利用作物秸秆发酵生产工业乙醇
利用作物秸秆发酵生产工业乙醇
随着化石能源的日益枯竭和环境问题的日益严峻，生物质能源作为可再生能源的重要组成部分，其开发和利用已成为全球关注的焦点。其中，利用作物秸秆发酵生产工业乙醇的技术因其环保、可持续的特点而备受关注。本文将详细介绍这一技术的原理、工艺流程及应用前景。
生物质能源概述
生物质能源是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的一切有生命可以生长的有机物质。它包括植物、动物和微生物，以及它们的废弃物。生物质能源是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，也是我国可再生能源发展的重点。
秸秆发酵生产乙醇的机理
秸秆发酵生产乙醇的过程主要包括预处理、纤维素酶水解和发酵三个阶段。
预处理工艺
天然纤维素的高度结晶性和木质化阻碍了酶与纤维素的接触，因此必须通过预处理来降低纤维素的结晶度，增加纤维原料的多孔性，脱除木质素的保护作用，增加酶与底物的接触面积，从而提高酶解的效率。预处理方法主要包括物理法、物理化学法、化学法和生物法。
物理法：机械粉碎是最常用的纤维原料预处理方法，通过切、碾和磨等工艺使纤维原料的粒度变小，增加底物和酶接触的表面积，降低纤维素的结晶度。
物理化学法：蒸汽爆破是将木质纤维原料用160~260℃水蒸汽处理适当时间后，突然减压，蒸汽从反应釜中迅速喷出，使原料爆破。氨纤维爆破（AFEX）法与蒸汽爆破预处理类似，但避免了高温条件下糖的降解以及有害物质的产生。
化学法：稀酸预处理通常采用0.3
3%的H2SO4于110220℃下处理一定时间。碱法预处理利用木质素能够溶于碱性溶液的特点，脱除木质素，引起木质纤维原料润胀，导致纤维内部表面积增加，聚合度降低，结晶度下降。生物法：生物法预处理条件温和，能耗低，无污染，但通常处理的时间较长，而且许多白腐真菌在分解木质素的同时也消耗部分纤维素和半纤维素。
纤维素酶水解工艺
纤维素酶能水解植物纤维或经物理、化学方法处理过的纤维素（如CMC）的β-1,4糖苷键。纤维素酶的分类主要包括内切β-1,4葡聚糖水解酶（Cx）、外切β-1,4葡聚糖水解酶（C1）和β-1,4葡萄糖苷酶（Cb）。纤维素酶水解纤维素是各组酶（C1、Cx、Cb）协同作用的结果：
- 首先Cx酶在纤维素内部随机的切割，使其露出许多供外切酶作用的末端。
- 然后在C1酶的作用下生成大量纤维二糖和纤维寡糖。
- 最后Cb酶将它们进一步分解成葡萄糖。
发酵工艺
发酵过程主要包括三个阶段：发酵前期、主发酵期和发酵后期。在主发酵期，发酵菌种主要进行厌氧乙醇发酵。目前工业上生产乙醇应用的菌株主要是酿酒酵母，因为其发酵条件要求粗放，发酵过程pH低，对无菌要求低，以及其乙醇产物浓度高（实验室可达23%，v/v）。
乙醇生产成本估算
每吨无水乙醇的生产成本主要包括主要原辅材料、燃料及动力和其他费用。其中，主要原辅材料包括木糖渣和纤维素酶液，燃料及动力主要包括蒸汽和电力。
技术难点与展望
秸秆发酵乙醇的主要难题包括原料分散导致集运成本增加、组分复杂需要预处理、多酶体系效率待提高以及戊糖难以利用需要改造酵母。未来的发展方向包括扩大原料品种、联产产品种类以及建立植物全株综合精练技术示范企业。
实际应用案例
中国科学院过程工程研究所与吉林省松原市石化园区的公司合作完成的“万吨级秸秆酶解发酵丁醇产业化技术”和“万吨级秸秆酶解发酵乙醇产业化技术”项目，分别于2014年5月和8月通过了中国科学院长春分院组织的技术成果鉴定。鉴定委员会一致认为：这些项目“技术创新强，具有自主知识产权，达到国际领先水平”。
结语
秸秆发酵生产乙醇技术不仅有助于解决能源短缺问题，还能有效利用农业废弃物，减少环境污染。随着技术的不断进步和成本的持续降低，秸秆发酵乙醇有望在未来的能源结构中占据重要地位。