玉米秸秆的利用

1、玉米秸秆简介

主要由植物细胞壁组成,基本成分为纤维素、半纤维素和木质素等。木质素将纤维素和半纤维素层层包围。

纤维素是一种直链多糖,多个分子平行排列成丝状不溶性微小纤维;半纤维素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成；木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成的高分子芳香族化合物。其中,木质素是一种燃料,半纤维素可水解为五碳糖,而纤维素水解为六碳糖比较困难。秸秆中的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，前两者可以降解为单糖用于发酵生产丁醇。但是纤维素的降解条件较为苛刻，需要消耗的大量纤维素酶才能使其有效降解，这样从秸秆中的己糖来生产丁醇就面临高成本的压力。而秸秆中的半纤维素较容易降解，使用稀酸处理的方法可以将半纤维素几乎全部降解为单糖

纤维素生物质是由纤维素(Cellulose 30-50%），半纤维素（Hemicellulose20-40%），和木质素（Lignin 15-30%）组成的复杂材料。纤维素分子是由n个葡萄糖苷通过β-1,4糖苷键连接起来的链状聚合体，纤维素大分子之间通过氢键聚合在一起形成纤维束。半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称，这类聚糖包括葡萄糖、甘露聚糖、半乳聚糖、木聚糖、阿拉伯聚糖以及果胶，而木聚糖占组分的一半以上。木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳~碳键连接而成的具有三维空间结构的高分子聚合物。半纤维素位于许多纤维素之

间，就像一种填充在纤维素框架中的填充料；而木质素是一种镶嵌物质，在纤维素周围形成保护层。

纤维素、半纤维素和木质素在不同原料中所占的比例各不相同，故利用的难易程度也会有差异。一些常见的植物纤维素各组分比例见表1.

表1 常见植物纤维原料的组成

木质纤维素原

料

纤维素

Cellulose（w%）

半纤维素

Hemicellulo

木质素

Lignin

Lignocellulo

se（w%）（w%）se

小麦杆[2]35~45 20~30 8~15

玉米杆[3]40 30 24

玉米纤维[4]19 29 8

稻壳[5]36 12 15

甘蔗渣[6]43 31 11

大豆杆[7]25 12 18

树木

硬木[8]40~55 24~40 18~25

软木45~50 25~35 25~35

新闻纸40~55 25~40 18~30

废纸60~70 10~20 5~10

纤维素生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。纤维素中的六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇，每一种植物的确切成分都不尽相同。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。一直以来，将纤维素生物质转化成乙醇是科学家们面对的巨大挑战。酸、高温等苛刻的条件都曾经被用来尝试将纤维素分子打断、水解成单一的糖。

随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。

纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。

1.2纤维素制取乙醇的基本原理

纤维素废弃物的主要有机成分包括纤维素、半纤维素和木质素三部分。前二者都被水解为单糖，单糖再经发酵生成乙醇，而木质素不能被水解，且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解[9]。

半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物, 聚合度较低, 也无晶体结构, 故较易水解。半纤维素水解产物主要是木糖, 还包括少量的阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖, 含量因原料不同而不同。普通酵母不能将木糖发酵成乙醇, 因此五碳糖的发酵成为研究的热点。

纤维素的性质很稳定, 只有在催化剂存在下, 纤维素的水解反应才能显著地进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶, 由此分别形成了酸水解和酶水解工艺, 其中的酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。纤维素经水解可生成葡萄糖, 易于发酵成乙醇。

木质素含有丰富的酚羟基、醇羟基、甲氧基和羰基等活性基团, 可以发生氧化、还原、磺甲基化、烷氧化和烷基化等改性反应。通过木质素改性和综合利

用, 可提取许多高附加值的化学产品, 为提高木质纤维素生产燃料

乙醇的经济性开辟了新的途径, 日益受到科技工作者得重视。

1.3纤维素制取燃料乙醇的关键技术

由于木质素、半纤维素对纤维素的包裹作用以及纤维索本身的结晶状态，天然形态的纤维素很难直接被微生物利用转化为乙醇，一般通过预处理、水解和发酵3个关键步骤，木质纤维素原料才能高效转化为乙醇。预处理可以破坏纤维素的结晶结构，去除木质素和半纤维素，扩大纤维素酶在纤维素表面上的接触面积；酶解过程是在纤维素酶的作用下将纤维素转化为以葡萄糖为代表的可发酵糖；再利用各种微生物发酵葡萄糖生成乙醇。

1.4纤维素制取燃料乙醇的生产工艺

目前用于生产木质纤维素燃料乙醇的工艺主要有四种：分步糖化和发酵（SHF）、同时糖化和发酵（SSF）、同时糖化和共发酵（SSCF）以及联合生物加工（CBP）。而其中最具应用前景的是SSCF和CBP，本文着重介绍的是SSCF。SSCF共分八个工段：进料feed handling，预处理pretreatment & conditioning，糖化与共发酵saccharification & co-fermentation，产品纯化production purification，废水处理wastewater treatment，储罐storage，燃烧器/锅炉/蒸汽轮机以及公用系统burner/boiler/turbogenerator and utilities。我们从中选出四个工段进行仿真，即预处理、发酵、产品纯化和废水处理。本文涉及到的是产品纯化过程中的核心设备的衡算，数据汇总，物料平衡及热量衡算。