发布时间 : 星期四 文章燃料丁醇工段工艺设计之工艺计算更新完毕开始阅读a59a03b9856a561253d36f0b
纤维素预处理通常的方法有三种物理法、化学法、复合法。本工序采用玉米
秸秆为原料，利用物理法进行预处理。
经过该工序后半纤维素、木质素随滤液分离，最终得到脱木质素的纤维素进入酶水解工序。
(3) 预处理工序的工艺参数
表2.2 预处理工艺参数
Table 2.2 The Process parameters of pretreatment
名称
纤维素
玉米秸秆进料组成
被水解的纤维素含量 饱和蒸汽温度 饱和蒸汽压力 原料加热温度 加热时间 蒸煮的密度 调浆罐加水比 玉米秸秆的比热 半纤维素 木质素 灰分
工艺参数 37.4% 21.1% 17.69% 10.24% 95% 250℃ 5.5MPa 190℃ 5—30min 0.95kg/m3 1：3
1.62ⅹ103J/kg.k (4) 主要设备
本次工序的主要设备有粉碎机、调浆罐、蒸煮罐、旋风分离器、洗尘塔、真空吸滤机、木质素萃取器、真空过滤机、离心机、压滤机等。 (5) 预处理方法的选择
表2.3不同预处理方法的对照表
Table 2.3 The table of different pretreatment control methods
预处理试剂 对照 10%氨水 3%NaOH
纤维素 30. 35 38. 05 69. 25
半纤维素 27. 95 31. 00 8. 65
木质素 19. 80 19. 30 12. 55
其他 21. 90 11. 65 9. 55
５
2.6 液糖化工段
目前，为简化生产工艺，便于工业化生产，世界范围内普遍采用添加液化酶和糖化酶，即所谓双酶法的生产工艺。本次设计采用低温双酶法液化、糖化，这样的做法可以降低醪液黏度。
蒸煮：在高温高压条件下对粉碎后的淀粉质原料玉米秸秆进行蒸煮，使植物组织和细胞彻底破裂，其中的淀粉由颗粒状变成溶解状态的糊溶；
糖化：在淀粉糊中加入一定量的糖化剂，将淀粉转变成可发酵性糖(葡萄糖)。 2.6.1工段目的
液化的目的是为了将分子量逐渐变小，黏度降低使之流动性增强，给糖化酶作用提供了有利的条件。并且利用液化方法对秸秆原料进行处理，省去了传统的水解过程，降低了生产成本。
2.6.2基本原理
丙酮丁醇梭菌是无法直接利用木质纤维素为底物进行丁醇发酵，它需将木质纤维素水解产生葡萄糖、木糖等单糖再用于丁醇发酵。木质纤维素的组成成分复杂、稳定。秸秆的微小构成单位周围被半纤维素和木质素层的鞘所包围，阻碍了纤维素酶对纤维素的作用。借助化学、物理方法的预处理将纤维素、半纤维素和木质素分开，并使纤维素内部的氢键打开，结晶态的纤维素转化为无定形纤维素,降低聚合度；半纤维素被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。
以不同的预处理法处理直径为1mm的玉米秸秆后，测定其纤维素、半纤维素与木质素。经预处理后秸秆中的纤维素均有所增加，木质素含量均有所下降。尤其是经过NaOH处理后纤维素的含量比对照提高了38.90%，木质素含量下降7.25%。同时强碱对半纤维素有溶解作用，使得半纤维素的含量减少19.30%，造成一定的损失。氨水处理后纤维素含量与对照相比提高了7.70%，木质素的含量则没有多大变
６
化。强碱能破坏和溶解木质素、半纤维素与纤维素的紧密结构，提高纤维素的含量，有利于下一步纤维素的酶解[26]。
2.6.3 酶水解工序 (1) 目的
通过酶水解工序，使预处理得到的滤渣中的纤维素被纤维素酶水解，打断纤维素分子产生内部的β-1,4-糖苷键，得到可被酵母利用发酵的还原性葡萄糖。 (2) 工艺参数
表2.4酶水解过程工艺参数的控制
Table 2.4 The process parameters of enzymatic hydrolysis process control
名称
原料浆的干物质含量
水解温度 水解pH 糖化时间 干物质初始含量 酶添加量
水解为葡萄糖的纤维素含量
酶水解液的糖含量
参数 8% 50℃ 4.0 24h 8% 12U/g cellulose
95% 8%
(3) 工艺流程
纤维素酶水解工艺：酵母不能直接利用纤维素，所以发酵前还要经过酶水解过程，原料浆利用重力溢流进入水解罐，液位控制在50%左右，向水解罐里加入纤维素酶并使之充分混合来催化纤维素的糖化过程。其比活力为40000U/g。纤维素酶的添加比例为12U/g纤维素，在50℃的温度下，维持水解时间在24h左右，并保持流动状态，使纤维素酶与原料充分接触，以便于酶的作用，生成可发酵性的糖，糖化过程中聚糖的转化率为0.95，得到的水解液利用真空过滤器，得到的滤液进入发酵工段，而滤渣则用来生产纤维素酶或送往锅炉间。
７
纤维素酶的生产，除去木质素的纤维素用作碳源(往往采用酶水解剩余下来的纤维素)，玉米浆用作氮源，再加营养盐，配制成合适的培养基，在30℃，pH为4.8的条件下通风培养，二氧化碳和氮气排入大气。压滤得到的滤饼回入发酵罐作种子，滤液(纤维酶)送往酶水解车间。 (4) 生产设备
本工序采用的设备包括，水解罐、纤维素酶发酵罐、真空过滤器等。
2.7 发酵工段
2.7.1 基本原理
丙酮丁醇菌可以利用很多种原料进行发酵，除了葡萄糖、果糖、乳糖等单糖或二糖，还能利用淀粉、糖蜜等多糖物质发酵生产丁醇。早期的丙酮丁醇发酵通常以玉米和糖蜜为原料，原料成本占生产总成本的60～70%。上个世纪60年代，由于石油工业迅速发展和化学合成成本优势，发酵法生产丁醇逐渐失去了竞争力。近年来，随着石油价格的不断升高和环境问题的日益严峻，人们又将关注热点转向发酵法生产丁醇，可再生资源的利用也重新受到重视。采用廉价的可再生物质作为发酵原料，以降低生产成本，是提高丁醇发酵法竞争力的关键。以植物秸秆、农业残余物、农副产品下脚料等纤维质原料为底物发酵生产丁醇成为研究热点之一。植物秸秆是地球上储量最丰富的可再生资源，主要成分有纤维素、半纤维素和木质素。其中，纤维素和半纤维素属于可发酵糖，可以被丙酮丁醇梭菌利用。但丙酮丁醇梭菌是无法直接利用木质素为底物进行发酵，需将木质素预先水解产生葡萄糖等单糖后再用作发酵底物[27]。
丙酮丁醇发酵，从生理学角度来看，有产酸期和产溶剂期两个明显不同的生理阶段。发酵起始阶段，pH为6.0-7.0，随着合成代谢和分解代谢进行，丁酸和乙酸大量产生。当丁酸和乙酸的形成积累到使pH小于5.0(甚至降到4.0左右)，产生气
８