生物法制取纤维素乙醇技术

胡晶(康泰斯(上海)化学工程有限公司, 201203)

生物法制取纤维素乙醇技术

胡晶(康泰斯(上海)化学工程有限公司, 201203)

用生物法制取纤维素乙醇主要包括两个过程，首先是将纤维素水解生成发酵单糖，其次是通过微生物发酵生成乙醇。本文首先介绍了纤维素水解发酵的四种工艺，并对它们各自的制备原理、优点和局限性进行了分析。接着从制备原理、优缺点方面分析比较了生物质合成气发酵工艺。

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目前，我国在经济快速发展的同时，能源短缺和能源消费所引起的问题也成为人们所担忧的问题。如何能够获得无污染的可再生能源是重中之重。用生物法制取纤维素乙醇技术，不仅有广泛的原料来源，而且制作过程环保无污染，是最有前景的制作乙醇的方法。

1 纤维素的水解发酵工艺

(1)浓酸水解工艺 浓酸水解的原理是将结晶纤维素在较低温度下可以在浓硫酸溶液完全溶解为低聚糖。然后再在此基础上加水加热并稀释，经过一定的时间就可以水解为单个的葡萄糖了。浓酸水解有很大的优点，它可以溶解不同的的原料，回收率非常高，溶解速度也非常快。但是浓酸水解往往条件苛刻，对设备的要求极高，因此造成了成本高。而且浓酸用完之后一定要做好残余物的回收工作，不然极其容易造成严重的环境污染。

(2)稀酸水解工艺 稀酸水解主要是利用化学反应，它的原理是稀酸溶液中的氢离子是自由的，它可以与纤维素反应，从而破坏纤维素的稳定性，使其与水反应，从而实现纤维素长链的连续解聚，直到纤维素最终分解成为一个一个的葡萄糖单元。稀酸水解的优点是时间短，比较适合工业化生产，但是由于稀酸水解的产物不彻底，产生的糖会继续分解，影响糖收率。

因此为了减少单糖的分解，一般稀酸水解工艺不可以直接进行，要分为两个步骤。首先是分解半纤维素，分解条件为低温，产物以木糖为主。第二个步骤是分解纤维素，分解条件为高温，产物主要是葡萄糖。这一步的高温条件对设备的要求极高，因此稀酸溶解也不适合大产量的工业化生产。

(3)酶水解工艺 在化学反应中，酶是一种能促进反应进行的活性物质。在纤维素的酶水解工艺中最不可或缺的物质就是纤维素酶。纤维素酶并不是单一的一种酶，它是促进纤维素分解为单糖的一类酶的统称。主要包括内切葡萄糖酶、外切葡萄糖酶和纤维素二糖酶。在纤维素的水解过程中，这三种酶在不同的阶段发挥着不同的作用。纤维素的水解需要这三种酶的共同协同作用来完成。酶水解工艺相对于浓酸水解和稀酸水解工艺而言，因为它所需要的条件(如酸碱度和温度)都比较温和，因此对设备的要求不是很高。此外，它的转化效率也很高，无污染、无腐蚀。

酶水解工艺的缺点是反应速率慢无法实现大批量生产，而且由于纤维素自身的结构特点很稳定，一般的酶并不能直接接触纤维素表面。因此，必须先进行预处理来改变纤维素的结构，降低纤维素的结晶度和聚合度。

(4)其他水解发酵工艺 纤维素的复合水解发酵工艺是利用多种方法结合起来分解纤维素的。这种方法也是需要先对纤维素进行预处理，然后用多种方法结合的方式对纤维素和半纤维素进行发酵处理。复合水解方法可以根据纤维素的性质采取最优质的发酵方法，可以节省时间和原料成本。

2 生物质合成气发酵工艺

生物质合成气发酵工艺是在间接制备乙醇的过程中常用的一种工艺。第一个过程是热化学工艺，这个过程的目的是制备生物质合成气，它需要利用气化装置将生物质转化为富含一氧化碳、二氧化碳和氢气的中间气体，然后利用气体整合设备制成生物质合成气。第二个过程是生物发酵，主要是利用细菌的运用，将生物气在特定的发酵设备中转化为乙醇。

合成气发酵工艺过程简单，条件也比较温和，需要细菌等微生物的作用，它的原料来源特别广泛，既可以是单一的专门的原料，也可以是多种原料的复合物，比如腐烂的植物，人们平时日常生活中产生的垃圾以及煤炭等都可以是生物质合成气发酵工艺的原料。利用这种方法制备乙醇，一方面可以实现废物的重新利用，减少环境污染。另一方面它不需要昂贵的酶物质，也不需要苛刻的反应条件，过程比较简单。但是利用生物质合成气发酵工艺制备乙醇的技术条件在我们国家还不是太成熟，需要进一步的探究。

3 结语

如今，环境问题开始引起了人们的重视。用生物法制取纤维素乙醇工艺主要使用环保的方法制备燃料可以实现废物的回收利用。本文介绍了纤维素水解发酵的四种工艺，并对它们各自的制备原理、优点和局限性进行了分析，从制备原理、优缺点方面分析比较了生物质合成气发酵工艺。综合来讲，这些方法以目前的技术条件还有很大的局限性，不足以适用于工业化生产，因此，还应深入完善技术和工艺方法。

[1]石元春，汪燮卿，依伟伦.中国可再生能源发展战略研究—生物质能卷[M].北京：中国电力出版社 ，2008;106丛书——110.

[2]刘荣厚，梅晓岩，颜勇捷.燃料乙醇的制作工艺与实例[M].北京：化学工业出版社，2008：221-222.

[3]张素平，颜勇捷，任铮伟等.关于纤维素制取乙醇技术的思考[J].化学进展，2007,19(7/8):1129-1133.