玉米秸秆发酵生产燃料酒精工艺分析

玉米秸秆发酵生产燃料酒精工艺分析

宋殿霜华泽显

中粮生化能源（肇东）有限公司黑龙江肇东151100

摘要：玉米秸秆是一种丰富的再生资源，主要由纤维素、半纤维素、木质素组成。经过预处理、水解、发酵可生产酒精。预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法及生物处理法；水解主要有酸水解法和酶水解法；发酵主要有直接发酵法、间接发酵法、同步糖化发酵法等。介绍了玉米秸秆生产乙醇的关键技术进展情况。

关键词：秸秆酒精；预处理；研究进展

酒精是一种重要的工业原料，广泛应用于食品，化工、医药等领域，而且可以部分或全部替代汽油，具有安全、清洁、可再生等优点。传统的酒精生产主要以糖蜜、薯类、谷物为原料发酵而成。近年来，随着人口增长和经济的发展以及可利用耕地面积的减少使得酒精生产成本日趋增高，利用丰富、廉价的玉米秸秆为原料生产酒精已成为必然趋势。

1玉米秸秆简介

玉米秸秆主要由植物细胞壁组成，基本成分为纤维素、半纤维素和木质素等。木质素将纤维素和半纤维素层层包围。纤维素是一种直链多糖，多个分子平行排列成丝状不溶性微小纤维，半纤维素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成，木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成的高分子芳香族化合物。其中，木质素是一种燃料，半纤维素可水解为五碳糖，而纤维素水解为六碳糖比较困难。

2玉米秸秆预处理

2.1挤压膨化法

该方法属于物理处理法，是将原料粉碎后调节至一定水分，加入挤压机内，物料在螺杆的旋转推动下向前运动，同时被剪切、挤压。并且在摩擦热的作用下温度可接近140℃；然后从挤压机中喷出，物料的压力突然降低、体积迅速膨胀，纤维素晶体结构被破坏，从而为纤维素的酶解处理创造条件。这种预处理方法生产过程连续，不需要消耗蒸汽，而且具有灭菌效果。

2.2湿氧化法

湿氧化法属于化学处理法，是指在加温加压条件下，水和氧气共同参加的反应。湿氧化法对玉米秸秆处理效果很好，纤维素遇碱，只引起纤维素膨胀，形成了碱化纤维素，但能保持原来骨架，加入Na2CO3后起缓和作用，能防止纤维素被破坏，使木质素和半纤维素溶解于碱液中而与纤维素分离。这样得到的纤维素纯度较高，且副产物很少。匈牙利Eniko等人采用湿氧化法在195℃，15min，1200千帕O2，Na2CO32g/L条件下，对60g/L玉米秸秆进行预处理。其中60%半纤维素、30%木质素被溶解，90%纤维素呈固态分离出来，纤维素酶解转化率（ECC）达85%左右。

2.3酸处理法

酸处理法也是一种化学处理法，这种方法可追溯到1980年，而在德国可能更早。该法是采用硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等对纤维素原料进行预处理，其中以硫酸研究和应用的最多。处理后，半纤维素首先水解得到无碳糖，纤维素的结晶结构被破坏，原料疏松，可发酵性强。但水解前必须将pH值调整到中性，还应该注意反应器的耐酸性。

2.4蒸汽爆破法

蒸汽爆破法属于物理处理化学法，是用蒸汽将原料加热至180～200℃，维持5～30min，也可加热到245℃，维持0.5～2.0min。高温高压造成木质素的软化，然后迅速使原料减压，造成纤维素晶体和纤维束的爆裂，使木质素和纤维素分离。该法成本较高，在我国可采用北京林业大学赖文衡教授研究的间歇蒸汽汽爆器对玉米秸秆进行爆破处理，经这种爆破器爆破的玉米秸秆，纤维素水解转化率（ECC）可达70％以上。

2.5生物方法

生物处理方法具有节约化工原料、能源和减轻环境污染等方面的优点。有许多微生物能产生木质素分解酶，如白腐菌，其分解木质素的能力较强，但活性较低，而且微生物处理周期长、菌体会破坏部分纤维素和半纤维素，降低纤维素的水解率，因此难以得到利用。瑞典等北欧国家则利用无纤维素酶的担子菌突变株对纤维素材料进行脱木质素处理，取得了一定的效果。

3水解工艺

3.1浓酸水解

用70％的硫酸50℃下在反应器中反应2～6h，半纤维素首先被降解，溶解在水里的物质经过几次浓缩沥干后得到糖，半纤维素水解后的固体残渣经过脱水后，在30％～40％的硫酸中浸泡1～4h。溶液再经脱水和干燥后，在70％的硫酸下反应1～4h，回收的糖和酸溶液经过离子交换，分离出的酸在高效蒸发器中重新浓缩，剩余的固体残渣则再循环利用到下一次的水解中。浓酸水解过程的主要优点是糖的回收率高，大约有90％的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。但浓硫酸腐蚀性强，而且从经济方面考虑必须回收浓硫酸，增加了工艺的复杂程度。

3.2稀酸水解

为了解决浓酸水解法存在的问题，一般采用稀硫酸（0.2％～0.5％），在较温和条件下进行。此时水解一般分2个阶段：第1阶段为低温操作，从半纤维素获得最大糖产量；第2阶段采用高温操作使纤维素水解为六碳糖，糖的转化率一般为50％左右。但稀酸水解容易产生大量副产物。

3.3酶水解

酶水解是利用产纤维素酶的微生物或者纤维素酶制品，直接将半纤维素、纤维素水解成可发酵糖。与酸水解相比，它可在常压下进行，反应条件温和、效率高、能耗低、选择性强、环保效果好，显示出良好的应用价值和前景。水解后可形成单一产物，产率较高（>95％）。匈牙利Eniko等人采用NovoYm188等水解经湿氧化处理的玉米秸秆，酶解纤维素转化率（ECC）高达85％。

该法的关键在于纤维素酶的获得和利用，同时要考虑纤维素酶的成本。丹麦诺维信公司曾经宣布其纤维素酶生产成本已比当初降低了12倍，现在该公司又取得了重大进展，纤维素酶生产成本已比最初降低了20倍，生产lL燃料级乙醇所需纤维素酶的成本已低于6.6美分。这极大地推进了燃料乙醇的商业化进程。

4发酵工艺

4.1直接发酵法

直接发酵法是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产乙醇，不需要经过酸水解或酶水解前处理过程。一般利用混合菌直接发酵，例如热纤梭菌（ClostridiumthermoceUum）能分解纤维素，但乙醇产率较低（50％），热硫化氢梭菌（Colstridiumthermohydz）不能利用纤维素，但乙醇产率相当高，如果进行混合发酵，产率可达70%。吕福英介绍了热纤梭菌的生理生化特性及发酵生产的研究进展，并对热纤梭菌发酵生产乙醇的因素以及乙醇等发酵产物对热纤梭菌的抑制作用作了概述。但热纤梭菌产生乙醇也存在以下问题：发酵不完全、发酵速度慢、终产物乙醇和有机酸对细胞有相当大的毒性，需要进一步改进。

4.2间接发酵法

间接发酵是目前研究最多的一种方法。使用纤维素酶水解纤维素，收集酶解后的糖液作为酵母发酵的碳源，先用纤维素酶水解纤维素，酶解后的糖液作为发酵碳源。但是受末端产物抑制，低细胞浓度以及底物基质抑制作用影响乙醇产量。因此可采取的方法有：减压发酵法和阿尔法―拉伐公司的Bi-otile法，还可以通过筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变菌株来克服基质抑制。

5结论

以玉米秸秆等纤维素生产酒精技术是世界各国研究的热点，与其他生物能源、替代能技术相比，无论是在经济合理性、技术可行性方面，还是在资源可持续性和环境协调性方面都具有明显的优势，而且还可解决我国的石油资源短缺和环境污染问题，有利于保证国家能源安全和社会协调发展。

参考文献：

[1]郭利美，王瑞明.玉米秸秆发酵生产燃料酒精工艺探讨[J].广州食品工业科技，2014（2）

[2]张强.玉米秸秆发酵法生产燃料酒精的研究进展[J].饲料工业，2015（9）