玉米發(fā)酵生產(chǎn)酒精工藝

玉米發(fā)酵生產(chǎn)酒精工藝酒精是一種重要的工業(yè)原料,廣泛應(yīng)用于食品,,而且可以局部或全部替代汽油,具有安全、清潔、可再生等優(yōu)點。傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)主要以糖蜜、薯類、谷物為原料發(fā)酵而成。近年來,隨著人口增長和經(jīng)濟的進展以及可利用耕地面積的削減使得酒精生產(chǎn)本錢日趨增高,利用豐富、廉價的玉米秸稈為原料生產(chǎn)酒精已成為必定趨勢。我國是一個農(nóng)業(yè)大國,各種纖維素原料資源格外豐富,2,玉米秸稈除了少局部被利用外,大局部以積存、燃燒等形式直接傾入環(huán)境,極大地污染了環(huán)境,也是一種資源鋪張。假設(shè)將玉米秸稈經(jīng)過預(yù)處理后水解,其所含的纖維素和半纖維素可分解成糖,經(jīng)發(fā)酵可轉(zhuǎn)化為酒精,30%以上。這樣不但緩解人類所面臨的食物短缺,環(huán)境污染、資源危機等一系列問題,而且還能實現(xiàn)人類的可持續(xù)進展,因而近年來玉米秸稈成為生物能源領(lǐng)域的爭論熱點。玉米生產(chǎn)酒精的工藝流程如圖。玉米秸稈簡介玉米秸稈主要由植物細胞壁組成,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根本單位組成的高分子芳香族化合物。其木質(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。玉米秸稈預(yù)處理由于玉米秸稈構(gòu)造簡單,不僅纖維素、半纖維素被木質(zhì)素包裹,而且半纖維素局部共價和木質(zhì)素結(jié)合,同時纖維素具有高度有序晶體構(gòu)造。因此必需經(jīng)過預(yù)處,,切斷它們的氫鍵,破壞晶體構(gòu)造,降低聚合度。常見預(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。擠壓膨化法該方法屬于物理處理法,是將原料粉碎后調(diào)整至肯定水分,參加擠壓機內(nèi),物料在螺桿的旋轉(zhuǎn)推動下向前運動,同時被剪切、擠壓。并且在摩擦熱的作用下溫,物料的壓力突然降低、體積快速膨脹,纖維素晶體構(gòu)造被破壞,從而為纖維素的酶解處理制造條件。這種預(yù)處理方法生產(chǎn)過程連續(xù),不需要消耗蒸汽,而且具有滅菌效果。濕氧化法濕氧化法屬于化學(xué)處理法,是指在加溫加壓條件下,水和氧氣共同參與的反,纖維素遇堿,只引起纖維素膨脹,形成了堿化纖維素,但能保持原來骨架,Na2CO3后起緩和作用,能防止纖維素被破壞,,Eniko195℃,15min,1200千帕O2,Na2CO32g/L條件下,60g/L60%30%,90%纖維素呈固態(tài)分別出來,纖維素酶解轉(zhuǎn)化率(ECC)85%左右。酸處理法酸處理法也是一種化學(xué)處理法,1980年,而在德國可能更早。該法是承受硫酸、硝酸、鹽酸、磷酸等對纖維素原料進展預(yù)處理,其中以硫,半纖維素首先水解得到無碳糖,纖維素的結(jié)晶構(gòu)造被破壞,原料疏松,可發(fā)酵性強。但水解前必需將pH值調(diào)整到中性,還應(yīng)當(dāng)留意反響器的耐酸性。蒸汽爆破法蒸汽爆破法屬于物理處理化學(xué)法,180～200℃,維持245℃,0.5～2.0min,然后快速使原料減壓,造成纖維素晶體和纖維束的爆裂,使木質(zhì)素和纖維素分別。該法本錢較高,在我國可承受北京林業(yè)大學(xué)賴文衡教授爭論的間歇蒸汽汽爆器對玉米秸稈進展爆理,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70%以上。生物方法微生物能產(chǎn)生木質(zhì)素分解酶,如白腐菌,其分解木質(zhì)素的力量較強,但活性較低,而且微生物處理周期長、菌體會破壞局部纖維素和半纖維素,降低纖維素的水解率,因此難以得到利用。瑞典等北歐國家則利用無纖維素酶的擔(dān)子菌突變株對纖維素材料進展脫木質(zhì)素處理,取得了肯定的效果。水解工藝玉米秸稈進展預(yù)處理后,纖維素水解只有在催化劑存在的狀況下才能顯著進展,由此分別形成了酸水解工藝和酶水解工藝,酸水解工藝又分為稀酸水解和濃酸水解。水解主要是破壞纖維素、半纖維素的氫鍵,使之轉(zhuǎn)化為發(fā)酵的單糖。濃酸水解2～6h,半纖維素首先被降解,溶解在水里的物質(zhì)經(jīng)過幾次濃縮瀝干后得到糖,半纖維素水解后的固體殘渣經(jīng)過脫水后,在1～4h。溶液再經(jīng)脫水和枯燥后,70%的硫酸下反響1～4h,回收的糖和酸溶液經(jīng)過離子交換,分別出的酸在高效蒸發(fā)器中重濃縮,剩,90%的半纖維素和纖維素轉(zhuǎn)化的糖被回收。但濃硫酸腐蝕性強,而且從經(jīng)濟方面考慮必需回收濃硫酸,增加了工藝的簡單程度。稀酸水解為了解決濃酸水解法存在的問題,一般承受稀硫酸(0.2%～0.5%),在較溫順條:1階段為低溫操作,從半纖維素獲得最大,50%左右。但稀酸水解簡潔產(chǎn)生大量副產(chǎn)物。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,它可在常壓下進展,能耗低、選擇性強、環(huán)保效果好,顯示出良好的應(yīng)用價值和前景。水解后可形成,產(chǎn)率較高(>95%)EnikoNovoYm188等水解經(jīng)濕氧化,酶解纖維素轉(zhuǎn)化率(ECC)85%獲得和利用,同時要考慮纖維素酶的本錢。丹麥諾維信公司曾經(jīng)宣布其纖維素酶12倍,現(xiàn)在該公司又取得了重大進展,纖維素酶生產(chǎn)本錢20倍,lL6.6美分。這極大地推動了燃料乙醇的商業(yè)化進程。發(fā)酵工藝由于農(nóng)作物秸稈的相當(dāng)局部由半纖維素構(gòu)成,其水解產(chǎn)物為以木糖為主的五(10%～20%),故五碳糖的發(fā)酵效率是打算過程經(jīng)濟性的重要因素。木糖的存在對纖維素酶水解起抑制作用,將木糖3種酵母菌種,即管囊酵母、樹干畢赤酵母和體哈塔假絲酵母,主要的發(fā)酵方法有以下幾種。直接發(fā)酵法直接發(fā)酵法是基于纖維分解細菌直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇,不需要經(jīng)過酸水解或酶水解前處理過程。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-stridiumthermohydz)不能利用纖維素,但乙醇產(chǎn)率相當(dāng)高,假設(shè)進展混合發(fā)酵,,并對熱纖梭菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的因素以及乙醇等發(fā)酵產(chǎn)物對熱纖梭菌的抑制作用作了概述。但熱纖梭菌產(chǎn)生乙醇也存在以下問題:發(fā)酵不完全、發(fā)酵速度慢、終產(chǎn)物乙醇和有機酸對細胞有相當(dāng)大的毒性,需要進一步改進。間接發(fā)酵法間接發(fā)酵是目前爭論最多的一種方法。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,低細胞濃度以及底物基質(zhì)抑制作用影響乙醇產(chǎn)量。因此可實行的方法有:減壓發(fā)酵法和阿爾法—Bi-otile法,還可以通過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抑制基質(zhì)抑制。同步糖化發(fā)酵法(SSF法)這種方法的原理和間接發(fā)酵法一樣,是為了抑制反響抑制作用,Gauss等提用,消退了葡萄糖因基質(zhì)濃度對纖維素酶的反響抑制作用。在工藝上承受一步發(fā)酵法,簡化了設(shè)備,節(jié)約了總生產(chǎn)時間,,如木糖的抑制作用,糖化和發(fā)酵溫度不協(xié)調(diào)。張繼泉在這方面進展了大量的試驗爭論,并取得了肯定的進展。固定化細胞發(fā)酵固定化細胞發(fā)酵能使發(fā)酵罐內(nèi)細胞濃度提高,細胞可連續(xù)使用,使最終發(fā)酵液化細胞的動向是混合固定細胞發(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。結(jié)論與展望今后,玉米秸稈生產(chǎn)酒精的爭論方向?qū)⒅饕性谝?/p>