【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 其分支結(jié)構(gòu)使半纖維素?zé)o定形化，比較容易被水解成其組成的糖類 ， 但其所含的五碳糖不能被發(fā)酵利用， 含量約占總量的 20%～ 30％ 。 木質(zhì)素是以苯丙基為基本結(jié)構(gòu)單元連接而成的高分枝多分散性高聚物 ,非常難于被降解。纖維素是細(xì)胞壁的主要成份，在纖維素的周圍充填著半纖維素和木質(zhì)素，阻礙了纖維素酶同纖維素分子的直接接觸。 可用于轉(zhuǎn)化成酒精的生 物質(zhì)資源 除農(nóng)作物秸桿外，還 包括針葉材、闊葉材 、森林加工剩余物、農(nóng)林廢棄物以及城市纖維垃圾等，其原料成分 分析如表 1。 通過化學(xué)和生物化學(xué)的方法可將纖維素和半纖維素水解成單糖，繼而發(fā)酵成酒精。 （ 2）預(yù)處理 黑龍江省軍川農(nóng)場(chǎng)是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項(xiàng)目 8 表 1 植物纖維原料的組成 (單位：％，干基 ) 原 料 纖維素 戊聚糖 木質(zhì)素 苯醇提取物 灰分 玉米桿 稻 草 樺 木 紅 松 25 云 杉 。 植物細(xì)胞壁中，微纖絲被半纖維素和木質(zhì)素通過物理和化學(xué)作用所包裹，不利于纖維素酶對(duì)纖維素的進(jìn)攻，未經(jīng)預(yù)處理的植物纖維原料的天然結(jié)構(gòu)存在許多物理和化學(xué)的屏障作用 ，纖維素酶水解得率低，僅為 10%～ 20％左右 ，植物纖維原料在酶水解前必須經(jīng)過預(yù)處理，達(dá)到細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破壞 (包括破壞纖維素 木質(zhì)素黑龍江省軍川農(nóng)場(chǎng)是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項(xiàng)目 9 半纖維素之間的連接、降低纖維素的結(jié)晶度和除去木質(zhì)素或半纖維素 )、增加纖維素比表面積的目的，以便適合于纖維素酶的作用。植物纖維原料預(yù)處理的方法很多，包括物理法、化學(xué)法、生物化學(xué)法以及以上幾種方法的聯(lián)合作用，各種預(yù)處理的方法如表 2。 物理法預(yù)處理需要較多能量，預(yù)處理成本高，而且水解得率低；化學(xué)法預(yù)處理的不利因素是處理后的原料在產(chǎn)酶或酶解前需用酸或堿中和，產(chǎn)酶時(shí)間較長(zhǎng)；利用白腐菌預(yù)處理的 一個(gè)主要缺點(diǎn)是白腐菌在除去木質(zhì)素的同時(shí)分解消耗部分纖維素和半纖維素。因此，物理法、化學(xué)法、生物法都不適合作為工業(yè)化生產(chǎn)的 表 2 植物纖維原料的預(yù)處理方法 物理法 化學(xué)法 生物法 聯(lián)合法 射線處理 鹽酸水解 白腐菌 蒸汽爆碎法機(jī)械 磨碎法 硫酸水解 高溫機(jī)械磨碎法 醋酸水解 堿 機(jī)械磨碎法 氫氧化鈉 二氧化硫 蒸汽爆碎法 預(yù)處理方法。在各種預(yù)處理方法中，蒸汽爆碎法適合于植物纖維原料的預(yù)處理，在蒸汽爆碎過程中，物理和化學(xué)的作用使半纖維素 水解成單糖和寡糖，部分木質(zhì)素溶解而使得原料適合于纖維素酶的作用 。 黑龍江省軍川農(nóng)場(chǎng)是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項(xiàng)目 10 蒸汽爆碎預(yù)處理的機(jī)理目前還 不十分清楚，瑞典隆德大學(xué)的puri 認(rèn)為 ，在蒸汽爆碎過程中，醋酸自水解是一個(gè)十分重要的反應(yīng)。但 Brownell 等 發(fā)現(xiàn)半纖維素鏈上含乙?；^少的原料蒸汽爆碎 預(yù) 處理后酶水解仍能達(dá)到理想的效果。雖然植物纖維原料在蒸汽爆碎過 程中的詳細(xì)變化還不十分清楚，但在蒸汽爆碎過程中，將發(fā)生以下變化 ：細(xì)胞結(jié)構(gòu)破環(huán)；纖維素結(jié)晶度和聚合度下降；半纖維素通過自水解作用轉(zhuǎn)變成單糖和寡糖；纖維素 半纖維素 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)破壞；部分木質(zhì)素的 β 芳醚鍵斷裂且木質(zhì)素發(fā)生部分縮合作用。 （ 3） 纖維素酶及酶 水解 纖維素酶是降解纖維素成為其葡萄糖單體所需 的一組酶的總稱，它不是 單種酶，而是起協(xié)同作用的多組分酶系。一般認(rèn)為主要包括三類酶組分 ： 內(nèi)切葡聚糖酶 (EG)、 外切葡聚糖酶（ CBH）和 纖維二糖酶（ CB） 。 它們的水解機(jī)理是： EG 以隨機(jī)形式水解β 1， 4葡聚糖，作用于 較長(zhǎng)的纖維素鏈，對(duì)末端鍵的敏感性比中間鍵小，主要產(chǎn)物是纖維糊精 ； CBH 能從纖維素鏈的非還原端或者還原端一個(gè)一個(gè)地依次切下纖維二糖單位 ； CB 能水解纖維二糖和短鏈的纖維寡糖生成葡萄糖。 （ 4） 發(fā)酵 發(fā)酵 是在無氧條件下，微生物（即 酵母菌）分解葡萄糖等 有機(jī)物，產(chǎn)生酒精 和 二氧化碳等不徹底氧化產(chǎn)物 ,同時(shí)釋放出少量能量的過程 。 其化學(xué)反應(yīng)式為： C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP 黑龍江省軍川農(nóng)場(chǎng)是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項(xiàng)目 11 (放出能量 :118 kJ/mol) 文字式 為 ：糖（葡萄糖、果糖或蔗糖） → 醇類（乙醇） + 二氧化碳 + 能量 (ATP)。 對(duì)于纖維材 料的生物利用總的來說可分為二類：一類是先經(jīng)纖維素酶或半纖維素酶 水解產(chǎn)生葡萄糖、木糖等發(fā)酵性糖，再由另外一類微生物 (如酵母菌 )發(fā)酵產(chǎn)生乙醇等物質(zhì)，即二步發(fā)酵法 ；第二類是經(jīng)過一個(gè)步驟即可將 纖維性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇，其中又分為有二種 微生物參與的同時(shí)糖化發(fā)酵和僅用一個(gè)菌株的直接發(fā)酵法兩種。二步發(fā)酵法是先由微生物 (多數(shù)為絲狀真菌 )在纖維性材料上產(chǎn)生纖維素酶和半纖維素酶，然后進(jìn)行酶解纖維素、半纖維素產(chǎn)生糖，再由酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生乙醇 (即產(chǎn)酶、酶解、發(fā)酵三個(gè)步驟 )。這三個(gè)步驟所需要的條件各不相同 (如溫度 )，整個(gè)過程經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng) ，需要二種微生物的作用，在工藝上較復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)中很難應(yīng)用；利用二株菌的同時(shí)糖化發(fā)酵法與兩步法相比，可消除酶解時(shí)產(chǎn)物對(duì)酶解作用的抑制，縮短了發(fā)酵時(shí)間，但仍需二種微生物的分別作用，自 20 世紀(jì)八十年代以來，直接發(fā)酵法得到國(guó)內(nèi)外 同行的重視，它是僅利用一種微生物產(chǎn)生的纖維素酶和半纖維素酶酶解產(chǎn)生的糖仍由同一株菌來完成發(fā)酵的過程，此方法工藝簡(jiǎn)單，歷時(shí)短，對(duì)纖維性材料的生物法全利用有很大實(shí)際意義。 （ 5）蒸餾、脫水和變性 黑龍江省軍川農(nóng)場(chǎng)是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項(xiàng)目 12 蒸餾法是用來提高 液體 酒精度的一種工業(yè)生產(chǎn)方法，即 先給含水較多的酒精加熱 使它汽化，把蒸氣引出，再經(jīng)過冷凝管冷卻液化成純度較高的酒精溶液。是一種化工操作的基本方法。 脫水是將酒精由共沸物（含乙醇 %）提高至 %的加工過程。 這一過程的技術(shù)含量高，目前有 汽化膜脫水 、真空蒸餾 、化學(xué)反應(yīng)脫水 、 氣相分子篩脫水 、 三元共沸物 蒸餾脫水（稱 Melle法） 和 萃取蒸餾 等工藝。 乙醇變性 處理 是指加入 2%一 5%(v/v)的變性劑 (車用無鉛汽油 )后 ,使其 成為 與食用酒精相區(qū)別而不能飲用的燃料乙醇。 此外還要加入微量的金屬防銹劑。 （ 6） 污水處理 目前我國(guó) 以玉米為原料生產(chǎn) 燃料乙醇 的 過程中排出大量高濃度有機(jī)廢水，生產(chǎn) 1t 燃料乙醇 排放廢水約 1113t，其中 COD含量一般都在 8萬 12萬 mg/L，最高達(dá) 17 萬 mg/L；硫酸根濃度為 50008000mg/L，有的高達(dá) 萬 mg/L。如果以農(nóng)林廢棄物為原料生產(chǎn) 燃料乙醇 ，排放的廢 水量更大 。 較先進(jìn)的污水處理工藝是采用“厭氧、好氧結(jié)合”工藝對(duì) 生產(chǎn)和生活污水進(jìn)行治理，處理后排放出水的水質(zhì)達(dá)到國(guó)家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB89781996)中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 。 此工程包括：收集池、好氧工藝處理污水、發(fā)酵產(chǎn)沼氣，生產(chǎn)用 燃煤蒸汽 鍋爐進(jìn)行 燃?xì)?改造 。濾液經(jīng)好氧處理后污染物穩(wěn)定就可達(dá)標(biāo)排放?？纱罅繙p少 COD 排放量，大大促進(jìn)了廢物減量化、資源化和無害化。其經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)氣黑龍江省軍川農(nóng)場(chǎng)是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項(xiàng)目 13 水分離及脫 S 處理后送儲(chǔ) 氣罐，通過管道則可用于鍋爐燃料。據(jù)資料介紹，每生產(chǎn) 1 噸乙醇所產(chǎn)的廢水可產(chǎn) 沼氣 190m3220m3。每立方米沼氣的熱值相 當(dāng)于 1公斤標(biāo)煤， 故每產(chǎn)一噸乙醇可 節(jié)約燃煤 200公斤 。 三、 我 場(chǎng)秸桿資源分析 我國(guó)秸稈年產(chǎn)量約 7 億噸 ， 以稻草、玉米秸稈和小麥秸稈為主，主要集中在中部和東北的主要農(nóng) 作物產(chǎn) 區(qū)和西南部分省市，以黑龍江、河北、山東、江蘇和四川五省最為集中。 由于秸稈產(chǎn)量未列入國(guó)家有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)范圍，直接測(cè)量農(nóng)作物秸稈單位面積的產(chǎn)量也比較困難，因而秸稈的產(chǎn)量通常依據(jù)農(nóng)作物的產(chǎn)量計(jì)算而得，即采用 “ 秸稈系數(shù) ” 法估測(cè)秸稈產(chǎn)量。 秸稈系數(shù)是秸稈產(chǎn)量與谷物籽實(shí)產(chǎn)量的比值 ，其值參見表 3