纤维质原料制备生物燃料乙醇

纤维素是地球上丰富的可再生的资源，每年仅陆生植物就可以产生纤维素约500亿吨，占地球生物总量的60%～80%。我国的纤维素原材料非常丰富，仅农作物秸秆、皮壳、茎，每年产量就高达7亿多吨，其中玉米秸（35%）、小麦秸（21%）和稻草（19%）是我国三大秸秆，林业副产品、城市垃圾和工业废物数量也很可观。我国大部分地区依靠秸秆和林副产品作燃料，或将秸秆在田间直接焚烧，不仅破坏了生态，污染了环境，而且由于秸秆燃烧的能量利用率低，造成资源严重浪费。

纤维质原料生产酒精工艺包括预处理、水解糖化、乙醇发酵、分离提取等（图3-5）。

图3-5　纤维素制酒精工艺流程

原料预处理包括物理法、化学法、生物法等，其目的是破坏木质纤维原料的网状结构，脱除木质素，释放纤维素和半纤维素，以有利于后续的水解糖化过程。

纤维素的糖化有酸法糖化和酶法糖化，其中酸法糖化包括浓酸水解法和稀酸水解法。

浓硫酸法糖化率高，但采用了大量硫酸，需要回收重复利用，且浓酸对水解反应器的腐蚀是一个重要问题。近年来，在浓酸水解反应器中利用加衬耐酸的高分子材料或陶瓷材料解决了浓酸对设备的腐蚀问题。利用阴离子交换膜透析回收硫酸，浓缩后重复使用。该法操作稳定，适于大规模生产，但投资大，耗电量高，膜易被污染。

稀酸水解工艺较简单，也较为成熟。稀酸水解工艺采用两步法：第一步，稀酸水解在较低的温度下进行，半纤维素被水解为五碳糖；第二步，酸水解是在较高的温度下进行，加酸水解残留固体（主要为纤维素结晶结构）得到葡萄糖。稀酸水解工艺糖的产率较低，而且在水解过程中会生成对发酵有害的物质。

纤维素的酶法糖化是利用纤维素酶水解糖化纤维素，纤维素酶是一个由多功能酶组成的酶系，有很多种酶可以催化水解纤维素生成葡萄糖，主要包括内切葡聚糖酶（又称为ED）、纤维二糖水解酶（又称为CHB）和β－葡糖糖苷酶（GL），这三种酶协同作用催化水解纤维素使其糖化。纤维素分子是具有异体结构的聚合物，酶解速度较淀粉类物质慢，并且对纤维素酶有很强的吸附作用，致使酶解糖化工艺中酶的消耗量大。

纤维素发酵生成酒精有直接发酵法、混合菌种发酵法、SSF法（连续糖化发酵法）、固定化细胞发酵法等。直接发酵法的特点是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产乙醇，不需要经过酸解或酶解前处理。该工艺设备简单，成本低廉，但乙醇产量不高，会产生有机酸等副产品。间接发酵法是先用纤维素酶水解纤维素，酶解后的糖液作为发酵碳源，此法中乙醇产物的形成受末端产物、低浓度细胞以及基质的抑制，需要改良生产工艺来减少抑制作用，固定化细胞发酵法能使发酵器内细胞浓度提高，细胞可连续使用，使最终发酵液的乙醇浓度得以提高。固定化细胞发酵法的发展方向是混合固定细胞发酵，如酵母与纤维二糖一起固定化，将纤维二糖基质转化为乙醇，此法是纤维素生产乙醇的重要手段。