玉米秸稈生產酒精的工藝研究

安媛

（黑龍江省輕工設計院）

摘 要：玉米是一種高產作物，受到全世界范圍內人們的喜愛，在種植中產生了大量的玉米秸稈。玉米秸稈資源豐富，可以再生，所以屬于綠色資源。本文從玉米秸稈制備酒精的幾個環節入手，對預處理、水解和接下來的發酵和蒸餾展開了具體的探討。

關鍵詞：玉米秸稈；酒精發酵；預處理

目前世界范圍內工業產業發展迅速，對各種能源的需求量在不斷增加，以酒精來替代石油這個話題由來已久，近年來在國內外成為了一個非常熱門的話題。當前，玉米和淀粉等原料都可以作為燃料酒精，這些技術已經成熟了，并且已經開始大規模生產，但是從長遠看來，因為玉米屬于一種食物，能夠極大緩解糧食問題，所以不應該大量使用玉米來進行燃料酒精的生產，但是為了緩解對能源緊張問題，全世界都在對可再生資源生產液體燃料的解決辦法。玉米秸稈資源豐富，并且可再生，用這種資源生產酒精已經引起了越來越多的關注。但是目前技術尚不成熟，在科研能力和經濟實力上都還存在著一定的困難。當前的情況是，玉米秸稈的利用率極低，大多數都被堆積起來，或者進行焚燒了，這對環境造成污染的同時也形成了浪費，這是在我們國家極為普遍的一種狀況。直接進行焚燒，獲得的熱效率很低，大概只有十分之一，如果能將玉米秸稈進行提純，轉化成真正的燃料，那么熱效率就會大大提升，一來能夠對能源危機有所緩解，二來也可以對一定程度上解決環境污染的問題，給人類帶來了可持續發展的保證。玉米秸稈在成分上主要有以下幾種，纖維素、半纖維素以及木質素，如果對其經過水解，其中的纖維素和半纖維素都可以分解成糖分，糖分經過發酵就可以釀制成酒精。本文主要介紹這些具體的工藝流程。

1 原料預處理

玉米秸稈的結構較為復雜，纖維素、半纖維素被木質素包圍，嚴重影響纖維素等的降解效率，水解之前應進行預處理。經預處理，纖維素和半纖維素及木質素分離開，聚合度較低，從而提高了玉米秸稈纖維素的水解糖化效率。目前普遍采用的預處理方法主要有物理法、化學法、物理化學法、生物法四種。物理法主要采用機械粉碎、超聲波處理和蒸汽爆破等物理方法，該方法預處理污染小，操作簡單，但是能耗大，成本較高。化學法主要采用酸、堿或者有機溶劑等對玉米秸稈進行預處理，破壞纖維素與木質素之間的晶體結構，打破木質素對纖維素的包裹。該方法成本較低，但易產生化學污染。物理化學法是指在對玉米秸稈的預處理過程中同時采用物理和化學兩種方法，二者相結合可提高玉米秸稈的預處理效率。如通過汽爆方法和化學添加劑相結合，不僅可以加快預處理速度，也能盡量降低環境污染。生物法主要通過微生物作用于玉米秸稈，達到分離纖維素和木質素的目的，該種方法不僅效率高而且能在正常條件下進行，節約成本，是一種有潛力的預處理方法。

2 纖維素水解

玉米秸稈經預處理后，纖維素只有分解成糖可進行發酵成酒精，這個過程被稱為纖維素的水解過程。目前玉米秸稈纖維素的水解工藝主要有酸法水解和酶法水解兩種，水解后纖維素和半纖維素的氫鍵被破壞，分解成單糖供發酵過程。

2.1 酸法水解

酸法水解主要以硫酸作為催化劑對玉米秸稈中纖維素進行分解。包括稀酸水解和濃酸水解兩種。稀酸水解通常采用0.2%-0.5%的稀硫酸水解纖維素，優點是反應條件溫和，設備要求較低，但反應過程中產生大量副產物且產糖率低。濃酸水解的優點是產糖率較稀酸水解高且反應過程副產物少，但反應時間較長，腐蝕性強，不僅對反應設備要求較高，而且硫酸回收工藝復雜。

2.2 酶法水解

酶法水解利用纖維素復合酶分解玉米秸稈中的纖維素，纖維素酶包括葡聚糖酶和纖維二糖酶。水解過程中葡聚糖酶先將纖維素分解為纖維二糖，纖維二糖再在纖維二糖酶的作用下分解成葡萄糖供發酵過程使用。酶法水解相對酸法水解反應條件溫和，催化效率高且能耗低，纖維素酶的專一性高，產物單一，副產物相對較少。但酶法水解中酶的固定化程度困難，反應過程中酶的消耗量較高，導致成本較高。

3 酒精發酵

酒精發酵的最終目的就是讓水解中產生的葡萄糖通過發酵轉化為酒精，發酵方法主要有以下幾種：

3.1 直接發酵法

直接發酵法就是直接利用纖維分解細菌發酵纖維素生產酒精，此方法不需要經過酸法水解和酶法水解預處理過程。采用適合酒精發酵的生產菌株是直接發酵法的技術關鍵，但目前國際上還未找到一種既具備分解纖維素又能發酵成酒精的優良菌株，一般利用熱纖梭菌和熱硫化氫梭菌混合菌直接發酵，前者主要將纖維素分解成單糖但乙醇產率較低，后者主要將單糖轉化為酒精但不能分解纖維素。

3.2 間接發酵法

間接發酵法將玉米秸稈的發酵過程分為兩步，是目前研究最多的方法之一。第一步利用纖維素酶將玉米秸稈中的纖維素分解成為單糖，分解后的糖作為后續發酵所需的碳源；第二步再利用酒化酶將單糖發酵成酒精。間接發酵方法正處在研究階段，但應用到生產中的突出問題是第一步產生的單糖隨著濃度的增加會反過來抑制第一步反應的進行，而第二步隨著酒精濃度的增加也會抑制菌株的發酵能力，給發酵過程帶來巨大影響。

3.3 同步糖化發酵法

同步糖化發酵法主要是為了解決間接發酵法面臨的反饋抑制問題，兩者原理相同。該方法最早由Gauss等提出，糖化和發酵同時在一個反應器內連續進行，將纖維素水解和酒精發酵同步進行，水解產生的葡萄糖由于發酵濃度降低，消除了高濃度糖對纖維素酶的抑制作用。同步發酵法的優點是簡化了生產設備，節約了生產時間，消除了抑制作用，降低了生產成本，但反應過程中面臨的最突出問題如何實現纖維素發酵和酒精發酵的條件兼容。

4 蒸餾提純

玉米秸稈在進行發酵后會形成混合發酶液，混合液的成分是相當復雜的，酒精的濃度很低，所以應該對酒精進行提純處理，將其從混合液中分離開來才能夠進行使用。酒精存在著沸點低的特點，并且極易揮發，所以在具體的操作中，采用蒸餾的方式來進行提純。首先控制溫蒂，讓溫度達到酒精的沸點，但是發酶液沒有沸騰，這樣就可以讓酒精揮發，然后經過冷凝設備把酒精從蒸汽變回液體，就得到了高純度的酒精。但是出于安全性的考慮，設置溫度的時候要適中，不宜過高也不宜過低。傳統的雙塔蒸餾方式雖然有著不錯的效果，但是因為能耗太高而被取代，現在采用的是三塔式蒸餾工藝。

結束語

我國是個農業大國，玉米在我國有著廣泛的種植，因此，玉米秸稈的產量十分巨大，如果沒有對其進行舊有的方式來進行處理，以堆積腐爛和焚燒為主的方式，那么在浪費了資源的同時，還給自然環境帶來了大量污染。目前玉米秸稈釀制酒精的技術也已經日趨成熟，在生產過程中遇到的諸多細節問題還有待于進一步的研究來進行優化。技術會繼續發展、繼續完善，所以利用玉米秸稈來釀制酒精的技術也會更加成熟起來，最終一定可以在解決能源問題和環境問題上有所作為。

參考文獻

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