燃料乙醇工艺的化学工程分析

王帅 张彦录

摘 要：随着全球经济的快速增长和工业化不断发展，世界能源消耗大幅度增加。煤、石油等化石燃料的消耗以及使用过程所带来的环境污染、资源短缺等问题，使得发展绿色可再生替代能源成为全球能源可持续发展研究的热点。生物燃料乙醇主要是指以生物质为原料通过糖化发酵等过程转化而来的体积浓度在99%以上的无水乙醇，其辛烷值高达115，可以取代污染环境的含铅添加剂来改善汽油的防爆性能。作为良好的汽油增氧剂和调和剂，生物乙醇与汽油混合使用，可以改善燃烧，减少发动机内的碳沉淀和氧化碳等不完全燃烧污染物的生成，进而减少汽车尾气中CO2和颗粒物的排放。燃料乙醇的开发利用不仅可以缓解全球能源危机，又可改善环境、提高资源利用率等。

关键词：燃料乙醇工艺;化学工程;应用

1 燃料乙醇国内外发展现状

目前，全球各个国家正在使用生物乙醇做成乙基叔丁基醚来替代MTBE（甲基叔丁基醚），通常以5%-15%的混合比例在不需要替换现有汽车引擎的状况下加入汽油，有些情况下ETBE也以替代铅的形式加入汽油中，以提高汽油辛烷值得到清洁燃料，也可完全替代汽油作为输送燃料使用。燃料乙醇目前市场上的利用方式主要有3种，即掺烧、纯烧和变性燃料乙醇。以乙醇和汽油掺烧方式应用的燃料乙醇，在混合燃料中，乙醇和容积比例以“E”表示，乙醇占15%，即用E15表示，目前，掺烧为燃料乙醇利用的主要方式;纯烧，即单烧乙醇，可用E100表示，尚处于试行阶段;变性燃料乙醇指乙醇脫水后，再添加变性剂而生成的燃料，现在也处于试验应用阶段。当前，世界上使用乙醇汽油最多的主要是美国和巴西等国，基于燃料乙醇的能源解决方案备受关注。

2 燃料乙醇生产工艺

2.1 直接发酵技术

生物质直接发酵技术，主要基于纤维分解细菌来发酵纤维素。某研究者们分离得到了一种可以直接转化纤维素为乙醇的高纯富集物。该富集物能降解稻草、麦秆等生物质产生乙醇，但是其降解天然纤维素原料产乙醇的能力相对较弱（不到30%）。直接发酵技术的优点在于工艺简单，成本低，但是乙醇产率不高，还会产生其他副产物，如有机酸等。针对这一问题，利用热纤梭菌和热硫化氢梭菌对预处理后底物进行混合菌发酵，乙醇的产量可以达到70%，同时副产物有机酸也大幅度减少。热纤梭菌可以分解纤维素，若单独用来发酵纤维素，则乙醇的产率较低，大约为50%，混合菌发酵大大提高了产物乙醇的浓度。直接发酵技术的关键在于高效发酵微生物的筛选。

2.2 分步糖化发酵技术（SHF）

SHF法也叫水解发酵二段法，其为传统的纤维乙醇生产方法。SHF过程中纤维底物先经过纤维素酶的糖化，降解为可发酵单糖，然后再经酵母发酵将单糖转化为乙醇。SHF法主要优点是酶水解和发酵过程分别可以在各自的最适条件下进行，纤维素酶水解最适温度一般在45-50℃，而大多发酵微生物的最适生长温度在30-37℃。SHF法主要缺点是水解主要产物葡萄糖和纤维二糖会反馈抑制纤维素酶对底物的降解过程。即葡萄糖和纤维二糖的积累会对纤维素酶的活力产生抑制作用，最终导致酶解发酵效率降低。有文献研究报道，当纤维二糖浓度达到6g/L时，纤维素酶的活力会下降60%。产物葡萄糖主要是对β-葡糖苷酶会产生较大的抑制作用。

2.3 同步糖化共发酵技术（SSCF）

为了充分利用底物、提高乙醇产率，己糖与戊糖共发酵工艺（SSCF）技术正得到越来越多的关注和研究。木质纤维原料降解过程半纤维素产生的戊糖和纤维素产生的六碳糖在同一反应体系中进行发酵生产乙醇，此过程需要能够代谢戊碳糖的发酵菌株。SSCF工艺减少了水解过程的产物反馈抑制作用，再者该技术融入了戊糖的发酵过程，提高了底物利用率和乙醇产率。目前，工业乙醇生产所用的酿酒酵母只能代谢葡萄糖而不能代谢木糖，通过基因工程手段在酿酒酵母中插入木糖还原酶（XR）和木糖醇脱氢酶（XDH）或者插入能够编码木糖异构酶（XI）的基因，实现了木糖的代谢过程。利用麦草水解液进行SSCF过程，发现温度对SSCF过程有重要的影响，当温度为32℃时发酵菌株TMB3400能代谢利用的木糖量要比在37℃条件下的多，原因是当低温时，葡萄糖的释放速率会减缓，更有利于木糖的降解。

3 总结与展望

燃料乙醇用作汽车燃料，可缓解当前能源危机和环境污染问题。近年来，汽车油价的不断上涨备受社会关注，究其原因，在于化石燃料的不断消耗导致传统能源危机蓄势待发。所以，生物乙醇燃料的发展是世界各国实现可持续发展的必要措施之一。根据近年来国内外对燃料乙醇的研究进展及其生产过程中所存在问题的论述，燃料乙醇转化技术未来的发展可以从以下3个方面加强研究：①大力开发以木质纤维素类生物质为原料的生物乙醇生产，实现资源综合利用和工农业联产;②利用基因工程对纤维素酶和发酵微生物进行基因改性以提高发酵效率;③设计新型光合微生物反应器结构，实现藻类生物质高速率的物质转移和光传输，进而提高藻类乙醇的产率。

参考文献：

[1]范文涛.燃料乙醇工艺的化学工程探索[J].民营科技，2018 （02）.

[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，2013（07）.