燃料乙醇工藝的化學工程分析

王帥 張彥錄

摘 要：隨著全球經濟的快速增長和工業化不斷發展，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境污染、資源短缺等問題，使得發展綠色可再生替代能源成為全球能源可持續發展研究的熱點。生物燃料乙醇主要是指以生物質為原料通過糖化發酵等過程轉化而來的體積濃度在99%以上的無水乙醇，其辛烷值高達115，可以取代污染環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和劑，生物乙醇與汽油混合使用，可以改善燃燒，減少發動機內的碳沉淀和氧化碳等不完全燃燒污染物的生成，進而減少汽車尾氣中CO2和顆粒物的排放。燃料乙醇的開發利用不僅可以緩解全球能源危機，又可改善環境、提高資源利用率等。

關鍵詞：燃料乙醇工藝;化學工程;應用

1 燃料乙醇國內外發展現狀

目前，全球各個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，現在也處于試驗應用階段。當前，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注。

2 燃料乙醇生產工藝

2.1 直接發酵技術

生物質直接發酵技術，主要基于纖維分解細菌來發酵纖維素。某研究者們分離得到了一種可以直接轉化纖維素為乙醇的高純富集物。該富集物能降解稻草、麥稈等生物質產生乙醇，但是其降解天然纖維素原料產乙醇的能力相對較弱（不到30%）。直接發酵技術的優點在于工藝簡單，成本低，但是乙醇產率不高，還會產生其他副產物，如有機酸等。針對這一問題，利用熱纖梭菌和熱硫化氫梭菌對預處理后底物進行混合菌發酵，乙醇的產量可以達到70%，同時副產物有機酸也大幅度減少。熱纖梭菌可以分解纖維素，若單獨用來發酵纖維素，則乙醇的產率較低，大約為50%，混合菌發酵大大提高了產物乙醇的濃度。直接發酵技術的關鍵在于高效發酵微生物的篩選。

2.2 分步糖化發酵技術（SHF）

SHF法也叫水解發酵二段法，其為傳統的纖維乙醇生產方法。SHF過程中纖維底物先經過纖維素酶的糖化，降解為可發酵單糖，然后再經酵母發酵將單糖轉化為乙醇。SHF法主要優點是酶水解和發酵過程分別可以在各自的最適條件下進行，纖維素酶水解最適溫度一般在45-50℃，而大多發酵微生物的最適生長溫度在30-37℃。SHF法主要缺點是水解主要產物葡萄糖和纖維二糖會反饋抑制纖維素酶對底物的降解過程。即葡萄糖和纖維二糖的積累會對纖維素酶的活力產生抑制作用，最終導致酶解發酵效率降低。有文獻研究報道，當纖維二糖濃度達到6g/L時，纖維素酶的活力會下降60%。產物葡萄糖主要是對β-葡糖苷酶會產生較大的抑制作用。

2.3 同步糖化共發酵技術（SSCF）

為了充分利用底物、提高乙醇產率，己糖與戊糖共發酵工藝（SSCF）技術正得到越來越多的關注和研究。木質纖維原料降解過程半纖維素產生的戊糖和纖維素產生的六碳糖在同一反應體系中進行發酵生產乙醇，此過程需要能夠代謝戊碳糖的發酵菌株。SSCF工藝減少了水解過程的產物反饋抑制作用，再者該技術融入了戊糖的發酵過程，提高了底物利用率和乙醇產率。目前，工業乙醇生產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酶（XI）的基因，實現了木糖的代謝過程。利用麥草水解液進行SSCF過程，發現溫度對SSCF過程有重要的影響，當溫度為32℃時發酵菌株TMB3400能代謝利用的木糖量要比在37℃條件下的多，原因是當低溫時，葡萄糖的釋放速率會減緩，更有利于木糖的降解。

3 總結與展望

燃料乙醇用作汽車燃料，可緩解當前能源危機和環境污染問題。近年來，汽車油價的不斷上漲備受社會關注，究其原因，在于化石燃料的不斷消耗導致傳統能源危機蓄勢待發。所以，生物乙醇燃料的發展是世界各國實現可持續發展的必要措施之一。根據近年來國內外對燃料乙醇的研究進展及其生產過程中所存在問題的論述，燃料乙醇轉化技術未來的發展可以從以下3個方面加強研究：①大力開發以木質纖維素類生物質為原料的生物乙醇生產，實現資源綜合利用和工農業聯產;②利用基因工程對纖維素酶和發酵微生物進行基因改性以提高發酵效率;③設計新型光合微生物反應器結構，實現藻類生物質高速率的物質轉移和光傳輸，進而提高藻類乙醇的產率。

參考文獻：

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