度，加快發(fā)酵速度，提高發(fā)酵率；廢液量少，為國內(nèi)傳統(tǒng)工藝的1/2-1/3。

5.2利用剩余糧食，提高發(fā)酵率，節(jié)省生產(chǎn)成本

目前很多國家已開始利用剩余糧食生產(chǎn)燃料酒精，因為這樣不僅可以利用其價格低的優(yōu)勢，還可以推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，增加農(nóng)民收人。在中國，目前像玉米、甘薯、木薯等農(nóng)作物相對過剩，價格較低，但生產(chǎn)工藝大多還是一些傳統(tǒng)的發(fā)酵方法，出酒率不高，因此利用它們大規(guī)?；a(chǎn)還需解決發(fā)酵率低的問題，這也是利用剩余糧食生產(chǎn)燃料酒精的研究方向之一。

5.3尋找廉價原料，研究新生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)燃料酒精的原料不僅可以是糖蜜、淀粉，還可以是自然界大量存在的廉價的纖維素，但植物纖維素為原料生產(chǎn)燃料酒精的工藝中還存在若干亟待解決的技術(shù)難題，纖維素水解較難及生產(chǎn)成本高就是其中難點之一，因此改進纖維素酶的性質(zhì)和纖維素水解方法也是今后研究方向之一。

結(jié)束語

綜上所述，由于燃料酒精的應(yīng)用可以帶來巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效應(yīng)，相信今后燃料酒精的生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大，目前存在的問題都將一一解決，燃料酒精的研究領(lǐng)域和應(yīng)用范圍將會不斷擴展，燃料酒精在可再生燃料市場中將占主要地位。

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