论文部分内容阅读
（黑龙江省轻工设计院）
摘 要：玉米是一种高产作物，受到全世界范围内人们的喜爱，在种植中产生了大量的玉米秸秆。玉米秸秆资源丰富，可以再生，所以属于绿色资源。本文从玉米秸秆制备酒精的几个环节入手，对预处理、水解和接下来的发酵和蒸馏展开了具体的探讨。
关键词：玉米秸秆；酒精发酵；预处理
目前世界范围内工业产业发展迅速，对各种能源的需求量在不断增加，以酒精来替代石油这个话题由来已久，近年来在国内外成为了一个非常热门的话题。当前，玉米和淀粉等原料都可以作为燃料酒精，这些技术已经成熟了，并且已经开始大规模生产，但是从长远看来，因为玉米属于一种食物，能够极大缓解粮食问题，所以不应该大量使用玉米来进行燃料酒精的生产，但是为了缓解对能源紧张问题，全世界都在对可再生资源生产液体燃料的解决办法。玉米秸秆资源丰富，并且可再生，用这种资源生产酒精已经引起了越来越多的关注。但是目前技术尚不成熟，在科研能力和经济实力上都还存在着一定的困难。当前的情况是，玉米秸秆的利用率极低，大多数都被堆积起来，或者进行焚烧了，这对环境造成污染的同时也形成了浪费，这是在我们国家极为普遍的一种状况。直接进行焚烧，获得的热效率很低，大概只有十分之一，如果能将玉米秸秆进行提纯，转化成真正的燃料，那么热效率就会大大提升，一来能够对能源危机有所缓解，二来也可以对一定程度上解决环境污染的问题，给人类带来了可持续发展的保证。玉米秸秆在成分上主要有以下几种，纤维素、半纤维素以及木质素，如果对其经过水解，其中的纤维素和半纤维素都可以分解成糖分，糖分经过发酵就可以酿制成酒精。本文主要介绍这些具体的工艺流程。
1 原料预处理
玉米秸秆的结构较为复杂，纤维素、半纤维素被木质素包围，严重影响纤维素等的降解效率，水解之前应进行预处理。经预处理，纤维素和半纤维素及木质素分离开，聚合度较低，从而提高了玉米秸秆纤维素的水解糖化效率。目前普遍采用的预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法、生物法四种。物理法主要采用机械粉碎、超声波处理和蒸汽爆破等物理方法，该方法预处理污染小，操作简单，但是能耗大，成本较高。化学法主要采用酸、碱或者有机溶剂等对玉米秸秆进行预处理，破坏纤维素与木质素之间的晶体结构，打破木质素对纤维素的包裹。该方法成本较低，但易产生化学污染。物理化学法是指在对玉米秸秆的预处理过程中同时采用物理和化学两种方法，二者相结合可提高玉米秸秆的预处理效率。如通过汽爆方法和化学添加剂相结合，不仅可以加快预处理速度，也能尽量降低环境污染。生物法主要通过微生物作用于玉米秸秆，达到分离纤维素和木质素的目的，该种方法不仅效率高而且能在正常条件下进行，节约成本，是一种有潜力的预处理方法。
2 纤维素水解
玉米秸稈经预处理后，纤维素只有分解成糖可进行发酵成酒精，这个过程被称为纤维素的水解过程。目前玉米秸秆纤维素的水解工艺主要有酸法水解和酶法水解两种，水解后纤维素和半纤维素的氢键被破坏，分解成单糖供发酵过程。
2.1 酸法水解
酸法水解主要以硫酸作为催化剂对玉米秸秆中纤维素进行分解。包括稀酸水解和浓酸水解两种。稀酸水解通常采用0.2%-0.5%的稀硫酸水解纤维素，优点是反应条件温和，设备要求较低，但反应过程中产生大量副产物且产糖率低。浓酸水解的优点是产糖率较稀酸水解高且反应过程副产物少，但反应时间较长，腐蚀性强，不仅对反应设备要求较高，而且硫酸回收工艺复杂。
2.2 酶法水解
酶法水解利用纤维素复合酶分解玉米秸秆中的纤维素，纤维素酶包括葡聚糖酶和纤维二糖酶。水解过程中葡聚糖酶先将纤维素分解为纤维二糖，纤维二糖再在纤维二糖酶的作用下分解成葡萄糖供发酵过程使用。酶法水解相对酸法水解反应条件温和，催化效率高且能耗低，纤维素酶的专一性高，产物单一，副产物相对较少。但酶法水解中酶的固定化程度困难，反应过程中酶的消耗量较高，导致成本较高。
3 酒精发酵
酒精发酵的最终目的就是让水解中产生的葡萄糖通过发酵转化为酒精，发酵方法主要有以下几种：
3.1 直接发酵法
直接发酵法就是直接利用纤维分解细菌发酵纤维素生产酒精，此方法不需要经过酸法水解和酶法水解预处理过程。采用适合酒精发酵的生产菌株是直接发酵法的技术关键，但目前国际上还未找到一种既具备分解纤维素又能发酵成酒精的优良菌株，一般利用热纤梭菌和热硫化氢梭菌混合菌直接发酵，前者主要将纤维素分解成单糖但乙醇产率较低，后者主要将单糖转化为酒精但不能分解纤维素。
3.2 间接发酵法
间接发酵法将玉米秸秆的发酵过程分为两步，是目前研究最多的方法之一。第一步利用纤维素酶将玉米秸秆中的纤维素分解成为单糖，分解后的糖作为后续发酵所需的碳源；第二步再利用酒化酶将单糖发酵成酒精。间接发酵方法正处在研究阶段，但应用到生产中的突出问题是第一步产生的单糖随着浓度的增加会反过来抑制第一步反应的进行，而第二步随着酒精浓度的增加也会抑制菌株的发酵能力，给发酵过程带来巨大影响。
3.3 同步糖化发酵法
同步糖化发酵法主要是为了解决间接发酵法面临的反馈抑制问题，两者原理相同。该方法最早由Gauss等提出，糖化和发酵同时在一个反应器内连续进行，将纤维素水解和酒精发酵同步进行，水解产生的葡萄糖由于发酵浓度降低，消除了高浓度糖对纤维素酶的抑制作用。同步发酵法的优点是简化了生产设备，节约了生产时间，消除了抑制作用，降低了生产成本，但反应过程中面临的最突出问题如何实现纤维素发酵和酒精发酵的条件兼容。
4 蒸馏提纯
玉米秸秆在进行发酵后会形成混合发酶液，混合液的成分是相当复杂的，酒精的浓度很低，所以应该对酒精进行提纯处理，将其从混合液中分离开来才能够进行使用。酒精存在着沸点低的特点，并且极易挥发，所以在具体的操作中，采用蒸馏的方式来进行提纯。首先控制温蒂，让温度达到酒精的沸点，但是发酶液没有沸腾，这样就可以让酒精挥发，然后经过冷凝设备把酒精从蒸汽变回液体，就得到了高纯度的酒精。但是出于安全性的考虑，设置温度的时候要适中，不宜过高也不宜过低。传统的双塔蒸馏方式虽然有着不错的效果，但是因为能耗太高而被取代，现在采用的是三塔式蒸馏工艺。
结束语
我国是个农业大国，玉米在我国有着广泛的种植，因此，玉米秸秆的产量十分巨大，如果没有对其进行旧有的方式来进行处理，以堆积腐烂和焚烧为主的方式，那么在浪费了资源的同时，还给自然环境带来了大量污染。目前玉米秸稈酿制酒精的技术也已经日趋成熟，在生产过程中遇到的诸多细节问题还有待于进一步的研究来进行优化。技术会继续发展、继续完善，所以利用玉米秸秆来酿制酒精的技术也会更加成熟起来，最终一定可以在解决能源问题和环境问题上有所作为。
参考文献
[1]李关富.浅谈玉米燃料酒精生产中的节能减排[J].广州化工，2013（04）.
[2]张绪霞，董海洲，侯汉学，刘传富.燃料酒精制备及其开发前景[J].粮食与油脂，2006（02）.
[3]徐惠娟，王世锋，龙敏南.燃料酒精生产的研究进展[J].厦门大学学报（自然科学版），2006（S1）.
摘 要：玉米是一种高产作物，受到全世界范围内人们的喜爱，在种植中产生了大量的玉米秸秆。玉米秸秆资源丰富，可以再生，所以属于绿色资源。本文从玉米秸秆制备酒精的几个环节入手，对预处理、水解和接下来的发酵和蒸馏展开了具体的探讨。
关键词：玉米秸秆；酒精发酵；预处理
目前世界范围内工业产业发展迅速，对各种能源的需求量在不断增加，以酒精来替代石油这个话题由来已久，近年来在国内外成为了一个非常热门的话题。当前，玉米和淀粉等原料都可以作为燃料酒精，这些技术已经成熟了，并且已经开始大规模生产，但是从长远看来，因为玉米属于一种食物，能够极大缓解粮食问题，所以不应该大量使用玉米来进行燃料酒精的生产，但是为了缓解对能源紧张问题，全世界都在对可再生资源生产液体燃料的解决办法。玉米秸秆资源丰富，并且可再生，用这种资源生产酒精已经引起了越来越多的关注。但是目前技术尚不成熟，在科研能力和经济实力上都还存在着一定的困难。当前的情况是，玉米秸秆的利用率极低，大多数都被堆积起来，或者进行焚烧了，这对环境造成污染的同时也形成了浪费，这是在我们国家极为普遍的一种状况。直接进行焚烧，获得的热效率很低，大概只有十分之一，如果能将玉米秸秆进行提纯，转化成真正的燃料，那么热效率就会大大提升，一来能够对能源危机有所缓解，二来也可以对一定程度上解决环境污染的问题，给人类带来了可持续发展的保证。玉米秸秆在成分上主要有以下几种，纤维素、半纤维素以及木质素，如果对其经过水解，其中的纤维素和半纤维素都可以分解成糖分，糖分经过发酵就可以酿制成酒精。本文主要介绍这些具体的工艺流程。
1 原料预处理
玉米秸秆的结构较为复杂，纤维素、半纤维素被木质素包围，严重影响纤维素等的降解效率，水解之前应进行预处理。经预处理，纤维素和半纤维素及木质素分离开，聚合度较低，从而提高了玉米秸秆纤维素的水解糖化效率。目前普遍采用的预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法、生物法四种。物理法主要采用机械粉碎、超声波处理和蒸汽爆破等物理方法，该方法预处理污染小，操作简单，但是能耗大，成本较高。化学法主要采用酸、碱或者有机溶剂等对玉米秸秆进行预处理，破坏纤维素与木质素之间的晶体结构，打破木质素对纤维素的包裹。该方法成本较低，但易产生化学污染。物理化学法是指在对玉米秸秆的预处理过程中同时采用物理和化学两种方法，二者相结合可提高玉米秸秆的预处理效率。如通过汽爆方法和化学添加剂相结合，不仅可以加快预处理速度，也能尽量降低环境污染。生物法主要通过微生物作用于玉米秸秆，达到分离纤维素和木质素的目的，该种方法不仅效率高而且能在正常条件下进行，节约成本，是一种有潜力的预处理方法。
2 纤维素水解
玉米秸稈经预处理后，纤维素只有分解成糖可进行发酵成酒精，这个过程被称为纤维素的水解过程。目前玉米秸秆纤维素的水解工艺主要有酸法水解和酶法水解两种，水解后纤维素和半纤维素的氢键被破坏，分解成单糖供发酵过程。
2.1 酸法水解
酸法水解主要以硫酸作为催化剂对玉米秸秆中纤维素进行分解。包括稀酸水解和浓酸水解两种。稀酸水解通常采用0.2%-0.5%的稀硫酸水解纤维素，优点是反应条件温和，设备要求较低，但反应过程中产生大量副产物且产糖率低。浓酸水解的优点是产糖率较稀酸水解高且反应过程副产物少，但反应时间较长，腐蚀性强，不仅对反应设备要求较高，而且硫酸回收工艺复杂。
2.2 酶法水解
酶法水解利用纤维素复合酶分解玉米秸秆中的纤维素，纤维素酶包括葡聚糖酶和纤维二糖酶。水解过程中葡聚糖酶先将纤维素分解为纤维二糖，纤维二糖再在纤维二糖酶的作用下分解成葡萄糖供发酵过程使用。酶法水解相对酸法水解反应条件温和，催化效率高且能耗低，纤维素酶的专一性高，产物单一，副产物相对较少。但酶法水解中酶的固定化程度困难，反应过程中酶的消耗量较高，导致成本较高。
3 酒精发酵
酒精发酵的最终目的就是让水解中产生的葡萄糖通过发酵转化为酒精，发酵方法主要有以下几种：
3.1 直接发酵法
直接发酵法就是直接利用纤维分解细菌发酵纤维素生产酒精，此方法不需要经过酸法水解和酶法水解预处理过程。采用适合酒精发酵的生产菌株是直接发酵法的技术关键，但目前国际上还未找到一种既具备分解纤维素又能发酵成酒精的优良菌株，一般利用热纤梭菌和热硫化氢梭菌混合菌直接发酵，前者主要将纤维素分解成单糖但乙醇产率较低，后者主要将单糖转化为酒精但不能分解纤维素。
3.2 间接发酵法
间接发酵法将玉米秸秆的发酵过程分为两步，是目前研究最多的方法之一。第一步利用纤维素酶将玉米秸秆中的纤维素分解成为单糖，分解后的糖作为后续发酵所需的碳源；第二步再利用酒化酶将单糖发酵成酒精。间接发酵方法正处在研究阶段，但应用到生产中的突出问题是第一步产生的单糖随着浓度的增加会反过来抑制第一步反应的进行，而第二步随着酒精浓度的增加也会抑制菌株的发酵能力，给发酵过程带来巨大影响。
3.3 同步糖化发酵法
同步糖化发酵法主要是为了解决间接发酵法面临的反馈抑制问题，两者原理相同。该方法最早由Gauss等提出，糖化和发酵同时在一个反应器内连续进行，将纤维素水解和酒精发酵同步进行，水解产生的葡萄糖由于发酵浓度降低，消除了高浓度糖对纤维素酶的抑制作用。同步发酵法的优点是简化了生产设备，节约了生产时间，消除了抑制作用，降低了生产成本，但反应过程中面临的最突出问题如何实现纤维素发酵和酒精发酵的条件兼容。
4 蒸馏提纯
玉米秸秆在进行发酵后会形成混合发酶液，混合液的成分是相当复杂的，酒精的浓度很低，所以应该对酒精进行提纯处理，将其从混合液中分离开来才能够进行使用。酒精存在着沸点低的特点，并且极易挥发，所以在具体的操作中，采用蒸馏的方式来进行提纯。首先控制温蒂，让温度达到酒精的沸点，但是发酶液没有沸腾，这样就可以让酒精挥发，然后经过冷凝设备把酒精从蒸汽变回液体，就得到了高纯度的酒精。但是出于安全性的考虑，设置温度的时候要适中，不宜过高也不宜过低。传统的双塔蒸馏方式虽然有着不错的效果，但是因为能耗太高而被取代，现在采用的是三塔式蒸馏工艺。
结束语
我国是个农业大国，玉米在我国有着广泛的种植，因此，玉米秸秆的产量十分巨大，如果没有对其进行旧有的方式来进行处理，以堆积腐烂和焚烧为主的方式，那么在浪费了资源的同时，还给自然环境带来了大量污染。目前玉米秸稈酿制酒精的技术也已经日趋成熟，在生产过程中遇到的诸多细节问题还有待于进一步的研究来进行优化。技术会继续发展、继续完善，所以利用玉米秸秆来酿制酒精的技术也会更加成熟起来，最终一定可以在解决能源问题和环境问题上有所作为。
参考文献
[1]李关富.浅谈玉米燃料酒精生产中的节能减排[J].广州化工，2013（04）.
[2]张绪霞，董海洲，侯汉学，刘传富.燃料酒精制备及其开发前景[J].粮食与油脂，2006（02）.
[3]徐惠娟，王世锋，龙敏南.燃料酒精生产的研究进展[J].厦门大学学报（自然科学版），2006（S1）.