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植物纤维素制备燃料乙醇的现状研究

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] 乙醇是一种可以再生的环保型能源，能够代替很多的原料，节省了工业生产的经济成本，不少发达国家都在对其进行研究，并且取得了一定的进展。

武汉生物工程学院王莲 430415

【摘要】乙醇是一种可以再生的环保型能源，能够代替很多的原料，节省了工业生产的经济成本，不少发达国家都在对其进行研究，并且取得了一定的进展。本文对目前植物纤维素制备燃料乙醇的过程进行分析，详细介绍了处理原料不同的方法，水解的过程以及其发酵的技术，为工业上制备燃料乙醇提供了一定的参考价值。
【关键词】植物纤维素；燃料乙醇；发酵；研究
        植物纤维素是一种成本较低、原料丰富的可再生的资源，通过植物纤维素来制备乙醇是实现社会可持续发展的方式之一。乙醇是一种能够部分或全部替代汽油等原材料的可再生与循环利用的环保型绿色能源。目前，工业上通过植物纤维制备乙醇的方式已经投入到研究与实践中，整个过程包括处理植物纤维素原料、植物纤维素原料的酶水解过程和发酵这三部分[1]。
        1.处理植物纤维素原料的过程
        植物纤维素制备燃料乙醇的第一阶段就是对原材料进行处理，使得原材料中的木质素、半纤维素能够被淡化或除去，从而降低其结晶度、提高可及度，最终达到提高酶水解与糖化效率的目标。通常情况下，采用物理法、化学法、物理化学法、生物法和组合法来对原材料进行处理。
        1.1物理法处理植物纤维原料
        物理上处理植物纤维原料常用的方法是微波、机械、辐射处理等方式。比如，微波处理方式是与化学法进行联合来达到很好的处理效果的，如果单独进行处理达到的水解效果并不好。另外，微波处理也可以与其他方法进行组合达到目标[2]。
        1.2化学法处理植物纤维原料
        化学上处理植物纤维原料常用的方法是水解、氨解、氧化法和化学试剂法。比如，水解处理的方法分为酸水解与碱水解两种方式，通过降低半纤维素或木质素的含量，并且结合酶水解等方式来进行二次处理以达到目标。只是，无论采取何种处理方法都有自身的优缺点，需要同时考虑处理效率、经济成本与环保的问题。
        1.3物理化学方法处理植物纤维原料
        物理联合化学法处理植物纤维素常用的方法是水蒸气、二氧化碳、氨冷冻等爆破方法。比如，水蒸气爆破处理的方法是通过破坏木质素、半纤维素的结合层来降低其结晶度，提高可及度，从而增强水解的效率。采用这种方式具有环保节能的作用，但是在处理的过程中会混入一些杂质，导致处理的成本增加。
        1.4生物法处理植物纤维原料
        生物法处理植物纤维原料在当下更多地研究是通过白腐真菌来对木质素进行分解从而加强植物纤维的水解效果。生物法处理具有环保、低能耗、条件优质等优势，只是大多数情况下耗时长，原料利用率不高，只有结合先进的生物技术，尤其是基因工程等技术才能将这种处理方法的优势发挥得更好。
        1.5组合法处理植物纤维原料
        组合法处理植物纤维原料是通过多种方法进行联合处理来达到更好的效果，目前处理方式中运用最多的是通过机械破碎结合生物或化学法进行处理。比如，在稻草的水解过程中，通过机械来破碎处理，再联合化学法来提高稻草的水解效率，也即是通过酸处理方式来水解半纤维素，碱处理方式来去除木质素，最终达到完全水解的目的。

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        2.水解植物纤维素原料的过程
        通过水解酶来对植物纤维素进行处理达到了整个植物纤维素制备燃料乙醇的百分之六十，所以，在植物纤维素制备燃料乙醇的过程中，酶水解过程起着至关重要的作用，应当控制好成本。
        2.1纤维素酶水解过程和作用原理
        纤维素酶在工业生产中主要以固体发酵的方式进行，一般包括结合区和催化区两大部分。目前其水解的作用原理存在两种说法，说法一提出纤维素酶水解的过程是以非结晶的方式进行的，产生了末端之后再由二糖酶来进行水解；说法二提出纤维素酶水解成了不溶性的纤维素和可溶性的纤维素，可溶性的纤维素与二糖结合水解成葡萄糖。
        2.2 影响纤维素酶水解的因素
        纤维素酶水解受条件、反应物和纤维素酶的影响。反应物也即是经过处理后的植物纤维素，其结构和反应浓度都会影响最终的水解效果。纤维素酶会影响到水解的最终效果和成本问题，不同的纤维素酶的作用不同，达到的效果也不同。水解的条件包括反应物的用量、水解的温度、PH值的大小、水解酶的用量等这些条件都会影响水解的最终效果。
        3.植物纤维素制备燃料乙醇的发酵过程
        植物纤维素制备燃料乙醇包括乙醇发酵的菌种与发酵工艺两大方面。
        3.1植物纤维素制备燃料乙醇发酵的菌种
        目前，用于制备燃料乙醇发酵的植物纤维素菌种主要是酵母菌、霉菌、细菌这三种。其中，酵母菌主要用于工艺上的乙醇发酵，具有耐性强、不易被污染、杂质少等特点而被广泛应用。近几年来，基因工程技术和原生质融合的技术成为了乙醇发酵过程需要的菌种的新的提供来源[3]。
        3.2植物纤维素制备燃料乙醇发酵工艺
        植物纤维素制备燃料乙醇发酵的工艺包括两段、糖化、一步和固定发酵法这四种。其中，制备燃料乙醇最经典的就是两段发酵法，通过对处理后的植物纤维素原料进行水解成为还圆通，然后对其发酵制得乙醇，其它方法都是在此基础之上进行发酵后得到的结果。这种发酵工艺的关键点在于对反应物的彻底反应，也即是如何消除高浓度、高量的反应物，从而使得制备的植物纤维素的乙醇含量更高糖化发酵法制备燃料乙醇是通过酶水解与乙醇发酵同时进行的，水解作用生成的还原糖能够被乙醇发酵所直接利用，从而缩短工艺流程，只是存在水解的条件与发酵的工艺不协调的情况，采取其它诸如耦合、分散等的方法能解决这个问题.
        4.结束语
        随着社会工业化脚步的不断加快和人口不断地增加，资源、环境等问题变得越来越尖锐。植物纤维素原料是当今富含最丰富，也能够进行循环与再生利用的低成本资源。通过植物纤维素来制备燃料乙醇是目前新能源发展的一种很好的途径。如何结合现代科学技术来加快燃料的制备与发展是当下工艺制备乙醇所面临的问题，本文通过对植物纤维素制备乙醇的过程进行阐述、分析了制备的原理和发酵的全过程，具有一定的参考价值和可行性，相信在不久的将来通过植物纤维素制备燃料乙醇一定能够成为现实。
参考文献:
[1]韩秋燕. 瑞士科莱恩公司纤维素乙醇技术特点及我国纤维素燃料乙醇发展建议[J]. 化学工业, 2018, 36(01):54-59.
[2]李永恒, 卓义敏, 谢晓航, et al. 甘蔗渣制备纤维素乙醇的研究[J]. 轻工科技, 2018, 000(003):10-11.