葛根资源能源化生态产业链的研究
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随着人类社会的快速发展，能源及资源危机日益凸现。利用生物质原料转化燃料乙醇是世界高技术研究和产业化竞争激烈的领域热点。各国根据实际情况分别以不同的原料进行燃料乙醇的生产。综合我国的国情和生物资源状况，遵照“发展燃料乙醇不与人争粮，不与粮争地”的原则，发展生物质燃料乙醇，一个可行的方案是有选择地在一些不适宜种植高产粮食作物的地区，因地制宜，通过发展高产、耐旱、耐贫瘠、代粮的作物或现有的一些野生资源作为生物质燃料的原料，如以我国为分布中心、资源丰富、淀粉含量高的葛根。是很有潜力的生产燃料乙醇的原料。
葛根为豆科葛属植物野葛或甘葛藤(粉葛)的根，始载于我国汉代《神农本草经》。葛属植物全世界约20种，主要分布于温带和亚热带地区，我国是葛属植物的分布中心，全国各地均有葛资源分布。共有葛属植物11种，分别是野葛、粉葛、食用葛、峨眉葛、云南葛、越南葛、三裂叶葛、萼花葛、狐尾葛、思茅葛和掸邦葛，其中野葛和粉葛的分布广、产量高，是资源较多的品种，在我国南方到处可见。
葛根的主要组成是淀粉、纤维素、蛋白质和葛根异黄酮，另外还含有少量的脂肪、果胶、鞣质和生物碱等。新葛根含水分在50％～60％，淀粉的含量达到18.5％～27.5％。由此可折合知干葛根淀粉含量约为50％～60％，另外干葛根中还含有纤维素9％～15％，粗蛋白5％～8％，异黄酮含量为3％～5％，可作为生产乙醇的淀粉质原料。
葛根具有很强的适应性，在多种土壤上都可生长，我国众多的山地、林地、斜坡、未开垦的荒地都为葛根的生长提供了良好的生长环境。葛根不仅自然野生资源丰富，而且容易栽培、繁殖。目前淀粉含量高的粉葛以人工栽培为主，主要在两广、两湖及云贵一带有种植习惯。这就为葛根的开发利用提供了有利条件。另外葛藤具有匍匐、坚韧之性，其茎叶覆盖地面可防干燥。扎根后可防水土流失。所以，葛根的种植不仅能创造经济效益，还能产生良好的生态效益。
葛根现已成为我国许多地方重点开发的经济作物，得到大面积人工栽培。用耐旱、耐贫瘠的，可在不利于粮食作物生长的山坡地、沙荒地生长的富含淀粉的粉葛根为燃料乙醇的生产原料，一方面为燃料乙醇生产的原料提供了新方向。解决粮食发酵中存在的问题――粮食来源有限，且价格昂贵，因此粮食发酵成本高。竞争力差，另外大量粮食消耗会引起人均粮食占有量下降，影响国家粮食安全等；另一方面有利于山区农民增产、增收，开辟了一条致富之路。
近年来对葛根的研究，多集中在葛根淀粉、葛根黄酮的提取工艺以及葛根黄酮的精制。而在应用方面。葛根往往只是作为淀粉原料提取葛根淀粉，或者作为葛根黄酮的原料提取葛根黄酮。很难兼顾到葛根淀粉与葛根黄酮的综合利用，更别说葛根中含有的9％～15％的葛根纤维以及5％～8％的蛋白的利用。另外，在现有的提取葛根淀粉或者葛根黄酮的工艺中。必须有原料的碎解设备，使用的目的是破坏葛根的细胞结构，从而释放出淀粉颗粒或葛根黄酮。在原料碎解过程中，葛根纤维的存在。使碎解的能耗升高；同样，采用溶剂法有效提取葛根总黄酮。一方面必须克服由纤维素、半纤维素等物质构成的细胞壁的致密结构形成的传质阻力，另一方面。必须克服葛根中的淀粉在溶剂的高温(80～90℃)、长时间(2～3小时)作用下部分糊化产生的传质阻碍。
葛根资源的能源化利用若按照粮食类淀粉原料生产乙醇的工艺路线：高温或低温蒸煮一糊化一液化―糖化一液体发酵一初级蒸馏的路线生产乙醇。其中原料的蒸煮所耗能量占乙醇生产能耗的30％～40％，产生大量高浓度有机废水。不仅容易造成环境污染，而且难以提取葛根黄酮，葛根纤维也得不到利用。
由此可看出。对于葛根资源的利用。存在以下几方面的问题：首先。现有的利用工艺只考虑了有效成分中单一组分(淀粉或者黄酮)的利用，而其他组分(葛根纤维)不但没有得到利用．造成资源的浪费，还成为进一步利用的阻碍。采用一定的预处理方法(碎解、粉碎)也仅仅使原料中的淀粉或黄酮得到分离、利用。是一种不彻底的分离手段。其次，现有的利用技术比较单一，利用过程中独自采用的葛根淀粉的提取工艺或葛根黄酮的分离纯化技术，缺乏将葛根中有效组分分层分级利用的理念。最后，葛根资源能源化利用缺乏相应的技术集成系统，现有的技术只能套用粮食淀粉发酵的工艺，造成原料浪费的同时。原料预处理费用高、环境污染严重，使得产品生产成本过高。导致葛根等非粮食淀粉类资源能源化利用难以产业化。
基于葛根资源利用中存在的上述问题，要实现葛根资源生物量的全利用。首先应认识到在葛根淀粉或葛根黄酮利用的过程中。葛根纤维或葛根淀粉不是废弃物，也是可开发利用的有效资源，因此必须寻求到一种原料的预处理方法，使葛根原料的各组分低成本地分离，且分离以便于其他各组分的工业利用为目标。
葛根中各组分的有效分离，应先去除含有的纤维素组分等对葛根淀粉、葛根黄酮溶出的壁垒作用。中国科学院过程工程研究所经过十几年的研究，基于生物质资源生物量全利用的关键平台――原料的组分分离提出的低压无污染汽爆技术。是一种在汽爆过程中不添加任何化学药品。仅控制生物质的含水量，实现纤维质原料组分分离的技术。具有细胞结构的植物原料在高压、高温介质下汽相蒸煮，半纤维素和木质素产生一些酸性物质。使半纤维素降解成可溶性糖，同时复合胞间层的木质素软化和部分降解，从而消弱了纤维间的粘结。然后，突然减压。介质和物料共同作用完成物理的能量释放过程。物料内的汽相介质喷出瞬间急速膨胀，同时物料内的高温液态水迅速暴沸形成闪蒸，对外作功，使物料从胞间层解离成单个纤维细胞。蒸汽爆破技术本身成本较低，而无污染蒸汽爆破技术又很好地解决了化学试剂的添加造成的二次污染问题，从而几乎达到了污染零排放。
其次，要实现葛根资源生物量的全利用，应建立在技术上可行、经济上有利可得以及在环境方面节能、降耗、无污染合理的技术路线。使分离得到的各组分能够分层、分级定向转化。从而形成一条高效、清洁的葛根资源能源化利用的生态产业链。
葛根资源能源化生态产业链的特点
从葛根的特点出发，实现了葛根组分分级转化、综合清洁利用。具有如下的特点：葛根无污染蒸汽爆破预处理新方法
新鲜葛根。不用添加多余的水分．直接进行蒸汽爆破预处理，降低了生产过程的水耗。
采用短时间(2～4min)的无污染汽爆技术对葛根进行预处理，蒸汽爆破的热机械化学作用，使植物组织的细胞壁破裂。破坏了固体物料葛根的结构，消除了纤维组织对淀粉、黄酮利用的不利因素，使葛根淀粉糊化率提高。汽爆处理后的葛根能够直接发酵生产燃料乙醇。
采用蒸汽爆破技术对葛根进行预处理，省去了淀粉质原料的长时间蒸煮过程(30～120min)，降低了发酵生产乙醇的能耗，缩短生产的周期，降低生产成本。葛根同步糖化固态发酵新方法
采用同步糖化固态发酵乙醇，只需要添加少量的水，使发酵醪中水分含量大大降低，在提高发酵醪中乙醇含量的同时，降低了蒸馏的能耗。并且减少了后续废水的处理过程。清洁生产、降低生产成本的同时为发酵渣的二次利用提供条件，有利于葛根的综合利用。
连续固态发酵生产乙醇的方法
针对葛根固态发酵乙醇工艺无法连续进行的问题，提供了一种利用连续固态发酵设备进行葛根固体发酵乙醇的方法。利用连续固态发酵设备进行了乙醇发酵研究，该设备将发酵与分离相耦合，利用C02作为循环载气将发酵产生的乙醇从发酵料中分离出来的方法，一方面可以降低发酵过程中产生的热量对发酵的影响，另一方面可以减轻乙醇的抑制作用。
燃料乙醇与葛根黄酮的联产新技术
葛根同步糖化发酵生产燃料乙醇，是一个破坏葛根纤维结构，释放葛根淀粉并利用葛根淀粉生产燃料乙醇的过程。葛根同步糖化发酵生产燃料乙醇的剩余物如果忽略葛根总黄酮的提取。不但造成资源的浪费，更可能造成生态环境问题。从发酵剩余物提取葛根总黄酮，综合利用葛根，提高经济效应，有利于葛根的工业化生产。
发酵剩余纤维渣的综合利用
由于采用固态发酵新工艺，发酵剩余物含水量低(60％～70％)。便于综合利用。直接作为饲料，蛋白质含量低，粗纤维含量高。热风干燥至含水量25％左右后，采用刺轮机械分离出纤维部分与蛋白粉料两部分。机械分离出的纤维部分。纤维含量约为18％。其中纤维部分测定最大纤维长度2.4mm，最短0.75mm。均值1.59mm作为造纸或纺织原料。而提高了蛋白质含量(21.8％)的固体粉渣可作为蛋白饲料。