秸稈酒精簡(jiǎn)介

秸稈發(fā)酵簡(jiǎn)介玉米秸稈利用1、玉米秸稈簡(jiǎn)介主要由植物細(xì)胞壁組成,基本成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等。木質(zhì)素將纖維素和半纖維素層層包圍。纖維素是一種直鏈多糖,多個(gè)分子平行排列成絲狀不溶性微小纖維;半纖維素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖組成；木質(zhì)素是以苯丙烷及衍生物為基本單位組成的高分子芳香族化合物。其中,木質(zhì)素是一種燃料,半纖維素可水解為五碳糖,而纖維素水解為六碳糖比較困難。2、玉米秸稈預(yù)處理因玉米秸稈結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不僅纖維素、半纖維素被木質(zhì)素包裹,而且半纖維素部分共價(jià)和木質(zhì)素結(jié)合,同時(shí)纖維素具有高度有序晶體結(jié)構(gòu)。要經(jīng)過(guò)預(yù)處理,使得纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離開(kāi),切斷它們的氫鍵,破壞晶體結(jié)構(gòu),降低聚合度。常見(jiàn)預(yù)處理方法有：物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和微生物法等。2.1擠壓膨化法（物理處理法）是將原料粉碎后調(diào)節(jié)至一定水分,加入擠壓機(jī)內(nèi),物料在螺桿的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng),同時(shí)被剪切、擠壓。并且在摩擦熱的作用下溫度可接近140℃;在從擠壓機(jī)中噴出,物料的壓力突然降低、體積迅速膨脹,纖維素晶體結(jié)構(gòu)被破壞,從而為纖維素的酶解處理創(chuàng)造條件。該方法生產(chǎn)過(guò)程連續(xù),不需要消耗蒸汽,而且具有滅菌效果。2.2濕氧化法（化學(xué)處理法）是指在加溫加壓條件下,水和氧氣共同參加的反應(yīng)。濕氧化法對(duì)玉米秸稈處理效果很好,纖維素遇堿,只引起纖維素膨脹,形成了堿化纖維素,但能保持原來(lái)骨架,加入Na2CO3后起緩和作用,能防止纖維素被破壞,使木質(zhì)素和半纖維素溶解于堿液中而與纖維素分離。這樣得到的纖維素純度較高,且副產(chǎn)物很少。匈牙利Eniko等人采用濕氧化法在195℃,15min,1200千帕O2,Na2CO32g/L條件下,對(duì)60g/L玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理。其中60%半纖維素、30%木質(zhì)素被溶解,90%纖維素呈固態(tài)分離出來(lái),纖維素酶解轉(zhuǎn)化率(ECC)達(dá)85%左右。2.3酸處理法（化學(xué)處理法）該方法可追溯到1980年。該法是采用硫酸、硝酸、鹽酸、磷酸等對(duì)纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理,其中以硫酸研究和應(yīng)用的最多。處理后,半纖維素首先水解得到無(wú)碳糖,纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,原料疏松,可發(fā)酵性強(qiáng)。但水解前必須將pH值調(diào)整到中性,還應(yīng)該注意反應(yīng)器的耐酸性。2.4蒸汽爆破法（物理化學(xué)處理法）是用蒸汽將原料加熱至180～200℃,維持5～30min,也可加熱到245℃,維持0.5～2.0min。高溫高壓造成木質(zhì)素的軟化,在迅速使原料減壓,造成纖維素晶體和纖維束的爆裂,使木質(zhì)素和纖維素分離。該法成本較高,間歇蒸汽汽爆器對(duì)玉米秸稈進(jìn)行爆破處理,經(jīng)這種爆破器爆破的玉米秸稈,纖維素水解轉(zhuǎn)化率(ECC)可達(dá)70%以上。2.5生物方法具有節(jié)約化工原料、能源和減輕環(huán)境污染等方面的優(yōu)點(diǎn)。有許多微生物能產(chǎn)生木質(zhì)素分解酶,如白腐菌,其分解木質(zhì)素的能力較強(qiáng),但活性較低,而且微生物處理周期長(zhǎng)、菌體會(huì)破壞部分纖維素和半纖維素,降低纖維素的水解率,因此難以得到利用瑞典等北歐國(guó)家則利用無(wú)纖維素酶的擔(dān)子菌突變株對(duì)纖維素材料進(jìn)行脫木質(zhì)素處理,取得了一定的效果。

3.1濃酸水解用70%硫酸50℃的反應(yīng)器中反應(yīng)2～6h,半纖維素首先被降解,溶解物質(zhì)經(jīng)幾次濃縮瀝干后得到糖,水解后的固體殘?jiān)?jīng)脫水后,在30%～40%的硫酸中浸泡1～4h。溶液再經(jīng)脫水和干燥后,在70%硫酸下反應(yīng)1～4h,回收的糖和酸溶液經(jīng)離子交換,分離出的酸在高效蒸發(fā)器中重新濃縮,剩余的固體殘?jiān)鼊t再循環(huán)利用到下一次的水解中。3工藝過(guò)程主要優(yōu)點(diǎn)是糖的回收率高,大約有90%的半纖維素和纖維素轉(zhuǎn)化的糖被回收。濃硫酸腐蝕性強(qiáng),且從經(jīng)濟(jì)方面考慮必須回收濃硫酸,增加了工藝的復(fù)雜程度。

3.2稀酸水解為解決濃酸水解法存在的問(wèn)題,一般采用稀硫酸(0.2%～0.5%),在較溫和條件下進(jìn)行。一般分2個(gè)階段:第1階段為低溫操作,從半纖維素獲得最大糖產(chǎn)量;第2階段采用高溫操作使纖維素水解為六碳糖,糖的轉(zhuǎn)化率一般為50%左右。但稀酸水解容易產(chǎn)生大量副產(chǎn)物。3.3酶水解

酶水解是利用產(chǎn)纖維素酶的微生物或者纖維素酶制品,直接將半纖維素、纖維素水解成可發(fā)酵糖。優(yōu)點(diǎn)：在常壓下進(jìn)行,反應(yīng)條件溫和、效率高、能耗低、選擇性強(qiáng)、環(huán)保效果好,顯示出良好的應(yīng)用價(jià)值和前景。水解后可形成單一產(chǎn)物,產(chǎn)率較高(>95%)。4發(fā)酵工藝農(nóng)作物秸稈的相當(dāng)部分由半纖維素構(gòu)成,其水解產(chǎn)物為以木糖為主的五碳糖,還有相當(dāng)量的阿拉伯糖生成(可占五碳糖的10%～20%),故五碳糖的發(fā)酵效率是決定過(guò)程經(jīng)濟(jì)性的重要因素。木糖的存在對(duì)纖維素酶水解起抑制作用。目前人們研究最多且最有工業(yè)應(yīng)用前景的木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的微生物有3種酵母菌種,即管囊酵母、樹(shù)干畢赤酵母和體哈塔假絲酵母

。4.1直接發(fā)酵法是基于纖維分解細(xì)菌直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇,不需要經(jīng)過(guò)酸水解或酶水解前處理過(guò)程。一般利用混合菌直接發(fā)酵,例如熱纖梭菌(ClostridiumthermoceUum)能分解纖維素,但乙醇產(chǎn)率較低(50%),熱硫化氫梭菌(Col-stridium

thermohydz)不能利用纖維素,但乙醇產(chǎn)率相當(dāng)高,如果進(jìn)行混合發(fā)酵,產(chǎn)率可達(dá)70%。熱纖梭菌產(chǎn)生乙醇也存在以下問(wèn)題:發(fā)酵不完全、發(fā)酵速度慢、終產(chǎn)物乙醇和有機(jī)酸對(duì)細(xì)胞有相當(dāng)大的毒性,需進(jìn)一步改進(jìn)。4.2間接發(fā)酵法目前研究最多的一種方法。使用纖維素酶水解纖維素,收集酶解后的糖液作為酵母發(fā)酵的碳源,先用纖維素酶水解纖維素,酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源。但是受末端產(chǎn)物抑制,低細(xì)胞濃度以及底物基質(zhì)抑制作用影響乙醇產(chǎn)量。采取的措施:減壓發(fā)酵法和阿爾法—拉伐公司的Bi-otile法,還可以通過(guò)篩選在高糖濃度下存活并能利用高糖的微生物突變菌株來(lái)克服基質(zhì)抑制。4.3同步糖化發(fā)酵法(SSF法)由Gauss等提出的在同一反應(yīng)器中糖化和發(fā)酵同步進(jìn)行。這樣纖維素酶對(duì)纖維素的酶水解和發(fā)酵糖化過(guò)程在同一裝置內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。水解產(chǎn)物葡萄糖由于菌體的不斷發(fā)酵而被利用,消除了葡萄糖因基質(zhì)濃度對(duì)纖維素酶的反饋抑制作用。在工藝上采用一步發(fā)酵法,簡(jiǎn)化了設(shè)備,節(jié)約了總生產(chǎn)時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率。當(dāng)然也存在一些例木糖的抑制作用,糖化和發(fā)酵溫度不協(xié)調(diào)。4.4固定化細(xì)胞發(fā)酵使發(fā)酵罐內(nèi)細(xì)胞濃度提高,細(xì)胞可連續(xù)使用,使最終發(fā)酵液酒精濃度得以提高。常用的固定化載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻璃等。固定化細(xì)胞的新動(dòng)向是混合固定細(xì)胞發(fā)酵,如酵母與纖維二糖酶一起固定化。將纖維二糖基質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇,被看作是玉米秸稈生產(chǎn)乙醇的重要方法。5結(jié)論與展望

5.1預(yù)處理方法單純的物理法和化學(xué)法不足以破壞纖維素晶體結(jié)構(gòu)以及去除半纖維素和木質(zhì)素,應(yīng)綜合運(yùn)用物理法與化學(xué)法,一步完成預(yù)處理和水解2個(gè)階段,有效提高纖維素的水解率。5.2糖化工藝發(fā)酵過(guò)程的酒精產(chǎn)率受許多因素影響,其中主要是水解效率和單糖產(chǎn)量。酶水解較酸水解有較大的優(yōu)越性,將成為今后糖化工藝的主要發(fā)展方向。5.3發(fā)酵菌株菌種是發(fā)酵工業(yè)的靈魂,

運(yùn)用現(xiàn)代的育種技術(shù)培育出高效的直接發(fā)酵菌株,在適應(yīng)特殊基質(zhì)條件、簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝等方面將會(huì)有所突破。若能篩選到抗高濃度糖的基因突變菌株則可以克服纖維素原料水解過(guò)程的抑制效應(yīng),提高發(fā)酵效率。5.4發(fā)酵工藝采用一定的技術(shù)手段,將發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的乙醇不斷抽出,使發(fā)酵罐