玉米秸秆生产燃料乙醇技术
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其 他 预 处 理 方 法 主 要 包 括 研 磨 、酸 处 理 、碱 处 理 和 微 生 物 处理。研磨可以使物料尺寸和聚合度变小， 结晶度降低， 有利 于纤维素酶的作用。但要达到好的效果， 需要将物料粉碎到 ４００ 目甚至更小， 能耗很高， 不适合工业生产应用［５］。酸处理一 般用 ２％ 硫酸在 １００℃进行处理， 可以较好的溶解半纤维素， 但产物的水解转化率不高。碱处理可以使木质素裂解， 半纤维 素部分溶解， 纤维素结晶度降低， 水解率也比较理想。但玉米 秸秆密度低， 当悬浮液 浓 度 为 ４％￣５％ 时 已 经 太 厚 ， 不 利 于 搅 拌和传送， 这样低的浓度对乙醇回收来说是不经济的。微生物 处理是利用自然界中的微生物分解木质素， 得到纤维素晶体， 反应条件温和， 而且副反应和抑制性产物较少， 但同时具有高 木 质 素 分 解 活 力 和 低 纤 维 素 酶 活 力 的 菌 种 较 难 选 育 ［５］。
蒸汽爆破法是纤维质材料最常用的预处理方法之一。这 种方法的原理是先在几十个大气压下， ２００￣２５０℃饱和水蒸气
· ５６ ·
第五期
酿
酒
２００６
中对原料处理数十秒至数分钟， 然后瞬间降至常压［８］。其原理 是高温高压造成木质素的软化， 瞬间减压会使纤维素晶体和 纤维束爆裂， 从而使木质素和纤维素得到分离。
利用浓酸和稀酸的水解反应又有所不同。浓酸法一般采 用浓硫酸， 其水解过程是纤维素→酸复合物→低聚糖→葡萄 糖［９］。浓硫酸水解法有回收率高、副产物少的优点， 但浓酸须回 收再利用， 工艺较为复杂， 而且浓硫酸腐蚀性强， 处理较为困 难。稀酸法一般采用稀硫酸或稀盐酸， 其水解过程为纤维素→ 水 解 纤 维 素 →可 溶 性 多 糖 →葡 萄 糖 ［９］。稀 酸 水 解 法 的 转 化 率 低 （ 约为 ５０％） ， 而且会产生大量的副产物。
玉米秸秆的化学组成如表一所示： 玉米秸秆中的纤维素和半纤维素可用作燃料乙醇的生 产。但玉米秸秆中有难以降解的木质素包裹， 使纤维素、半纤 维素的水解变得异常困难， 这构成了木质纤维材料利用的重 大障碍。必须利用有效的预处理方法， 破坏木质纤维素的高级
收稿日期： ２００６－ ０５－ １８ 作者简介 ： 张 迪（１９８２－ ）， 男 ， 辽 宁 营 口 人，在 读 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究内容为农业废弃物的综合利用。 河南省杰出人才创新基金资助项目。项目编号： ０６２１０００９００。
美 国 陆 军 Ｎａｔｉｃｋ 研 发 指 挥 部 研 制 了 Ｎａｔｉｃｋ 酶 水 解 工 艺 ， 以城市废纤维垃圾为原料， 以里氏木霉（ Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ） 诱 变得到的 Ｒｕｔ Ｃ－ ３０ 为产酶菌株， 间歇发酵产酶率达 １２５ＩＵ／（Ｌ· ｈ）。酶水解间歇进行， ２４ｈ 完 成 ， 水 解 酶 用 量 为 １３５ＩＵ／ｇ 纤 维 素； 水解液中葡萄糖浓度为 １０％ ， 水解率为 ４５％ ［５］。美国加州 大学 Ｂｅｒｋｅｌｅｙ 分校流程采用里氏木霉 ＱＭ－ ９４１４ 为产酶菌株， 以玉米芯为原料。玉米芯水解率为 ４０％ ， 水解液中糖 浓 度 为 ２．６％ ， 采用多效蒸发器浓缩至含糖 １１％ 。而且水解液中残存 的酶可回收， 回收率达 ５８％ ［５］。这两种工艺流程都可以作为玉 米秸秆酶水解工艺的参考。
根据玉米秸秆的结构和乙醇生产的原理， 可以确定燃料 乙醇的生产流程， 该流程可描述如下：
玉 米秸秆→ 预处理 纤维素、半纤维素→ 水解 葡萄糖（木糖、 半乳糖等）→ 发酵蒸馏 燃料乙醇 ２ 预处理方法
预处理的主要目的是分离出被木质素包裹着的纤维素和 半纤维素。对玉米秸秆而言， 部分半纤维素以共价的形式和木 质素结合， 而纤维素则具有晶体结构。预处理的目的是切断氢 键， 破坏纤维素的晶体结构， 降低聚合度， 使纤维素、半纤维素 得到分离［５］。一个好的预处理方法， 不仅要有较好的分离效果， 而且要得到较高的水解转化率。近年来， 研究较多且公认效果 较好的预处理方法主要有湿氧化法和蒸汽爆破法。 ２．１ 湿氧化法（ Ｗｅｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）
一般认为是纤维素大分子首先在内切酶和外切酶的作用下降 解成纤维二糖 ， 纤维二糖酶将其进一步水解得到葡萄糖［４］。
半纤维素酶， 即木聚糖酶系包括内切型 β－ １，４－ 木聚糖 酶， 外切型 β－ 木糖苷酶及几种辅酶， 如糖苷酶和酯酶［１０］。内 切型 β－ １，４－ 木聚 糖 酶 使 木 聚 糖 降 解 为 木 寡 糖 ； 外 切 型 β－ 木糖苷酶通过切割木寡糖的末端而释放木糖残基； 糖苷酶可 从木聚糖主链上移除阿拉伯糖和 ４－ Ｏ－ 甲基葡萄糖 酸 ； 而 酯 酶可水解连在木聚糖木糖单元和醋酸之间或阿拉伯糖侧链残 基和酚酸之间的酯， 从而将半纤维素水解成木糖， 阿拉伯糖等 五 碳 糖［１１］。
结构， 才能使纤维素和半纤维素生产乙醇成为可能［４］。
表１
玉米秸秆的化学组成
组分名 纤维 半纤
称
素 维素
木质 素
脂酸 可溶出 灰分
盐 物质
其他
干基含 ３７．３ ２０．６ １７．５ ２
量（ ％）
１３ ６．１ ３．５
经过有效的预处理后， 纤维素和半纤维素被分离出来， 可 利用酸或酶将它们水解成葡萄糖和木糖， 再利用酵母发酵， 蒸 馏 后 即 可 得 到 乙 醇 ［５］。
总的来说， 酸水解法需要耐酸、耐压的设备。稀酸水解法 成本低， 但水解效果不够理想； 而浓酸水解法尽管效果稍好， 但工艺复杂， 成本较高。 ３．２ 酶水解法
采用纤维素酶和半纤维素酶进行水解是一种高效的水解法。 纤维素酶是一种多组分的复合酶。它包括内切型葡聚糖 酶 、外 切 型 葡 聚 糖 酶 和 纤 维 二 糖 酶 三 种 主 要 成 分 。其 水 解 机 理
摘 要： 玉米秸秆经预处理后可得到纤维素和半纤维素， 用酸或酶将其水解成单糖， 再进行发酵就可以生产燃料
乙醇。对玉米秸秆生产燃料乙醇的原料预处理、水解产生可发酵单糖和乙醇发酵等技术方法进行了综述。
关键词： 玉米秸秆； 预处理； 水解； 发酵； 燃料乙醇
中图分类号： ＴＳ２６２．２；ＴＳ２６１．４
文 献 标 识 码 ：Ｂ
玉米秸秆的主要成分是植物细胞壁， 而植物细胞壁是由 纤维素、半纤维素和木质素组成的。纤维素是一种直链多糖 ， 由 １００－ １０００ 个 β－ Ｄ－ 吡 喃 型 葡 萄 糖 以 β－ １，４ 糖 苷 键 连 接 而成， 水解纤维素可得到葡萄糖。半纤维素主要由木糖、半乳 糖和甘露糖组成， 可被水解为五碳糖。木质素是一种高分子芳 香族化合物， 不能水解成糖， 但可用作燃料［３］。
秸秆是农业生产中的重要废弃物， 主要包括玉米秸秆、小 麦秸秆和稻草， 其中玉米秸秆的产量较高。据统计， 我国 ２００５ 年 玉 米 产 量 为 １．３３ 亿 吨（ 数 据 来 源 ： 农 业 部 网 站） ， 玉 米 秸 秆 产量约为 ２．２ 亿吨。当前， 仅有少量玉米秸秆被用于
造纸、建筑和纺织等行业， 绝大多数玉米秸秆被荒烧或抛 弃处理。这样不仅造成了这种资源的极大浪费， 也会引起严重 的环境污染。
综合来看， 利用湿氧化法或蒸汽爆破法对玉米秸秆进行 预处理是较为实际的， 工业生产应用的可能性较大。 ３ 水解方法
纤维素和半纤维素水解成糖的反应需要催化才能发生。 常用的催化剂包括无机酸和酶， 于是就产生了酸水解法和酶 水解法［８］。水解反应的机理是在催化剂存在的条件下， 纤维素 和半纤维素内部的糖苷键被水解， 而得到低分子糖类物质， 进 一步分解可以得到葡萄糖和木糖等。 ３．１ 酸水解法
湿氧化法对于玉米秸秆的处理是非常有效的， 只要用适 量的 Ｎａ２Ｏ３ 和 Ｏ２ 在 ２００℃左 右 处 理 ５￣２０ｍｉｎ， 就 可 以 得 到 高 纤 维 素 含 量 和 高 酶 解 转 化 率 的 固 体 纤 维 碎 片 ［６］。湿 氧 化 法 的 机 理是纤维素遇碱后膨胀 ， 碱 化 ， 但 结 构 不 发 生 变 化 ， 而 Ｎａ２ＣＯ３ 起缓 和 作 用 ， 能 够 防 止 纤 维 素 被 破 坏［６］， 木 质 素 和 半 纤 百度文库 素 溶 解在碱液中， 使纤维素得到分离。匈牙利 Ｅｎｉｋｏ 等人用这种方 法 于 １９５℃， １５ｍｉｎ， １２ｂａｒ Ｏ２， ２ｇ／Ｌ Ｎａ２ＣＯ３ 对 ６０ｇ／Ｌ 玉 米 秸 秆 进 行 预 处 理 ， 其 中 ６０％ 的 半 纤 维 素 和 ３０％ 的 木 质 素 被 溶 解 ， ９０％ 的固态纤维素被分离。这种方法的优点是产物纤维素纯 度高， 副产物少， 酶解转化率高达 ８５％ ［７］。 ２．２ 蒸汽爆破法（ Ｓｔｅａｍ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）
第 ３３ 卷 第 ５ 期 ２００６年９月
文章编号：１００２－ ８１１０（ ２００６） ０５－ ００５６－ ０３
酿酒 ＬＩＱＵＯＲ ＭＡＫＩＮＧ
Ｖｏｌ．３３．№．５ Ｓｅｐ． ， ２００６
玉米秸秆生产燃料乙醇技术
张 迪， 丁长河， 李里特， 洪 丰
（ 河南工业大学粮油食品学院， 河南 郑州 ４５００５２）
乙醇是重要的工业原料， 应用十分广泛。用乙醇作为燃料 具有能效高、清洁、安全、可再生等优点。当前全球资源危机 ， 油价持高不下， 寻找石油的合理替代物就得到了前所未有的 重视。从人类现有的技术看， 乙醇很有可能是未来的石油替代 品 ［１］。但 目 前 燃 料 乙 醇 主 要 是 由 玉 米 、甘 蔗 、薯 类 等 农 作 物 发 酵 得来， 使其生产成本过高， 无法得到广泛应用。必须寻找新的 生产原料和技术， 降低燃料乙醇的生产成本， 使其大规模应用 成为可能， 这是燃料乙醇生产的首要问题［２］。现在看来， 玉米秸 秆无疑是最合适的原料之一。如果利用玉米秸秆等农业废弃 物生产乙醇技术成熟， 并使乙醇的成本控制在合理的范围内， 用燃料乙醇代替石油也就为期不远了。这样不仅缓解了资源 危机和粮食危机， 对环境污染也有很重要的意义， 更为可持续 发展提供了保证。 １ 技术简介
常用的酸包括盐酸和硫酸。酸催化纤维素分解的机理如 下 ： 酸 在 水 中 解 离 出 氢 离 子 ， 纤 维 素 链 上 的 β－ １．４ 糖 苷 键 和 Ｈ３０＋ 接触， β－ １．４ 糖苷键上的氧接受一个 Ｈ＋， 使氧键 断 裂 ， 与 水反应生成羟基并放出 Ｈ＋， Ｈ＋ 可再次催化水解反应［８］。
酶水解法条件温和， 可在常压下进行， 这样就减少了能 耗。而且酶的催化专一性很高， 可形成单一产物， 有较高的产 率［１２］。根据以上这些优点， 酶水解法用于水解玉米秸秆中的纤 维质是非常合适的。 ４ 发酵工艺
玉米秸秆生产乙醇的发酵工艺具有特殊性， 原因是纤维 素和半纤维素水解会产生葡萄糖和木糖， 而葡萄糖和木糖会 对纤维素酶和半纤维素酶的酶解产生抑制作用， 从而影响水 解的效果［１３］。发酵工艺的关键问题在于如何将木糖和葡 萄 糖 同时转化为乙醇， 只有这样才能达到水解和发酵过程的最佳 效果。 ４．１ 发酵菌种
利用葡萄糖发酵乙醇技术成熟， 有大批优良菌种可以选 择， 其中酿酒酵母是工业生产乙醇中应用最为广泛的优良品 种［５］。另外， 运动发酵单孢菌（ Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ） 的研究较为引 人注目。这种菌是原核生物， 是厌氧菌， 但它的酶系统能高效 的将葡 萄 糖 转 化 为 乙 醇 ， 具 有 乙 醇 得 率 高 、耐 酒 精 能 力 强 、代 谢产物少等优点。因此， 利用运动发酵单胞菌发酵可以降低乙 醇 的 生 产 成 本 ［８］。
蒸 汽 爆 破 设 备 一 般 由 蒸 汽 发 生 器 、恒 压 反 应 器 、接 收 器 和 冷凝器几部分组成。首先将玉米秸秆放入反应器， 用蒸汽加 热， 然后打开反应器的底部阀门， 使反应器的压力降至常压， 固体和液体产物被收集到收集器底部， 气体产物从收集器顶 部排出。蒸汽爆破法的特点是秸秆的纤维素水解转化率高， 可 达 ７０％ ［４］； 废 气 中 仅 含 有 少 量 糠 醛 须 回 收 ， 对 环 境 影 响 很 小 。 但蒸汽爆破法需要消耗大量的蒸汽。 ２．３ 其他预处理方法
蒸汽爆破法是纤维质材料最常用的预处理方法之一。这 种方法的原理是先在几十个大气压下， ２００￣２５０℃饱和水蒸气
· ５６ ·
第五期
酿
酒
２００６
中对原料处理数十秒至数分钟， 然后瞬间降至常压［８］。其原理 是高温高压造成木质素的软化， 瞬间减压会使纤维素晶体和 纤维束爆裂， 从而使木质素和纤维素得到分离。
利用浓酸和稀酸的水解反应又有所不同。浓酸法一般采 用浓硫酸， 其水解过程是纤维素→酸复合物→低聚糖→葡萄 糖［９］。浓硫酸水解法有回收率高、副产物少的优点， 但浓酸须回 收再利用， 工艺较为复杂， 而且浓硫酸腐蚀性强， 处理较为困 难。稀酸法一般采用稀硫酸或稀盐酸， 其水解过程为纤维素→ 水 解 纤 维 素 →可 溶 性 多 糖 →葡 萄 糖 ［９］。稀 酸 水 解 法 的 转 化 率 低 （ 约为 ５０％） ， 而且会产生大量的副产物。
玉米秸秆的化学组成如表一所示： 玉米秸秆中的纤维素和半纤维素可用作燃料乙醇的生 产。但玉米秸秆中有难以降解的木质素包裹， 使纤维素、半纤 维素的水解变得异常困难， 这构成了木质纤维材料利用的重 大障碍。必须利用有效的预处理方法， 破坏木质纤维素的高级
收稿日期： ２００６－ ０５－ １８ 作者简介 ： 张 迪（１９８２－ ）， 男 ， 辽 宁 营 口 人，在 读 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究内容为农业废弃物的综合利用。 河南省杰出人才创新基金资助项目。项目编号： ０６２１０００９００。
美 国 陆 军 Ｎａｔｉｃｋ 研 发 指 挥 部 研 制 了 Ｎａｔｉｃｋ 酶 水 解 工 艺 ， 以城市废纤维垃圾为原料， 以里氏木霉（ Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ） 诱 变得到的 Ｒｕｔ Ｃ－ ３０ 为产酶菌株， 间歇发酵产酶率达 １２５ＩＵ／（Ｌ· ｈ）。酶水解间歇进行， ２４ｈ 完 成 ， 水 解 酶 用 量 为 １３５ＩＵ／ｇ 纤 维 素； 水解液中葡萄糖浓度为 １０％ ， 水解率为 ４５％ ［５］。美国加州 大学 Ｂｅｒｋｅｌｅｙ 分校流程采用里氏木霉 ＱＭ－ ９４１４ 为产酶菌株， 以玉米芯为原料。玉米芯水解率为 ４０％ ， 水解液中糖 浓 度 为 ２．６％ ， 采用多效蒸发器浓缩至含糖 １１％ 。而且水解液中残存 的酶可回收， 回收率达 ５８％ ［５］。这两种工艺流程都可以作为玉 米秸秆酶水解工艺的参考。
根据玉米秸秆的结构和乙醇生产的原理， 可以确定燃料 乙醇的生产流程， 该流程可描述如下：
玉 米秸秆→ 预处理 纤维素、半纤维素→ 水解 葡萄糖（木糖、 半乳糖等）→ 发酵蒸馏 燃料乙醇 ２ 预处理方法
预处理的主要目的是分离出被木质素包裹着的纤维素和 半纤维素。对玉米秸秆而言， 部分半纤维素以共价的形式和木 质素结合， 而纤维素则具有晶体结构。预处理的目的是切断氢 键， 破坏纤维素的晶体结构， 降低聚合度， 使纤维素、半纤维素 得到分离［５］。一个好的预处理方法， 不仅要有较好的分离效果， 而且要得到较高的水解转化率。近年来， 研究较多且公认效果 较好的预处理方法主要有湿氧化法和蒸汽爆破法。 ２．１ 湿氧化法（ Ｗｅｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）
一般认为是纤维素大分子首先在内切酶和外切酶的作用下降 解成纤维二糖 ， 纤维二糖酶将其进一步水解得到葡萄糖［４］。
半纤维素酶， 即木聚糖酶系包括内切型 β－ １，４－ 木聚糖 酶， 外切型 β－ 木糖苷酶及几种辅酶， 如糖苷酶和酯酶［１０］。内 切型 β－ １，４－ 木聚 糖 酶 使 木 聚 糖 降 解 为 木 寡 糖 ； 外 切 型 β－ 木糖苷酶通过切割木寡糖的末端而释放木糖残基； 糖苷酶可 从木聚糖主链上移除阿拉伯糖和 ４－ Ｏ－ 甲基葡萄糖 酸 ； 而 酯 酶可水解连在木聚糖木糖单元和醋酸之间或阿拉伯糖侧链残 基和酚酸之间的酯， 从而将半纤维素水解成木糖， 阿拉伯糖等 五 碳 糖［１１］。
结构， 才能使纤维素和半纤维素生产乙醇成为可能［４］。
表１
玉米秸秆的化学组成
组分名 纤维 半纤
称
素 维素
木质 素
脂酸 可溶出 灰分
盐 物质
其他
干基含 ３７．３ ２０．６ １７．５ ２
量（ ％）
１３ ６．１ ３．５
经过有效的预处理后， 纤维素和半纤维素被分离出来， 可 利用酸或酶将它们水解成葡萄糖和木糖， 再利用酵母发酵， 蒸 馏 后 即 可 得 到 乙 醇 ［５］。
总的来说， 酸水解法需要耐酸、耐压的设备。稀酸水解法 成本低， 但水解效果不够理想； 而浓酸水解法尽管效果稍好， 但工艺复杂， 成本较高。 ３．２ 酶水解法
采用纤维素酶和半纤维素酶进行水解是一种高效的水解法。 纤维素酶是一种多组分的复合酶。它包括内切型葡聚糖 酶 、外 切 型 葡 聚 糖 酶 和 纤 维 二 糖 酶 三 种 主 要 成 分 。其 水 解 机 理
摘 要： 玉米秸秆经预处理后可得到纤维素和半纤维素， 用酸或酶将其水解成单糖， 再进行发酵就可以生产燃料
乙醇。对玉米秸秆生产燃料乙醇的原料预处理、水解产生可发酵单糖和乙醇发酵等技术方法进行了综述。
关键词： 玉米秸秆； 预处理； 水解； 发酵； 燃料乙醇
中图分类号： ＴＳ２６２．２；ＴＳ２６１．４
文 献 标 识 码 ：Ｂ
玉米秸秆的主要成分是植物细胞壁， 而植物细胞壁是由 纤维素、半纤维素和木质素组成的。纤维素是一种直链多糖 ， 由 １００－ １０００ 个 β－ Ｄ－ 吡 喃 型 葡 萄 糖 以 β－ １，４ 糖 苷 键 连 接 而成， 水解纤维素可得到葡萄糖。半纤维素主要由木糖、半乳 糖和甘露糖组成， 可被水解为五碳糖。木质素是一种高分子芳 香族化合物， 不能水解成糖， 但可用作燃料［３］。
秸秆是农业生产中的重要废弃物， 主要包括玉米秸秆、小 麦秸秆和稻草， 其中玉米秸秆的产量较高。据统计， 我国 ２００５ 年 玉 米 产 量 为 １．３３ 亿 吨（ 数 据 来 源 ： 农 业 部 网 站） ， 玉 米 秸 秆 产量约为 ２．２ 亿吨。当前， 仅有少量玉米秸秆被用于
造纸、建筑和纺织等行业， 绝大多数玉米秸秆被荒烧或抛 弃处理。这样不仅造成了这种资源的极大浪费， 也会引起严重 的环境污染。
综合来看， 利用湿氧化法或蒸汽爆破法对玉米秸秆进行 预处理是较为实际的， 工业生产应用的可能性较大。 ３ 水解方法
纤维素和半纤维素水解成糖的反应需要催化才能发生。 常用的催化剂包括无机酸和酶， 于是就产生了酸水解法和酶 水解法［８］。水解反应的机理是在催化剂存在的条件下， 纤维素 和半纤维素内部的糖苷键被水解， 而得到低分子糖类物质， 进 一步分解可以得到葡萄糖和木糖等。 ３．１ 酸水解法
湿氧化法对于玉米秸秆的处理是非常有效的， 只要用适 量的 Ｎａ２Ｏ３ 和 Ｏ２ 在 ２００℃左 右 处 理 ５￣２０ｍｉｎ， 就 可 以 得 到 高 纤 维 素 含 量 和 高 酶 解 转 化 率 的 固 体 纤 维 碎 片 ［６］。湿 氧 化 法 的 机 理是纤维素遇碱后膨胀 ， 碱 化 ， 但 结 构 不 发 生 变 化 ， 而 Ｎａ２ＣＯ３ 起缓 和 作 用 ， 能 够 防 止 纤 维 素 被 破 坏［６］， 木 质 素 和 半 纤 百度文库 素 溶 解在碱液中， 使纤维素得到分离。匈牙利 Ｅｎｉｋｏ 等人用这种方 法 于 １９５℃， １５ｍｉｎ， １２ｂａｒ Ｏ２， ２ｇ／Ｌ Ｎａ２ＣＯ３ 对 ６０ｇ／Ｌ 玉 米 秸 秆 进 行 预 处 理 ， 其 中 ６０％ 的 半 纤 维 素 和 ３０％ 的 木 质 素 被 溶 解 ， ９０％ 的固态纤维素被分离。这种方法的优点是产物纤维素纯 度高， 副产物少， 酶解转化率高达 ８５％ ［７］。 ２．２ 蒸汽爆破法（ Ｓｔｅａｍ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）
第 ３３ 卷 第 ５ 期 ２００６年９月
文章编号：１００２－ ８１１０（ ２００６） ０５－ ００５６－ ０３
酿酒 ＬＩＱＵＯＲ ＭＡＫＩＮＧ
Ｖｏｌ．３３．№．５ Ｓｅｐ． ， ２００６
玉米秸秆生产燃料乙醇技术
张 迪， 丁长河， 李里特， 洪 丰
（ 河南工业大学粮油食品学院， 河南 郑州 ４５００５２）
乙醇是重要的工业原料， 应用十分广泛。用乙醇作为燃料 具有能效高、清洁、安全、可再生等优点。当前全球资源危机 ， 油价持高不下， 寻找石油的合理替代物就得到了前所未有的 重视。从人类现有的技术看， 乙醇很有可能是未来的石油替代 品 ［１］。但 目 前 燃 料 乙 醇 主 要 是 由 玉 米 、甘 蔗 、薯 类 等 农 作 物 发 酵 得来， 使其生产成本过高， 无法得到广泛应用。必须寻找新的 生产原料和技术， 降低燃料乙醇的生产成本， 使其大规模应用 成为可能， 这是燃料乙醇生产的首要问题［２］。现在看来， 玉米秸 秆无疑是最合适的原料之一。如果利用玉米秸秆等农业废弃 物生产乙醇技术成熟， 并使乙醇的成本控制在合理的范围内， 用燃料乙醇代替石油也就为期不远了。这样不仅缓解了资源 危机和粮食危机， 对环境污染也有很重要的意义， 更为可持续 发展提供了保证。 １ 技术简介
常用的酸包括盐酸和硫酸。酸催化纤维素分解的机理如 下 ： 酸 在 水 中 解 离 出 氢 离 子 ， 纤 维 素 链 上 的 β－ １．４ 糖 苷 键 和 Ｈ３０＋ 接触， β－ １．４ 糖苷键上的氧接受一个 Ｈ＋， 使氧键 断 裂 ， 与 水反应生成羟基并放出 Ｈ＋， Ｈ＋ 可再次催化水解反应［８］。
酶水解法条件温和， 可在常压下进行， 这样就减少了能 耗。而且酶的催化专一性很高， 可形成单一产物， 有较高的产 率［１２］。根据以上这些优点， 酶水解法用于水解玉米秸秆中的纤 维质是非常合适的。 ４ 发酵工艺
玉米秸秆生产乙醇的发酵工艺具有特殊性， 原因是纤维 素和半纤维素水解会产生葡萄糖和木糖， 而葡萄糖和木糖会 对纤维素酶和半纤维素酶的酶解产生抑制作用， 从而影响水 解的效果［１３］。发酵工艺的关键问题在于如何将木糖和葡 萄 糖 同时转化为乙醇， 只有这样才能达到水解和发酵过程的最佳 效果。 ４．１ 发酵菌种
利用葡萄糖发酵乙醇技术成熟， 有大批优良菌种可以选 择， 其中酿酒酵母是工业生产乙醇中应用最为广泛的优良品 种［５］。另外， 运动发酵单孢菌（ Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ） 的研究较为引 人注目。这种菌是原核生物， 是厌氧菌， 但它的酶系统能高效 的将葡 萄 糖 转 化 为 乙 醇 ， 具 有 乙 醇 得 率 高 、耐 酒 精 能 力 强 、代 谢产物少等优点。因此， 利用运动发酵单胞菌发酵可以降低乙 醇 的 生 产 成 本 ［８］。
蒸 汽 爆 破 设 备 一 般 由 蒸 汽 发 生 器 、恒 压 反 应 器 、接 收 器 和 冷凝器几部分组成。首先将玉米秸秆放入反应器， 用蒸汽加 热， 然后打开反应器的底部阀门， 使反应器的压力降至常压， 固体和液体产物被收集到收集器底部， 气体产物从收集器顶 部排出。蒸汽爆破法的特点是秸秆的纤维素水解转化率高， 可 达 ７０％ ［４］； 废 气 中 仅 含 有 少 量 糠 醛 须 回 收 ， 对 环 境 影 响 很 小 。 但蒸汽爆破法需要消耗大量的蒸汽。 ２．３ 其他预处理方法