玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵工藝

葉飛等

摘 要：以玉米秸稈為原材料生產(chǎn)燃料乙醇具有很廣闊的發(fā)展前景，本文詳細論述了發(fā)酵過程中玉米秸稈的預處理方法，另針對發(fā)酵方法進行了詳細的說明，以便為研究玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的新工藝提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵工藝 秸稈處理 燃料乙醇 玉米

以秸稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇，是開發(fā)新型生物質(zhì)能源的發(fā)展方向，也是解決農(nóng)業(yè)廢棄物對環(huán)境污染問題的突破口。吉林省是玉米種植大省，有著大量的秸稈原材料，如果玉米秸稈的生物質(zhì)能得到利用，對于吉林省玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的經(jīng)濟價值和社會意義。另外以玉米秸稈為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，這也是與吉林省燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的很好對接，避免了單純用糧食發(fā)酵乙醇面臨的糧食緊缺問題，同時解決原始燃燒玉米秸稈對環(huán)境的污染。

1 發(fā)酵工藝原理

由于玉米秸稈的相當部分由半纖維素構(gòu)成，其水解產(chǎn)物是以木糖為主的五碳糖，還有相當量的阿拉伯糖生成（可占五碳糖的10%～20%），故五碳糖的發(fā)酵效率是決定過程經(jīng)濟性的重要因素。木糖的存在對纖維素酶水解起抑制作用，將木糖及時轉(zhuǎn)化為酒精對玉米秸稈的高效率酒精發(fā)酵是非常重要的。目前人們研究最多且最有工業(yè)應用前景的木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，所涉及到的微生物有3種酵母菌種，即管囊酵母、樹干畢赤酵母和體哈塔假絲酵母。

2 玉米秸稈預處理

玉米秸稈化學結(jié)構(gòu)復雜，纖維素、半纖維素不但被木質(zhì)素包裹，而且半纖維素部分共價和木質(zhì)素結(jié)合，纖維素具有高度有序晶體結(jié)構(gòu)，因此必須經(jīng)過預處理，使纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低聚合度。

2.1 酸處理法

酸處理法處理纖維質(zhì)原料歷史很悠久，可追溯到1980年，而在德國可能更早。首先將捆狀或碎片狀的原料粉碎成微小顆粒后送到預處理反應器中，高壓蒸汽和硫酸對原料進行處理，蒸汽溫度在200～250℃，硫酸濃度為0.5%～1%。原料在這種環(huán)境下維持時間少于1分鐘，然后快速釋放壓力。在主要成分中，半纖維素是第一個參與反應的，木聚糖部分解聚和溶解，然后水解成木糖，外源硫酸的存在對于木糖單體的形成尤為重要，若缺乏外源酸，就會形成木糖低聚物。更進一步，酸的增加可提高工藝的一致性，因為天然酸水平變化范圍相當大，若預處理更進一步進行，木糖會脫水產(chǎn)生糠醛，糠醛是不需要的。木糖脫水形成糠醛，只有少量的纖維素發(fā)生水解反應生成葡萄糖，而木質(zhì)素經(jīng)歷了解聚作用，在水或酸中維持不溶解狀態(tài)。

2.2 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法是用蒸汽，將原料加熱至200～240℃，維持30s，20 分鐘高溫高壓，造成木質(zhì)素的軟化，然后迅速使原料減壓，造成纖維素晶體和纖維束的爆裂，使木質(zhì)素和纖維素分離。在我國，可采用賴文衡教授研究的間歇蒸汽爆破器對秸稈進行爆破處理。經(jīng)這種爆破器爆破的玉米秸稈，纖維素水解轉(zhuǎn)化率可達70%以上。蒸汽爆破法的設(shè)備包括一個蒸汽發(fā)生器，一個恒壓反應器，一個接收器和一個冷凝器。反應器罐體是絕緣的，以便使溫度保持恒定。把玉米秸稈放入反應器中，利用蒸汽對玉米秸稈進行加熱，加熱后把反應器底部閥門打開，使反應器壓力迅速降到大氣壓水平，固體及液體產(chǎn)物被收集到收集器底部的旋風分離器，氣體產(chǎn)物通過收集器頂部進入冷凝器。經(jīng)這種爆破器爆破的玉米秸稈，纖維素水解轉(zhuǎn)化率（ECC）可達70%以上，而且這種技術(shù)對環(huán)境影響輕微，汽爆廢汽中含有少量糠醛可回收。

2.3 濕氧化法

濕氧化法是20世紀80年代初提出來的，在加溫加壓條件下水和氧氣共同參加反應。和其他處理方法相比較，濕氧化法在對玉米秸稈處理上是非常有效的，纖維素遇堿，只引起纖維素膨脹，形成堿化纖維素，但能保持原來骨架。加入Na2CO3，后起緩和作用，防止纖維素破壞，使木質(zhì)素和半纖維素溶解于堿液中，而與纖維素分離，這樣得到的纖維素純度較高，并且像糠醛這樣的副產(chǎn)物非常少。

3 發(fā)酵方法

3.1 直接發(fā)酵法

直接發(fā)酵法是基于纖維分解細菌直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇，不需要經(jīng)過酸水解或酶水解前處理過程。一般利用混合菌直接發(fā)酵，例如熱纖梭菌（Clostridium thermoce Uum）能分解纖維素，但乙醇產(chǎn)率較低（50%）；熱硫化氫梭菌（Col-stridium thermohydz）不能利用纖維素，但乙醇產(chǎn)率相當高，如果進行混合發(fā)酵，產(chǎn)率可達70%。呂福英介紹了熱纖梭菌的生理生化特性及發(fā)酵生產(chǎn)的研究進展，并對熱纖梭菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的因素以及乙醇等發(fā)酵產(chǎn)物對熱纖梭菌的抑制作用作了概述。但熱纖梭菌產(chǎn)生乙醇也存在以下問題：發(fā)酵不完全、發(fā)酵速度慢、終產(chǎn)物乙醇和有機酸對細胞有相當大的毒性，需要進一步改進。

3.2 間接發(fā)酵法

間接發(fā)酵是目前研究最多的一種方法。使用纖維素酶水解纖維素，收集酶解后的糖液作為酵母發(fā)酵的碳源，先用纖維素酶水解纖維素，酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源。但是受末端產(chǎn)物抑制，低細胞濃度以及底物基質(zhì)抑制作用影響乙醇產(chǎn)量。因此可采取的方法有：減壓發(fā)酵法和阿爾法——拉伐公司的Bi-otile法，還可以通過篩選在高糖濃度下存活并能利用高糖的微生物突變菌株來克服基質(zhì)抑制。

3.3 同步糖化發(fā)酵法（SSF法）

SSF這種方法的原理和間接發(fā)酵法相同，是為了克服反饋抑制作用，由Gauss等提出的在同一反應器中糖化和發(fā)酵同步進行。先用纖維素酶水解纖維素，酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源。由于乙醇產(chǎn)量受以下限制：末端產(chǎn)物抑制，低細胞濃度以及底物基質(zhì)抑制。為了克服反饋抑制作用，Gauss等1976年提出在同一個反應罐中進行纖維素水解（糖化）和乙醇發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法113-1s1。這樣纖維素酶對纖維素的酶水解和發(fā)酵糖化過程在同一裝置內(nèi)連續(xù)進行，水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體的不斷發(fā)酵而被利用，消除了葡萄糖因基質(zhì)濃度對纖維素酶的反饋抑制作用。在工藝上采用一步發(fā)酵法，簡化了設(shè)備，節(jié)約了總生產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。但也存在一些抑制因素，如木糖的抑制作用，糖化和發(fā)酵溫度不協(xié)調(diào)。張繼泉在這方面進行了大量的實驗研究，并取得了一定的進展。

3.4 固定化細胞發(fā)酵

固定化細胞發(fā)酵能使發(fā)酵罐內(nèi)細胞濃度提高，細胞可連續(xù)使用，使最終發(fā)酵液酒精濃度得以提高。常用的固定化載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻璃等。固定化細胞的新動向是混合固定細胞發(fā)酵，如酵母與纖維二糖酶一起固定化。將纖維二糖基質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇，被看作是玉米秸稈生產(chǎn)乙醇的重要方法。

4 問題與展望

利用玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇是生物質(zhì)產(chǎn)品商業(yè)化的重要目標，燃料乙醇是一種巨大的再生能源，以玉米秸稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇具有其他淀粉質(zhì)原料不可比擬的優(yōu)勢。因此，利用玉米秸稈生產(chǎn)乙醇是利用再生資源解決液體燃料的一個國際性大問題，不少國家在多年以前就開展此項工作，目前還沒有實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；而且到目前為止，還沒有一種經(jīng)濟、高效的預處理技術(shù)可應用于玉米秸稈的預處理上。因此，今后應開發(fā)預處理新技術(shù)，培育價廉高活力的新型纖維素酶及五碳糖六碳糖同步發(fā)酵的新菌種，研發(fā)出流程短、效率高、能耗低的玉米秸稈生產(chǎn)乙醇新工藝，從而降低乙醇生產(chǎn)成本。

參考文獻

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