秸稈高產燃料乙醇新工藝的研究

王培莉

(南昌市工業技術研究院，江西南昌 330006)

概述

能源作為現代社會賴以生存和發展的基礎，受到世界各國的廣泛關注。石油、煤炭、天然氣等化石燃料在價格不斷上漲，正面臨資源枯竭的危險，以及隨著溫室氣體排放的增多導致全球氣侯變暖等一系列問題的出現，各國不得不加速發展替代能源，其中生物乙醇需求和發展尤為顯著。生產生物乙醇的原料，目前主要是糧食和糖料，存在成本高與民爭糧，爭地等問題。從上世紀70年代起，許多國家開始用谷物、甘蔗、甜高粱以及其它植物秸稈開發可再生能源，用生物燃料替代車用汽油和柴油。在諸多的生物質能源中，以甘蔗、甜高粱的秸稈加工燃料乙醇工藝最簡單，也最經濟合算，其前景最廣闊。

利用秸稈生產乙醇，首先要對秸稈降解，能后進行乙醇發酵。由于秸稈成分和結構的特殊性，導致其難以降解，所以如何降解秸稈一直是轉化利用秸稈的關鍵所在，本項目采用一種環境友好性的節能方法——生物法降解木質纖維素，這樣可以避免酸堿廢棄物所造成的對環境的污染，也可以降低能耗。

1、工藝設計

圖 利用秸稈生產乙醇工藝設計

2、材料與方法

2.1 材料

秸稈粉:玉米秸稈，經粗粉碎干燥后用粉碎機粉碎，以40目篩過篩。

2.2 實驗方法

2.2.1 蒸氣爆破法預處理秸稈

稱取一定量的玉米秸稈粉，裝入蒸汽爆破裝置，通入高溫高壓蒸汽，在1.5MPa下維持6min后，收集渣液，水洗抽濾，測定濾液中的還原糖含量后計算糖產率。濾渣按干物料加入70u倌的纖維素酶進行酶解，測定酶解所得的還原糖產量。濾渣經系統方法測定半纖維素、纖維素和木質素的含量，計算各個組分的降解率。

2.2.2 壓力脈動固態發酵技術

購買的12個菌種，接種培養4天，待菌落直徑達到3tin以上，在菌落的邊緣打一個小孔，初步確定其產酶活性大小，獲得幾株產酶優勢菌種。將初篩的產酶活較高的菌種接種到復篩培養基中，培養7天后，進行酶活測定。將白腐菌接入酸水解后的玉米秸稈渣，觀察白腐菌的生長情況和測定木質素降解效果，比較不同白腐菌降解木質素的效果。經過初篩、復篩，將篩得的降解木質素效果最好的白腐菌菌種，通過對不同的接種量，不同的培養時間，不同固液比等條件考察，進行固態產酶條件的優化。

2.2.3 同步纖維素固相酶解與乙醇發酵

稱取一定量的經稀酸低溫預處理后的秸稈殘渣再經白腐苗固態發酵處理后的秸稈粉，按物料秸稈粉干重加入70u幢的纖維素酶，初始液固比為6:1在35℃下進行同步固態發酵，考察了接種量對乙醇產率的影響，接種量分別為 2.5%、5%、10%、15%、20%。

3、結果與討論

3.1 不同接種量的產酶情況

通過不同接種量接種于固態產酶進行了研究，從圖可以看出水質素過氧化物酶隨著接種量的增加而增加。

圖 接種量對產酶的影響

3.2 不同發酵時間的酶活變化

木質素過氧化物酶在培養的前面幾天產酶量在逐漸升高，在第9天達到產酶高峰，能夠達到240u/kg，但是第10天產酶迅速降低，這是由于隨著菌種的生長，其活力下降，產酶效果不斷衰落。

圖 不同培養時間對產酶的影響

3.3 不同液固比對產酶的影響

圖 不同液固比對產酶的影響

隨著固液比的增加，木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶的活性都呈現出上升的趨勢，當液固比達到5:1后，其酶活增長趨勢緩和。

3.4 纖維素酶酶解時間實驗

以稀酸水解后的秸稈為原料，纖維素酶酶水解糖產率在4～24h內增長迅速，24h后產率變化趨于平緩，故酶解時間取24h為宜。

圖 纖維素酶解曲線

3.5 接種量對發酵乙醇產率的影響

隨著接種量的增加，乙醇產率逐漸升高，在接種量為15%時最高，之后略有下降趨勢。

圖 接種量對發酵乙醇產率的影響

3.6 不同發酵時間對乙醇產率的影響

隨著發酵時間的延長，在4天時達到最高，之后處于延緩水平，隨著酵母代謝生成的乙醇和其他產物濃度的增高，代謝產物對酵母的抑制作用將越來越大。

圖 發酵時間對乙醇產率的影響

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