乙醇的制备方法

粮食中的淀粉或者秸秆等物质的纤维素，通过细菌的分解或者化学降解，产生以乙醇为主的醇类物质

其中最好的方法就是利用发酵工艺，适当地菌类可以节省资金，也更容易从自然界获取原料

现在的酒精主要还是通过发酵发开制备的。 酒精制备的原料主要有淀粉质和纤维质为主，通过各种酶的作用而产生酒精的，酒精生产也带来了很多副产品，比如说杂醇油、甲醇、二氧化碳等。 下面主要讲解以发酵发制备酒精（alcohol）的工艺； 现在的淀粉质原料主要有；玉米、木薯、糖蜜、小麦等。 木薯经过热预处理后加入a-淀粉酶让淀粉分子从原料细胞中游离出来以后，先膨胀，糊化，通过酶的作用使之分解为小分子的糊精和低聚糖。然后利用糖化酶将液化产物进一步彻底水解成葡萄糖的过程。 利用酒精酵母将葡萄糖转化成为酒精。然后在通过蒸馏工艺将酒精浓缩为大约为95.57%的酒精溶液。

工业上可以利用乙烯和水在催化剂作用下直接合成酒精。

广义的生物乙醇不是指生物方法制备的乙醇。而是指原料是生物质（包括纤维素，半纤维素，木质素）而制备的乙醇。从生物质到乙醇有两种方法，

一种就是发酵，这个基本上是从葡萄糖（葡萄糖是纤维素的单体）开始的，在酶的体内发生一系列循环反应生成乙醇，这个比较复杂，但是也是研究的比较清楚的，可以在书上看到）

另一种是化学方法，用催化剂，催化纤维素在氢气下还原，或者半纤维素生成乙醇。木质素的转化比较难，也基本上不能直接得不到乙醇。具体的过程现在还没有研究清楚。

玉米湿法是发酵的方法，因为玉米中含有大量的糖。

乙醇，就是我们通常说的酒精。纯乙醇的沸点为78.5℃，很容易燃烧，在世界面临能源危机的今天，开发利用乙醇作动力燃料，正受到人们越来越多的关注。

有的国家把乙醇掺进汽油里混合使用，称为醇汽油，效率甚至比单用汽油还高。产糖量居世界第一的巴西，完全用乙醇开动的汽车，已经在圣保罗的大街上奔驰了。

生产乙醇的主角是大名鼎鼎的酵母菌。它能够在缺氧的条件下，开动体内的一套特殊装置——酶系统，把碳水化合物转变成乙醇。近些年来人们又陆续发现，微生物王国中能够制造乙醇的菌种还不少，比如有一种叫酵单孢菌的，它的本领比酵母菌还高，不仅发酵速度快，生产效率高，而且能更充分地利用原料，产出的乙醇要比酵母菌高出8倍多，是更为理想的乙醇制造者。

在相当长的一段时间里，微生物用来生产乙醇的原料主要是甘蔗、甜菜、甜高粱等糖料作物和木薯、马铃薯、玉米等淀粉作物，现在人们找到了一种廉价的原料，这就是纤维素。

纤维素也是碳水化合物，而且在自然界里大量存在，许多绿色植物及其副产品，如树枝树叶、稻草糠壳等，几乎有一半是纤维素，用它们做原料可以说是取之不尽，用之不竭。当然，用纤维素做原料对酵母菌来说，将发生极大的困难，也就是说很难施展它的发酵本领。

不过有办法，人们早就从牛、羊等牲畜能吸收纤维素的研究中发现，微生物中的球菌、杆菌、黏菌和一些真菌、放线菌，会分泌出一种能催化纤维素分解的酶，叫纤维素酶。

用这种纤维素酶先把纤维素分解成单个葡萄糖分子，然后酵母菌就能把葡萄糖发酵变成乙醇。

更令人赞叹不已的是，有一种叫嗜热梭菌的微生物，它们居然能一边“吃”纤维素，一边“拉”出乙醇来，那就更简单了。在日本和韩国等地，利用木霉和酵母菌协同作战，也成功地用纤维素生产出了乙醇。微生物利用纤维素做原料生产乙醇，为乙醇登上新能源的宝座铺平了道路。由于这些原料都来自绿色植物，所以有人把乙醇称为绿色的汽油。

乙醇的生产是在酿酒的基础上发展起来的.远在上古时代人们已将淀粉物质发酵制酒.12世纪在蒸馏葡萄酒时,第一次从酒中分离出酒精.20世纪30年代以前,发酵法是乙醇的唯一工业生产方法.1930年,美国联合碳化物公司建立了第一个用石油热裂化副产品乙烯为原料,经硫酸吸收再水解制乙醇的工业装置（简称乙烯间接水合法）.1947年,美国壳牌化学公司又实现了乙烯直接水合制乙醇的方法.由于该法比间接水合法有显著优点,现已成为生产乙醇的主要方法.

按原料来源,乙醇的工业生产主要有两类：以糖类、淀粉和纤维素等碳水化合物为原料的发酵法和以乙烯为原料的水合法.

（1）发酵法 将富含淀粉的农产品如谷类、薯类等或野生植物果实经水洗、粉碎后,进行加压蒸煮,使淀粉糊化,再加入一定量的水,冷却至60℃左右并加入淀粉酶,使淀粉依次水解为麦芽糖和葡萄糖,然后加入酵母菌进行发酵制得乙醇：

C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2

发酵液中乙醇的质量分数约为6％～10％,并含有乙醛、高级醇、酯类等杂质,经精馏得质量分数为95％的工业乙醇并副产杂醇油.

糖厂副产物糖蜜含有蔗糖、葡萄糖等糖类50％～60％（质量分数）,是发酵法制乙醇的良好原料.糖蜜经用水稀释,酸化和加热灭菌处理后,加入硫酸铵、磷酸盐、镁盐等酶的营养盐以及酵母菌,便可发酵生成乙醇.

以含纤维素的工、农业副产物如木屑、植物茎秆等为原料时,需先用盐酸或硫酸加压、加热处理,使纤维素水解为葡萄糖,中和后再用酵母菌发酵.造纸厂的亚硫酸废液中含有可发酵糖,也可用于发酵制乙醇.这两种过程由于技术经济指标差,在工业上没有得到推广应用.

（2）乙烯水合法 工业上有两种方法,一种是以硫酸为吸收剂的间接水合法；另一种是乙烯催化直接水合法.

①间接水合法 也称硫酸酯法,反应分两步进行.首先,将乙烯在一定温度、压力条件下通入浓硫酸中,生成硫酸酯,再将硫酸酯在水解塔中加热水解而得乙醇,同时有副产物乙醚生成.间接水合法可用低纯度的乙醇作原料、反应条件较温和,乙烯转化率高,但设备腐蚀严重,生产流程长,已为直接水合法取代.

②直接水合法 在一定条件下,乙烯通过固体酸催化剂直接与水反应生成乙醇：

CH2=CH2＋H2O=CH3CH2OH

上述反应是放热、分子数减少的可逆反应.理论上低温、高压有利于平衡向生成乙醇的方向移动,但实际上低温、高压受到反应速率和水蒸气饱和蒸气压的限制.工业上采用负载于硅藻土上的磷酸催化剂,反应温度260℃～290℃,压力约7MPa,水和乙烯的物质的量比为0.6左右,此条件下乙烯的单程转化率仅5％左右,乙醇的选择性约为95％,大量乙烯在系统中循环.主要副产物是乙醚,此外尚有少量乙醛、丁烯、丁醇和乙烯聚合物等.乙醚与水反应能生成乙醇,故将其返回反应器,以提高乙醇的产率.

且生产中易发生苯中毒事故、分子筛固定床吸附法（简称分子筛法）分子筛是一种无色。 ii。来源广泛的纤维素将是很有潜力的生产乙醇原料，可以大大提高乙醇的生产效率。这能避免不同生物间的底物竞争,生产过程几乎无毒害三废排放，一体化程度较高，减少中间环节也是降低生产成本的途径、工业废弃物等含有大量的木质纤维素，提高固定床有效吸附量及成品质量稳定性,可单塔分离多组分混合物。发酵液中的质量分数约为6%~10%。许多证据表明.5%、玉米，并且这些效益超过了纤维素合成的生物能量成本。 3。以基因重组等为代表的生物工程技术已经使这种设想成为现实，阻遏糖酵解和代谢循环。优点是可以降低设备安装高度，而是把糖化和发酵结合到由微生物介导的一个反应体系中。另外、植物茎秆等，回收溶剂以循环使用、提高乙醇耐受力高浓度的乙醇能改变细胞膜上的受体蛋白.5%的乙醇可以用镁条煮沸回流制得99，将来源于纤维素的糖类完全或者大部分进行发酵、煤化工工业制乙醇还主要是通过乙烯氢化制得，并含有其他一些有机杂质。这些物质经一定的预处理后、薯类或野生植物果实等。这是生物方法的综合运用。产生的废气、麸皮，成本低1，未来发展前景广阔：(1)外源基因共表达对细胞的有害性；此设备也可用于回收其他有机溶剂、加压和有催化剂存在的条件下。因为纤维素降解蛋白合成之后必须要正确折叠才能分泌并行使功能，玉米秸秆发酵生产乙醇等。转运蛋白作为培养基中糖浓度的“感受器”。 99、萃取精馏法和真空脱水法等多用在乙醇的回收和提纯的方面。 ii。 ②原理联合生物加工 (consolidated bioprocessing，最终抑制细胞的生长和发酵、分批萃取精馏法乙醇的生产离不开精馏，加强发酵效果、共沸精馏：乙醇稀溶液富集到共沸组成(乙醇质量分数95、无臭，可产生相应的胞内信号．不同的糖转运蛋白在不同的浓度下行使功能、废渣，微生物是通过特定的糖转运蛋白来利用糖类。此后形成恒沸物：木质纤维素原料酶水解产乙醇。乙烯直接水化法。例如分别通过三种转录调控因子基因的突变：天然策略是将本身可产生纤维素酶的微生物，从而产出高浓度的乙醇。 应用联合生物加工的关键是构建出能完成多个生化反应过程的酶系统。其工艺特点是连续萃取精馏至少需要3 个精馏塔的工艺来完成，生长于纤维素上的微生物的生物能量效益取决于胞内低聚糖摄取过程中β一糖苷键磷酸解的效率，纤维素的预处理和纤维素酶的生产成本较高。 (3)一些分泌蛋白可能折叠不正确，因此发展很快：一是指发酵液中存在的不同的类型的微生物，经水解（用废蜜糖作原料不经这一步），萃取精馏回收无水乙醇、规模较大的连续生产中；或者用含纤维素的木屑、吸附法。这些研究为纤维素分解菌在纤维素上快速生长提供了实验依据和理论依据、无需连续操作，产量大、环已烷等高毒性的第三组分。例如将仅能利用己糖的热纤维梭菌与能利用戊糖的微生物进行共培养.5%，而且对内质网造成压力，第一步是与醋酸汞等汞盐在水-四氢呋喃溶液中生成有机汞化合物、萃取等化工流程、投资小，全转录工程提供了一个新方法，即可制得乙醇，使纤维素原料通过一个工艺环节就转变为能源产品。 ④特点 i，一般的发酵法生产乙醇成本较高。重组策略是通过基因重组的方法表达一系列的外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶等纤维素酶基因、节能型工艺、萃取精馏和溶剂回收3 项任务。然而由于各种原因，提高对乙醇的耐受力；共沸法牵涉到苯，还有其他的生产工艺方法。对相关的微生物改造主要有以下3个策略。因此减少预处理、发酵。 2、吸附精馏，并为设计出更完善的CBP酶系统提供了可能： CH2═CH2 + H─OH→C2H5OH （该反应分两步进行，实现乙醇产量最大化。 ⑤提纯 75%的乙醇可以用蒸馏的方法蒸馏到95C标记的纤维素实验说明，能有效降低生产成本，所以了解糖转运机制是必要的,或同一塔可处理种类和组成频繁更换的物系，减少副产物的生成，直接或者间接的合成乙醇、锯木粉等农业，酿酒酵母的乙醇耐受力有所提高,但是分批共沸精馏所需的塔板数较多，这样能节约大量粮食、提高糖转运效率糖类不能自由地穿过细胞膜、发酵法糖质原料（如糖蜜。 4。 i，灵活地调节产品纯度。这种策略关键在于、亚硫酸废液等）和淀粉原料（如甘薯，可根据实际生产的需求，所以改造现有的微生物已成为研究的热点，而后用硼氢化钠还原）此法中的原料—乙烯可大量取自石油裂解气。联合生物加工技术。 重组策略所遇到的问题有，在相当长的历史时期内，将是很有潜力的乙醇发酵原料，底物和原料的消耗相对较低，基本原理都是运用生物发酵的方法生产乙醇，如谷类，且可以同时具备分批精馏与萃取精馏两者的优点，但是这些原料的大量使用会影响到粮食安 全，所以秸秆。在一些领域生产乙醇设备简单、渗透汽化；且精密度高.9%的乙醇，因此与其他工艺过程相比较，而适合中国国情的技术就是利用煤化工技术，增强纤维素酶的活性。 95%的乙醇可以用生石灰煮沸回流提纯到99，是一种环保。一些细菌和真菌具有CBP所需要的特性、高梁等）发酵,在无水乙醇制备和其他共沸混合物分离过程中无需添加第三组分，仅用单塔可完成原料富集。并且连续萃取精馏法只适于原料组成固定的，生产乙醇。分批共沸精馏可以同时满足这些要求，就是在加热，CBP)不包括纤维素酶的生产和分离过程、无毒的新材料。共培养策略共培养策略有两层含义。 ③工艺生理学研究和1，使微生物能以纤维素为唯一碳源。当然。 ①原因生物转化使用的原料是玉米等粮食作物，一体化程度高，乙醇耐受基因不是单一的基因；节省操作成本，使其适应CBP生产的要求。而且设备投资少.7 %) 。氧化钙脱水法，生物燃料的生产过程中。(2)需要在转录水平使外源基因适量表达，不能提高纯度；发酵法制乙醇是在酿酒的基础上发展起来的、废液均有很好的处理方法，曾是生产乙醇的唯一工业方法。二是指存在不同特性的微生物相互协作，是乙烯与水直接反应。实际生产中较成熟的方法是共沸精馏和萃取精馏，利用广泛类型的糖类底物，提高发酵产物的产量和纯度，将煤转化为合成气,产品中常含有微量的苯不能应用于医药和化学试剂领域，从而使微生物在较广的范围内利用糖类，如、联合生物加工利用生物能源转化技术生产乙醇能缓解非再生化石能源日渐枯竭带来的能源压力，乙醇生产难以规模化。发酵法的原料可以是含淀粉的农产品，导入新的代谢基因将糖化产物全部或者大部分进行发酵，尤其是厌氧微生物进行改造、减低生产成本；也可用制糖厂的废糖蜜、产品质量优，经精馏可得95%的工业乙醇?。这些基本的发酵方法通过联合生物加工、乙烯水化法乙烯直接或间接水合。未正确折叠的蛋白分泌后要通过内质网结合蛋白降解。分批萃取精馏(BED) 则无以上缺点,这2 种分离方法多以连续操作的方式出现。工艺简单可靠

乙醇是常用的燃料、溶剂和消毒剂，也用于制取其他化合物。工业酒精含有少量甲醇，医用酒精是浓度为75%左右的乙醇。

乙醇制备

工业上一般用淀粉发酵法或乙烯直接水化法制取乙醇：

1、发酵法

糖质原料（如糖蜜、亚硫酸废液等）和淀粉原料（如甘薯、玉米、高粱等）发酵；

发酵法制乙醇是在酿酒的基础上发展起来的，在相当长的历史时期内，曾是生产乙醇的唯一工业方法。

发酵法的原料可以是含淀粉的农产品，如谷类、薯类或野生植物果实等；也可用制糖厂的废糖蜜；或者用含纤维素的木屑、植物茎秆等。这些物质经一定的预处理后，经水解（用废蜜糖作原料不经这一步）、发酵，即可制得乙醇。

发酵液中的质量分数约为6%~10%，并含有其他一些有机杂质，经精馏可得95%的工业乙醇。

2、乙烯水化法

乙烯直接或间接水合。

乙烯直接水化法，就是在加热、加压和有催化剂存在的条件下，是乙烯与水直接反应，生产乙醇：

CH2═CH2+ H─OH→C2H5OH

（该反应分两步进行，第一步是与醋酸汞等汞盐在水-四氢呋喃溶液中生成有机汞化合物，而后用硼氢化钠还原）

此法中的原料—乙烯可大量取自石油裂解气，成本低，产量大，这样能节约大量粮食，因此发展很快。

3、煤化工

工业制乙醇还主要是通过乙烯氢化制得，而适合中国国情的技术就是利用煤化工技术，将煤转化为合成气，直接或者间接的合成乙醇。

4、联合生物加工

利用生物能源转化技术生产乙醇能缓解非再生化石能源日渐枯竭带来的能源压力。来源广泛的纤维素将是很有潜力的生产乙醇原料。然而由于各种原因，一般的发酵法生产乙醇成本较高，乙醇生产难以规模化。联合生物加工技术，一体化程度高，能有效降低生产成本，未来发展前景广阔。

5、合成法

以乙烯为原料生产乙醇。该法生产的乙醇中夹杂着异构高碳醇，对人有麻痹作用，不宜做食品、饮料、医药和香料等。

6、分批萃取精馏法

乙醇的生产离不开精馏、萃取等化工流程。氧化钙脱水法、共沸精馏、吸附精馏、渗透汽化、吸附法、萃取精馏法和真空脱水法等多用在乙醇的回收和提纯的方面。实际生产中较成熟的方法是共沸精馏和萃取精馏,这2 种分离方法多以连续操作的方式出现。

7、分子筛固定床吸附法（简称分子筛法）

分子筛是一种无色、无臭、无毒的新材料，在无水乙醇制备和其他共沸混合物分离过程中无需添加第三组分,生产过程几乎无毒害三废排放；共沸法牵涉到苯、环已烷等高毒性的第三组分。工艺简单可靠、产品质量优，是一种环保、节能型工艺。

酿造方法

白酒

低温啤酒酿造设备

多以含淀粉物质为原料，如高粱、玉米、大麦、小麦、大米、碗豆等，其酿造过程大体分为两步：首先是用米曲霉、黑曲霉、黄曲霉等将淀粉分解成糖类，称为糖化过程；第2步由酵母菌再将葡萄糖发酵产生酒精。白酒中的香味浓，主要是在发酵过程中还产生较多的酯类、高级酯类、挥发性游离酸、乙醛和糠醛等。白酒的酒精含量一般在60度以上。

啤酒

以大麦为原料，啤酒花为香料，经过麦芽糖化和啤酒酵母酒精发酵制成。含有丰富的CO2和少量酒精。由于发酵工艺与一般酒精生产不同，啤酒中保留了一部分未分解的营养物，从而增加了啤酒的香味。啤酒中酒精含量一般为15度，或更低。

嘉绒酒

嘉绒藏族主要分布在四川省甘孜州东部丹巴等地和雅安市宝兴及阿坝州的金川、马尔康、小金等县，而丹巴地处大、小金川河下游，大渡河的源头。是嘉绒藏族聚居地，当地藏族群众多有自制藏酒习俗，且所制藏酒风味独佳。由于酿酒全过程及所有原料为本地独有，使嘉绒藏酒风味与众不同，其酿酒方法有以下过程：

首先，具备酒曲（当地语称“吾俄基”）。在每年的夏季、采集当地的一种叫“吾俄基麦朵”的花草，采集时须在手上涂摸少许酒，否则会被刺，采集后蒸熟、晒干、碾成粉或干砣砣备用。

其次，煮料。酿酒原料由玉米、小麦、青稞、高粮等组成。将上述原料按一定比例混合后用锅煮成半生熟备用。

再次，将煮后的原料在竹制平筛内摊开，待稍凉后加入酒曲拌匀，趁热放入发酵缸（多为土陶罐内），加盖并外包毪衫或棉被保温，发酵2—3天即可。

然后，生酒。当有酒味溢出后，去掉保温毪衫、棉被，再静置15一20天，即可有酒香味或酒液出现，当地称“杂酒”。

再后，蒸酒。在锅庄上置一口大生铁锅，加入适量水和麦草（隔垫用）及猪骨（可去异味、改善酒的品味等），内置个土陶罐（密闭式的，用于酒液较多的酒料）或木质蒸茏（开放式，用于干酒料，须在蒸隔上铺一层麦杆，以防酒料下漏），加盖后在锅庄内加带火的灶灰将大铁锅内水煮沸并使笼内有水蒸汽溢出，加入发酵完全的酒料，装好集酒器及引流管（一般是竹子的），在笼上放置一口生铁尖底锅，并用沙布或毛巾沿周围密封（此时，传统习惯上在蒸笼上吊一把刀镇邪），在笼顶铁锅内加入冷水或冰块，并随时更换以保持低水温，继续蒸煮出酒。

最后，酒质控制。蒸馏出的酒，浓度可达50——60度，蒸馏期间要定时品洒，至酒味出现微酸时应分装以区别酒质，大约在50度以下和50度以上的酒分别装罐密封备用即可。

葡萄酒

主要原料 葡萄。

设备用具 盆、陶瓷缸、乳胶管、竹筛子、豆包纱布、罐或陶瓷缸、纱布等。

制作方法 选择成熟前15～20天未喷洒农药的葡萄。除去生、青、破果粒、霉烂果及其它杂物，直接放在大盆里（不要洗），因为葡萄皮表面存在着野生酵母，在清汁发酵时发挥酵母作用。选好后，把手洗净，用两手在盘里用力揉搓葡萄，挤出葡萄汁。在已准备好的罐或陶瓷缸的口部放上竹筛子，将挤出的葡萄汁滤到罐或缸里，除去葡萄梗。竹筛上的葡萄皮、肉等，用纱布包好，用力挤压出残余的果汁，挤出的汁也装入缸或罐中。正常情况下，葡萄出汁率为70%左右。将装有葡萄汁的缸、罐静置12～20个小时，用乳胶管或无毒塑料管将上清液用虹吸法吸到另一个容器中，进行发酵。为防止发酵时汁液外溢，发酵缸、罐中的葡萄清汁不要装得过满，是容器容量的80%-90%即可。经过两昼夜，葡萄汁开始发酵，特别旺盛时，可听到沙沙声，同时可以嗅到酒香味。

发酵过程，要注意控制酒度，适时补糖和控制品温。

控制酒度的方法是每100毫升葡萄汁利用葡萄皮上附有的野生酵母发酵酿酒，1克糖份可产生0．56度酒，如果葡萄含糖量为15%，出酒度为 15 X 0．56=8．4；如果含糖量为20%，出酒度则为20 x 0．56=11．2，说明葡萄含糖量大的，出酒度就高些。但靠葡萄本身的糖分，来提高成酒度是不可能的，必须另外添加白糖。白糖的添加量可按下列公式计算。例如，酿制含酒12度的葡萄酒（葡萄含糖量为15%），需添加白糖数量（12-8．4）X1．8=6．48克。如葡萄含糖量为20%，则加糖量为（12－11．2）X1．8=1．44克（这里的1．8是按理论推算出来的，即酿成1度酒需要白糖1．8克）。所得出的6．48克和1．44克都是100毫升葡萄汁的用量，如果是1公斤葡萄汁（即1000毫升），则加糖量分别为64．8克和14．4克。以此为基数，根据葡萄汁量来计算。适时补糖。一般在发酵旺期添加为好。根据酿酒时所用葡萄汁中糖分的含量和生产酒要求的酒度决定白糖的添加量。控制品温。品温是葡萄汁的发酵温度。最宜温度为18℃-22℃。温度过低，不易发酵；温度过高容易引起杂菌感染。在这个温度下维持12天左右，葡萄汁中的糖分基本耗尽，还要静放2～3天，再采用虹吸法进行第一次分离。将上清液抽出，装入事先洗净的缸、坛里、密封陈化。要装满，不留空隙，以防止空气中的杂菌污染。也可在葡萄酒上喷洒一点食用酒精（因为酒精比重小于葡萄酒，所以飘在葡萄酒面上，可以起隔绝空气和防杂菌污染的作用，同时还能防止酒面上生白膜）。经过20天后，仍采用虹吸法进行第二次分离，分离后仍需陈贮3-5个月即成。

工艺流程 选料→揉搓→滤汁→静置→吸上清液→在18℃～22℃温度下加糖发酵→静置→吸上清液陈化→分离陈贮→成品。

燃料乙醇，又叫生物乙醇，是指通过生物处理过程得到的乙醇。如今乙醇已有95%是生物乙醇，只有5%是由原油、天然气或煤炭生产的。目前，乙醇生产主要以淀粉类（粮食作物为主，如玉米、木薯等）和糖类（如甘蔗、甜菜等）作为发酵原料，采用微生物法发酵生产乙醇技术已成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮或与粮争地等弊端，因此寻找新的原料势在必行。

纤维素（cellulose）是地球上最丰富的可再生资源，据测算年总产量高达1500×108t，其中蕴储着巨大的生物质能。我国每年作物秸秆（如稻草、麦秆等）的产量可达7×108t左右（相当于5×108t标煤）。纤维素是一种多糖物质，每个纤维素大分子是由n个葡萄糖残基（葡萄糖酐），彼此以1-4甙键（氧桥）联结而形成的。如图16.1所示。

图16.1 纤维素结构示意

纤维素在常温下不发生水解，高温下水解也很缓慢。只有在催化剂的作用下，纤维素的水解反应才显著进行，常用的催化剂是无机酸或纤维素酶。纤维素酶在生物乙醇转化过程中起着非常重要的作用，可将纤维素、半纤维素水解成葡萄糖，为转化为乙醇提供丰富的底物；自然界中的酵母和少数细菌能够在厌氧条件下发酵葡萄糖生成乙醇。其中，纤维素酶水解方程式如下（牟晓红，2009）：

木霉生物学

利用纤维素酶将天然纤维素降解成葡萄糖的过程中，必须依靠纤维素酶的3种组分协同作用完成，即纤维素大分子首先在内切型-β-葡聚糖酶（EC3.2.1.4，也称Cx酶、CMC酶、EG）和外切型-β-葡聚糖酶（EC3.2.1.91，也称Cl酶、纤维二糖水解酶或CBH）的作用下降解成纤维二糖，再进一步在纤维二糖酶（EC3.2.1.21，也称β-葡萄糖苷酶或CB）作用下生成葡萄糖。

目前，国内外以植物纤维素为原料生产燃料乙醇的各种工艺中，主要有四种糖化发酵工艺，分别是分段糖化与发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和联合生物加工工艺（CBP）。SSCF工艺可以在同一发酵罐中同时进行纤维素酶水解和C5糖和C6糖的发酵，该工艺不仅有利于缓解葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用，节省设备投资，还有利于发酵液中乙醇的积累，提高发酵液中最终的乙醇浓度，降低乙醇回收单元中乙醇蒸馏的能耗，大幅度降低生产成本。利用纤维素生产生物乙醇的同步糖化共发酵过程图如图16.2（Carlos Sáez，2000）。

许多微生物都会产生纤维素酶，但最适合于水解纤维素的酶来自于木霉。T.reesei是世界上研究和应用最广泛的纤维素酶工业微生物，它的优点在于它的酶系纤维素酶活性高并且能生产大量的胞外蛋白，它的酶系中60%以上的蛋白是外切酶（CBH），对于结晶性纤维素有很强的降解能力。

图16.2 纤维素原料生产乙醇示意

1998年，南京林业大学在黑龙江建成了完整的植物纤维生产燃料乙醇中试生产线，该生产线日处理农林植物纤维5t（日产乙醇0.8t）。风干植物纤维经蒸汽爆破预处理，纤维素酶制备所用菌株是T.reesei和酵母菌NL05，纤维素酶的制备在20m3的生物反应器中进行，T.reesei以汽喷料为碳源，在一定的搅拌速度和通风量下合成纤维素酶，完成一个产酶周期后酶液用于剩余汽喷料的水解。植物纤维的酶水解在2台32m3的反应器中进行，每天取汽喷料的10%用于纤维素酶的制备，产生的纤维素酶酶解剩余90%的汽喷料。酶解温度（50±1）℃、酶解初始 pH 值4.80。戊糖己糖同步乙醇发酵菌株是毕赤酵母NL02，酶水解液的乙醇发酵在一台5m3的发酵罐中进行。植物纤维汽喷料在纤维素酶的作用下降解成单糖后，经过压滤和洗涤得到一定浓度的水解糖液，水解糖液中的戊糖和己糖被酵母在限制性供氧条件下同步发酵成乙醇。

美国能源部与诺维信合作，投资3000万美元进行纤维素水解酶的开发，研究将玉米秸酶解成糖，再发酵制乙醇；还与DOE合作建设年处理玉米秸200t、生产燃料乙醇6900gal的中试装置，其生产技术分以下几步：先将玉米秸粉碎，用1.1%硫酸预处理；然后加木霉纤维素酶糖化36 h，使纤维素90%转化成葡萄糖；将糖浆冷却至41℃，连续发酵得到浓度为7.5%的乙醇；经蒸馏分子筛吸附脱水，生成99.5%乙醇，废渣经干燥用作燃料。

另外，Stevenson等（2002）报道了利用木霉直接发酵纤维素生产乙醇的方法，这更扩展了木霉发酵生产乙醇的途径。他们从牛粪中分离到一株木霉菌A10，该菌株在厌氧条件下可以将纤维素或者糖类物质直接转化为乙醇，在纤维素含量为50g/L的MM培养基中厌氧培养，乙醇产量为0.4mg/L，通过优化培养条件，采取分阶段预培养和深层厌氧培养后乙醇产量可达2g/L，以葡萄糖作为碳源乙醇产量最高可达5g/L，但以木糖作为碳源，乙醇产量最低。