玉米秸秆发酵法生产燃料酒精的研究进展

　　摘 要 　玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。玉米秸秆经过预处理，水解和发酵生成酒精。本文介绍了预处理，水解，发酵几个关键工艺的研究进展。  
　　关键词 　玉米秸秆；酒精；预处理；发酵

　　生物质能的研究已经成为一个热门的研究课题，对于中国，尤其东北等玉米主产区来讲，玉米秸秆是一种丰富的资源，利用玉米秸秆生产燃料酒精越来越受到重视[1-3]。
　　酒精是一种重要的工业原料，广泛应用于食品，化工、医药等领域，它可以部分或全部替代汽油，具有安全、清洁、再生等优点，酒精主要以糖蜜、薯类、谷物为原料发酵生产，在我国东北主要以玉米为原料，可是由于人口增长及酒精生产成本问题，以玉米为原料生产酒精难以为继，而利用丰富、廉价的玉米秸秆为原料生产酒精已成为必然趋势。在我国，玉米秸秆除了少部分被利用外，大部分以堆积、荒烧等形式直接倾入环境，造成极大污染和浪费，而且这种直接燃烧的方法热效率很低，只有10%左右，如果将它们转化成气体或液体燃料（酒精、氢气、柴油等）热效率可达30%以上。这样不但缓解人类所面临的资源危机，食物短缺，环境污染等一系列问题，也为人类持续发展提供了保证[4-7]。玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，经过预处理及水解后，纤维素和半纤维素可分解成糖，最后经发酵可转化为酒精，本文主要对这些问题做一概述。

　　1 玉米秸秆
　　我国玉米秸秆年产量大约2亿吨，玉米秸秆主要由植物细胞壁组成，细胞壁基本组成是纤维素、半纤维素、木质素[8]（表1），纤维素和半纤维素被木质素层层包裹，纤维素是一种有100～1 000?茁-D-吡喃型葡萄糖单体以?茁-1.4糖苷键连接的直链多糖，多个分子平行排列成丝状不溶性微小纤维，而半纤维素主要是木糖以及少量阿拉伯糖，半乳糖、甘露糖组成，而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物，半纤维素较易水解为五碳糖，纤维素较困难水解为六碳糖，而木质素一般作为燃料。

　　2 玉米秸秆生产酒精途径   
　　玉米秸秆中纤维素、半纤维素可作为酒精发酵原料[9-13]。

　　3 玉米秸秆预处理   
　　玉米秸秆结构复杂、纤维素、半纤维素不但被木质素包裹，而且半纤维素部分共价和木质素结合、纤维素具有高度有序晶体结构，因此必须经过预处理，使得纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断它们的氢键，破坏晶体结构，降低聚合度。常见预处理方法有以下几种（见表2）。

　　　
　　在这里主要介绍一下，近几年国内外研究比较热门的有效的预处理方法——蒸汽爆破法和湿氧化法。
　　3.1 蒸汽爆破法   
　　蒸汽爆破法是用蒸汽，将原料加热至200~240℃，维持30s~20min高温高压造成木质素的软化，然后迅速使原料减压，造成纤维素晶体和纤维束的爆裂，使木质素和纤维素分离。   
　　蒸汽爆破法的设备包括一个蒸气发生器，一个恒压反应器，一个接收器和一个冷凝器，反应器罐体是绝缘的以便使温度保持恒定。把玉米秸秆放入反应器中，利用蒸汽对玉米秸秆进行加热，加热后把反应器底部阀门打开，使反应器压力迅速降到大气压水平，固本及液体产物被收集到收集器底部的旋风分离器，气体产物通过收集器顶部进入冷凝器，在我国可采用北京林业大学赖文衡教授研究的间歇蒸汽汽爆器对玉米秸秆进行爆破处理，经这种爆破器爆破的玉米秸秆，纤维素水解转化率（ECC）可达70%以上，而且这种技术对环境影响轻微，汽爆废汽中含有少量糠醛可回收[14,15]。