燃料乙醇工藝的化學(xué)工程分析

王帥 張彥錄

摘 要：隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長和工業(yè)化不斷發(fā)展，世界能源消耗大幅度增加。煤、石油等化石燃料的消耗以及使用過程所帶來的環(huán)境污染、資源短缺等問題，使得發(fā)展綠色可再生替代能源成為全球能源可持續(xù)發(fā)展研究的熱點(diǎn)。生物燃料乙醇主要是指以生物質(zhì)為原料通過糖化發(fā)酵等過程轉(zhuǎn)化而來的體積濃度在99%以上的無水乙醇，其辛烷值高達(dá)115，可以取代污染環(huán)境的含鉛添加劑來改善汽油的防爆性能。作為良好的汽油增氧劑和調(diào)和劑，生物乙醇與汽油混合使用，可以改善燃燒，減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的碳沉淀和氧化碳等不完全燃燒污染物的生成，進(jìn)而減少汽車尾氣中CO2和顆粒物的排放。燃料乙醇的開發(fā)利用不僅可以緩解全球能源危機(jī)，又可改善環(huán)境、提高資源利用率等。

關(guān)鍵詞：燃料乙醇工藝;化學(xué)工程;應(yīng)用

1 燃料乙醇國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球各個(gè)國家正在使用生物乙醇做成乙基叔丁基醚來替代MTBE（甲基叔丁基醚），通常以5%-15%的混合比例在不需要替換現(xiàn)有汽車引擎的狀況下加入汽油，有些情況下ETBE也以替代鉛的形式加入汽油中，以提高汽油辛烷值得到清潔燃料，也可完全替代汽油作為輸送燃料使用。燃料乙醇目前市場上的利用方式主要有3種，即摻燒、純燒和變性燃料乙醇。以乙醇和汽油摻燒方式應(yīng)用的燃料乙醇，在混合燃料中，乙醇和容積比例以“E”表示，乙醇占15%，即用E15表示，目前，摻燒為燃料乙醇利用的主要方式;純燒，即單燒乙醇，可用E100表示，尚處于試行階段;變性燃料乙醇指乙醇脫水后，再添加變性劑而生成的燃料，現(xiàn)在也處于試驗(yàn)應(yīng)用階段。當(dāng)前，世界上使用乙醇汽油最多的主要是美國和巴西等國，基于燃料乙醇的能源解決方案備受關(guān)注。

2 燃料乙醇生產(chǎn)工藝

2.1 直接發(fā)酵技術(shù)

生物質(zhì)直接發(fā)酵技術(shù)，主要基于纖維分解細(xì)菌來發(fā)酵纖維素。某研究者們分離得到了一種可以直接轉(zhuǎn)化纖維素為乙醇的高純富集物。該富集物能降解稻草、麥稈等生物質(zhì)產(chǎn)生乙醇，但是其降解天然纖維素原料產(chǎn)乙醇的能力相對(duì)較弱（不到30%）。直接發(fā)酵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡單，成本低，但是乙醇產(chǎn)率不高，還會(huì)產(chǎn)生其他副產(chǎn)物，如有機(jī)酸等。針對(duì)這一問題，利用熱纖梭菌和熱硫化氫梭菌對(duì)預(yù)處理后底物進(jìn)行混合菌發(fā)酵，乙醇的產(chǎn)量可以達(dá)到70%，同時(shí)副產(chǎn)物有機(jī)酸也大幅度減少。熱纖梭菌可以分解纖維素，若單獨(dú)用來發(fā)酵纖維素，則乙醇的產(chǎn)率較低，大約為50%，混合菌發(fā)酵大大提高了產(chǎn)物乙醇的濃度。直接發(fā)酵技術(shù)的關(guān)鍵在于高效發(fā)酵微生物的篩選。

2.2 分步糖化發(fā)酵技術(shù)（SHF）

SHF法也叫水解發(fā)酵二段法，其為傳統(tǒng)的纖維乙醇生產(chǎn)方法。SHF過程中纖維底物先經(jīng)過纖維素酶的糖化，降解為可發(fā)酵單糖，然后再經(jīng)酵母發(fā)酵將單糖轉(zhuǎn)化為乙醇。SHF法主要優(yōu)點(diǎn)是酶水解和發(fā)酵過程分別可以在各自的最適條件下進(jìn)行，纖維素酶水解最適溫度一般在45-50℃，而大多發(fā)酵微生物的最適生長溫度在30-37℃。SHF法主要缺點(diǎn)是水解主要產(chǎn)物葡萄糖和纖維二糖會(huì)反饋抑制纖維素酶對(duì)底物的降解過程。即葡萄糖和纖維二糖的積累會(huì)對(duì)纖維素酶的活力產(chǎn)生抑制作用，最終導(dǎo)致酶解發(fā)酵效率降低。有文獻(xiàn)研究報(bào)道，當(dāng)纖維二糖濃度達(dá)到6g/L時(shí)，纖維素酶的活力會(huì)下降60%。產(chǎn)物葡萄糖主要是對(duì)β-葡糖苷酶會(huì)產(chǎn)生較大的抑制作用。

2.3 同步糖化共發(fā)酵技術(shù)（SSCF）

為了充分利用底物、提高乙醇產(chǎn)率，己糖與戊糖共發(fā)酵工藝（SSCF）技術(shù)正得到越來越多的關(guān)注和研究。木質(zhì)纖維原料降解過程半纖維素產(chǎn)生的戊糖和纖維素產(chǎn)生的六碳糖在同一反應(yīng)體系中進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，此過程需要能夠代謝戊碳糖的發(fā)酵菌株。SSCF工藝減少了水解過程的產(chǎn)物反饋抑制作用，再者該技術(shù)融入了戊糖的發(fā)酵過程，提高了底物利用率和乙醇產(chǎn)率。目前，工業(yè)乙醇生產(chǎn)所用的釀酒酵母只能代謝葡萄糖而不能代謝木糖，通過基因工程手段在釀酒酵母中插入木糖還原酶（XR）和木糖醇脫氫酶（XDH）或者插入能夠編碼木糖異構(gòu)酶（XI）的基因，實(shí)現(xiàn)了木糖的代謝過程。利用麥草水解液進(jìn)行SSCF過程，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)SSCF過程有重要的影響，當(dāng)溫度為32℃時(shí)發(fā)酵菌株TMB3400能代謝利用的木糖量要比在37℃條件下的多，原因是當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)，葡萄糖的釋放速率會(huì)減緩，更有利于木糖的降解。

3 總結(jié)與展望

燃料乙醇用作汽車燃料，可緩解當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。近年來，汽車油價(jià)的不斷上漲備受社會(huì)關(guān)注，究其原因，在于化石燃料的不斷消耗導(dǎo)致傳統(tǒng)能源危機(jī)蓄勢待發(fā)。所以，生物乙醇燃料的發(fā)展是世界各國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要措施之一。根據(jù)近年來國內(nèi)外對(duì)燃料乙醇的研究進(jìn)展及其生產(chǎn)過程中所存在問題的論述，燃料乙醇轉(zhuǎn)化技術(shù)未來的發(fā)展可以從以下3個(gè)方面加強(qiáng)研究：①大力開發(fā)以木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)為原料的生物乙醇生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)資源綜合利用和工農(nóng)業(yè)聯(lián)產(chǎn);②利用基因工程對(duì)纖維素酶和發(fā)酵微生物進(jìn)行基因改性以提高發(fā)酵效率;③設(shè)計(jì)新型光合微生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)藻類生物質(zhì)高速率的物質(zhì)轉(zhuǎn)移和光傳輸，進(jìn)而提高藻類乙醇的產(chǎn)率。

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