張茂芬

（吉林燃料乙醇有限責任公司，吉林吉林132101）

　　摘要：玉米秸稈屬于再生資源的一種，并且具有原材料廉價和資源數量豐富的特點，主要由纖維素和木質素構成，秸稈在經過一定加工工藝后，如預處理、水解處理、發酵處理會分解產生乙醇，這種乙醇極其適合應用在工業燃料制作中。為此，本文分析了玉米秸稈的成分，以及其預處理、水解、發酵等相關加工工藝，旨在為玉米秸稈制備燃料乙醇提供技術參考。

　　現階段，全世界正在面臨較大的能源危機，而石油資源的日漸枯竭讓化工燃料生產行業陷入了瓶頸期，此時，酒精成為了潛力最大的替代品，為此，各大化工燃料生產企業開始將發展眼光投射在了燃料乙醇的制備上。而玉米秸稈則是制備燃料乙醇的良好原材料，應用秸稈制備燃料乙醇，不但能夠緩解能源危機，還能提高對秸稈的利用率，符合科學發展觀的要求。

　　1玉米秸稈成分分析

　　玉米秸稈的構成成分主要包括：纖維素、木質素、浸提物質、半纖維素、灰等。纖維素中含量最高的化學分子是脫水葡萄糖，可以判定纖維素為纖維二糖的化學單元重復體。

　　半纖維素主要包括木聚糖、葡聚糖、甘露聚糖，其中的短鏈多糖成分屬于易溶解于水的化學分子。木質素以苯丙烷為基本計量單位，屬于高分子方向化合物的一種，可以對水解纖維素形成良好的屏障。

　　2玉米秸稈的預處理操作

　　在玉米秸稈的細胞壁中，纖維素分子被包裹在半纖維素和木質素之間，并以網狀結構存在，并且纖維素本身具有質地密集的特征，將半纖維素和木質素當成保護層，此時，直接進行水解操作的成功率較低，因此，需要對玉米秸稈進行預處理，為接下來水解工藝的應用奠定基礎。下面將對玉米秸稈的預處理方式及其工藝進行進一步分析。

　　（1）物理預處理方式。物理預處理方式即對玉米秸稈進行機械性粉碎，也是最為原始和常見的預處理工藝，操作人員可以通過切、割、碾、磨等方式減少玉米秸稈原有的粒度，并增加秸稈顆粒底部和酶的接觸面積，進而降低纖維素的結晶程度。物理粉碎秸稈的方式有干粉粉碎、濕法粉碎、振動粉碎、壓縮粉碎幾種常見的處理方式。除了傳統的秸稈粉碎預處理方式外，新型的物理預處理工藝還包含了高溫處理和超聲波處理等。

　　（2）化學預處理方式。在玉米秸稈預處理中應用范圍最廣的化學預處理方式是蒸汽爆破，此工藝的應用流程如下：操作人員將秸稈放置在溫度160~260℃之間的水蒸氣中15min左右，然后突然降低操作設備中的氣壓，此時設備中的蒸汽會因壓強的迅速變化通過反應釜噴掃到設備的外圍，讓秸稈原料出現爆破，進而完成預處理。蒸汽爆破預處理工藝能加快纖維素的酶解糖化，縮短玉米秸稈預處理時間，但該處理裝置的費用較高，并且會消耗大量能源，如果操作溫度掌握不好，在操作過程中還會形成有害物質。氨纖維爆破技術是近年來一種新型的秸稈化學預處理工藝，其運行原理基本和蒸汽爆破相同，即將秸稈放置在高溫和高壓環境下，不同的是在此過程中添加了液氨處理環節，液氨的液化反應會帶來驟冷的效果，能夠在增加纖維度接觸面積的同時，避免在有害物質的產生。

　　（3）生物預處理方式。白腐真菌具有分解木質素的作用，因此，操作人員將此物質應用在了玉米秸稈的預處理中，有效降解了其中的木質素，進而加快了纖維素張茂芬·玉米秸稈發酵制備燃料乙醇生產工藝的思考的酶解速度，這種預處理方式便被稱為生物預處理工藝。生物預處理工藝具有溫和、環保、耗能少等優勢，但是處理的時間較長。

　　3制備燃料乙醇的水解工藝

　　（1）稀酸水解工藝。稀酸水解工藝中應用的稀硫酸濃度需要在0.2%~0.5%之間，并且在較為溫和的環境下進行，稀酸水解工藝的應用主要可以分為以下兩個步驟：第一，對秸稈進行低溫操作，將半纖維素中的糖分全部提取出來；第二，對秸稈進行高溫操作，促使纖維素中的糖分能夠水解成六碳糖，此過程糖分的轉換率基本能夠維持在50%。但是應用稀酸水解工藝的過程中，容易產生大量的副產物。

　　（2）濃酸水解工藝。濃酸水解工藝中應用的濃硫酸濃度需要在70%，水解溫度需要控制在50℃左右，水解時間大概在5h左右，首先被水解的是半纖維素，被水解的物質經過濃縮瀝干后會形成糖分。操作人員需要對半纖維素處理后的殘余物質進行脫水處理，然后將其在濃度為30%的硫酸溶液中浸泡2h左右，然后再進行脫水處理，并將其放置在70%濃度的硫酸中2h，此時，玉米秸稈中的糖分會和硫酸溶液中的化學物質發生離子交換反應，將水解分離出來的酸性物質放到蒸發器中進行進一步蒸發和濃縮，剩余的殘渣可以被應用到下一次的水解操作中。

　　濃硫酸水解工藝的顯著特點便是對糖分的利用率高，因此能夠充分利用纖維素和半纖維素中的糖分，且副產物較少，但是對硫酸的應用較多，因此，在大多數濃硫酸水解操作完成后，操作人員需要對硫酸進行回收再利用。除此之外，在水解過程中，硫酸經過了多次的分離和濃縮，這在極大程度上增加了水解操作流程的復雜程度，硫酸的腐蝕性也會隨著濃度的增加而提高，操作人員在應用濃硫酸水解工藝時，需要做好控制工作。

　　（3）酶水解工藝。就現階段玉米秸稈的水解工藝水平而言，酶水解是其中應用效果較顯著，且應用副作用較小的一種水解工藝。酶水解工藝的應用過程屬于生化反應，與上述兩種水解方式相比，此工藝可在常壓環境下進行，進而減少了對配置能源的消耗，并且應用在酶水解工藝中的酶具有較高的選擇性。目前，已經有國際上的生物學家對酶水解工藝進行了應用，其酶解纖維素的效率可達90%。但是酶水解工藝還處于不斷研究階段中，存在加工費用較高等缺陷，但是其基本成本隨著工藝科技含量的提高在逐漸減少，這推動了燃料乙醇配置行業的發展和進步。總之，酶水解工藝將不斷完善，并廣泛應用在玉米秸稈水解處理中。

　　4制備燃料乙醇的發酵工藝

　　發酵實際上是將葡萄糖轉換為乙醇的過程，從本質上來講，發酵是簡單的，在發酵物質中添加酒精酵母，并將發酵溫度控制在30℃左右，便可以完成乙醇制作。但是玉米秸稈中含有大量的半纖維素，上文提到過，此物質在水解反應下的產物是五碳糖，木纖維在水解反應下產生的物質是木糖。這說明，在玉米秸稈發酵過程中，木質纖維中的木糖能夠良好的發酵成乙醇，因此，木糖乙醇發酵效率一直被燃料乙醇制造廠家認為是玉米秸稈發酵的關鍵環節。

　　（1）分步水解發酵工藝。在此發酵模式引導下，秸稈的水解操作需要和發酵操作分開進行，此工藝的應用優勢是秸稈的水解操作和發酵操作可以在各自理想的環境及溫度條件下進行，即在45℃下酶解，在35℃下發酵。但是此工藝無法消除葡萄糖對纖維素酶的抵制作用。

　　（2）同步水解發酵工藝。此工藝將秸稈的水解和發酵放置在一個操作設備中進行，酶解過程反應生成的葡萄糖能夠被迅速利用，進而消除了葡萄糖對纖維素酶的抵制作用。但是此工藝存在酶解和發酵溫度不能統一的現象，為了中和兩種操作的溫度，操作人員一般將設備溫度控制在37℃左右。

　　（3）微生物發酵工藝。此工藝能夠將纖維素生產、纖維素糖化、葡萄糖發酵三個環節合并在一起完成，這樣能夠減少乙醇制造企業在容器配置上的投資費用。但是此工藝發酵出來的乙醇濃度較低，并且極易出現副產物，目前，應用在微生物發酵方式中的微生物主要有熱硫化氫梭菌和熱纖維端孢菌。

　　（4）固定細胞發酵工藝。此發酵工藝的應用能夠提高發酵罐中的細胞濃度，進而實現對細胞的連續應用，進而提高發酵乙醇的濃度，常見的固定細胞發酵物質有多空玻璃和卡拉膠。固定細胞的流動方向是混合細胞發酵，如酵母和纖維二糖酶的固化程度，此時，將纖維二糖看做基礎物質轉換為乙醇，便可以大幅度提高乙醇的濃度，因此，此發酵方式經常被應用在玉米秸稈處理中。

　　5結語

　　總之，燃料乙醇制造企業可以將廉價的玉米秸稈作為乙醇制造的原材料，但是秸稈預處理、水解、發酵工藝的完善和應用還存在較多問題，為此，操作人員需要深入對乙醇制造工藝的研究和應用，為燃料乙醇制造質量的提高奠定基礎。

　　參考文獻：

　　[1]柏爭艷.玉米秸稈發酵制備燃料乙醇生產工藝研究[D].浙江大學，2016.

　　[2]李振宇，李頂杰，黃格省，魏和榮.燃料乙醇發展現狀及思考[J].化工進展，2013,3207:1457~1467.