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1、生質(zhì)酒精的原理含木質(zhì)纖維素或多醣之生質(zhì)廢棄物可作生質(zhì)酒精之原料。它的來源包括農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料、甘蔗渣、藻類及城市垃圾中所含的廢棄生質(zhì)等。由於木質(zhì)纖維主要是由單糖所聚合而成的高分子,生質(zhì)酒精的原理即是將生質(zhì)中的木質(zhì)纖維降解為單糖,再將單糖發(fā)酵製成酒精。雖然原物料價格便宜,但生產(chǎn)成本卻很高。1.木質(zhì)纖維組成木質(zhì)纖維主要組成分包括三大部分,而在不同的生質(zhì)中其比例含量不同。1.1纖維素纖維素是由葡萄糖高度聚合而成的晶體架構(gòu),此種結(jié)構(gòu)使得纖維素的性質(zhì)非常穩(wěn)定。只有在無機(jī)酸或是纖維素.的存在下,纖維素的降解反應(yīng)才會顯著地進(jìn)行。1.2半纖維素而
2、半纖維素是由不同的多聚醣以直鏈或是支鏈聚合而成的混合物,其降解產(chǎn)物包括2種五碳糖(木糖和阿拉伯糖)和3種六碳糖(葡萄糖、半乳糖和甘露糖),各種糖所占比例隨生質(zhì)不同而有所變異。半纖維素的聚合度較低,也無晶體架構(gòu),較易水解。但因生質(zhì)裡的半纖維素和纖維素互相纏繞在一起,故只有當(dāng)纖維素被水解時,半纖維素才能水解完全。理論上每162kg纖維素水解可得180kg葡萄糖,每132kg木聚醣水解可得150kg木糖。1.3木質(zhì)素木質(zhì)纖維的另一個組成分為木質(zhì)素,其是由苯基丙烷架構(gòu)單元透過碳-碳鍵連接而成的三度空間高分子化合物,木質(zhì)素?zé)o法被降解為單糖,且在纖維
3、素周遭形成保護(hù)層,影響纖維素水解。但木質(zhì)素中氧之含量低,熱值(27MJ/kg)比纖維素(17MJ/kg)高,因此,水解中留下之木質(zhì)素殘渣常用作燃料。2.木質(zhì)纖維之酸解木質(zhì)纖維或多醣的降解可分為酸解與酶解;酸解又可分為濃酸水解和稀酸水解,它們有不同的機(jī)制。濃酸水解在19世紀(jì)即已提出,結(jié)晶纖維素在較低的溫度下可完全溶解於72%的硫酸或42%的鹽酸中,轉(zhuǎn)化成含幾個葡萄糖單元的低聚醣,把此溶液加水稀釋並加熱,經(jīng)一定時間後就可把低聚醣水解為葡萄糖,並得到較高的收率。酸水解的特點是糖的回收率高(最高可達(dá)90%以上),但所需時間長,而且酸必須回收。2.
4、1影響水解效率的主要因素包括:2.1.1原料粉碎程度:原料顆粒越細(xì),與酸液的接觸面積就越大,其水解效果就越好;但過細(xì)之原料有耗工時之虞。2.1.2液固比:一般液固比增加,單位原料的產(chǎn)糖量也增加,但水解成本上升,且所得糖液濃度下降,增加了後續(xù)發(fā)酵和精餾程序的費用,常用液固比在8~10之間。2.1.3反應(yīng)溫度及時間:一般認(rèn)為溫度對水解的影響是溫度上升10℃水解速度可提升0.5~1倍,故當(dāng)水解溫度高時,水解時間可以縮短。2.1.4酸種類及濃度:理論上,酸濃度提升1倍而其它條件不變時,水解時間可縮短1/3~1/2。但酸濃度提高,設(shè)備抗腐蝕性也將提
5、升,導(dǎo)致成本增加,一般常用酸濃度不超過3%。3.木質(zhì)纖維之酶解自然界中有一些細(xì)菌、霉菌和放射線菌都能利用纖維素作為碳源和能量的來源,因為這些微生物能產(chǎn)生將纖維素分解為單糖的纖維素酶。纖維素酶.主要包括內(nèi)切葡萄糖酶.(endo-glucanase)、外切葡萄糖酶.(exoglucanase)和β-葡萄糖酶(β-glucanase);其中內(nèi)切葡萄糖酶的作用是隨機(jī)地切割β-1,4-葡萄糖酶鍵,使纖維素長鏈斷裂,斷裂的分子鏈具有一個還原端和一個非還原端。外切葡萄糖酶包含兩個組分,其作用是分別從纖維素長鏈的還原端切割下葡萄糖和纖維二醣(兩個葡萄糖的
6、聚合物),而β-葡萄糖酶的作用是把纖維二醣和短鏈低聚醣分解成葡萄糖。與酸解相較,酶解的優(yōu)點是:A.它可在常溫下進(jìn)行、微生物的培養(yǎng)與維持僅需較少的原料,能量消耗低。B.酶的專一性高,可生成單一產(chǎn)物,故糖產(chǎn)率很高(>95%)。C.酶解中的副產(chǎn)物很少,純化過程簡單,污染機(jī)會少。酶解的缺點是:A.酶解的最大缺點是所需時間長(一般要幾天)B.酶的生產(chǎn)成本高,且原料需經(jīng)前處理。3.1酶解過程包括原料前處理、.生產(chǎn)和纖維素水解等部分。3.1.1.酶解的前處理由於生質(zhì)中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素間互相纏繞,且纖維素本身存在晶體結(jié)構(gòu),會阻止酶接近纖維素表面,
7、故生物質(zhì)直接酶解時效率很低。透過前處理可除去大部分的木質(zhì)素、同時溶解半纖維素或破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu),從而增大其可接觸表面積,提升酶解收率。目前常用前處理方法大致上可分為物理法、物理-化學(xué)法和化學(xué)法:A物理法:主要是利用機(jī)械粉碎,使生質(zhì)原料的顆粒變小,增加和酶的接觸表面積,更重要的是破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu),但是粉碎生質(zhì)原料所需耗能較大。B物理-化學(xué)法:主要包括蒸汽爆裂、氨纖維爆裂、CO2爆裂等。其原理為利用蒸汽或其它氣體將生質(zhì)原料加熱後,並保持一定時間,利用高溫和高壓導(dǎo)致木質(zhì)素的軟化,然後迅速開閥降壓,造成纖維素晶體的爆裂,達(dá)到木質(zhì)素和纖維素
8、分離的結(jié)果。(1)蒸汽爆裂法的優(yōu)點是耗能低,可批式或連續(xù)式操作,主要適合於硬木原料和農(nóng)作物秸稈,但對軟木的效果較差;其缺點是木糖損失多,容易產(chǎn)生對發(fā)酵有害的物質(zhì)。(2)氨纖維爆裂不產(chǎn)生有害物質(zhì)