許德長(zhǎng)

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)。現(xiàn)已成為發(fā)酵工程的研究熱點(diǎn)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(guò)程中需要解決的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：燃料酒精；發(fā)展進(jìn)程；研究方向

燃料酒精即未加變性劑的、可做燃料用的無(wú)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(jìn)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(wú)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(wú)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(guó)家都對(duì)燃料酒精及其生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了深人的研究，本文對(duì)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(duì)纖維素的利用由來(lái)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(guò)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(yù)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(yù)處理

由于木質(zhì)素、半纖維素對(duì)纖維素的保護(hù)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(jìn)行酶水解時(shí)，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(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理是必要的。通過(guò)預(yù)處理來(lái)解除木質(zhì)素和半纖維素等對(duì)纖維素的保護(hù)作用和破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)增加其表面積，以達(dá)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(shí)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(wú)機(jī)酸催化纖維素分解的機(jī)理是：酸在水中解離并產(chǎn)生氫離子H+，后者進(jìn)一步與水構(gòu)成不穩(wěn)定的水合氫離子，當(dāng)纖維鏈上的β-1，4葡萄糖苷鍵和水合氫離子接觸時(shí)，后者將一個(gè)氫離子交給β-1，4葡萄糖苷鍵上的氧，使得這個(gè)氧變成不穩(wěn)定的四價(jià)氧。當(dāng)氧鍵斷裂時(shí)，與水反應(yīng)生成兩個(gè)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(qiáng)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(jìn)一步分解或聚合反應(yīng)，水解同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一些抑制微生物生長(zhǎng)的副產(chǎn)物，給后續(xù)酒精發(fā)酵帶來(lái)困難，所以該法沒有很好的應(yīng)用價(jià)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(shí)糖化發(fā)酵法（NSSF）、固定化細(xì)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(jìn)行直接發(fā)酵，不需要進(jìn)行酸解或酶解前處理過(guò)程。這種工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，但酒精產(chǎn)率不高，而且易產(chǎn)生有機(jī)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(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(huì)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(huì)對(duì)整個(gè)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生抑制作用。

5.燃料酒精的研究方向

燃料酒精的價(jià)格比汽油貴約1000元/噸，且傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)方法對(duì)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(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染是今后燃料酒精的研究方向。目前許多國(guó)家已致力于這方面的研究，并取得不少進(jìn)展。

5.1改進(jìn)原有技術(shù)，降低成本，減少污染

瑞典Alfa-Laval實(shí)驗(yàn)室針對(duì)糖蜜原料，研究出了Biostill技術(shù)，Biostill酒精發(fā)酵工藝有兩種：?jiǎn)伟l(fā)酵罐法及雙發(fā)酵罐法?，F(xiàn)以雙發(fā)酵罐法為例簡(jiǎn)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(yíng)養(yǎng)鹽、消泡劑。無(wú)菌空氣由壓縮系統(tǒng)供給。菌種經(jīng)三級(jí)擴(kuò)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(yù)熱后加人粗餾塔。

該技術(shù)具有下述優(yōu)點(diǎn)：采用特殊的裂殖酵母，該菌株可在高滲透壓下發(fā)酵，無(wú)需進(jìn)行糖蜜預(yù)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(guó)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(guó)家已開始利用剩余糧食生產(chǎn)燃料酒精，因?yàn)檫@樣不僅可以利用其價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，還可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，增加農(nóng)民收人。在中國(guó)，目前像玉米、甘薯、木薯等農(nóng)作物相對(duì)過(guò)剩，價(jià)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)模化生產(chǎn)還需解決發(fā)酵率低的問(wèn)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(jià)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(jià)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(diǎn)之一，因此改進(jìn)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(yǔ)

綜上所述，由于燃料酒精的應(yīng)用可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(kuò)大，目前存在的問(wèn)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(huì)不斷擴(kuò)展，燃料酒精在可再生燃料市場(chǎng)中將占主要地位。

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