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玉米秸秆生产燃料乙醇的发酵工艺

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-02-07  浏览次数:522
核心提示:以秸秆为原料生产燃料乙醇,是开发新型生物质能源的发展方向,也是解决农业废弃物对环境污染问题的突破口。吉林省是玉米种植大省

以秸秆为原料生产燃料乙醇,是开发新型生物质能源的发展方向,也是解决农业废弃物对环境污染问题的突破口。吉林省是玉米种植大省,有着大量的秸秆原材料,如果玉米秸秆的生物质能得到利用,对于吉林省玉米产业的发展具有重要的经济价值和社会意义。另外以玉米秸秆为原料发酵生产燃料乙醇,这也是与吉林省燃料乙醇产业的很好对接,避免了单纯用粮食发酵乙醇面临的粮食紧缺问题,同时解决原始燃烧玉米秸秆对环境的污染。

1 发酵工艺原理

由于玉米秸秆的相当部分由半纤维素构成,其水解产物是以木糖为主的五碳糖,还有相当量的阿拉伯糖生成(可占五碳糖的10%~20%),故五碳糖的发酵效率是决定过程经济性的重要因素。木糖的存在对纤维素酶水解起抑制作用,将木糖及时转化为酒精对玉米秸秆的高效率酒精发酵是非常重要的。目前人们研究最多且最有工业应用前景的木糖发酵生产乙醇,所涉及到的微生物有3种酵母菌种,即管囊酵母、树干毕赤酵母和体哈塔假丝酵母。

2 玉米秸秆预处理

玉米秸秆化学结构复杂,纤维素、半纤维素不但被木质素包裹,而且半纤维素部分共价和木质素结合,纤维素具有高度有序晶体结构,因此必须经过预处理,使纤维素、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。

2.1 酸处理法

酸处理法处理纤维质原料历史很悠久,可追溯到1980年,而在德国可能更早。首先将捆状或碎片状的原料粉碎成微小颗粒后送到预处理反应器中,高压蒸汽和硫酸对原料进行处理,蒸汽温度在200~250℃,硫酸浓度为0.5%~1%。原料在这种环境下维持时间少于1分钟,然后快速释放压力。在主要成分中,半纤维素是第一个参与反应的,木聚糖部分解聚和溶解,然后水解成木糖,外源硫酸的存在对于木糖单体的形成尤为重要,若缺乏外源酸,就会形成木糖低聚物。更进一步,酸的增加可提高工艺的一致性,因为天然酸水平变化范围相当大,若预处理更进一步进行,木糖会脱水产生糠醛,糠醛是不需要的。木糖脱水形成糠醛,只有少量的纤维素发生水解反应生成葡萄糖,而木质素经历了解聚作用,在水或酸中维持不溶解状态。

2.2 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法是用蒸汽,将原料加热至200~240℃,维持30s,20 分钟高温高压,造成木质素的软化,然后迅速使原料减压,造成纤维素晶体和纤维束的爆裂,使木质素和纤维素分离。在我国,可采用赖文衡教授研究的间歇蒸汽爆破器对秸秆进行爆破处理。经这种爆破器爆破的玉米秸秆,纤维素水解转化率可达70%以上。蒸汽爆破法的设备包括一个蒸汽发生器,一个恒压反应器,一个接收器和一个冷凝器。反应器罐体是绝缘的,以便使温度保持恒定。把玉米秸秆放入反应器中,利用蒸汽对玉米秸秆进行加热,加热后把反应器底部阀门打开,使反应器压力迅速降到大气压水平,固体及液体产物被收集到收集器底部的旋风分离器,气体产物通过收集器顶部进入冷凝器。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,而且这种技术对环境影响轻微,汽爆废汽中含有少量糠醛可回收。

2.3 湿氧化法

湿氧化法是 20世纪80年代初提出来的,在加温加压条件下水和氧气共同参加反应。和其他处理方法相比较,湿氧化法在对玉米秸秆处理上是非常有效的,纤维素遇碱,只引起纤维素膨胀,形成碱化纤维素,但能保持原来骨架。加入Na2CO3,后起缓和作用,防止纤维素破坏,使木质素和半纤维素溶解于碱液中,而与纤维素分离,这样得到的纤维素纯度较高,并且像糠醛这样的副产物非常少。

3 发酵方法

3.1 直接发酵法

直接发酵法是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产乙醇,不需要经过酸水解或酶水解前处理过程。一般利用混合菌直接发酵,例如热纤梭菌(Clostridium thermoce Uum)能分解纤维素,但乙醇产率较低(50%);热硫化氢梭菌(Col-stridium thermohydz)不能利用纤维素,但乙醇产率相当高,如果进行混合发酵,产率可达70%。吕福英介绍了热纤梭菌的生理生化特性及发酵生产的研究进展,并对热纤梭菌发酵生产乙醇的因素以及乙醇等发酵产物对热纤梭菌的抑制作用作了概述。但热纤梭菌产生乙醇也存在以下问题:发酵不完全、发酵速度慢、终产物乙醇和有机酸对细胞有相当大的毒性,需要进一步改进。

3.2 间接发酵法

间接发酵是目前研究最多的一种方法。使用纤维素酶水解纤维素,收集酶解后的糖液作为酵母发酵的碳源,先用纤维素酶水解纤维素,酶解后的糖液作为发酵碳源。但是受末端产物抑制,低细胞浓度以及底物基质抑制作用影响乙醇产量。因此可采取的方法有:减压发酵法和阿尔法——拉伐公司的Bi-otile法,还可以通过筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变菌株来克服基质抑制。

3.3 同步糖化发酵法(SSF法)

SSF这种方法的原理和间接发酵法相同,是为了克服反馈抑制作用,由Gauss等提出的在同一反应器中糖化和发酵同步进行。先用纤维素酶水解纤维素,酶解后的糖液作为发酵碳源。由于乙醇产量受以下限制:末端产物抑制,低细胞浓度以及底物基质抑制。为了克服反馈抑制作用,Gauss等1976年提出在同一个反应罐中进行纤维素水解(糖化)和乙醇发酵的同步糖化发酵法 113-1s1。这样纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵糖化过程在同一装置内连续进行,水解产物葡萄糖由菌体的不断发酵而被利用,消除了葡萄糖因基质浓度对纤维素酶的反馈抑制作用。在工艺上采用一步发酵法,简化了设备,节约了总生产时间,提高了生产效率。但也存在一些抑制因素,如木糖的抑制作用,糖化和发酵温度不协调。张继泉在这方面进行了大量的实验研究,并取得了一定的进展。

3.4 固定化细胞发酵

固定化细胞发酵能使发酵罐内细胞浓度提高,细胞可连续使用,使最终发酵液酒精浓度得以提高。常用的固定化载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。固定化细胞的新动向是混合固定细胞发酵,如酵母与纤维二糖酶一起固定化。将纤维二糖基质转化成乙醇,被看作是玉米秸秆生产乙醇的重要方法。

4 问题与展望

利用玉米秸秆生产燃料乙醇是生物质产品商业化的重要目标,燃料乙醇是一种巨大的再生能源,以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇具有其他淀粉质原料不可比拟的优势。因此,利用玉米秸秆生产乙醇是利用再生资源解决液体燃料的一个国际性大问题,不少国家在多年以前就开展此项工作,目前还没有实现大规模工业化生产;而且到目前为止,还没有一种经济、高效的预处理技术可应用于玉米秸秆的预处理上,目前使用最广泛的是秸秆气化炉。因此,今后应开发预处理新技术,培育价廉高活力的新型纤维素酶及五碳糖六碳糖同步发酵的新菌种,研发出流程短、效率高、能耗低的玉米秸秆生产乙醇新工艺,从而降低乙醇生产成本。

 
 
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