燃料酒精制備及其開發(fā)前景

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）為原料經發(fā)酵蒸餾生產。現(xiàn)已成為發(fā)酵工程的研究熱點之一。探討了生產燃料酒精的主要原料、菌種、生產工藝等發(fā)展現(xiàn)狀，分析了目前燃料酒精生產過程中需要解決的問題及發(fā)展趨勢。

關鍵詞：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技術進行了深人的研究，本文對燃料酒精的研究及應用狀況做一綜合性介紹。

1.纖維質原料生產乙醇的工藝技術

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用，而近年利用纖維素制造生物燃料酒精已成為該領域最具發(fā)展前途的新技術之一。

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

1.1纖維素原料的預處理

由于木質素、半纖維素對纖維素的保護作用以及纖維素本身的結晶結構，天然的木質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，對木質纖維素進行預處理是必要的。通過預處理來解除木質素和半纖維素等對纖維素的保護作用和破壞纖維素的結晶結構增加其表面積，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：酸在水中解離并產生氫離子H+，后者進一步與水構成不穩(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。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、耐壓特殊設備，水解所生成糖有可能發(fā)生進一步分解或聚合反應，水解同時還會產生一些抑制微生物生長的副產物，給后續(xù)酒精發(fā)酵帶來困難，所以該法沒有很好的應用價值和前景。

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。這種工藝設備簡單，成本低廉，但酒精產率不高，而且易產生有機酸等副產物。

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，纖維素降解產生的葡萄糖會對纖維素酶產生反饋抑制，而半纖維素水解糖化產生的木糖也會對纖維素酶產生抑制作用，影響纖維素的糖化。在第二階段中，酒精發(fā)酵的末端產物會抑制與發(fā)酵相關的酶的活性，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)的酒精生產方法對環(huán)境的污染都較大。因此如何采用高科技技術以降低生產成本、減少生產過程中對環(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，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，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，清液經預熱后加人粗餾塔。

該技術具有下述優(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)省生產成本

目前很多國家已開始利用剩余糧食生產燃料酒精，因為這樣不僅可以利用其價格低的優(yōu)勢，還可以推動農業(yè)產業(yè)化發(fā)展，增加農民收人。在中國，目前像玉米、甘薯、木薯等農作物相對過剩，價格較低，但生產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還需解決發(fā)酵率低的問題，這也是利用剩余糧食生產燃料酒精的研究方向之一。

5.3尋找廉價原料，研究新生產工藝

生產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燃料酒精的工藝中還存在若干亟待解決的技術難題，纖維素水解較難及生產成本高就是其中難點之一，因此改進纖維素酶的性質和纖維素水解方法也是今后研究方向之一。

結束語

綜上所述，由于燃料酒精的應用可以帶來巨大的經濟、社會和環(huán)境效應，相信今后燃料酒精的生產領域將不斷擴大，目前存在的問題都將一一解決，燃料酒精的研究領域和應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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