張茂芬

（吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司，吉林吉林132101）

　　摘要：玉米秸稈屬于再生資源的一種，并且具有原材料廉價和資源數(shù)量豐富的特點，主要由纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，秸稈在經(jīng)過一定加工工藝后，如預(yù)處理、水解處理、發(fā)酵處理會分解產(chǎn)生乙醇，這種乙醇極其適合應(yīng)用在工業(yè)燃料制作中。為此，本文分析了玉米秸稈的成分，以及其預(yù)處理、水解、發(fā)酵等相關(guān)加工工藝，旨在為玉米秸稈制備燃料乙醇提供技術(shù)參考。

　　現(xiàn)階段，全世界正在面臨較大的能源危機(jī)，而石油資源的日漸枯竭讓化工燃料生產(chǎn)行業(yè)陷入了瓶頸期，此時，酒精成為了潛力最大的替代品，為此，各大化工燃料生產(chǎn)企業(yè)開始將發(fā)展眼光投射在了燃料乙醇的制備上。而玉米秸稈則是制備燃料乙醇的良好原材料，應(yīng)用秸稈制備燃料乙醇，不但能夠緩解能源危機(jī)，還能提高對秸稈的利用率，符合科學(xué)發(fā)展觀的要求。

　　1玉米秸稈成分分析

　　玉米秸稈的構(gòu)成成分主要包括：纖維素、木質(zhì)素、浸提物質(zhì)、半纖維素、灰等。纖維素中含量最高的化學(xué)分子是脫水葡萄糖，可以判定纖維素為纖維二糖的化學(xué)單元重復(fù)體。

　　半纖維素主要包括木聚糖、葡聚糖、甘露聚糖，其中的短鏈多糖成分屬于易溶解于水的化學(xué)分子。木質(zhì)素以苯丙烷為基本計量單位，屬于高分子方向化合物的一種，可以對水解纖維素形成良好的屏障。

　　2玉米秸稈的預(yù)處理操作

　　在玉米秸稈的細(xì)胞壁中，纖維素分子被包裹在半纖維素和木質(zhì)素之間，并以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在，并且纖維素本身具有質(zhì)地密集的特征，將半纖維素和木質(zhì)素當(dāng)成保護(hù)層，此時，直接進(jìn)行水解操作的成功率較低，因此，需要對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，為接下來水解工藝的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。下面將對玉米秸稈的預(yù)處理方式及其工藝進(jìn)行進(jìn)一步分析。

　?。?）物理預(yù)處理方式。物理預(yù)處理方式即對玉米秸稈進(jìn)行機(jī)械性粉碎，也是最為原始和常見的預(yù)處理工藝，操作人員可以通過切、割、碾、磨等方式減少玉米秸稈原有的粒度，并增加秸稈顆粒底部和酶的接觸面積，進(jìn)而降低纖維素的結(jié)晶程度。物理粉碎秸稈的方式有干粉粉碎、濕法粉碎、振動粉碎、壓縮粉碎幾種常見的處理方式。除了傳統(tǒng)的秸稈粉碎預(yù)處理方式外，新型的物理預(yù)處理工藝還包含了高溫處理和超聲波處理等。

　?。?）化學(xué)預(yù)處理方式。在玉米秸稈預(yù)處理中應(yīng)用范圍最廣的化學(xué)預(yù)處理方式是蒸汽爆破，此工藝的應(yīng)用流程如下：操作人員將秸稈放置在溫度160~260℃之間的水蒸氣中15min左右，然后突然降低操作設(shè)備中的氣壓，此時設(shè)備中的蒸汽會因壓強(qiáng)的迅速變化通過反應(yīng)釜噴掃到設(shè)備的外圍，讓秸稈原料出現(xiàn)爆破，進(jìn)而完成預(yù)處理。蒸汽爆破預(yù)處理工藝能加快纖維素的酶解糖化，縮短玉米秸稈預(yù)處理時間，但該處理裝置的費用較高，并且會消耗大量能源，如果操作溫度掌握不好，在操作過程中還會形成有害物質(zhì)。氨纖維爆破技術(shù)是近年來一種新型的秸稈化學(xué)預(yù)處理工藝，其運(yùn)行原理基本和蒸汽爆破相同，即將秸稈放置在高溫和高壓環(huán)境下，不同的是在此過程中添加了液氨處理環(huán)節(jié)，液氨的液化反應(yīng)會帶來驟冷的效果，能夠在增加纖維度接觸面積的同時，避免在有害物質(zhì)的產(chǎn)生。

　?。?）生物預(yù)處理方式。白腐真菌具有分解木質(zhì)素的作用，因此，操作人員將此物質(zhì)應(yīng)用在了玉米秸稈的預(yù)處理中，有效降解了其中的木質(zhì)素，進(jìn)而加快了纖維素張茂芬·玉米秸稈發(fā)酵制備燃料乙醇生產(chǎn)工藝的思考的酶解速度，這種預(yù)處理方式便被稱為生物預(yù)處理工藝。生物預(yù)處理工藝具有溫和、環(huán)保、耗能少等優(yōu)勢，但是處理的時間較長。

　　3制備燃料乙醇的水解工藝

　?。?）稀酸水解工藝。稀酸水解工藝中應(yīng)用的稀硫酸濃度需要在0.2%~0.5%之間，并且在較為溫和的環(huán)境下進(jìn)行，稀酸水解工藝的應(yīng)用主要可以分為以下兩個步驟：第一，對秸稈進(jìn)行低溫操作，將半纖維素中的糖分全部提取出來；第二，對秸稈進(jìn)行高溫操作，促使纖維素中的糖分能夠水解成六碳糖，此過程糖分的轉(zhuǎn)換率基本能夠維持在50%。但是應(yīng)用稀酸水解工藝的過程中，容易產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物。

　　（2）濃酸水解工藝。濃酸水解工藝中應(yīng)用的濃硫酸濃度需要在70%，水解溫度需要控制在50℃左右，水解時間大概在5h左右，首先被水解的是半纖維素，被水解的物質(zhì)經(jīng)過濃縮瀝干后會形成糖分。操作人員需要對半纖維素處理后的殘余物質(zhì)進(jìn)行脫水處理，然后將其在濃度為30%的硫酸溶液中浸泡2h左右，然后再進(jìn)行脫水處理，并將其放置在70%濃度的硫酸中2h，此時，玉米秸稈中的糖分會和硫酸溶液中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生離子交換反應(yīng)，將水解分離出來的酸性物質(zhì)放到蒸發(fā)器中進(jìn)行進(jìn)一步蒸發(fā)和濃縮，剩余的殘渣可以被應(yīng)用到下一次的水解操作中。

　　濃硫酸水解工藝的顯著特點便是對糖分的利用率高，因此能夠充分利用纖維素和半纖維素中的糖分，且副產(chǎn)物較少，但是對硫酸的應(yīng)用較多，因此，在大多數(shù)濃硫酸水解操作完成后，操作人員需要對硫酸進(jìn)行回收再利用。除此之外，在水解過程中，硫酸經(jīng)過了多次的分離和濃縮，這在極大程度上增加了水解操作流程的復(fù)雜程度，硫酸的腐蝕性也會隨著濃度的增加而提高，操作人員在應(yīng)用濃硫酸水解工藝時，需要做好控制工作。

　?。?）酶水解工藝。就現(xiàn)階段玉米秸稈的水解工藝水平而言，酶水解是其中應(yīng)用效果較顯著，且應(yīng)用副作用較小的一種水解工藝。酶水解工藝的應(yīng)用過程屬于生化反應(yīng)，與上述兩種水解方式相比，此工藝可在常壓環(huán)境下進(jìn)行，進(jìn)而減少了對配置能源的消耗，并且應(yīng)用在酶水解工藝中的酶具有較高的選擇性。目前，已經(jīng)有國際上的生物學(xué)家對酶水解工藝進(jìn)行了應(yīng)用，其酶解纖維素的效率可達(dá)90%。但是酶水解工藝還處于不斷研究階段中，存在加工費用較高等缺陷，但是其基本成本隨著工藝科技含量的提高在逐漸減少，這推動了燃料乙醇配置行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步?？傊杆夤に噷⒉粩嗤晟?，并廣泛應(yīng)用在玉米秸稈水解處理中。

　　4制備燃料乙醇的發(fā)酵工藝

　　發(fā)酵實際上是將葡萄糖轉(zhuǎn)換為乙醇的過程，從本質(zhì)上來講，發(fā)酵是簡單的，在發(fā)酵物質(zhì)中添加酒精酵母，并將發(fā)酵溫度控制在30℃左右，便可以完成乙醇制作。但是玉米秸稈中含有大量的半纖維素，上文提到過，此物質(zhì)在水解反應(yīng)下的產(chǎn)物是五碳糖，木纖維在水解反應(yīng)下產(chǎn)生的物質(zhì)是木糖。這說明，在玉米秸稈發(fā)酵過程中，木質(zhì)纖維中的木糖能夠良好的發(fā)酵成乙醇，因此，木糖乙醇發(fā)酵效率一直被燃料乙醇制造廠家認(rèn)為是玉米秸稈發(fā)酵的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　?。?）分步水解發(fā)酵工藝。在此發(fā)酵模式引導(dǎo)下，秸稈的水解操作需要和發(fā)酵操作分開進(jìn)行，此工藝的應(yīng)用優(yōu)勢是秸稈的水解操作和發(fā)酵操作可以在各自理想的環(huán)境及溫度條件下進(jìn)行，即在45℃下酶解，在35℃下發(fā)酵。但是此工藝無法消除葡萄糖對纖維素酶的抵制作用。

　?。?）同步水解發(fā)酵工藝。此工藝將秸稈的水解和發(fā)酵放置在一個操作設(shè)備中進(jìn)行，酶解過程反應(yīng)生成的葡萄糖能夠被迅速利用，進(jìn)而消除了葡萄糖對纖維素酶的抵制作用。但是此工藝存在酶解和發(fā)酵溫度不能統(tǒng)一的現(xiàn)象，為了中和兩種操作的溫度，操作人員一般將設(shè)備溫度控制在37℃左右。

　?。?）微生物發(fā)酵工藝。此工藝能夠?qū)⒗w維素生產(chǎn)、纖維素糖化、葡萄糖發(fā)酵三個環(huán)節(jié)合并在一起完成，這樣能夠減少乙醇制造企業(yè)在容器配置上的投資費用。但是此工藝發(fā)酵出來的乙醇濃度較低，并且極易出現(xiàn)副產(chǎn)物，目前，應(yīng)用在微生物發(fā)酵方式中的微生物主要有熱硫化氫梭菌和熱纖維端孢菌。

　?。?）固定細(xì)胞發(fā)酵工藝。此發(fā)酵工藝的應(yīng)用能夠提高發(fā)酵罐中的細(xì)胞濃度，進(jìn)而實現(xiàn)對細(xì)胞的連續(xù)應(yīng)用，進(jìn)而提高發(fā)酵乙醇的濃度，常見的固定細(xì)胞發(fā)酵物質(zhì)有多空玻璃和卡拉膠。固定細(xì)胞的流動方向是混合細(xì)胞發(fā)酵，如酵母和纖維二糖酶的固化程度，此時，將纖維二糖看做基礎(chǔ)物質(zhì)轉(zhuǎn)換為乙醇，便可以大幅度提高乙醇的濃度，因此，此發(fā)酵方式經(jīng)常被應(yīng)用在玉米秸稈處理中。

　　5結(jié)語

　　總之，燃料乙醇制造企業(yè)可以將廉價的玉米秸稈作為乙醇制造的原材料，但是秸稈預(yù)處理、水解、發(fā)酵工藝的完善和應(yīng)用還存在較多問題，為此，操作人員需要深入對乙醇制造工藝的研究和應(yīng)用，為燃料乙醇制造質(zhì)量的提高奠定基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)：

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