非糧材料制備燃料乙醇的研究進(jìn)展

郭瑛GUO Ying

（吉林燃料乙醇有限公司，吉林 132101）

（Jilin Fuel Alcohol Company Limited，Jilin 132101，China）

0 引言

隨著乙醇汽油在全國(guó)各地的推廣，燃料乙醇的產(chǎn)量一路飆升，由此引發(fā)了糧食乙醇路線面臨和民眾爭(zhēng)食的問題。生物燃料的發(fā)展從之前的“糧源”轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺羌Z”，這樣的轉(zhuǎn)變不僅是大勢(shì)所趨，而且也已經(jīng)是迫在眉睫了。而進(jìn)行非糧材料制備燃料乙醇主要的原料有秸稈、甘薯、落葉等作物和邊角余料。進(jìn)行非糧材料制備燃料乙醇的研究對(duì)我國(guó)的能源安全、促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展等有著其重要發(fā)展意義。

1 非糧材料制備燃料乙醇的研究現(xiàn)狀

由于我國(guó)糧食供需仍然存在相對(duì)緊張的狀態(tài)，所以國(guó)家重點(diǎn)支持薯類、秸稈纖維資源等作為非糧材料制備燃料乙醇的主要原料。可以制造乙醇的非糧材料主要有兩大種類：一類是木制纖維類，包括農(nóng)業(yè)廢棄物、工業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、生活垃圾；另一類是薯類，包括馬鈴薯、甘薯等。比如木質(zhì)纖維類當(dāng)中的玉米秸稈作為潛力巨大的生物原料，其被使用的狀況還是相對(duì)較少的。如果直接將其進(jìn)行燃燒，不僅使用率較低，而且會(huì)造成一些污染和浪費(fèi)。如果將其轉(zhuǎn)化成氣體或者液體燃料，不僅可以大大提高使用率，而且可以優(yōu)化我國(guó)現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，減少污染。所以玉米秸稈等纖維質(zhì)的原料在非糧材料制備燃料乙醇當(dāng)中具有巨大的發(fā)展前景。比如薯類制造乙醇，我國(guó)的紅薯種植面積廣泛，產(chǎn)量更是占全世界總產(chǎn)量的80%。紅薯容易種植抗旱性好，耐貧瘠。而且新鮮塊根當(dāng)中的淀粉含量可高達(dá)20%，氮源豐富，非常適合作為燃料乙醇的生產(chǎn)原料。

2 燃料乙醇生產(chǎn)的技術(shù)和工藝

乙醇生產(chǎn)主要是以發(fā)酵法為主。依據(jù)不同的原材料有可以分為淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)、糖質(zhì)原料生產(chǎn)、纖維素原料生產(chǎn)等。其中作為我國(guó)乙醇生產(chǎn)最主要方法的淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)，其工藝已經(jīng)十分成熟了。先將原料經(jīng)過粉碎然后使用高溫蒸煮的方式進(jìn)行處理，最后進(jìn)行糖化發(fā)酵就可以通過蒸餾得到成品乙醇，再進(jìn)行脫水之后就得到了無(wú)水乙醇。而這種制備方式消耗的能量較多，為了降低成本還需要在工藝方面進(jìn)一步完善和創(chuàng)新。以下是玉米作為原料的乙醇生產(chǎn)工藝：第一步是進(jìn)行蒸煮。先將混有液化酶的玉米漿使用蒸汽直接進(jìn)行噴射加熱，其中蒸汽的壓力是0.5MPa左右。在完成了糊化、液化之后再進(jìn)入到保溫罐當(dāng)中。在溫度85-90℃下保溫四十五分鐘。當(dāng)液化到達(dá)終點(diǎn)之后還需要做滅酶處理，升溫到100℃并且保持十分鐘，最后再降溫，供糖化工段使用。第二步是糖化階段。糖化酶的性質(zhì)決定了糖化需要的溫度和pH 值，如果采用曲美制糖化酶制劑，它的溫度通常保持在60℃，pH 值是4.0-4.5。需要的糖化時(shí)間通常是30-40 分鐘。第三步是酒母階段。直接將具有耐高溫特性的干酵母放入大酒母罐當(dāng)中培養(yǎng)。先將培養(yǎng)好的酒母劃分出約的量，然后將這的量接種到發(fā)酵罐中進(jìn)行培養(yǎng)。余下的部分繼續(xù)培養(yǎng)，并且需要再次添加糖化醪。按照以上的方式進(jìn)行重復(fù)操作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)酒母質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)之時(shí)，可以繼續(xù)往里面加入干酵母。第四步是發(fā)酵工段。使用耐高溫的活性干酵母，主發(fā)酵溫度可以達(dá)到40℃，比常規(guī)的發(fā)酵溫度高出6℃，這種方式不僅可以有效的降低成本而且熟醪的酒精含量超過10%。第五步，蒸餾和精餾工段。可以使用五塔差壓蒸餾技術(shù)，這種技術(shù)可以生產(chǎn)使用優(yōu)質(zhì)酒精，能夠節(jié)約蒸汽提高經(jīng)濟(jì)效益。

3 非糧材料制備乙醇燃料

3.1 秸稈類 近幾年以來(lái)在使用秸稈制造乙醇的預(yù)處理技術(shù)不斷的改進(jìn)和完善，對(duì)于乙醇的制取率也是越來(lái)越高。比如馮瑋主要分析了使用秸稈作為原料，在進(jìn)行燃料乙醇制造的時(shí)候所存在的問題，以及面向未來(lái)的發(fā)展方向。對(duì)于工藝流程他進(jìn)行了十分系統(tǒng)的論述，并且針對(duì)各個(gè)工藝存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。呂偉民選擇使用稀硫酸對(duì)秸稈進(jìn)行了處理，在處理了兩分鐘之后，又選擇利用了綠色木霉纖維素酶進(jìn)行水解。最后再通過畢赤酵母的作用，最終得到的乙醇生產(chǎn)率在原來(lái)的基礎(chǔ)之上大大提高，甚至高達(dá)86%，其濃度更是超過一般乙醇許多。

3.2 薯類制造乙醇 靳艷玲使用了新鮮的甘薯作為原材料制造乙醇，并且對(duì)影響乙醇發(fā)酵的一些因素做了相關(guān)探討，比如維生素、無(wú)機(jī)鹽、糖濃度等方面。通過探索最終得到了對(duì)于發(fā)酵培養(yǎng)基方面的最佳配方。她確認(rèn)的最佳發(fā)酵促進(jìn)劑是B，其濃度達(dá)到了每千克當(dāng)中含有1.20g，使用這種促進(jìn)劑就不再需要像傳統(tǒng)方式一樣添加其他東西，它的初糖濃度已經(jīng)達(dá)到了每千克當(dāng)中含有270g。在各方面的條件都保持在最好的狀態(tài)之時(shí)，經(jīng)過二十八小時(shí)的時(shí)間，每千克當(dāng)中可以生產(chǎn)出132.86g 的乙醇，發(fā)酵率高達(dá)91.44%。李繼德選擇將木薯作為原材料，通過實(shí)驗(yàn)他得出了以下結(jié)論：如果將風(fēng)量控制到一定的程度，則粉塵的飛揚(yáng)就會(huì)減少，相應(yīng)的淀粉的損失也跟著減少；進(jìn)行預(yù)煮之時(shí)溫度最好控制在五十五度左右，進(jìn)行蒸煮的溫度則需要保持在一百三十五度左右。糊化時(shí)間要超過十八分鐘；糖化的溫度是58-60℃；使用酶的量是140-150U／g 料，糖化時(shí)間需要40-50 分鐘；對(duì)于干酵母的培養(yǎng)可以選擇使用兩級(jí)方式，將大小酒母進(jìn)行分別培養(yǎng)，其中芽生率保持在22%左右，細(xì)胞的數(shù)量是1.2 億／mL 左右；發(fā)酵的頂溫需要保持在36℃左右。經(jīng)過了50 個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間，制造出來(lái)的乙醇質(zhì)量上佳，已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，原料的出酒率高達(dá)36.02%。

3.3 甘蔗渣 和玉米、木薯等淀粉質(zhì)原料制造燃料乙醇不同，甘蔗渣的成本較低，綜合利用的潛力也非常巨大。其中藍(lán)艷華對(duì)于甘蔗渣的使用做了具體研究，研究當(dāng)中主要針對(duì)甘蔗渣的特點(diǎn)以及組成方面的問題。并且也提出了甘蔗渣的預(yù)處理辦法。通過研究她認(rèn)為甘蔗渣作為原材料進(jìn)行乙醇制造具有巨大的優(yōu)勢(shì)。俞智明也對(duì)類似甘蔗渣的粗纖維進(jìn)行燃料乙醇制造的方式，并且對(duì)于制造的四大工藝進(jìn)行了詳細(xì)的分析。他認(rèn)為使用甘蔗渣一類的粗纖維進(jìn)行乙醇制造，不僅原料相當(dāng)豐富，而且成品的用途十分廣泛。他的研究也為之后制造非糧乙醇奠定了基礎(chǔ)，尤其是針對(duì)使用低成本的原料進(jìn)行制造這個(gè)方面。

4 秸稈制乙醇的關(guān)鍵技術(shù)的突破

首先在預(yù)處理技術(shù)之上，2002年美國(guó)Rogers 教授進(jìn)行了離子液體的研究，他提出當(dāng)離子液體達(dá)到了100 攝氏度左右之時(shí)，其就具有了溶解纖維素的能力，之后又出現(xiàn)了常溫下溶解纖維素的研究成果。其次是在水解之上，以Arkenol 公司為代表，選擇使用了濃硫酸進(jìn)行水解。此種水解工藝主要是通過利用兩級(jí)濃硫酸對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行水解，進(jìn)行水解之后就會(huì)得到酸糖混合液，再將這種混合液通過離子排斥法最終分成凈化糖液以及酸液。并且排斥得到酸液還能夠繼續(xù)進(jìn)行回收利用。然后是發(fā)酵工藝，Brooks 通過對(duì)酵母的篩選，最終選定Saccharomyce cerevisiae R-8 酵母。此種酵母乙醇生產(chǎn)率已經(jīng)高達(dá)40%，而且耐受性也達(dá)到了10%左右。但由于此種酵母對(duì)于溫度較為敏感，所以在耐受力方面的研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述隨著我國(guó)面臨能源轉(zhuǎn)型這一個(gè)大的契機(jī)，我國(guó)的非糧材料制備燃料乙醇的發(fā)展前景將會(huì)十分的廣闊。但由于我國(guó)在這個(gè)方面的研究還并不是非常充分，還存在不少的問題，因此需要相關(guān)產(chǎn)業(yè)不斷的發(fā)現(xiàn)問題解決問題，提高非糧材料制備燃料乙醇的技術(shù)，優(yōu)化工藝，突破現(xiàn)有的弱點(diǎn)和缺陷。而國(guó)家方面也需要為其提供一些政策之上的便利，科研方面也需要幫助相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行突破，保障我國(guó)的非糧材料制備燃料乙醇不斷的進(jìn)步和發(fā)展。

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[2]張寧,蔣劍春,李翔宇,趙劍.我國(guó)非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].生物質(zhì)化學(xué)工程,2011,04:47-50.

[3]張應(yīng)龍.發(fā)酵玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的研究[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué),2011.