生物法制取纖維素乙醇技術

胡晶(康泰斯(上海)化學工程有限公司, 201203)

生物法制取纖維素乙醇技術

胡晶(康泰斯(上海)化學工程有限公司, 201203)

用生物法制取纖維素乙醇主要包括兩個過程，首先是將纖維素水解生成發酵單糖，其次是通過微生物發酵生成乙醇。本文首先介紹了纖維素水解發酵的四種工藝，并對它們各自的制備原理、優點和局限性進行了分析。接著從制備原理、優缺點方面分析比較了生物質合成氣發酵工藝。

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目前，我國在經濟快速發展的同時，能源短缺和能源消費所引起的問題也成為人們所擔憂的問題。如何能夠獲得無污染的可再生能源是重中之重。用生物法制取纖維素乙醇技術，不僅有廣泛的原料來源，而且制作過程環保無污染，是最有前景的制作乙醇的方法。

1 纖維素的水解發酵工藝

(1)濃酸水解工藝 濃酸水解的原理是將結晶纖維素在較低溫度下可以在濃硫酸溶液完全溶解為低聚糖。然后再在此基礎上加水加熱并稀釋，經過一定的時間就可以水解為單個的葡萄糖了。濃酸水解有很大的優點，它可以溶解不同的的原料，回收率非常高，溶解速度也非常快。但是濃酸水解往往條件苛刻，對設備的要求極高，因此造成了成本高。而且濃酸用完之后一定要做好殘余物的回收工作，不然極其容易造成嚴重的環境污染。

(2)稀酸水解工藝 稀酸水解主要是利用化學反應，它的原理是稀酸溶液中的氫離子是自由的，它可以與纖維素反應，從而破壞纖維素的穩定性，使其與水反應，從而實現纖維素長鏈的連續解聚，直到纖維素最終分解成為一個一個的葡萄糖單元。稀酸水解的優點是時間短，比較適合工業化生產，但是由于稀酸水解的產物不徹底，產生的糖會繼續分解，影響糖收率。

因此為了減少單糖的分解，一般稀酸水解工藝不可以直接進行，要分為兩個步驟。首先是分解半纖維素，分解條件為低溫，產物以木糖為主。第二個步驟是分解纖維素，分解條件為高溫，產物主要是葡萄糖。這一步的高溫條件對設備的要求極高，因此稀酸溶解也不適合大產量的工業化生產。

(3)酶水解工藝 在化學反應中，酶是一種能促進反應進行的活性物質。在纖維素的酶水解工藝中最不可或缺的物質就是纖維素酶。纖維素酶并不是單一的一種酶，它是促進纖維素分解為單糖的一類酶的統稱。主要包括內切葡萄糖酶、外切葡萄糖酶和纖維素二糖酶。在纖維素的水解過程中，這三種酶在不同的階段發揮著不同的作用。纖維素的水解需要這三種酶的共同協同作用來完成。酶水解工藝相對于濃酸水解和稀酸水解工藝而言，因為它所需要的條件(如酸堿度和溫度)都比較溫和，因此對設備的要求不是很高。此外，它的轉化效率也很高，無污染、無腐蝕。

酶水解工藝的缺點是反應速率慢無法實現大批量生產，而且由于纖維素自身的結構特點很穩定，一般的酶并不能直接接觸纖維素表面。因此，必須先進行預處理來改變纖維素的結構，降低纖維素的結晶度和聚合度。

(4)其他水解發酵工藝 纖維素的復合水解發酵工藝是利用多種方法結合起來分解纖維素的。這種方法也是需要先對纖維素進行預處理，然后用多種方法結合的方式對纖維素和半纖維素進行發酵處理。復合水解方法可以根據纖維素的性質采取最優質的發酵方法，可以節省時間和原料成本。

2 生物質合成氣發酵工藝

生物質合成氣發酵工藝是在間接制備乙醇的過程中常用的一種工藝。第一個過程是熱化學工藝，這個過程的目的是制備生物質合成氣，它需要利用氣化裝置將生物質轉化為富含一氧化碳、二氧化碳和氫氣的中間氣體，然后利用氣體整合設備制成生物質合成氣。第二個過程是生物發酵，主要是利用細菌的運用，將生物氣在特定的發酵設備中轉化為乙醇。

合成氣發酵工藝過程簡單，條件也比較溫和，需要細菌等微生物的作用，它的原料來源特別廣泛，既可以是單一的專門的原料，也可以是多種原料的復合物，比如腐爛的植物，人們平時日常生活中產生的垃圾以及煤炭等都可以是生物質合成氣發酵工藝的原料。利用這種方法制備乙醇，一方面可以實現廢物的重新利用，減少環境污染。另一方面它不需要昂貴的酶物質，也不需要苛刻的反應條件，過程比較簡單。但是利用生物質合成氣發酵工藝制備乙醇的技術條件在我們國家還不是太成熟，需要進一步的探究。

3 結語

如今，環境問題開始引起了人們的重視。用生物法制取纖維素乙醇工藝主要使用環保的方法制備燃料可以實現廢物的回收利用。本文介紹了纖維素水解發酵的四種工藝，并對它們各自的制備原理、優點和局限性進行了分析，從制備原理、優缺點方面分析比較了生物質合成氣發酵工藝。綜合來講，這些方法以目前的技術條件還有很大的局限性，不足以適用于工業化生產，因此，還應深入完善技術和工藝方法。

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