1. 研究目的与意义
燃料乙醇对于我国的能源安全和社会可持续性发展具有重要的战略意义，其中纤维素乙醇是当前国家产业规划和发展的重点。玉米秸秆作为一种适宜于燃料乙醇的纤维质原料，目前主流生产技术和工艺已经基本确定，开展中试车间的初步设计对于此项技术的研究和产业推进具有一定的指导意义。
2. 国内外研究现状分析
1 玉米秸秆简介
玉米秸秆是由纤维素、半纤维素、木质素、浸提物及灰分等组成。其中，纤维素是脱水葡萄糖的均聚体，由β- 1，4 葡萄糖苷连接，几乎是纤维二糖（β- 1，4- 葡萄糖基- d- 葡萄糖）的立体化学单元的重复。半纤维素由失水中性糖像木聚糖、阿拉伯聚糖、葡聚糖和甘露聚糖（带乙酰取代基）加上糖醛酸组成，是易于水解的带分支的不均一短链多糖，d- 木糖和l- 阿拉伯糖是主要的戊糖（聚木糖），d- 葡萄糖、d- 半乳糖和d- 甘露糖是主要的己糖（甘露聚糖）。木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物，分子量可以达到1105da（1da=1.6710- 27kg）或更大，对水解纤维素起到屏障作用。到目前为止，还未发现能利用木质素的单聚体来生产乙醇的微生物。半纤维素较易水解为五碳糖，纤维素较困难水解为六碳糖，而木质素一般作为燃料。
2 玉米秸秆预处理
在玉米秸秆的植物细胞壁中，纤维素分子聚集成束，包埋在半纤维素和木质素中，形成网状结构。由于纤维素分子本身的致密结构以及由木质素和半纤维素形成的保护层，直接对其进行水解，水解效率较低。因此，玉米秸秆在水解前必须进行预处理。
玉米秸秆预处理必须满足以下几个必要条件：（1） 有利于提高水解的效率；（2）避免碳水化合物的降解和损失；（3）避免产生对水解及发酵过程起抑制作用的副产物；（4）性价比高。植物纤维原料的预处理方法有很多，包括物理法、物理化学法、化学法和生物法[3]。
2.1 物理预处理法
机械粉碎是纤维原料预处理的常用方法，通过切、碾和磨等工艺使纤维原料的粒度变小，增加底物和酶接触的表面积，降低纤维素的结晶度。机械粉碎包括干法粉碎、湿法粉碎、振动球磨碾磨以及压缩碾磨粉碎。
预处理的物理方法还包括高温处理、微波辐射和超声波预处理等。
2.2 物理化学预处理法
蒸汽爆破是木质纤维原料预处理较常用的方法。这种方法是将木质纤维原料用160- 260℃水蒸汽处理适当时间（30s- 20min）后，突然减压，蒸汽从反应釜中迅速喷出，使原料爆破。蒸汽爆破预处理可有效促进纤维原料的酶解糖化，其不足之处是对设备的要求较高，能耗较大，在高温条件下部分木糖会进一步降解生成糠醛等有害物质。
氨纤维爆破法和蒸汽爆破预处理类似，即将木质纤维原料在高温和高压下用液氨处理，然后突然减压使原料爆破。在此过程中，由于液体氨的迅速汽化而产生的骤冷作用，不但有助于纤维素表面积的增加，同时还可避免高温条件下糖的降解以及有害物质的产生。
co2 爆破法原理与上述两种爆破法原理相似，在处理过程中部分co2 以碳酸形式存在，增加木质纤维原料的水解率。
co2 爆破预处理效果比蒸汽爆破和氨纤维爆破法差，缺乏经济竞争力。
2.3 化学预处理法
采用酸、碱、臭氧、双氧水、有机溶剂等对木质纤维原料进行预处理，其中以稀酸和碱预处理的研究较多。
稀酸预处理通常采用0.3- 3%的h2so4于110- 220℃下处理一定时间。由于半纤维素被酸水解成单糖，纤维残渣形成多孔或溶胀型结构，从而促进了酶解效果。但稀酸预处理对纤维原料中木质素的脱除效果不佳，这在一定程度上也限制了纤维原料的酶解效率。
碱法预处理是利用木质素能够溶于碱性溶液的特点，脱除木质素，引起木质纤维原料润胀，导致纤维内部表面积增加，聚合度降低，结晶度下降，从而促进酶水解的进行。碱法预处理的机理在于oh- 能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢键及皂化半纤维素和木质素分子之间的酯键。常用的碱包括naoh、koh、ca(oh)2和氨水等。
2.4 生物预处理法
许多白腐真菌具有分解木质素的能力，利用这类真菌可以降解纤维原料中的木质素，从而提高纤维素的酶解效率。由白腐真菌产生的木质素分解酶类主要有木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。生物法预处理条件温和，能耗低，无污染，但通常处理的时间较长，而且许多白腐真菌在分解木质素的同时也消耗部分纤维素和半纤维素。
3 水解工艺
3.1 稀酸水解
一般采用稀硫酸(0.2- 0.5％)，在较温和条件下进行。此时水解一般分2 个阶段：第1 阶段为低温操作，从半纤维素获得最大糖产量：第2 阶段采用高温操作使纤维素水解为六碳糖，糖的转化率一般为50％左右。但稀酸水解容易产生大量副产物。
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3. 研究的基本内容与计划
1、设计依据：依照毕业设计计划任务书，遵循发酵工厂设计的基本原则和规范，根据原材料和产品质量要求，结合国内外设备的现有制造和供应条件，力求采用先进的工艺技术和设备。
2、设计内容要求
（1）生产原料：玉米秸秆
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4. 研究创新点
该设计主要采用稀酸蒸汽爆破的方法预处理玉米秸秆，生产燃料乙醇，蒸汽爆破是木质纤维原料预处理较常用的方法。这种方法是将木质纤维原料用160- 260℃水蒸汽处理适当时间（30s- 20min）后，突然减压，蒸汽从反应釜中迅速喷出，使原料爆破。蒸汽爆破预处理可有效促进纤维原料的酶解糖化，其不足之处是对设备的要求较高，能耗较大，在高温条件下部分木糖会进一步降解生成糠醛等有害物质。
该设计主要是检验原有数据和方法的正确性，以及进一步改进方法节约成本，达到最大收益。
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