玉米秸秆发酵生产燃料酒精研究现状及前景.doc

玉米秸秆发酵生产燃料酒精研究现状及前景 摘要玉米秸秆是一种丰富的再生资源，主要由纤维素、半纤维素、木质素 组成。经过预处理、水解、发酵可生产酒精。预处理方法主耍有物理法、化学法、 物理化学法及生物处理法；水解主要有酸水解法和酶水解法；发酵主要有直接发 酵法、间接发酵法、同步糖化发酵法等。介绍了玉米秸秆生产乙醇的关键技术进 展情况。 关键词秸秆；酒精；预处理；研究进展 酒精是一种重要的工业原料，广泛应用于食品，化工、医药等领域，而且可 以部分或全部替代汽汕，具有安全、清洁、可再生等优点。传统的酒精生产主耍 以糖蜜、薯类、谷物为原料发酵而成。近年來，随着人口增长和经济的发展以及 可利用耕地而积的减少使得酒精生产成本FI趋增高，利用丰富、廉价的玉米秸秆 为原料生产酒精已成为必然趋势。我国是一个农业大国，各种纤维索原料资源非 常丰富，仅玉米秸秆年产量大约2亿吨。目前，玉米秸秆除了少部分被利用外， 大部分以堆积、焚烧等形式直接倾入环境，极人地污染了环境，也是-?种资源浪 费。如果将玉米秸秆经过预处理后水解，其所含的纤维素和半纤维素可分解成糖, 经发酵可转化为酒精，转热效率可达30%以上。这样不但缓解人类所面临的食 物短缺，环境污染、资源危机等一系列问题，而且还能实现人类的可持续发展， 因而近年來玉米秸秆成为生物能源领域的研究热点。 1玉米秸秆简介 玉米秸秆主要由植物细胞壁组成，基本成分为纤维素、半纤维素和木质素等。 木质索将纤维索和半纤维索层层包围。纤维索是一种直链多糖，多个分子平行排 列成丝状不溶性微小纤维，半纤维素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露 糖组成，木质索是以苯丙烷及衍生物为基木单位组成的高分子芳香族化合物。其 中，木质素是一种燃料，半纤维素可水解为五碳糖，而纤维素水解为六碳糖比较 困难。 2玉米秸秆预处理 由于玉米秸秆结构复杂，不仅纤维素、半纤维素被木质素包裹，而且半纤维 素部分共价和木质素结合，同时纤维素具冇高度冇序品体结构。因此必须经过预 处理，使得纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断它们的氢键，破坏晶体结构, 降低聚合度。常见预处理方法有物理法、化学法、物理化学法和微生物法等。 2.1挤压膨化法 该方法属于物理处理法，是将原料粉碎后调节至一定水分，加入挤压机内， 物料在螺杆的旋转推动下向前运动，同时被剪切、挤压。并且在摩擦热的作用下 温度可接近140°C；然后从挤压机中喷出，物料的压力突然降低、体积迅速膨胀, 纤维素晶体结构被破坏，从而为纤维素的酶解处理创造条件。这种预处理方法生 产过程连续，不需要消耗蒸汽，而月.具冇灭菌效果。 2.2湿氧化法 湿氧化法屈于化学处理法，是指在加温加压条件下，水和氧气共同参加的反 应。湿氧化法对玉米秸秆处理效呆很好，纤维素遇碱，只引起纤维素膨胀，形成 了碱化纤维素，但能保持原来骨架，加入Na2CO3后起缓和作用，能防止纤维素 被破坏，使木质素和半纤维素溶解于碱液屮而与纤维素分离。这样得到的纤维素 纯度较高，且副产物很少。匈牙利Eniko等人采用湿氧化法在195°C, 15mi ml 200千帕02, Na2CO32g/L条件卜，对60g/L玉米秸秆进行预处理。其中60% 半纤维素、30%木质素被溶解，90%纤维素呈同态分离出来，纤维素酶解转化率 (ECC)达85%左右。 2.3酸处理法 酸处理法也是一种化学处理法，这种方法可追溯到1980年，而在徳国可能 更早。该法是采用硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等对纤维素原料进行预处理，其中以 硫酸研究和应用的最多。处理后，半纤维素首先水解得到无碳糖，纤维素的结晶 结构被破坏，原料疏松，可发酵性强。但水解前必须将pH值调整到中性，还应 该注意反应器的耐酸性。 2.4蒸汽爆破法 蒸汽爆破法属于物理处理化学法，是用蒸汽将原料加热至180?200°C,维 持5?30min,也可加热到245°C，维持0.5?2.0min。高温高压造成木质素的软 化，然后迅速使原料减压，造成纤维素品体和纤维束的爆裂，使木质素和纤维素 分离。该法成本较高，在我国可采用北京林业大学赖文衡教授研究的间歇蒸汽汽 爆器对玉米秸秆进行爆破处理，经这种爆破器爆破的玉米秸秆，纤维素水解转化 率(ECC)可达70%以上。 2.5生物方法 牛物处理方法具有节约化工原料、能源和减轻环境污染等方面的优点。有许 多微生物能产生木质素分解酶，如口腐菌，其分解木质素的能力较强，但活性较 低，而冃微生物处理周期长、菌体会破坏部分纤维素和半纤维素，降低纤维素的 水解率，因此难以得到利用。瑞典等北欧国家则利用无纤维素酶的担子菌突变株 对纤维素材料进行脱木质素处理，取得了一定的效果。 3水解工艺 玉米秸秆进行预处理后，纤维素水解只冇在催化剂存在的情况下才能显著进 行。常用催化剂是无机酸和酶，由此分别形成了酸水解工