【正文】 方法工藝簡單，歷時短，對纖維性材料的生物法全利用有很大實際意義。 對于纖維材 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 微生物參與的同時糖化發(fā)酵和僅用一個菌株的直接發(fā)酵法兩種。 （ 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 有機物，產(chǎn)生酒精 和 二氧化碳等不徹底氧化產(chǎn)物 ,同時釋放出少量能量的過程 。一般認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） 。雖然植物纖維原料在蒸汽爆碎過 程中的詳細變化還不十分清楚，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。 黑龍江省軍川農(nóng)場是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項目 10 蒸汽爆碎預(yù)處理的機理目前還 不十分清楚，瑞典隆德大學(xué)的puri 認為 ，在蒸汽爆碎過程中，醋酸自水解是一個十分重要的反應(yīng)。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 蒸汽爆碎法機械 磨碎法 硫酸水解 高溫機械磨碎法 醋酸水解 堿 機械磨碎法 氫氧化鈉 二氧化硫 蒸汽爆碎法 預(yù)處理方法。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。 （ 2）預(yù)處理 黑龍江省軍川農(nóng)場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 。 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。 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。纖維素的化學(xué)組成十分簡單，是由 β D一葡萄糖通過 β — 1，4苷鍵連接而成的線型結(jié)晶高聚物 ，它容易被纖維素酶水解，產(chǎn)生 葡萄糖，進而通過發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 ， 是生產(chǎn)農(nóng)作物秸稈燃料乙醇的主要物質(zhì)，其含量約占總量的 40%～ 50％ 。 生產(chǎn)技術(shù)概述 黑龍江省軍川農(nóng)場是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項目 7 以秸桿為原料生產(chǎn)乙醇的工藝為：秸稈 → 預(yù)處理 (有酸處理法、蒸汽爆破法、濕氧化法等 )→ 水解工藝 (有稀酸、濃酸、酶水解 )→ 發(fā)酵 (有同步糖化發(fā)酵法、固定化細胞發(fā)酵、木糖發(fā)酵 )→ 出池 → 蒸餾 → 脫水 → 變性處理 → 燃料乙醇。 中糧集團 500 t/a 纖維素中試裝置于 2020 年 11 月 22 日一次試車成功，在世界上首次將連續(xù)汽爆技術(shù)應(yīng)用于纖維乙醇生產(chǎn)，所用纖維素酶是中糧集團與丹麥諾維信公司聯(lián)合開發(fā)的，從試驗結(jié)果看各項技術(shù)指標均達到國際先進水平。這一生產(chǎn)線的建設(shè)與投入使用，將使得利用農(nóng)作物秸稈類纖維質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇成為現(xiàn)實，其意義非常深遠。 2020 年 8 月，河南天冠集團開始建設(shè)年產(chǎn) 3000 噸的纖維素乙醇項目。黑龍江省軍川農(nóng)場是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項目 6 美國能源部也支持了一個投資巨大的纖維素乙醇中試及產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項目， 旨在利用木材、稻草、玉米秸等纖維素廢料生產(chǎn)燃料乙醇，其中僅發(fā)展高效纖維素水解酶技術(shù)的公司就獲得能源部的3200 萬美元的政府撥款資助。 殼牌投資 4600 萬美元，建設(shè)年產(chǎn) 20 萬 t 燃料乙醇的商 業(yè)化生產(chǎn)線。目前 燃料乙醇 生產(chǎn)存在原料消耗、能耗高，轉(zhuǎn)化率、收率低的問題， 應(yīng)開發(fā)高效的發(fā)酵和分離提取技術(shù)和工藝，降低原料消耗和能耗，提高轉(zhuǎn)化率和收率。纖維素酶存在生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)成本高的問題，目前生產(chǎn) 1gal(1gal=)乙醇纖維素酶的費用為 30～50美分，必須研究開發(fā)高活性的纖維素酶，使纖維素酶的成本降到 5美分 /gal 乙醇才具競爭力。農(nóng)林廢棄物的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，只有纖維素能被降解轉(zhuǎn)化為乙醇，因此要開發(fā)高效的原料預(yù)處理技術(shù)，從農(nóng)林廢棄物中獲得最大量的纖維素。目前國內(nèi)所進行的中試研究，每噸 燃 料乙醇 消耗原料都在 6t 以上，生產(chǎn)成本在 50006500 元/t，還不適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。與酸水解相比，酶水解可在常壓下進行，能量消耗低，產(chǎn)率較高。 黑龍江省軍川農(nóng)場是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項目 5 這些研究為以農(nóng)林廢棄物作原料生產(chǎn) 燃料乙醇 打下了良好的基礎(chǔ)。清華大學(xué)也完成了以秸稈為原料制備 燃料乙醇 的中試。 山東大學(xué)開發(fā)了從原料玉米芯生產(chǎn)低聚木糖、木糖醇的技術(shù)，以廢渣為原料的乙醇收率高達 20%以上，已完成了 3000t/a中試。利用灰綠曲霉對甘蔗渣、稻草秸稈進行分解，蔗糖的轉(zhuǎn)化率可達 40%，稻草秸稈的轉(zhuǎn)化率達 45%。中科院過程所開發(fā)了秸 稈酶解發(fā)酵 燃料乙醇黑龍江省軍川農(nóng)場是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項目 4 新技術(shù)，在不加酸堿的秸稈汽爆處理技術(shù)、秸稈固相酶解發(fā)酵 氣提分離乙醇耦合體系和纖維素酶固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)等方面取得了多項自主知識產(chǎn)權(quán)，并完成了 3000t/a 秸稈發(fā)酵生產(chǎn) 燃料乙醇 的中試。 以秸桿 為原料生產(chǎn)乙醇是國內(nèi)外十分關(guān)注的課題。 我場秸桿資料更加豐富， 除少部分還田和做為生活燃料外，大部分焚燒了，造成了環(huán)境的污染和資源的浪費。目前，我國秸稈的主要用途是造紙、飼料、農(nóng)村生活能源，還有一部分用來還田造肥，另有約%的秸稈被廢棄或焚燒。 我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約為 7 億噸／年，居世界首位。無水乙醇添加適量變性劑后形成變性燃料乙醇，再把變性燃料乙醇和汽油以一定的比例混配形成車用乙醇汽油 (將乙醇按 10%～15%的比例加入汽油中作為燃料，現(xiàn)有發(fā)動機不經(jīng)過任何改裝即可正常運行 )。 黑龍江省軍川農(nóng)場是黑龍江畔的一顆璀璀璨明星 農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇項目 3 秸桿 燃料乙醇以 玉米、水稻 等 農(nóng)作物秸桿為 原料，經(jīng) 預(yù)處理 、水解、 發(fā)酵、蒸餾 和脫水等工藝而制成。燃料乙醇的使用不僅減少了該國對進口石油的依賴，還為該國創(chuàng)造 500 萬人的就業(yè)機會。 事實上，自 20 世紀 60 年代第一次能源危機以后，許多發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家即根據(jù)各國具體資源情況著手燃料乙醇的開發(fā)，如美國以玉米為主，而巴西、印度等以糖蜜為主，在美國每年生產(chǎn)的燃料乙醇在 500 萬噸以上。 燃料乙醇的使用，可減少原油的消耗，保護寶貴的不可再生資源，可以