玉米秸稈生產(chǎn)酒精的工藝研究

安媛

（黑龍江省輕工設(shè)計(jì)院）

摘 要：玉米是一種高產(chǎn)作物，受到全世界范圍內(nèi)人們的喜愛，在種植中產(chǎn)生了大量的玉米秸稈。玉米秸稈資源豐富，可以再生，所以屬于綠色資源。本文從玉米秸稈制備酒精的幾個(gè)環(huán)節(jié)入手，對(duì)預(yù)處理、水解和接下來(lái)的發(fā)酵和蒸餾展開了具體的探討。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；酒精發(fā)酵；預(yù)處理

目前世界范圍內(nèi)工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)各種能源的需求量在不斷增加，以酒精來(lái)替代石油這個(gè)話題由來(lái)已久，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外成為了一個(gè)非常熱門的話題。當(dāng)前，玉米和淀粉等原料都可以作為燃料酒精，這些技術(shù)已經(jīng)成熟了，并且已經(jīng)開始大規(guī)模生產(chǎn)，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，因?yàn)橛衩讓儆谝环N食物，能夠極大緩解糧食問(wèn)題，所以不應(yīng)該大量使用玉米來(lái)進(jìn)行燃料酒精的生產(chǎn)，但是為了緩解對(duì)能源緊張問(wèn)題，全世界都在對(duì)可再生資源生產(chǎn)液體燃料的解決辦法。玉米秸稈資源豐富，并且可再生，用這種資源生產(chǎn)酒精已經(jīng)引起了越來(lái)越多的關(guān)注。但是目前技術(shù)尚不成熟，在科研能力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力上都還存在著一定的困難。當(dāng)前的情況是，玉米秸稈的利用率極低，大多數(shù)都被堆積起來(lái)，或者進(jìn)行焚燒了，這對(duì)環(huán)境造成污染的同時(shí)也形成了浪費(fèi)，這是在我們國(guó)家極為普遍的一種狀況。直接進(jìn)行焚燒，獲得的熱效率很低，大概只有十分之一，如果能將玉米秸稈進(jìn)行提純，轉(zhuǎn)化成真正的燃料，那么熱效率就會(huì)大大提升，一來(lái)能夠?qū)δ茉次C(jī)有所緩解，二來(lái)也可以對(duì)一定程度上解決環(huán)境污染的問(wèn)題，給人類帶來(lái)了可持續(xù)發(fā)展的保證。玉米秸稈在成分上主要有以下幾種，纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素，如果對(duì)其經(jīng)過(guò)水解，其中的纖維素和半纖維素都可以分解成糖分，糖分經(jīng)過(guò)發(fā)酵就可以釀制成酒精。本文主要介紹這些具體的工藝流程。

1 原料預(yù)處理

玉米秸稈的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，纖維素、半纖維素被木質(zhì)素包圍，嚴(yán)重影響纖維素等的降解效率，水解之前應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)預(yù)處理，纖維素和半纖維素及木質(zhì)素分離開，聚合度較低，從而提高了玉米秸稈纖維素的水解糖化效率。目前普遍采用的預(yù)處理方法主要有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物法四種。物理法主要采用機(jī)械粉碎、超聲波處理和蒸汽爆破等物理方法，該方法預(yù)處理污染小，操作簡(jiǎn)單，但是能耗大，成本較高?；瘜W(xué)法主要采用酸、堿或者有機(jī)溶劑等對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，破壞纖維素與木質(zhì)素之間的晶體結(jié)構(gòu)，打破木質(zhì)素對(duì)纖維素的包裹。該方法成本較低，但易產(chǎn)生化學(xué)污染。物理化學(xué)法是指在對(duì)玉米秸稈的預(yù)處理過(guò)程中同時(shí)采用物理和化學(xué)兩種方法，二者相結(jié)合可提高玉米秸稈的預(yù)處理效率。如通過(guò)汽爆方法和化學(xué)添加劑相結(jié)合，不僅可以加快預(yù)處理速度，也能盡量降低環(huán)境污染。生物法主要通過(guò)微生物作用于玉米秸稈，達(dá)到分離纖維素和木質(zhì)素的目的，該種方法不僅效率高而且能在正常條件下進(jìn)行，節(jié)約成本，是一種有潛力的預(yù)處理方法。

2 纖維素水解

玉米秸稈經(jīng)預(yù)處理后，纖維素只有分解成糖可進(jìn)行發(fā)酵成酒精，這個(gè)過(guò)程被稱為纖維素的水解過(guò)程。目前玉米秸稈纖維素的水解工藝主要有酸法水解和酶法水解兩種，水解后纖維素和半纖維素的氫鍵被破壞，分解成單糖供發(fā)酵過(guò)程。

2.1 酸法水解

酸法水解主要以硫酸作為催化劑對(duì)玉米秸稈中纖維素進(jìn)行分解。包括稀酸水解和濃酸水解兩種。稀酸水解通常采用0.2%-0.5%的稀硫酸水解纖維素，優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和，設(shè)備要求較低，但反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生大量副產(chǎn)物且產(chǎn)糖率低。濃酸水解的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)糖率較稀酸水解高且反應(yīng)過(guò)程副產(chǎn)物少，但反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，腐蝕性強(qiáng)，不僅對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求較高，而且硫酸回收工藝復(fù)雜。

2.2 酶法水解

酶法水解利用纖維素復(fù)合酶分解玉米秸稈中的纖維素，纖維素酶包括葡聚糖酶和纖維二糖酶。水解過(guò)程中葡聚糖酶先將纖維素分解為纖維二糖，纖維二糖再在纖維二糖酶的作用下分解成葡萄糖供發(fā)酵過(guò)程使用。酶法水解相對(duì)酸法水解反應(yīng)條件溫和，催化效率高且能耗低，纖維素酶的專一性高，產(chǎn)物單一，副產(chǎn)物相對(duì)較少。但酶法水解中酶的固定化程度困難，反應(yīng)過(guò)程中酶的消耗量較高，導(dǎo)致成本較高。

3 酒精發(fā)酵

酒精發(fā)酵的最終目的就是讓水解中產(chǎn)生的葡萄糖通過(guò)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為酒精，發(fā)酵方法主要有以下幾種：

3.1 直接發(fā)酵法

直接發(fā)酵法就是直接利用纖維分解細(xì)菌發(fā)酵纖維素生產(chǎn)酒精，此方法不需要經(jīng)過(guò)酸法水解和酶法水解預(yù)處理過(guò)程。采用適合酒精發(fā)酵的生產(chǎn)菌株是直接發(fā)酵法的技術(shù)關(guān)鍵，但目前國(guó)際上還未找到一種既具備分解纖維素又能發(fā)酵成酒精的優(yōu)良菌株，一般利用熱纖梭菌和熱硫化氫梭菌混合菌直接發(fā)酵，前者主要將纖維素分解成單糖但乙醇產(chǎn)率較低，后者主要將單糖轉(zhuǎn)化為酒精但不能分解纖維素。

3.2 間接發(fā)酵法

間接發(fā)酵法將玉米秸稈的發(fā)酵過(guò)程分為兩步，是目前研究最多的方法之一。第一步利用纖維素酶將玉米秸稈中的纖維素分解成為單糖，分解后的糖作為后續(xù)發(fā)酵所需的碳源；第二步再利用酒化酶將單糖發(fā)酵成酒精。間接發(fā)酵方法正處在研究階段，但應(yīng)用到生產(chǎn)中的突出問(wèn)題是第一步產(chǎn)生的單糖隨著濃度的增加會(huì)反過(guò)來(lái)抑制第一步反應(yīng)的進(jìn)行，而第二步隨著酒精濃度的增加也會(huì)抑制菌株的發(fā)酵能力，給發(fā)酵過(guò)程帶來(lái)巨大影響。

3.3 同步糖化發(fā)酵法

同步糖化發(fā)酵法主要是為了解決間接發(fā)酵法面臨的反饋抑制問(wèn)題，兩者原理相同。該方法最早由Gauss等提出，糖化和發(fā)酵同時(shí)在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)連續(xù)進(jìn)行，將纖維素水解和酒精發(fā)酵同步進(jìn)行，水解產(chǎn)生的葡萄糖由于發(fā)酵濃度降低，消除了高濃度糖對(duì)纖維素酶的抑制作用。同步發(fā)酵法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了生產(chǎn)設(shè)備，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間，消除了抑制作用，降低了生產(chǎn)成本，但反應(yīng)過(guò)程中面臨的最突出問(wèn)題如何實(shí)現(xiàn)纖維素發(fā)酵和酒精發(fā)酵的條件兼容。

4 蒸餾提純

玉米秸稈在進(jìn)行發(fā)酵后會(huì)形成混合發(fā)酶液，混合液的成分是相當(dāng)復(fù)雜的，酒精的濃度很低，所以應(yīng)該對(duì)酒精進(jìn)行提純處理，將其從混合液中分離開來(lái)才能夠進(jìn)行使用。酒精存在著沸點(diǎn)低的特點(diǎn)，并且極易揮發(fā)，所以在具體的操作中，采用蒸餾的方式來(lái)進(jìn)行提純。首先控制溫蒂，讓溫度達(dá)到酒精的沸點(diǎn)，但是發(fā)酶液沒有沸騰，這樣就可以讓酒精揮發(fā)，然后經(jīng)過(guò)冷凝設(shè)備把酒精從蒸汽變回液體，就得到了高純度的酒精。但是出于安全性的考慮，設(shè)置溫度的時(shí)候要適中，不宜過(guò)高也不宜過(guò)低。傳統(tǒng)的雙塔蒸餾方式雖然有著不錯(cuò)的效果，但是因?yàn)槟芎奶叨蝗〈?，現(xiàn)在采用的是三塔式蒸餾工藝。

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)是個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米在我國(guó)有著廣泛的種植，因此，玉米秸稈的產(chǎn)量十分巨大，如果沒有對(duì)其進(jìn)行舊有的方式來(lái)進(jìn)行處理，以堆積腐爛和焚燒為主的方式，那么在浪費(fèi)了資源的同時(shí)，還給自然環(huán)境帶來(lái)了大量污染。目前玉米秸稈釀制酒精的技術(shù)也已經(jīng)日趨成熟，在生產(chǎn)過(guò)程中遇到的諸多細(xì)節(jié)問(wèn)題還有待于進(jìn)一步的研究來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。技術(shù)會(huì)繼續(xù)發(fā)展、繼續(xù)完善，所以利用玉米秸稈來(lái)釀制酒精的技術(shù)也會(huì)更加成熟起來(lái)，最終一定可以在解決能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題上有所作為。

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