【正文】 美國(guó)、巴西為代表的國(guó)家開始發(fā)展生物乙醇計(jì)劃，我國(guó)從 90 年代末期開始鼓勵(lì)生物乙醇發(fā)展。目前生產(chǎn)生物乙醇的原料有玉米、馬鈴薯等淀粉原料，甘蔗等糖質(zhì)原料，各類秸稈等纖維質(zhì)原料。進(jìn)入新世紀(jì)以來隨著對(duì)利用玉米，甘蔗，大豆等為原料生產(chǎn)生物乙醇技術(shù)的成熟掌握，生物乙醇的產(chǎn)量得到了迅猛發(fā)展。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示 1975 年全球生物乙醇產(chǎn)量?jī)H為 億加侖（ 1 加侖 = 升） 2021 年全球生物乙醇產(chǎn)量約為 44 億加侖，到 2021 年該數(shù)據(jù)已增長(zhǎng)至約 131 億加侖。而 2021 年以來這一數(shù)據(jù)仍在高速增長(zhǎng)。目前各國(guó)科技界 依然致力于各類生物原料生產(chǎn)生物乙醇的工藝技術(shù)研究，不斷開拓原料來源，優(yōu)化生產(chǎn)工藝技術(shù)。 美國(guó)是目前生物乙醇 產(chǎn)量最大和生產(chǎn)技術(shù)最為成熟的國(guó)家 ， 2021 年產(chǎn)量約為 58 億加侖 ，全國(guó)近 25%的玉米用于生產(chǎn)生物乙醇。 2021 年 1月 美國(guó) 提出的新 能源戰(zhàn)略，計(jì)劃到2021 將生物乙醇產(chǎn)量提高到 132 億加侖，到 2021 年 產(chǎn)量達(dá)到 350 億加侖。為促進(jìn) 本國(guó) 生物乙醇的生產(chǎn) 和 使用 ，美國(guó)政府對(duì)生產(chǎn)生物乙醇 生產(chǎn)使用 采取了一系列的政策優(yōu)惠和保護(hù)措施 。 包括 對(duì)生物乙醇生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行 直接補(bǔ)貼 ；對(duì)進(jìn)口生物乙醇進(jìn)行加收關(guān)稅； 對(duì)生物乙醇小規(guī)模生產(chǎn) 廠 商 實(shí)施稅 務(wù) 減免措施 。通過這一系列的鼓勵(lì)措施和實(shí)施一些相關(guān)能源法案，生物乙醇在美國(guó)得到了大力發(fā)展。 巴西是 全球第二大生物乙醇生產(chǎn)國(guó)也是全世界 最早生產(chǎn)生物乙醇燃料的國(guó)家 。 早 在2O 世紀(jì) 70 年代，巴西就開始實(shí)施生物 乙醇 燃料計(jì)劃，此后 ，由于 國(guó)內(nèi)消費(fèi)和出口 國(guó)外的需求 ， 推動(dòng)了 巴西本國(guó) 生物 乙醇 燃料產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)。目前，巴西使用的 生物 乙醇及其他可替代 可再生 能源占 到 其能源消耗總量的 44％。 遠(yuǎn)高于 世界平均水平。巴西是世界上第二大 的生物 乙醇生產(chǎn)國(guó) 同時(shí)也是世界 上最大 的 生物乙醇的 出口國(guó)。 2021 年巴西國(guó)內(nèi)生物乙醇產(chǎn)量為 億加侖，占世界總產(chǎn)量的 37． 3％。 2021 年 ,巴西乙醇燃料的總出口量 為9． 3 億加侖 ， 約占 巴 西總產(chǎn)量的 18％，占全世界總出口量的 50％。 在巴西， 幾乎所有的生物乙醇都是用甘蔗生產(chǎn)。經(jīng)過 30多年的不斷發(fā)展 ，巴西已經(jīng)掌握了較為先進(jìn)的生物乙畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 2 醇 生產(chǎn)技術(shù)與方法，再加上由于氣候條件適宜，巴西的甘蔗具有單產(chǎn)高、含糖量高的特點(diǎn)，其生物乙醇生產(chǎn)成本是全球最低的 。目前巴西仍舊不斷采取措施來鼓勵(lì)和推動(dòng)生物乙醇的發(fā)展。 我國(guó)作為發(fā)展中大國(guó)對(duì)能源需求極大，對(duì)能源供給極度重視，發(fā)展生物乙醇是我國(guó)尋求能源供給多元化的重要方式之一。據(jù)統(tǒng) 計(jì)到 2021 年我國(guó)生物乙醇產(chǎn)量約為 133 萬噸（約 億加侖）僅次于美國(guó)與巴西，并且近年來我國(guó)一直在鼓勵(lì)生物乙醇的發(fā)展，計(jì)劃在 2020年將產(chǎn)量提升至 1000 萬噸（約 33 億加侖）。我國(guó)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年農(nóng)業(yè)秸稈產(chǎn)量十分豐富，但大部分秸稈以堆積焚燒的形式浪費(fèi)掉了，這不僅導(dǎo)致了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，還帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。發(fā)展生物乙醇可以很好地解決這一問題，使得資源得到合理重復(fù)利用的同時(shí)解決了造成困擾的環(huán)境污染問題。意識(shí)到這一問題， 2021 年我國(guó)由中央政府投資近 50 億元 在吉林、 黑龍江 、河南和安徽省建立了 4 家 大型生物乙 醇生產(chǎn)企業(yè) ， 2021 年又 投資 在廣西 興建 了以木薯為原料的生物乙醇生產(chǎn)企業(yè) 。除此外，我國(guó)還出臺(tái)了一系列政策來鼓勵(lì)生物乙醇的發(fā)展，包括免除部分乙醇燃料的消費(fèi)稅；免除部分生物乙醇的生產(chǎn)稅；對(duì)生物乙醇生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行直接補(bǔ)貼等。 生物乙醇的生產(chǎn)原料發(fā)展現(xiàn)狀 生物乙醇的生產(chǎn)原料主要可以分為四類：以玉米 、 薯類為代表的淀粉質(zhì)原料，其生產(chǎn)出來的生物乙醇通常被稱為第 1代生物乙醇；以蜜糖 、 蔗糖 、 甜高粱等為代表的糖類原料，其生產(chǎn)出來的生物乙醇通常被稱為第 ；以農(nóng)作物秸稈 、 蔗渣 、 工廠纖維質(zhì)角料為代表的纖維質(zhì) 原料，其生產(chǎn)出來的生物乙醇通常被稱為第 2代生物乙醇；通過自養(yǎng)或異養(yǎng)的方式培養(yǎng)富含淀粉或糖類的微藻等微生物，然后將其中的淀粉糖類用于生產(chǎn)生物乙醇，該方法生產(chǎn)出來的生物乙醇通常被稱為第 3代生物乙醇。 在美國(guó)應(yīng)用最廣泛的是第一類原料即以玉米味原料生產(chǎn)生物乙醇，在巴西絕大部分的生物乙醇以甘蔗為原料生產(chǎn)。而在中國(guó)，發(fā)展第 1代和第 代生物乙醇會(huì)消耗大量糧食和飼料等。中國(guó)是全球人口最多的國(guó)家，人多地少，人均糧食產(chǎn)量很少，因此用糧食來發(fā)展生物乙醇顯然不太符合國(guó)家基本國(guó)情，而第 3代生物乙醇的發(fā)展目前仍在研究中，微藻類微生 物的培養(yǎng)仍需攻克很多難關(guān)。而在中國(guó)秸稈產(chǎn)量豐富，各類纖維質(zhì)物質(zhì)浪費(fèi)嚴(yán)重，因此將這些用來發(fā)展生物乙醇是符合我國(guó)目前的國(guó)情，第 2代生物乙醇在目前的中國(guó)是發(fā)展?jié)摿ψ畲?，最適合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的。 生物乙醇生產(chǎn)方法及步驟 不同原料用于生產(chǎn)生物乙醇的生產(chǎn)工藝方法有著不同的差異： （ 1） 淀粉質(zhì)原料 生物 乙醇發(fā)酵工藝 原料處理 → 蒸料 → 糖化曲制備 → 糖化 → 酵母制備 → 乙醇發(fā)酵 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 3 → 蒸餾 → 產(chǎn)品 （ 2） 糖質(zhì)原料乙醇 生物 發(fā)酵工藝 (糖蜜乙醇 ) 前處理 → 酵母制備 → 乙醇發(fā)酵 → 蒸餾 → 產(chǎn)品 （ 3） 纖 維素原料 生物 乙醇發(fā)酵工藝有水解發(fā)酵兩步法、 同時(shí)糖化發(fā)酵法（一步 法） 、固定化細(xì)胞發(fā)酵法等。 其基本工藝過程為 催化劑 酵母 ↓ ↓ 纖維原料 → 預(yù)處理 → 水解 → 發(fā)酵 → 蒸餾 → 產(chǎn) 品 本實(shí)驗(yàn)的研究是以纖維質(zhì)原料來生產(chǎn)生物乙醇的，因此本文只介紹以纖維質(zhì)原料生產(chǎn)生物乙醇的基本方法。由植物纖維原料制備生物乙醇主要有以下幾個(gè)核心步驟：原料預(yù)處理，水解（糖化），發(fā)酵。 原料預(yù)處理 植物秸稈大部分組分為植物細(xì)胞壁，纖維素、半纖維素、木素含量十分豐富。纖維素是天然高分子化合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)由很多的β — D— 吡喃葡萄糖基彼此以 1,4— β糖苷鍵鏈接而成，其 通式為 （ CH2O） n ， 纖維素經(jīng)水（酶）解能產(chǎn)生大量葡萄糖。半纖維素 主要是木糖及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖組成 ，其成分為五碳糖，較易經(jīng)水解轉(zhuǎn)變?yōu)槲逄继?。木素是具有三維結(jié)構(gòu)高分子化合物，由苯基丙烷結(jié)構(gòu)通過醚鍵和碳碳鍵鏈接而成，木質(zhì)素和半纖維素果膠質(zhì)等物質(zhì)一道以填充物和粘合劑的形式存在于細(xì)胞的微細(xì)纖維之間，是阻礙水解纖維 素的重要物質(zhì)。纖維素 、 半纖維素 、 木素是植物細(xì)胞壁的三個(gè)重要組成部分，也是地球上最豐富 、 最廉價(jià)的可再生生物質(zhì)原料資源。本實(shí)驗(yàn)的研究原料黃豆秸稈中纖維素占 %，半纖維素占 %， 木素占 %，抽出物占 %。為了除去抽出物，防止抽出物影響，使得實(shí)驗(yàn)效果更佳突出 、 明顯，實(shí)驗(yàn)中預(yù)處理之前通常還會(huì)對(duì)原料進(jìn)行苯醇抽提處理。 因?yàn)橹参锛?xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特征主要為以纖維素為骨架，半纖維素和木素為填充物，這些填充物對(duì)纖維素的水解起到很大的阻礙作用。因此， 原料預(yù)處理是制備生物乙醇 和其工業(yè)化生產(chǎn) 的 一個(gè) 關(guān)鍵步驟， 其目的 主要 是粉碎木質(zhì)素和半纖維素對(duì)纖維素 結(jié)構(gòu) 的保護(hù)，瓦解纖維素 自身 的晶體結(jié)構(gòu)， 除去阻礙水解糖化和發(fā)酵的生物質(zhì)內(nèi)在結(jié)構(gòu)。 使 得纖維素 與水解酶 能夠 充分接觸，達(dá)到良好的水解效果 ，并且后續(xù)發(fā)酵也能更好進(jìn)行 。因此，預(yù)處理是否合適 對(duì)后續(xù) 進(jìn)行 水解和發(fā)酵工藝意義重大。若預(yù)處理適當(dāng)，水解時(shí)所需 要的 酶的品種和用量 的 選擇空 間就 比較大，可以有效地降低生產(chǎn)成本 ，同時(shí)提高原料利用率。 工業(yè)上 評(píng)價(jià)預(yù)處理方法的有效性 主要 有以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn) ： 1，進(jìn)行 預(yù)處理前 是否 須對(duì)原料進(jìn)行粉碎處理 ； 2，是否 可以保留半纖維素中的 戊 糖結(jié)構(gòu) ； 3，是否能 有效限制對(duì)發(fā)酵過程具有抑制作用的物質(zhì)產(chǎn)生 ； 4， 能源消耗 多少。 目前，常用 于 預(yù)處理 的 方法主要 可以 分畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 4 為物理法、化學(xué)法、生物法以及其他 多種方法 聯(lián)用技術(shù)。其中物理法 預(yù)處理技術(shù) 主要包括蒸汽爆破、機(jī)械破碎、微波、超聲波等處理 方法 ，通過這些 預(yù)處理 方法處理原料可 以 有效地改變天然纖維素的結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué) 法預(yù)處理技術(shù) 主要包括酸、堿、臭氧和其他有機(jī)溶劑 預(yù) 處理，可 以有效 破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，打破木質(zhì)素 及半纖維素與 纖維素 之間 的連接。生物法 預(yù)處理技術(shù) 是利用可 以 降解木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的微生物 所 產(chǎn)生的 生物 酶來降解木質(zhì)素和溶解半纖維素。然而，上述方法無論從 目前的 技術(shù) 層面 還是 其 經(jīng)濟(jì)效益方面都不能使 各種生物質(zhì)原料 生物乙醇 得到 大規(guī)模生產(chǎn)。各國(guó)研究者 通過研究發(fā)現(xiàn)不同預(yù)處理方法存在不同的利弊，并且 針對(duì)不同 種類 的木質(zhì)纖維素類 原料 物質(zhì)提出不同 了 預(yù)處理方法 。以下分別介紹物理法 、 化學(xué)法 、 生物法預(yù)處理以及多種方法聯(lián)合使用用預(yù)處理的基本情況。 （ 1） 物理法 物理法有蒸汽爆破法、機(jī)械破碎、微波、超聲波處理等。蒸汽爆破法是 木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)在高壓水蒸汽中經(jīng)過短時(shí)間加熱，然后快速釋放壓力至大氣壓，從而使原料經(jīng)歷爆發(fā)性減壓過程。該過程導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)膨化破壞，有利于促進(jìn)下游的酶解環(huán)節(jié) 。機(jī)械破碎是利 用機(jī)械直接對(duì)纖維素類生物質(zhì)原料進(jìn)行處理，使得原料結(jié)構(gòu)被破壞。但是此兩種方法對(duì)于不同種類原料結(jié)果差異較大。 微波處理 時(shí) 原料一般 被 浸泡在 較 稀的化學(xué)試劑中，然后再利用微波處理一段時(shí)間。 有 研究發(fā)現(xiàn)，利用微波處理原料時(shí)最適宜的 浸泡 試劑是氫氧化鈉 的 稀溶液。 Binod 等 利用微波輔助進(jìn)行甘蔗渣預(yù)處理，在 450W 條件下，微波 堿處理 5 min后，去除 了 質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 90％的木質(zhì)素；通過 X衍射、掃描電鏡和傅里葉變換紅外光譜檢測(cè) 證實(shí)微波處理可以 有效 提高可發(fā)酵糖的產(chǎn)率。 而對(duì)于超聲波法， 盡管有關(guān)超聲波 預(yù) 處理木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的 相關(guān) 研究較 少，但已有研究表明，原料經(jīng)超聲波處理后，纖維素的糖化程度 得到了 明顯提高。超聲波 預(yù) 處理提高酶水解 的 產(chǎn)率可能是因?yàn)槌暡ㄌ幚韼淼臍馐倚?yīng)極大地促進(jìn)了酶分子向 原料 基質(zhì)表面的運(yùn)動(dòng) ， 而且，氣室的破碎提供了一個(gè)有利于酶促反應(yīng)的環(huán)境 條件 。 （ 2） 化學(xué)法 化學(xué)法主要有酸 、 堿預(yù)處理和有機(jī)溶劑預(yù)處理。 酸法預(yù)處理， 19 世紀(jì)，法國(guó)化學(xué)家 Braconnot 首先提出了濃酸處理的方法，但是濃酸會(huì)腐蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備且很難回收，而且纖維素水解轉(zhuǎn)化為糖的同時(shí)，有部分的糖會(huì)被進(jìn)一步反應(yīng)成糠醛等其他副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物會(huì)對(duì)后續(xù)的發(fā)酵過程產(chǎn)生 抑制作用。近年來，有大部分研究者對(duì)高溫、低酸濃和稀酸加催化的預(yù)處理方法進(jìn)行了大量的研究。高溫、低酸濃處理時(shí)，使得半纖維素發(fā)生降解，升高溫度能在保證處理效果的同時(shí)降低酸的用量，降低生產(chǎn)成本。但若要有效地破壞木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，往往需要較高的溫度 (160℃ 220℃ )，這就對(duì)設(shè)備有較高的要求，而且能耗也較高，此外所產(chǎn)生的抑制物也會(huì)明顯增加。為了在中低溫度下進(jìn)行預(yù)處理達(dá)到較高的酶解轉(zhuǎn)化率，可通過加入催化劑的方法。加催化劑稀酸處理的方法能有效溶出木素片段，使木質(zhì)素被脫除，同時(shí)有助于后續(xù)酶解轉(zhuǎn)化率。但是稀酸水解