燃料酒精制备及其开发前景

许德长

摘要：燃料酒精是一种“绿色能源”，可以用含淀粉（玉米、小麦、和薯类等）、纤维素（秸秆、林木等）或糖蜜（甘蔗、甜高粱等）为原料经发酵蒸馏生产。现已成为发酵工程的研究热点之一。探讨了生产燃料酒精的主要原料、菌种、生产工艺等发展现状，分析了目前燃料酒精生产过程中需要解决的问题及发展趋势。

关键词：燃料酒精；发展进程；研究方向

燃料酒精即未加变性剂的、可做燃料用的无水乙醇。乙醇，又俗称酒精，它是以玉米、小麦、薯类、糖蜜等为原料，经发酵、蒸馏而制成。将乙醇进一步脱水后再加适量的变性剂可形成变性燃料乙醇，再与无铅汽油按一定比例混配就形成了燃料酒精。燃料酒精主要作为汽车燃料使用，是一种新型绿色清洁型燃料。在这种燃料中，乙醇既是一种能源，又是一种良好的汽油增氧剂和高辛烷值調和组分，用以代替四已基铅和甲基叔丁基醚。

燃料酒精作为一种新兴、无污染、可再生清洁能源，具有良好的发展前景。目前世界上许多国家都对燃料酒精及其生产技术进行了深人的研究，本文对燃料酒精的研究及应用状况做一综合性介绍。

1.纤维质原料生产乙醇的工艺技术

人类对纤维素的利用由来已久，在服装、化工、造纸、食品、燃料、饲料等方面都得到广泛应用，而近年利用纤维素制造生物燃料酒精已成为该领域最具发展前途的新技术之一。

通过生物发酵生产燃料酒精的工艺关键包括纤维素原料的预处理、纤维素的水解糖化和糖化产物的发酵。

1.1纤维素原料的预处理

由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素本身的结晶结构，天然的木质纤维素直接进行酶水解时，其水解程度是很低的，即纤维素水解成糖的百分率很低，一般只有10%～20%左右。为了提高水解率，对木质纤维素进行预处理是必要的。通过预处理来解除木质素和半纤维素等对纤维素的保护作用和破坏纤维素的结晶结构增加其表面积，以达到提高水解率的目的。

2.纤维素水解

植物纤维的水解主要是指纤维素和半纤维素的水解。纤维素实质上是一种己聚糖，半纤维素则主要是戊聚糖。主要水解方法有酸水解和酶水解。

3酸水解

纤维素的酸水解工艺又可分为浓酸水解、稀酸水解、序列水解等方法。无机酸催化纤维素分解的机理是：酸在水中解离并产生氢离子H+，后者进一步与水构成不稳定的水合氢离子，当纤维链上的β-1，4葡萄糖苷键和水合氢离子接触时，后者将一个氢离子交给β-1，4葡萄糖苷键上的氧，使得这个氧变成不稳定的四价氧。当氧键断裂时，与水反应生成两个羟基，并重新放出氢离子H+。后者可再次参与催化水解反应。由于溶液中游离氢离子浓度越高水解速度越快，故酸水解法多采用强酸。由于酸法水解需要耐酸、耐热、耐压特殊设备，水解所生成糖有可能发生进一步分解或聚合反应，水解同时还会产生一些抑制微生物生长的副产物，给后续酒精发酵带来困难，所以该法没有很好的应用价值和前景。

4纤维素发酵工艺

纤维素发酵生成乙醇的方法有直接发酵法、水解发酵二段法（（SHF）、同步糖化发酵（SSF）法、非等温同时糖化发酵法（NSSF）、固定化细胞发酵法等。

4.1直接发酵法

直接发酵法就是以纤维素为原料进行直接发酵，不需要进行酸解或酶解前处理过程。这种工艺设备简单，成本低廉，但酒精产率不高，而且易产生有机酸等副产物。

4.2水解发酵二段法（SHF）

将纤维素先用纤维素酶糖化，再经酵母发酵成酒精的方法，即所谓水解发酵二段法。这种方法可以分别使用水解和发酵各自的最适条件（分别为50℃和300C），但是在第一阶段中，纤维素降解产生的葡萄糖会对纤维素酶产生反馈抑制，而半纤维素水解糖化产生的木糖也会对纤维素酶产生抑制作用，影响纤维素的糖化。在第二阶段中，酒精发酵的末端产物会抑制与发酵相关的酶的活性，降低酒精得率，所以必须不断从发酵罐中移出酒精，另外较高的底物浓度也会对整个发酵过程产生抑制作用。

5.燃料酒精的研究方向

燃料酒精的价格比汽油贵约1000元/吨，且传统的酒精生产方法对环境的污染都较大。因此如何采用高科技技术以降低生产成本、减少生产过程中对环境的污染是今后燃料酒精的研究方向。目前许多国家已致力于这方面的研究，并取得不少进展。

5.1改进原有技术，降低成本，减少污染

瑞典Alfa-Laval实验室针对糖蜜原料，研究出了Biostill技术，Biostill酒精发酵工艺有两种：单发酵罐法及双发酵罐法。现以双发酵罐法为例简介流程。双发酵罐法为半连续酒精发酵工艺。糖蜜直接稀释后流加人发酵罐，并加人营养盐、消泡剂。无菌空气由压缩系统供给。菌种经三级扩大培养后接人发酵罐。发酵废气用稀释水清洗回收酒精。采用外循环板式冷却器冷却。一罐酵母活力衰竭后启用另一罐。成熟醒旋流分离及离心分离后，酵母回用，清液经预热后加人粗馏塔。

该技术具有下述优点：采用特殊的裂殖酵母，该菌株可在高渗透压下发酵，无需进行糖蜜预处理；酵母分离回用，使罐内酵母保持很高的浓度，加快发酵速度，提高发酵率；废液量少，为国内传统工艺的1/2-1/3。

5.2利用剩余粮食，提高发酵率，节省生产成本

目前很多国家已开始利用剩余粮食生产燃料酒精，因为这样不仅可以利用其价格低的优势，还可以推动农业产业化发展，增加农民收人。在中国，目前像玉米、甘薯、木薯等农作物相对过剩，价格较低，但生产工艺大多还是一些传统的发酵方法，出酒率不高，因此利用它们大规模化生产还需解决发酵率低的问题，这也是利用剩余粮食生产燃料酒精的研究方向之一。

5.3寻找廉价原料，研究新生产工艺

生产燃料酒精的原料不仅可以是糖蜜、淀粉，还可以是自然界大量存在的廉价的纤维素，但植物纤维素为原料生产燃料酒精的工艺中还存在若干亟待解决的技术难题，纤维素水解较难及生产成本高就是其中难点之一，因此改进纤维素酶的性质和纤维素水解方法也是今后研究方向之一。

结束语

综上所述，由于燃料酒精的应用可以带来巨大的经济、社会和环境效应，相信今后燃料酒精的生产领域将不断扩大，目前存在的问题都将一一解决，燃料酒精的研究领域和应用范围将会不断扩展，燃料酒精在可再生燃料市场中将占主要地位。

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