秸秆生产乙醇

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1、秸秆发酵生产乙醇工艺介绍叶金鑫(安徽水利水电职业技术学院资源与环境工程系安徽合肥231603)摘要：秸秆是丰富的可再生资源,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。木质纤维原料作为一种可转化为液体燃料的可再生资源，其转化采用已成为必定趋势。木质纤维是廉价易得、来源丰富的可再生资源和能源。通过相关的生物转化手段可以生产乙醵部分代替石油，不仅有利于环境爱护和资源再采用，而且还可以削减温室气体的排放和缓解化石能源的危机，这也是世界整个能源进展的方向。本文综述了植物秸秆通过生物生产的方法制得乙醇的生产工艺。关键词:秸秆；木质纤维；生物发酵；乙醇Strawfermentationtoproduceethan

2、oltechnologyisintroducedYangZhenWeijYeJinXinfXuJinMei(anhuiwaterconservancyandhydropowerinstituteoftechnologyofprofessionofresourcesandenvironmentalengineeringahuihefei231603)Summary：Strawisrichinrenewableresources,mainlyfromcelluloseandahalfofcelluloseandligioWoodenfiberrawmaterialsasacanbeconverte

3、dintotheliquidfuelrenewableresource,thetransformationusehasbecomeaninevitabletrend.Woodenfiberiseasycheaprenewableresourcerichsourceandenergythroughtherelatedbiologicaltransformationmethodcanproduceethanolinsteadofoil,isnotonlybeneficialtothepartoftheprotectionoftheenvironmentandresources,andcanreus

4、etheemissionofgreenhousegasesandeasethecrisisoffossileergyoAnditisalsothewholeenergydevelopmentdirectionwasreviewedinthispaper,throughbiologicalproductionplantstrawstalkthepartytoethanolproductiontechnologyoflegalsystemoKeyWOrds：straw;lignocelluloses;biologicalfermentationprocess;ethanol一、原料资源现状我们我国

5、是一个农业大国，各类农作物纤维资源特别丰富，仅秸秆一项就达7亿吨以上。由于农业生产水平低、秸秆除少量用于垫圈、喂养牲畜，大部分都作燃料烧掉了。其烟雾中含有大量的TSP和二氧化硫，造成大气的严峻污染。据统计，目前的秸秆采用率33%,但经过肯定技术处理后采用的仅占2.6%,开发前景特别宽阔。因此，在煤，石油，自然气等不行再生资源口益削减的今口，如何使纤维素得到更有效地采用，是各国新资源战略的重点。燃料乙醇主要原料是玉米和小麦，随着燃料乙醇的快速的进展，原料问题日益突出，成为制约燃料乙醇的进展的瓶颈，并且有可能引发我国粮食平安问题。所以，纤维素乙醇是将来进展的必定方向。而且近年来纤维素乙醇的讨论文献

6、也是逐年增长，为纤维素乙醇的工艺更新有着乐观的意义。N何/年价SSFRVTQtJVH4tilt!011990-2008年纤维索乙醇研究文献战变化情况二、木质纤维素原料组成及性质木质纤维素是由纤维素、半纤维素、木质素和少量的可溶性固形物组成。纤维素大分子是由葡萄糖脱水，通过-l,4葡萄糖昔键连接而成的直链聚合体。由于来源的不同，纤维素分子中葡萄糖残基的数目，即聚合度(DP)在很宽的范围。分子式可写作(C6H1005)n。RI在常温下不发生水解，高温下水解也很缓慢。只有在催化剂的作用下，纤维素的水解反应才显著进行。常用的催化剂是无机酸或纤维素酶，由此分别形成了酸水除口酶水解工艺。半纤维素是由不同的

7、多聚糖构成的混合物，这些多聚糖由不同单糖聚合而成,有直链也有支链，上面连接有不同数量的乙酰基和甲基。半纤维素的水解产物主要有己糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、戊糖和阿拉伯糖等几种不同的糖。半纤维素的聚合度较低，相对比较简洁降解成单糖。二者的水解机理可以用下列方程式简洁地表示：Ethylalcohol(CH3CH2OHzethanol)乙醇结构模型(CMOo5)n+nH2O-*nC6HoO6(C5H8O1)n+nH2OnC5HloOH三、发酵生产工艺1、生物处理生物处理是采用分解木质素的微生物除去木质素以解除其对纤维素的包裹作用。常用的降解木质素的微生物有PharerOChaCtechry2sosP

8、riUn,CoriolusVerSiCOlor等白腐菌，降解条件温柔，常温常压，Ph值接近7,把木质素降解为以水和二氧化碳形式存在的最终产物，耗能低，反应要求低，污染小的优点。但是白腐菌在分解木质素的同时也消耗部分纤维素和半纤维素,所以需要严格掌握反应的条件或者对白腐菌进行基因改良。此方法法预处理具有条件温柔、专一性强、能耗低、不会对环境产生污染等优点。但是，目前存在木质素降解微生物种类少、木质素分解酶类的酶活力低、处理时间长等问题，还有待进一步讨论。极端嗜热菌(65)和嗜热菌(4065C)是可以直接采用纤维素生产乙醇的菌种I不需要经过预处理过程，因此降低了转化的周期，降低了生产设施的要求，从

9、而降低了生产成本，提高了生产的经济利益，使大规模的工业化生产供应了条件。目前讨论最多的是用热纤梭菌(CloStriCiiUnlthCrmOCeIIUm),它是嗜热产芽抱的严格厌氧菌，它能分解纤维素，并能使纤维素和半纤维素解离得到的低聚糖和单糖发酵，削减了提取目的产物的步骤。嗜热菌多为从垃圾场和新奇牛粪中分别得到。就目前讨论状况来看，此方法在降低污染，提高效率方面具有肯定的优势，但上述的提取菌种方法明显不能用于大型工业化生产，如何得到足量的嗜热菌是讨论的关键。3、乙醇发酵工艺依据发酵过程中物料所处状态生物乙醇发酵方法分为固体发酵法、半固体发酵法和液体发酵法。依据发酵醪注入发酵罐的方式，乙醇发酵的

10、方式分为间歇式、连续式和半连续式。固体发酵法和半固体发酵法主要实行间歇发酵方式；液体发酵法既可以实行间歇发酵方式，也可以实行连续发酵或半连续发酵方式。3.1间歇式发酵间歇式发酵是指全部发酵过程始终在一个发酵罐中进行。由于发酵罐容量和操作工艺的不同，间歇发酵有以下几种方法。(1)一次加满法将糖化醪冷却到2730C后接入大约为糖化醪量10%的酒母混合匀称，经6070h的发酵即成熟。此法操作简便，易于管理，但酒母用量大，适用于糖化锅与发酵罐容积相等的小型乙醇厂。(2)分次添加法将发酵罐容积1/3左右的糖化醪入罐后，接入10%酵母进行发酵；23h后，第2次加入糖化醪；再隔23h,第3次加入糖化醪，直至

11、加到发酵罐容积90%为止。此法适用于糖化锅容量小而发酵罐容量大的工厂。(3)连续添加法先将肯定量的酒母打入发酵罐，然后依据生产量，确定流加速度。流加速度与酵母接种量有亲密关系。假如流加速度太快，则发酵醪中醉母细胞数太少，不能造成酵母繁殖的优势，易被杂菌所污染；假如流量太慢，会造成后加糖化醪中的支链淀粉不能被彻底采用。一般应在接种酵母6、8h将罐装满。该法适合于采纳连续蒸煮、连续糖化的乙醇生产厂。(4)分割主发酵醪法将处于旺盛主发酵阶段的发酵醪分出1/3至第2罐,然后加新料将两罐补满，连续发酵。待第2罐发酵正常，又处于主发酵阶段时，再分出1312发酵醪至第3罐，并加新奇糖化醪至2、第3罐。如此连

12、续分割其他各罐，并将前面各罐发酵成熟的醪液送去蒸储。该过程可以省去了酒母的制作过程，但对无菌操作的要求高。适用于卫生管理较好、无菌要求较高的工厂。3. 2半连续发酵半连续发酵是在主发酵阶段采纳连续发酵，而后采纳间歇发酵的方法。在半连将数个发酵罐连接起来组为一组,只罐接入酒母，使该罐始终处于流入2罐，此时可分别向1, 2待第2罐加满后，自然流入3则由3罐改流至第5罐；第5续发酵中，醪液的流加方式有两种。第一种方式，使前3个罐保持连续发酵状态。开头投产时，第1主发酵状态，连续流加糖化醪。待第1罐加满后，两罐流加糖化醪，并保持两罐始终处于主发酵状态;罐；第3罐加满后，流入4罐；第4罐加满后，罐加满后

13、，改流至6罐，依次类推。第4,5罐发酵结束后，送去蒸储。洗刷罐体后再重复以上操作。其次种方式，由78个罐串联组成一组，用管道将前跳的上部接通下罐的底部。投产时，先制备1/3体积的酒母，加入第1只发酵罐；在保持主发酵状态下，流加糖化醪至满罐，流入第2罐。待第2罐醪液加至罐容1/3时，糖化醪转流加至2罐；第2罐加满后，流入第3罐。重复下一罐操作，直至末罐。4. 3连续发酵连续发酵工艺方法分为如下3种。(1)循环连续发酵法将910个罐串联组成连续发醉罐组，其流程是从前罐的上部流入下罐的底部。投产时，先将酒母打入第1只罐，同时加入糖化醪，在保持该罐处于主发酵状态下，流加糖化醪至满，自然流入第2罐，再依

14、次流入下一罐,直至末罐。待醪液流至末罐并加满后，发酵醪即成熟。将末罐成熟的发酵醪送去蒸饵，洗刷末罐并杀菌，重新接种发酵，然后以末罐为首罐，以相反方向重复以上操作，进行循环连续发酵。(2)多级连续发酵法多级连续发酵法也称连续流淌发酵法。与循环法类似，该法也是用910个发酵罐串连组成发酵系统，各罐的连接也是由前一罐上部接至下一罐底部。投产时，先将酒母接入第1罐，然后在保持主发酵状态下流加糖化醪，满罐后流入第2罐；在保持两罐均处于主发酵状态下，同时向第2罐与第1只罐流加糖化醪；第2罐加满后，流入第3只发酵罐；在保持3只罐均处于主发酵状态下，同时向3只罐流加糖化醪；第3只罐加满后，自然流入4罐；如此依

15、次进行，直至流满末罐。这样，只在前3只发酵罐中流加糖化醪，并使其处于主发酵状态，从而保证醉母菌生长繁殖的肯定优势，抑制杂菌的生长。从第4只发酵罐起，不再流加糖化醪，使之处于后发酵阶段。当醪液流至末罐时，发酵醪成熟后即可送去蒸馀o发酵过程从前到后，各罐的醪液浓度、酒精含量均保持相对稳定的浓度梯度。从前面3只发酵罐连续流加糖化醪，到最终一罐连续流出成熟发酵醪的整个过程，处于连续状态。目前，我们我国以粉质为原料连续发酵制酒精的场合，基本上采纳此发酵方式。（3）双流糖化连续发酵双流糖化和连续发酵的操作过程是将蒸煮醪按两种糖化方法进行。第一种方法：在5860C条件下，糖,5060min:其次种方法：在真

16、空状态及60条件下，糖,56min.糖化剂采纳甘薯曲霉和拟内抱霉深层培育液，其用量为淀粉重量的85%。其中2/3酶液加入第1种糖化方法的糖化器中，其余1/3加入第2糖化器内。第1种方法糖化的糖化器中的醪液流入主发酵罐内，从第2糖化器流出的糖化醪送入其它发酵罐内。酵母接种量约为主发酵容积的25%O为防止杂菌污染，可加入0.01%的抗乳菌素。发酵至第8,9罐结束（每组12个罐），成熟发醉醪的酒精体积含量为8.42%8.76%,残糖为0.22%0.26%,其中可发酵性残糖仅为0.1%3、影响纤维乙醇产业化的主要因素近年来，国内外对木质纤维素转化乙醇进行了大量讨论，工艺路线已经大致成型,但是要想实现工

17、业化生产，在原料收集，预处理，糖化和精储各工艺过程中还存在制约纤维素乙醇的生产为题，主要表现在一下几个方面：（1） 木质纤维素原料分散，受季节性影响。（2） 木质纤维素的预处理技术有待进一步提高，由于纤维素原料结构简单，使得纤维素，半纤维素和木质纤维素三者不能有效分别，此外还伴随一些中间副产物,试验表明，这些物质抑制酵母的生长和代谢，影响乙醇的产率，不符合绿色化学概念。（3） 缺乏能够同时应用的纤维酶菌株，现有的纤维素酶制剂效果低，使得酶解糖化经济成本较高，当前生产一吨纤维素乙醇的需要酶制剂的成本在2200-2600元。（4） 缺乏能够同时高效采用的戊糖和己糖的发酵菌株，在木质纤维素水解中，有

18、相当比重的木糖（葡萄糖/木糖约为2）,因此，戊糖的采用是影响纤维乙醇综合成本的一项因素。（5） 尽管木质纤维素原料本身特别廉价，但是将其转化成乙醇的工艺特别简单，需要大量耗能，这主要是由木质纤维素的自身结构特性打算的，而得到的目标产物是经济附加值并不是很高的乙醇，只是单位乙醇的经济效益并不具备较强的市场优势。四、纤维素乙醇的进展前景由于生物质能源具有环保、可再生等特点，同时又能推动农业产业链的进展。我们我国是资源大国的同时还是人口大国而且现阶段我们我国依旧属于农业国。所以在当今时代，环保和节能成为了中国社会的主流。而且政府也在大力提倡全民节能和全民生产生活的环保、低碳。现今世界在三大化石燃料快

19、速枯竭的今日，经济的进展却使得人类对能源的需求大大增加。生物能源作为一种新型可再生的环保能源，它带给了我们机遇和挑战。也有利于社会的和谐安定的进展。同时科技也更贴切的服务生活、转变生活。参考文献：1黄宇彤，杜连祥，赵继湖.世界燃料酒精生产形势J.酿酒,2001,(5):24-26.张继泉，王瑞明，孙玉英.采用木质纤维素生产燃料乙醇的讨论进展U.酿酒科技，2003,(1):39-41.2周亚樵植物质生物转化进展近况太原理工高校化工学院太原0300243许凤，孙润仓，詹怀宇.木质纤维原料生物转化燃料乙醇的讨论进展J.纤维素科学与技术,2004,12(1):45-54.4LESCHINESB.CeIIUIoSeDegradationinAnaerobicEnvironmentsJ.AnnuRevMicrobiol,1995(49):399-426.5苏晓渝，生物能源(BiomaSS)的现状与前景，2001年4月