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水稻秸秆制备燃料乙醇的工艺研究

发表时间：2020/12/8 来源：《基础教育课程》2020年8月作者：王莲

[导读] 水稻秸秆属于自然资源中的可再生资源的一部分，并且由于水稻是每年大批量生产的，是在收获水稻后余下的资源，所以用水稻秸秆来制备乙醇是较为廉价的一种生产方式,通常秸秆在制备乙醇的过程中是通过数道工艺加工制备而成的，通过这种工艺制备而成的乙醇可大量应用到我们日常的工业中，并且由于选用的原材料是水稻秸秆所以原材料的数量巨大，不必担心供应不上日常在工业中的使用。

武汉生物工程学院王莲 430415

摘要：水稻秸秆属于自然资源中的可再生资源的一部分，并且由于水稻是每年大批量生产的是在收获水稻后余下的资源，所以用水稻秸秆来制备乙醇是较为廉价的一种生产方式通常秸秆在制备乙醇的过程中是通过数道工艺加工制备而成的，通过这种工艺制备而成的乙醇可大量应用到我们日常的工业中，并且由于选用的原材料是水稻秸秆所以原材料的数量巨大，不必担心供应不上日常在工业中的使用。所以基于这一情况，本文通过分析水稻秸秆的主要成分以及在加工制备乙醇中所要用到的各类工艺进行研究，旨在为乙醇的加工工艺的优化提供技术性的参考价值。
关键词：水稻秸秆；发酵制备燃料；乙醇生产工艺
        由于目前随着全球科技的极速发展，随着人们的不断的对自然资源的开采和开发利用自然资源已经面临枯竭了，由于自然资源的枯竭导致的后果已经开始在地球上出现，例如今年年初科学家发现由于全球气候变暖气候不断升温导致南极冰川的消融，数万只企鹅、海豹等动物赖以生存的家园正在消失，而南极冰川数万年都是冰雪天气，一旦消融藏在冰雪中的远古病毒会纷纷溶解在水中随着江河湖海最终流向人类社会[1]所以为了保护我们人来赖以生存的家园，为了保护动物可以长期的生存，我们必须在保证正常生活的情况下，利用好一切可再生资源来,并且需要充分利用不可再生资源。再加之由于石油资源的被不断开采，如今生态资源已经陷入即将枯竭的尴尬局面，现如今可以代替石油最好的代替品就是乙醇，各大化工厂或企业纷纷将目光聚焦在乙醇的准备上。根据以往学者的研究，水稻秸秆是制备乙醇的最好的原材料，但是每年生产的水稻数量所产生的秸秆远远不能满足每年各类化工厂、企业等的日常所需，所以必须尽快研究出一种新的原材料用来弥补水稻秸秆在数量上的不足，于是学者们很快将目光聚集在水稻秸秆上，应用水稻秸秆制备乙醇不仅能缓解能源危机，还能提高对现存资源的有效利用率，实现可持续发展，贴合科学健康绿色的发展理念。
        1.水稻秸秆成分分析
       通过分析，我们发现水稻秸秆的主要成分是：粗纤维、木质素、蛋白质，粗灰分含量很高但其中大量是硅酸盐，对动物有营养意义的矿物元素很少。矿物质和维生素含量都很低，特别是钙、磷含量很低。
       2.水稻秸秆的预处理操作
       首先可以通过物理预处理的方式，对水稻进行机械化的粉碎，这是较为普通的预处理的方法。可通过切割、研磨等方法将水稻秸秆粉碎。当然除了这种传统的机械处理法,目前还有另外的较为高级的处理工艺，例如高温处理、超声波处理等[2]。
其次，我们再进行化学的预处理方式，将水稻通过蒸汽爆破的方式进行处理，蒸汽爆破的处理方式，主要有以下的过程：首先要准备一个温度为160~260 ℃的蒸汽炉,然后将水稻秸秆放置于水蒸气中大约15分钟,随后降低炉内的气压，这样设备中的蒸汽就会迅速转化，通过釜喷到周围的设备。使得秸秆的这一原料出现爆破，从而可完成预处理。但是这一过程的工艺较为复杂，如果在操作中出现纰漏，不仅会因损坏装置产生大量的费用而且会因没有掌握好温度而在操作中产生大量的有害物质，所以这一工艺的操作需要具有丰富经验的操作人员才能完成。
最后我们可以通过生物的方式进行预处理。

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首先我们需要选取一种对于木质素具有较强的分解作用的微生物，而在这一方面，白腐真菌就起到了重要作用，所以在这道程序中我们可以将白腐真菌融入到该道制备工艺中去，首先对木质素进行较快速度的降解，这在一定程度上也可以加快纤维素的酶解速度，所以这种生物处理的预处理工艺在一定程度上具备了消耗少且环保绿色的优势，值得推荐。
        3.制备燃料乙醇的发酵工艺
       （1）分步水解发酵工艺。
        将水解和发酵这两道工艺分解开来，变成两道程序，并在将这两道程序分别在45 ℃下酶解,在 35 ℃下发酵，这就是这一工艺的一大优势，但是这一工艺也存在瑕疵，目前还无法消除葡萄糖对纤维素酶的抵制作用。
       （2）同步水解发酵工艺[3]。
       而这一工艺较上面的步骤的不同之处在于，这一步骤中水解和发酵是被放在同一设备中进行的，并且整个酶解的过程是能够被反应生成葡萄糖的，并且由于生成的葡萄糖从而削弱了对于纤维素的抵制作用。但是由于水解和酶解是两种不同的工艺，而在这一步骤中将两种需要在不同条件下完成的工艺放在了同一设备中，所以为了保证这两种操作都可以进行，我们在操作中需要将这两种步骤的温度控制在一个中间温度上也就是37℃。
       （3）微生物发酵工艺。
        这一工艺是将水稻秸秆中的大量纤维进行分解的过程，这一过程极为重要在很大程度上可节约整个乙醇制备中的资金需求。但是这一程序有一大缺点就是在制备过程中很容易产生其他物质。而目前微生物发酵该工艺的主要可运用的微生物只有两种，一种是热硫化氢梭菌，另一种是热纤维端孢菌。
        （4）固定细胞发酵工艺。
        此发酵工艺的应用能够提高发酵罐中的细胞浓度，进而实现对细胞的连续作用，进而提高发酵乙醇的浓度，常见的固定细胞发酵物质有多空玻璃和卡拉胶[5]。
        4.结语
        综上所述，现今，许多化工厂或企业都已掌握了水稻秸秆制备燃料乙醇的工艺了，但是研究发现使用秸秆制备乙醇仍然存在诸多问题和不足，这就需要我们在平时的操作中及时发现问题并进行改进优化，而不是将目前现存的工艺生搬硬套，不考虑实际情况，在这种情况下如果操作不当，不但起不到资源再利用拯救环境缓解能源危机的作用，反而会导致因实验过程释放出大量的有害气体而污染环境，所以研究学者和企业或燃料化工厂等在日常制备中要注意工艺的研究及优化，为制备高质量的乙醇奠定基础。
参考文献：
[1]柏争艳 . 水稻秸秆发酵制备燃料乙醇生产工艺研究 [D]. 浙江大学，2016（2）：76-77
[2]李振宇，李顶杰，黄格省，魏和荣 . 燃料乙醇发展现状及思考 [J]. 化工进展，2017,3207:1457~1467.
[3]张军伟．木质舒维素酸水解研究［Ｄ］．江南大学，硕去学位论文，2018:35-37
[4]徐忠，汪群慧，姜兆华．氨预处理对大豆程巧奸维素酶解产糖影响的研究机．高校化学工程学报．2015,18（6）：773-776
[5]金击威，朱圣东，吴元欣，等．木质纤维原料畴水解研究进展[D]生物质化学工程，2016,40(3):48-53