纖維乙醇預處理工藝篩選＊

河南天冠企業集團有限公司車用生物燃料技術國家重點實驗室 程遠超 王林風 宋付耀

纖維乙醇預處理工藝篩選＊

河南天冠企業集團有限公司車用生物燃料技術國家重點實驗室 程遠超 王林風 宋付耀

當前，環境與發展問題受到國際社會的普遍關注，石油資源的日益短缺以及油品燃燒對環境造成的污染已成為許多國家調整能源政策的出發點，燃料乙醇是當前可行性最高的液體燃料替代方案 。纖維質燃料乙醇是目前世界各國研究開發的主要方向，但是在其產業化的進程中還存在很多問題，尤其是預處理工藝，對纖維乙醇的綜合成本及環境效益有著巨大的影響，本文，筆者通過對幾種常見預處理工藝進行研究、分析，篩選出了適合工業化生產的預處理工藝。

一、材料與預處理方法

1. 材料。原料：南陽本地產干龍須草。酶：湖南尤特爾生化有限公司提供。菌種：安琪高活性釀酒干酵母。

2. 方法。預處理：稀酸法，將龍須草粉碎成0.5cm以下碎屑，在稀硫酸溶液中煮沸一定時間；堿法，將龍須草粉碎成0.1cm以下碎屑，在氫氧化鈉和硫化鈉溶液中蒸煮一定時間；汽爆法，將龍須草切成10cm以下，投入耐壓罐中通蒸氣至一定壓力，保壓一定時間，在短時間內噴出；生物法，將龍須草切成20cm以下，加自來水拌至水分60～70wt%，用塑料薄膜覆蓋，曬3天，加入腐生菌種拌勻，用塑料薄膜覆蓋，曬1～2周。酶解發酵：高濃度補料酶解，時長60h；間歇攪拌厭氧發酵，時長72h。

二、結果討論

纖維素的預處理有物理、化學和生物法三種方法。適用的預處理方法必須達到以下要求：處理后物料的酶解轉化率較高；纖維素和半纖維素的損失較少；產生的酶解發酵抑制物較少；對環境的負面影響小并且可控制；成本低。目前研究較多的預處理方法有稀酸法、堿法、蒸汽爆破法和生物法。

將龍須草分別采用上述四種方法進行處理，然后將處理后物料分別進行從50L到20m3機械攪拌罐的酶解、發酵系列試驗，考察了處理后物料的工藝參數及對環境的影響因素，見圖1及表1、表2、表3。

圖1 不同預處理方法最佳酶解發酵結果

表1 預處理前后物料主要成分對比

表2 不同預處理方法條件及原料—乙醇轉化率

稀酸法處理可以降解半纖維素，得到木糖溶液和可酶解物料、但是對設備的耐腐蝕性要求較高，投入成本較高；木糖溶液中木糖含量低，有害物質較多；殘留木質素較多并與纖維素結合在一起，底物的酶解效率低，糖、酒濃較低。

堿法處理可以脫除部分木質素并保留大部分半纖維素，使纖維素潤漲，有利于酶與底物的結合，且底物的酶解轉化率較高，可以得到較高的糖度和酒度，但是產生的污水量太大，處理費用偏高。

汽爆法處理耗費時間短，產率高，底物酶解轉化率較高，對環境負面影響較小，但是物料中半纖維素大部分降解，產生大量抑制物。

生物法預處理條件溫和，底物的轉化率較高，對環境負面影響小，但處理時間長，占用空間大，對無菌程度、溫度、濕度和供氧要求苛刻。

三、結論

優化后的蒸汽爆破預處理具有以下特點： 原料纖維素結晶度和聚合度下降；半纖維素降解成單糖和寡糖；纖維素—半纖維素—木質素的結構被破壞，有利于處理原料與酶的結合 ，提高了原料的利用率。蒸汽爆破相對于酸堿預處理來說，對環境的負面影響較小，環保費用較低。因此汽爆法是目前纖維乙醇工業化生產最佳預處理工藝。

國家高技術研究發展（863）計劃（編號：2008AA10Z338-02）