攪拌多步發酵器
沼氣發酵工藝類型
（二）以發酵溫度劃分
沼氣發酵的溫度範圍一般在10~60℃之間，溫度對沼氣發酵的影響很大，溫度升高沼氣發酵的產氣率也隨之提高，通常以沼氣發酵溫度區分為：高溫發酵、中溫發酵和常溫發酵工藝。
1、高溫發酵工藝高溫發酵工藝指發酵料液溫度維持50~60℃的範圍之間，實際控制溫度多在53+-2℃，該工藝的特點是微生物生長活躍，有機物分解速度快，產氣率高，滯留時間短。採用高溫發酵可以有效地殺滅各種致病菌和寄生蟲卵，具有較好的衛生效果，從除害滅病和發酵剩餘物肥料利用的角度看，選用高溫發酵是較為實用的。但要維持消化器的高溫運行，能量消耗較大。一般情況下，在有餘熱可利用的條件下，可採用高溫發酵工藝，如處理經高溫工藝流程排放的酒精廢醪、檸檬酸廢水和輕工食品廢水等。
2、中溫發酵工藝中溫發酵工藝指發酵料液溫度維持在35+-2℃的範圍之間，與高溫發酵相比，這種工藝消化速度稍慢一些，產氣率要低一些，但維持中溫發酵的能耗較少，沼氣發酵能總體維持在一個較高的水平，產氣速度比較快，料液基本不結殼，可保證常年穩定運行。為減少維持發酵裝置的能量消耗，工程中常採用近中溫發酵工藝，其發酵料液溫度為25~30℃。這種工藝因料液溫度穩定，產氣量也比較均衡。總之，與經濟發展水平相配套，工程上採取增溫保溫措施是必要的。
3、常溫發酵工藝常溫發酵工藝指在自然溫度下進行沼氣發酵，發酵溫度受氣溫影響而變化，我國農村戶用沼氣池基本上採用這種工藝。其特點是發酵料液的溫度隨氣溫、地溫的變化而變化，一般料液溫度最高時為25℃，低於10℃以後，產氣效果很差。其好處是不需要對發酵料液溫度進行控制，節省保溫和加熱投資，沼氣池本身不消耗熱量；其缺點是同樣投料條件下，一年四季產氣率相差較大。南方農村沼氣池在地下，還可以維持用氣量。北方的沼氣池則需建在太陽能暖圈或日光溫室下，這樣可確保沼氣池安全越冬，維持正常產氣。
（三）以發酵階段劃分
根據沼氣發酵分為“水解——產酸——產甲烷”三個階段理論，以沼氣發酵不同階段，可將發酵工藝劃分為單相發酵工藝和兩相（步）發酵工藝。
1、單相發酵工藝將沼氣發酵原料投入到一個裝置中，使沼氣發酵的產酸和甲烷階段合二為一，在同一裝置中自行調節完成。即“一鍋煮”的形式。我國農村全混合沼氣發酵裝置，大多數採用這一工藝。
2、兩相發酵工藝兩相發酵也稱兩步發酵，或兩步厭氧消化。該工藝是根據沼氣發酵三個階段的理論，把原料的水解、產酸階段和產甲烷階段分別安排在兩個不同的消化器中進行。水解、產酸池通常採用不密封的全混合式或塞流式發酵裝置，產甲烷池則採用高效厭氧消化裝置，如污泥床、厭氧過濾等。
從沼氣微生物的生長和代謝規律以及對環境條件的要求等方面看，產酸細菌和產甲烷細菌有著很大差別。因而為它們創造各自需要的最佳繁殖條件和生活環境，促使其優勢生長，迅速的繁殖，將消化器分開來，是非常適的。這既有利於環境條件的控制和調整，也有利於人工馴化、培養優異的菌種，總體上便於進行最佳化設計。也就是說，兩步發酵較之單相發酵工藝過程的氣量、效率、反應速度、穩定性和可控性等方面都要優越，而且生成的沼氣中的甲烷含量也比較高。從經濟效益看，這種苣流程加快了揮發性固體的分解速度，縮短了發酵周期，從而也就降低了生成甲烷的成本和運轉費用。
（四）按發酵級差劃分
1、單級沼氣發酵工藝簡單地說，就是產酸發酵和產甲烷發酵在同一個沼氣發酵裝置中進行，而不將發酵物再排入第二個沼氣發酵裝置中繼續發酵。從充分提取生物質能量、殺滅蟲卵和病菌的效果以及合理解決用氣、用肥的矛盾等方面看，它是很不完善的，產氣效率也比較低。但是這種工藝流程的裝置結構比較簡單，管理比較方便，因而修建和日常管理費用相對來說，比較低廉，是目前我國農村最常見的沼氣發酵類型。
2、多級沼氣發酵工藝所謂多級發酵，就是由多個沼氣發酵裝置串聯而成。一般第一級發酵裝置主要是發酵產氣，產氣量可占總產氣量的50%左右，而未被充分消化的物料進入第二級消化裝置，使殘餘的有機物質繼續徹底分解，這既有利於物料的充分利用和徹底處理廢物中的BOD，也在一定程度上能夠緩解用氣和用肥的矛盾。如果能進一步深入研究雙池結構的形式，降低其造價，提高與會代表級發酵的運轉效率和經濟效果，對加速我國農村沼氣建設的步伐是現實意義的。從延長沼氣池中發酵原料的滯留時間和滯留路程，提高產氣率，促使有機物質的徹底分解角度出發，採用多級發酵是有效的。對於大型的兩級發酵裝置，第一級發酵裝置安裝有加熱系統和攪拌裝置，以利於產氣量，而第二級發酵裝置主要是徹底處理有機廢物中的BOD，不需要攪拌和加溫。但若採用大量纖維素物料發酵，為防止表面結殼，第二級發酵裝置中仍需設備攪拌。
把多個發酵裝置串聯起來進行多級發酵，可以保證原料在裝置中的有效停留時間，但是總的容積與單級發酵裝置相同時，多級裝置占地面積較大，裝置成本較高。另外由於第一級池較單級池水力滯留期短，其新料所占比例較大，承受衝擊負荷的能力較差。如果第一級發酵裝置失效，有可能引起整個的發酵
酒精是一種重要的工業原料,廣泛套用於食品,化工、
醫藥等領域,而且可以部分或全部替代汽油,具有安全、清
潔、可再生等優點。傳統的酒精生產主要以糖蜜、薯類、穀物
為原料發酵而成。近年來,隨著人口增長和經濟的發展以及
可利用耕地面積的減少使得酒精生產成本日趨增高,利用
豐富、廉價的玉米秸稈為原料生產酒精已成為必然趨勢。我
國是一個農業大國,各種纖維素原料資源非常豐富,僅玉米
秸稈年產量大約2億噸。目前,玉米秸稈除了少部分被利用
外,大部分以堆積、焚燒等形式直接傾入環境,極大地污染
了環境,也是一種資源浪費。如果將玉米秸稈經過預處理後
水解,其所含的纖維素和半纖維素可分解成糖,經發酵可轉
化為酒精,轉熱效率可達30%以上。這樣不但緩解人類所面
臨的食物短缺,環境污染、資源危機等一系列問題,而且還
能實現人類的可持續發展,因而近年來玉米秸稈成為生物
能源領域的研究熱點。
1玉米秸稈簡介
玉米秸稈主要由植物細胞壁組成,基本成分為纖維素、
半纖維素和木質素等。木質素將纖維素和半纖維素層層包
圍。纖維素是一種直鏈多糖,多個分子平行排列成絲狀不溶
性微小纖維,半纖維素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、
甘露糖組成,木質素是以苯丙烷及衍生物為基本單位組成
的高分子芳香族化合物。其中,木質素是一種燃料,半纖維
素可水解為五碳糖,而纖維素水解為六碳糖比較困難。
2玉米秸稈預處理
由於玉米秸稈結構複雜,不僅纖維素、半纖維素被木質
素包裹,而且半纖維素部分共價和木質素結合,同時纖維素
具有高度有序晶體結構。因此必須經過預處理,使得纖維
素、半纖維素、木質素分離開,切斷它們的氫鍵,破壞晶體結
構,降低聚合度。常見預處理方法有物理法、化學法、物理化
學法和微生物法等。
2.1擠壓膨化法
該方法屬於物理處理法,是將原料粉碎後調節至一定
水分,加入擠壓機內,物料在螺桿的鏇轉推動下向前運動,
同時被剪下、擠壓。並且在摩擦熱的作用下溫度可接近
140℃;然後從擠壓機中噴出,物料的壓力突然降低、體積迅
速膨脹,纖維素晶體結構被破壞,從而為纖維素的酶解處理
創造條件。這種預處理方法生產過程連續,不需要消耗蒸
汽,而且具有滅菌效果。
2.2濕氧化法
濕氧化法屬於化學處理法,是指在加溫加壓條件下,水
和氧氣共同參加的反應。濕氧化法對玉米秸稈處理效果很
好,纖維素遇鹼,只引起纖維素膨脹,形成了鹼化纖維素,但
能保持原來骨架,加入Na2CO3後起緩和作用,能防止纖維
素被破壞,使木質素和半纖維素溶解於鹼液中而與纖維素
分離。這樣得到的纖維素純度較高,且副產物很少。匈牙利
Eniko等人採用濕氧化法在195℃,15min,1200千帕O2,
Na2CO32g/L條件下,對60g/L玉米秸稈進行預處理。其中
60%半纖維素、30%木質素被溶解,90%纖維素呈固態分離出
來,纖維素酶解轉化率(ECC)達85%左右。
2.3酸處理法
酸處理法也是一種化學處理法,這種方法可追溯到
1980年,而在德國可能更早。該法是採用硫酸、硝酸、鹽酸、
磷酸等對纖維素原料進行預處理,其中以硫酸研究和套用
的最多。處理後,半纖維素首先水解得到無碳糖,纖維素的
結晶結構被破壞,原料疏鬆,可發酵性強。但水解前必須將
pH值調整到中性,還應該注意反應器的耐酸性。
2.4蒸汽爆破法
蒸汽爆破法屬於物理處理化學法,是用蒸汽將原料加
熱至180～200℃,維持5～30min,也可加熱到245℃,維持
0.5～2.0min。高溫高壓造成木質素的軟化,然後迅速使原料
減壓,造成纖維素晶體和纖維束的爆裂,使木質素和纖維素
分離。該法成本較高,在我國可採用北京林業大學賴文衡教
授研究的間歇蒸汽汽爆器對玉米秸稈進行爆破處理,經這
種爆破器爆破的玉米秸稈,纖維素水解轉化率(ECC)可達
70%以上。
2.5生物方法
生物處理方法具有節約化工原料、能源和減輕環境污
染等方面的優點。有許多微生物能產生木質素分解酶,如白
腐菌,其分解木質素的能力較強,但活性較低,而且微生物
處理周期長、菌體會破壞部分纖維素和半纖維素,降低纖維
素的水解率,因此難以得到利用。瑞典等北歐國家則利用無
纖維素酶的擔子菌突變株對纖維素材料進行脫木質素處
理,取得了一定的效果。
玉米秸稈發酵生產燃料酒精研究現狀及前景
武秀琴1,2馬燦玲3
(1天津科技大學,中國天津300222;2河南工程學院環境工程系;3鄭州師範高等專科學校生物系)
摘要玉米秸稈是一種豐富的再生資源,主要由纖維素、半纖維素、木質素組成。經過預處理、水解、發酵可生產酒精。預處理方法主要
有物理法、化學法、物理化學法及生物處理法;水解主要有酸水解法和酶水解法;發酵主要有直接發酵法、間接發酵法、同步糖化發酵法等。
介紹了玉米秸稈生產乙醇的關鍵技術進展情況。
關鍵字秸稈;酒精;預處理;研究進展
中圖分類號TS262.2文獻標識碼A文章編號1007-5739(2008)13-0240-02
收稿日期2008-05-07
240現代農業科技》2008年第13期
3水解工藝
玉米秸稈進行預處理後,纖維素水解只有在催化劑存
在的情況下才能顯著進行。常用催化劑是無機酸和酶,由此
分別形成了酸水解工藝和酶水解工藝,酸水解工藝又分為
稀酸水解和濃酸水解。水解主要是破壞纖維素、半纖維素的
氫鍵,使之轉化為發酵的單糖。
3.1濃酸水解
用70%的硫酸50℃下在反應器中反應2～6h,半纖維素
首先被降解,溶解在水裡的物質經過幾次濃縮瀝乾後得到
糖,半纖維素水解後的固體殘渣經過脫水後,在30%～40%的
硫酸中浸泡1～4h。溶液再經脫水和乾燥後,在70%的硫酸下
反應1～4h,回收的糖和酸溶液經過離子交換,分離出的酸在
高效蒸發器中重新濃縮,剩餘的固體殘渣則再循環利用到
下一次的水解中。濃酸水解過程的主要優點是糖的回收率
高,大約有90%的半纖維素和纖維素轉化的糖被回收。但濃
硫酸腐蝕性強,而且從經濟方面考慮必須回收濃硫酸,增加
了工藝的複雜程度。
3.2稀酸水解
為了解決濃酸水解法存在的問題,一般採用稀硫酸
(0.2%～0.5%),在較溫和條件下進行。此時水解一般分2個
階段:第1階段為低溫操作,從半纖維素獲得最大糖產量;
第2階段採用高溫操作使纖維素水解為六碳糖,糖的轉化
率一般為50%左右。但稀酸水解容易產生大量副產物。
3.3酶水解
酶水解是利用產纖維素酶的微生物或者纖維素酶制
品,直接將半纖維素、纖維素水解成可發酵糖。與酸水解相
比,它可在常壓下進行,反應條件溫和、效率高、能耗低、選
擇性強、環保效果好,顯示出良好的套用價值和前景。水解
後可形成單一產物,產率較高(>95%)。匈牙利Eniko等人采
用NovoYm188等水解經濕氧化處理的玉米秸稈,酶解纖維
素轉化率(ECC)高達85%。
該法的關鍵在於纖維素酶的獲得和利用,同時要考慮
纖維素酶的成本。丹麥諾維信公司曾經宣布其纖維素酶生
產成本已比當初降低了12倍,現在該公司又取得了重大進
展,纖維素酶生產成本已比最初降低了20倍,生產lL燃料
級乙醇所需纖維素酶的成本已低於6.6美分。這極大地推進
了燃料乙醇的商業化進程。
4發酵工藝
由於農作物秸稈的相當部分由半纖維素構成,其水解
產物為以木糖為主的五碳糖,還有相當量的阿拉伯糖生成
(可占五碳糖的10%～20%),故五碳糖的發酵效率是決定過
程經濟性的重要因素。木糖的存在對纖維素酶水解起抑制
作用,將木糖及時轉化為酒精對玉米秸稈的高效率酒精發
酵是非常重要的。目前人們研究最多且最有工業套用前景
的木糖發酵產乙醇的微生物有3種酵母菌種,即管囊酵母、
樹幹畢赤酵母和體哈塔假絲酵母,主要的發酵方法有以下
幾種。
4.1直接發酵法
直接發酵法是基於纖維分解細菌直接發酵纖維素生產
乙醇,不需要經過酸水解或酶水解前處理過程。一般利用混
合菌直接發酵,例如熱纖梭菌(ClostridiumthermoceUum)能
分解纖維素,但乙醇產率較低(50%),熱硫化氫梭菌(Col-
stridiumthermohydz)不能利用纖維素,但乙醇產率相當高,
如果進行混合發酵,產率可達70%。呂福英介紹了熱纖梭菌
的生理生化特性及發酵生產的研究進展,並對熱纖梭菌發
酵生產乙醇的因素以及乙醇等發酵產物對熱纖梭菌的抑制
作用作了概述。但熱纖梭菌產生乙醇也存在以下問題:發酵
不完全、發酵速度慢、終產物乙醇和有機酸對細胞有相當大
的毒性,需要進一步改進。
4.2間接發酵法
間接發酵是目前研究最多的一種方法。使用纖維素酶
水解纖維素,收集酶解後的糖液作為酵母發酵的碳源,先用
纖維素酶水解纖維素,酶解後的糖液作為發酵碳源。但是受
末端產物抑制,低細胞濃度以及底物基質抑制作用影響乙
醇產量。因此可採取的方法有:減壓發酵法和阿爾法—拉伐
公司的Bi-otile法,還可以通過篩選在高糖濃度下存活並能
利用高糖的微生物突變菌株來克服基質抑制。
4.3同步糖化發酵法(SSF法)
這種方法的原理和間接發酵法相同,是為了克服反饋
抑制作用,由Gauss等提出的在同一反應器中糖化和發酵同
步進行。這樣纖維素酶對纖維素的酶水解和發酵糖化過程
在同一裝置內連續進行。水解產物葡萄糖由於菌體的不斷
發酵而被利用,消除了葡萄糖因基質濃度對纖維素酶的反
饋抑制作用。在工藝上採用一步發酵法,簡化了設備,節約
了總生產時間,提高了生產效率。當然也存在一些抑制因
素,如木糖的抑制作用,糖化和發酵溫度不協調。張繼泉在
這方面進行了大量的實驗研究,並取得了一定的進展。
4.4固定化細胞發酵
固定化細胞發酵能使發酵罐內細胞濃度提高,細胞可
連續使用,使最終發酵液酒精濃度得以提高。常用的固定化
載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻璃等。固定化細胞的新動
向是混合固定細胞發酵,如酵母與纖維二糖酶一起固定化。
將纖維二糖基質轉化成乙醇,被看作是玉米秸稈生產乙醇
的重要方法。
5結論與展望
今後,玉米秸稈生產酒精的研究方向將主要集中在以
下幾個方面。
5.1預處理方法
單純的物理法和化學法不足以破壞纖維素晶體結構以
及去除半纖維素和木質素,應綜合運用物理法與化學法,一
步完成預處理和水解2個階段,有效提高纖維素的水解率。
5.2糖化工藝
發酵過程的酒精產率受許多因素影響,其中主要是水
解效率和單糖產量。比較而言,酶水解較酸水解有較大的優
越性,將成為今後糖化工藝的主要發展方向。
(下轉第243頁)
大田農藝
241現代農業科技》2008年第13期
區,在生產中培育優質高產栽培典型,將優良品種、生產技
術傳授給農民,提高生產水平,從而自覺地實行生產操作規
程。為此,課題組要求各縣(市)區狠抓園區建設工作,3年總
計建設20個千畝以上園區,均收到了良好的效果。在新品
種引進種植展示園和綠色有機雜糧規範化種植展示園方
面,通過實地技術操作和展示效果驗證,產生了較強的輻
射帶動作用。
2.7為確保實現標準化生產,在栽培管理上大力推選“九
改”集成技術
實現了從基地到餐桌全過程質量控制,湧現出許多谷
物優質高產典型。如2005年北票市北四家子鄉南四家子村
集中連片種植朝新谷5號33hm2,平均產量7740kg/hm2,最
高產量達到9780kg/hm2。
2.8興建龍頭企業,培育綠色有機雜糧市場,延長產業鏈,
提高產品附加值
“遼西綠色有機雜糧生產基地建設與食品開發”項目實
施3年,累計建設雜糧生產基地5.33萬公頃以上,其中綠色
有機雜糧生產基地2.16萬公頃,從而形成了規模效應,為農
產品加工業提供了可靠的優質原料保障。目前全市共有各
類雜糧加工企業743個,年生產加工銷售能力100萬噸,其
中綠色有機雜糧6萬噸,實現銷售收入4.5億元。同時,雜糧
基地規模化也帶動了當地的雜糧市場建設。東北最大的雜
糧集散地建平朱碌科,建起25000m2的雜糧交易批發市場,
綠色有機雜糧收購、加工、銷售“十里長街”已初具規模,產
品主要銷往國內大中城市並出口日本、韓國、德國、紐西蘭
等國家。
3項目成效
3.1規模大、有特色
建設綠色有機雜糧生產基地與食品開發,認證標識累
計規模為2.16萬公頃,占全省認證總面積的60%,具有先進
農業區域經濟與外向型經濟的特色。經國內同行專家驗收
一致認為:該項目產業化規模和技術水平在我國同類地區
具有領先地位。
3.2為旱作農業開闢了一條新路
針對遼西乾旱地區的自然地理條件的特點,科學地開
發利用有限的耕地,實施綠色、有機雜糧標準認證,提高了
農產品的質量,創造了農業乾旱地區增產增收的新途徑。
3.3創出一條“科研+公司+農戶+生產基地”四位一體的新
模式
形成產、加、銷良性循環,拉動綠色有機雜糧加工業的
發展,實施農業名牌戰略,提高了綠色有機雜糧食品的市場
占有率。3年累計出口創匯1.37億元,促進了外向型經濟的
迅猛發展。
3.4提高了農產品的附加值
3年中,綠色A級雜糧平均產值為1.92萬元/hm2,平均
效益為1.60萬元/hm2;有機食品產值2.79萬元/hm2,效益為
2.41萬元/hm2。綠色、有機雜糧平均效益為2.03萬元/hm2,比
項目區外雜糧對照平均效益增收1.03萬元/hm2。
3.5改善了農業生態環境
綠色、有機農業就是生態農業。通過該項目的實施,在
認證的區域範圍內,從根本上改變了農業的耕作方式,保護
了生態體系及周圍環境生物的多樣性,有效地減少和治理
了環境污染,不僅提供了安全的食品,而且促進了人與自然
的和諧。
通過3年綠色有機雜糧生產基地建設項目的實施,極
大地推進了科技產業化進程,推動了外向型經濟的快速發
展,促進了第二、第三產業的繁榮,加速了雜糧新品種的更
新換代。由於推廣糧草兼用型朝新谷5號新品種糧草比為
1∶1.3,不僅促進了農業的二元結構向三元結構的轉移,而且
還帶動了遼西畜牧業的發展。實踐證明:乾旱地區建設綠色
有機雜糧生產基地,在科技產業化中發揮了重要的作用,具
有廣闊的前景。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第241頁)
5.3發酵菌株
菌種是發酵工業的靈魂,在玉米稈原料生產酒精過程
中,運用現代的育種技術培育出高效的直接發酵菌株,在適
應特殊基質條件、簡化生產工藝等方面將會有所突破。若能
篩選到抗高濃度糖的基因突變菌株則可以克服纖維素原料
水解過程的抑制效應,提高發酵效率。
5.4發酵工藝
可以採用一定的技術手段,將發酵過程產生的乙醇不
斷抽出,使發酵罐中的乙醇濃度≤10%,減輕乙醇對菌株生
長及乙醇生成的抑制作用,降低生產成本。
以玉米秸稈等纖維素生產酒精技術是世界各國研究的
熱點,與其他生物能源、替代能技術相比,無論是在經濟合
理性、技術可行性方面,還是在資源可持續性和環境協調性
方面都具有明顯的優勢,而且還可解決我國的石油資源短
缺和環境污染問題,有利於保證國家能源安全和社會協調
發展。
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