第6卷第1期生物如工過程Jan.20082008年1月Chinese Journal of Bioprocess Engineering燃料乙醇非糧化——我國發(fā)展纖維乙醇的挑戰(zhàn)與對(duì)策劉洪斌(中國石油化工股份有限公司科技開發(fā)部北京10009)摘要:在分析國內(nèi)外燃料乙醇發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上闡迷了以非糧原料木質(zhì)纖維煮生產(chǎn)燃軒乙醇的重要性,著重論逑了發(fā)展纖維素燃料乙醇所面臨的發(fā)展機(jī)遇和技術(shù)挑戰(zhàn),同時(shí)對(duì)我國纖維乙醇的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提出了建議。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);纖維質(zhì);酒精;石油;非糧化中圖分類號(hào):S26.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3678(2008)01-0007-05Developing of cellulosic ethanol production from nonfood-based biomassin China: challenges and strategiesLIU Hong- binScience and Technology Development Department, China Petro-Chemical CorporatBeijing 100029, ChinaAbstract: On the basis of summarizing the developing situation of fuel ethanol in China and around theworld, the importance of producing fuel ethanol from nonfood biomass, lignocellulosic materials was intro-duced and the opportunities and technology challenges for developing cellulosic ethanol were emphasiMeanwhile, the strategies for industrialization development of cellulosic ethanol in China were alsoKey words: biomass; cellulosics; ethand; non-fuel; nonfood隨著全球社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展能源的消費(fèi)的可再生材料、原料和能源已成為全球的共識(shí)可量日益攀升,能源消費(fèi)總量將從目前的100多億t再生能源應(yīng)運(yùn)而生成為各國主要的發(fā)展措施。油增加到2025年的162億t油,增長率超過50%國際能源署預(yù)計(jì)到2020年新的可再生能源CO2的排放量也將隨之激增。另一方面,據(jù)最新的(不包括傳統(tǒng)生物質(zhì)能和大水電)將增長2倍以上,數(shù)據(jù)表明,全世界己探明的可開采石油、煤炭和天可再生能源將占全球能源消費(fèi)總量的30%。在眾然氣的儲(chǔ)量分別為1770億t9827億t和18×10°多可再生形式的可再生能源中,生物質(zhì)能源憑借其億m3。以目前的開采和消耗速度估算,石油僅能維巨大的資源、分布和開發(fā)使用等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為發(fā)展持生產(chǎn)40a,天然氣和煤炭分別可以供應(yīng)65a和的熱點(diǎn)。地球上每年經(jīng)光合作用固定在綠色植162a。因此,資源和環(huán)境方面的壓力迫使人類越來物中的總碳就達(dá)2x10,能量達(dá)3×102J生物量越多地關(guān)注自然和社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展,發(fā)展新型為1700億t,其能量約相當(dāng)于世界主要燃料消費(fèi)的中國煤化工收稿日期:20070721基金項(xiàng)目:國家863計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2006AA020103)CNMHG作者簡介:劉洪斌(1965-),男,山東安鄲人,高媛工程師研究方向:合威纖維聚合物及其單體技術(shù)開發(fā)和技術(shù)。 E-mail: liuhongbin@生物加工過租第6卷第1期10倍2);同時(shí),生物質(zhì)能源也是唯一可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的生產(chǎn)和試點(diǎn)推廣工作,先后頒布實(shí)施了的固態(tài)液態(tài)和氣態(tài)燃料的可再生碳源,是解決現(xiàn)(GB1836-2001)《變性燃料乙醇》和《車用乙醇汽實(shí)和未來能源危機(jī)和環(huán)境污染最有潛力的途徑之油》(GB18315-2001)兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)建設(shè)了吉當(dāng)前生物質(zhì)能源的主要形式有燃料乙醇、生物林燃料乙醇、黑龍江華潤酒精、河南天冠燃料乙醇柴油、沼氣和生物制氫等,其中燃料乙醇是世界上和安徽豐原燃料乙醇等4家糧食乙醇的定點(diǎn)生產(chǎn)生產(chǎn)和使用規(guī)模最大的生物質(zhì)能源-2。廠,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.02×10°t,并在黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽5省全境和江蘇、山東河北湖1國內(nèi)外燃料乙醇的發(fā)展?fàn)顩r北等4省的27個(gè)地市進(jìn)行車用乙醇汽油試點(diǎn)推廣工作。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》,至2020燃料乙醇作為一種最重要的生物質(zhì)能源受到年,可再生能源開發(fā)量在能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中的比重將世界各國的廣泛重視,乙醇汽油在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)提高到15%左右,其中生物質(zhì)燃料乙醇的產(chǎn)能將達(dá)出迅猛的發(fā)展勢(shì)頭。預(yù)計(jì)2007年全世界乙醇的到1.0×10t,我國燃料乙醇的發(fā)展空間十分總產(chǎn)量可望達(dá)到500億L左右,較上年增長近巨大。27%,其中巴西和美國占全球乙醇產(chǎn)量的70%,是乙醇燃料主要生產(chǎn)和消費(fèi)國(表1)。2燃料乙醇生產(chǎn)的非糧化發(fā)展表1世界各國燃料乙醇生產(chǎn)能力比較Table 1 Comparison on the fuel ethanol productivities of燃料乙醇的生產(chǎn)原料主要有3類第一類是含糖different countries in the world作物,如甘蔗、甜菜、甜高粱等;第二類是淀粉質(zhì)作物,國別美國巴西歐盟中國加拿大如玉米、小麥、高粱、木薯紅薯、馬鈴薯及菊芋等;第2006年/億L16137.2三類是纖維質(zhì)原料如秸稈、木屑、農(nóng)作物殼皮及城鄉(xiāng)2007年/(億L,估)250190231612固體垃圾等。目前用于生產(chǎn)燃料乙醇的原料基本上屬于第一、二類如巴西的主要原料為甘蔗,美國95%年增長率/%3413442的原料來自玉米歐洲以小麥、甜菜為原料我國生產(chǎn)燃料乙醇的原料主要有玉米、小麥、薯干及糖蜜等。美國現(xiàn)已替代巴西成為世界上最大的燃料乙生產(chǎn)燃料乙醇的第一、二類原料要受到耕地和原料成醇生產(chǎn)國已擁有114家乙醇精煉廠,另有80家在本的限制,以玉米為例全美國12%以上的玉米產(chǎn)量建但仍然不能滿足其國內(nèi)的需要不足部分從巴被用于生產(chǎn)燃料乙醇燃料乙醇的生產(chǎn)對(duì)玉米的巨大西和中美洲國家進(jìn)口。巴西是世界上燃料乙醇生消耗使美國玉米價(jià)格在兩年內(nèi)就上漲近一倍。因此,產(chǎn)和使用最領(lǐng)先的國家之一,現(xiàn)有320余家乙醇生美國總統(tǒng)布什在其200年財(cái)政年預(yù)算案中新增了產(chǎn)廠,5a內(nèi)還將增加50余家。巴西的乙醇出口量6%的資金(590萬美元)用于生物燃料的研究和發(fā)超過23億L,其國內(nèi)汽車燃料中乙醇消耗量超過展主要是提高非糧生物質(zhì)原料在生物燃料生產(chǎn)中的15%,居全球首位。歐盟計(jì)劃到2020年將可再生比重,目標(biāo)之一就是加速纖維質(zhì)乙醇的研發(fā),力爭(zhēng)到能源占?xì)W盟能源消耗總量的比重提高到20%,并計(jì)2012年使他的生產(chǎn)成本具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,到2030年劃到2010年將燃料乙醇的比例提高至5.75%。其纖維質(zhì)乙醇可替代全美目前燃料消耗量的30%-中法國、瑞典、德國和英國等國是歐洲燃料乙醇發(fā)我國的燃料乙醇生產(chǎn)也面臨著同樣的困境,200年展的領(lǐng)軍人物。加拿大計(jì)劃到200年,35%的生產(chǎn)燃料乙醇102×10t,消費(fèi)玉米3.3×10Pt約占汽油中將添加10%乙醇并投入約10億多加元分玉米產(chǎn)量的2.3%。根據(jù)“十一五”規(guī)劃,200年燃料別在安大略省和艾爾伯塔省等地進(jìn)行乙醇工廠的乙醇的產(chǎn)銷量要達(dá)到50×105t,則需消耗玉米165新建或擴(kuò)建工作,以滿足其快速增長的燃料乙醇需×107萬t,占目前玉米產(chǎn)量的12%,而到2020年燃求。另外近年來其他國家和地區(qū)如南非、澳大利料V凵中國煤化工量(圖1),對(duì)玉米亞、日本、印度、菲律賓和泰國等也都已經(jīng)制定并且需CNMHG,200年底國內(nèi)玉開始實(shí)施本國的燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用規(guī)劃。米的平均價(jià)格達(dá)到∫1441元/t,比年初上漲了近我國從2001年開始正式啟動(dòng)了車用乙醇汽油23%,直接導(dǎo)致燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)成本的急劇上升,2008年1月劉洪斌:燃料乙醇非糧化——我國發(fā)展纖維乙醇的挑戰(zhàn)與對(duì)策同時(shí)我國的糧食工業(yè)及其相關(guān)的轉(zhuǎn)化加工和養(yǎng)殖等廉價(jià)易得的非糧原料富含纖維素和半纖維素類聚產(chǎn)業(yè)均受到了顯著沖擊并引起了整個(gè)市場(chǎng)的連鎖波糖物質(zhì),均可以轉(zhuǎn)化成乙醇26-。在植物纖維質(zhì)動(dòng)。因此,石油安全和糧食安全是兩個(gè)重大的基礎(chǔ)問原料中農(nóng)林廢棄物就占有相當(dāng)大的比例,僅農(nóng)作題需要統(tǒng)籌兼顧發(fā)展燃料乙醇必須尋求非糧原料物秸稈一項(xiàng)全球年產(chǎn)量就超過20億,其中中國年之路,必須堅(jiān)持“不與民爭(zhēng)糧不與糧爭(zhēng)地”的基本原產(chǎn)量達(dá)到7億t左右相當(dāng)于35億t標(biāo)準(zhǔn)煤可轉(zhuǎn)則。20年6月7日國務(wù)院可再生能源會(huì)議明確指化為1億t燃料乙醇,即相當(dāng)于3個(gè)大慶的產(chǎn)油量。出,中國將停止在建的煤化工項(xiàng)目和糧食乙醇燃料項(xiàng)目前加拿大 logen公司在纖維乙醇技術(shù)開發(fā),目,在不得占用耕地,不得消耗糧食,不得破壞生態(tài)環(huán)尤其是纖維素酶技術(shù)開發(fā)方面居世界領(lǐng)先地位,荷境的原則下,堅(jiān)持發(fā)展非糧燃料乙醇。蘭的皇家殼牌公司( Royal Dutch Shel)是其主要戰(zhàn)略合作者。該公司計(jì)劃投資約3.25億美元,到2008年建成世界第一座工業(yè)規(guī)模纖維乙醇綜合廠,其秸稈纖維年加工能力約70×103t,可生產(chǎn)燃料乙醇約1.6×103t。除此之外,美國(NREL、 MuscelShoals、 Alabama)、瑞典 Etek Etanolteknik AB、法國( Houston)、奧地利(Lin)和日本(TsK, Tokyo)等地均已建立了中試生產(chǎn)線。美國通用汽車公司(CE)德國大眾公司( Volkswagen)和日本豐田公司(Toyo2000020015202025ta)也正在建設(shè)纖維素乙醇裝置。我國有關(guān)秸稈生產(chǎn)乙醇(纖維乙醇)的科研報(bào)道較多,能夠形成中試圖1燃料乙醇消費(fèi)玉米量占玉米生產(chǎn)總量的發(fā)展趨勢(shì)生產(chǎn)線的較少,目前主要有河南天冠集團(tuán)、安徽豐Fg1 The growing trend of the ratio of com consumption原集團(tuán)以及黑龍江肇東的中糧集團(tuán)等,其整體水平for fuel ethanol to com production與國外技術(shù)有一定的距離,乙醇成本高達(dá)600元3纖維素燃料乙醇的發(fā)展與挑戰(zhàn)左右,且均未形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模(表2)。在燃料乙醇的生產(chǎn)原料中植物纖維質(zhì)是一種表2國內(nèi)外主要纖維素乙醇生產(chǎn)廠家技術(shù)指標(biāo)比較Table 2 Comparison on the technology items of cellulosic ethanol in different corporations加拿大 logen技術(shù)指標(biāo)美國NERL天冠集團(tuán)豐原集團(tuán)中糧集團(tuán)玉米秸稈、玉米秸稈、主要原料小麥秸稈農(nóng)作物廢棄古稈玉米秸玉米秸稈麥草秸稈生物質(zhì)等稀酸結(jié)合蒸預(yù)處理及稀酸預(yù)處酸預(yù)處理酸預(yù)處理、蒸汽爆破和水解汽氣爆、理、酶水解和酶水解酶水解酸水解酶水解戊糖和己糖同步糖化發(fā)戊糖己糖發(fā)酵己糖發(fā)酵己糖發(fā)酵聯(lián)合發(fā)酵酵(SSF)分開發(fā)酵乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%5%(估計(jì))未運(yùn)行產(chǎn)量/(t·a)16萬2500400~500中國煤化工成本/(元·t)3500未運(yùn)行CNMHG轉(zhuǎn)化率4.4不祥不詳注:*表示每噸秸稈產(chǎn)多少噸乙醇。生靳如工過程第6卷第1期當(dāng)前纖維素燃料乙醇的生產(chǎn)在技術(shù)上已經(jīng)可化率較低,使纖維素燃料乙醇的生產(chǎn)成本居高不以實(shí)現(xiàn),但他在全世界范圍內(nèi)卻仍然未能進(jìn)行大規(guī)下。為了解決這些障礙,在過去的20多年里,全世模的工業(yè)化生產(chǎn),主要是其商業(yè)化生產(chǎn)還存在著幾界為此投入了大量的人力和物力,但只是在某些環(huán)個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)障礙,即原料預(yù)處理、纖維素酶節(jié)上有了一些進(jìn)展,總體上并未能取得明顯的突水解和木糖的高效乙醇發(fā)酵{20破,他們?nèi)匀皇鞘澜缧缘碾y點(diǎn)和重點(diǎn)。(1)原料預(yù)處理與富含淀粉質(zhì)的原料相比,植物纖維原料具有木質(zhì)纖維復(fù)合物結(jié)構(gòu),難以直接水4我國非糧燃料乙醇的發(fā)展策略解和發(fā)酵因此在水解之前對(duì)天然的植物纖維原料進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理,目的是為了破壞植物纖維原料經(jīng)過幾年來的研究和探索,政府、企業(yè)和專家的天然木質(zhì)纖維復(fù)合體結(jié)構(gòu)降低纖維的結(jié)晶度或?qū)W者等各界對(duì)于我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)取直接去除原料中的木質(zhì)素,以分離出結(jié)構(gòu)疏松或游得了廣泛的共識(shí),即必須堅(jiān)持非糧基本原則,大力離的纖維素、半纖維素及其降解物,從而增加纖維開發(fā)纖維素乙醇。結(jié)合我國的國情和實(shí)際筆的可及度。研發(fā)過的預(yù)處理方法主要有:高溫高壓者認(rèn)為發(fā)展我國非糧燃料乙醇的策略是要充分利水蒸氣爆破法、SO2蒸汽爆破法、低溫氨爆破法、CO2用農(nóng)作物秸稈等植物纖維廢棄物資源,不僅可以變爆破法球磨、纖維溶劑法、稀酸水解法、溫烤和微廢為寶以緩解我國的能源壓力而且可以增加農(nóng)民生物預(yù)處理等其中蒸汽爆破技術(shù)占主導(dǎo)地位,但的收入,并改善農(nóng)村的環(huán)境提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì),目前仍然缺乏簡單廉價(jià)的預(yù)處理手段更為重要的是通過纖維素燃料乙醇形成一個(gè)新型(2)纖維素水解無機(jī)酸和(半)纖維素酶均可的資源——能源的產(chǎn)業(yè)鏈以拉動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和林業(yè)用于纖維素和半纖維素水解,其中纖維素酶水解法經(jīng)濟(jì),真正實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)性發(fā)展。是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。纖維素酶是一類能夠水解纖根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際形勢(shì),在纖維素燃料乙醇的研維素(和半纖維素)生成己糖(和戊糖)的酶系,其主究和發(fā)展過程中要重點(diǎn)做好以下幾個(gè)方面工作:要的天然生產(chǎn)菌株有里氏木霉( Trichoderma reesei是在國家和政府層面上,要制定出更加詳細(xì)和擬康氏木霉( Trichoderma vries)等,可利用他們通明確的中、長期燃料乙醇發(fā)展規(guī)劃;在產(chǎn)業(yè)規(guī)劃設(shè)過液體深層發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)出纖維素酶制劑再水解計(jì)過程中,要充分做好纖維素資源區(qū)域性分布的調(diào)經(jīng)預(yù)處理后的纖維素(和半纖維素)原料生成可發(fā)研工作精心規(guī)劃燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)布局。盡管農(nóng)作酵性的己糖和戊糖類物質(zhì)(主要為葡萄糖和木糖),物秸稈以及林業(yè)加工廢棄物等纖維素資源的總體然后進(jìn)入下游的發(fā)酵工序。目前,纖維素酶水解的數(shù)量很大但其實(shí)分布零散,當(dāng)實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)生成本仍然居高不下,約占纖維質(zhì)燃料乙醇總成本產(chǎn)時(shí),此類原料的供應(yīng)、收集、貯存和運(yùn)輸都存在一的40%定的問題,會(huì)直接影響到燃料乙醇的生產(chǎn)成本。因(3)木糖的高效乙醇發(fā)酵在植物纖維原料中,此,要充分結(jié)合這些纖維素資源的區(qū)域性分布情木糖是第二大糖類物質(zhì),含量可高達(dá)原料干質(zhì)量的況,通過嚴(yán)密的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證,精心規(guī)劃燃料乙醇35%以上。據(jù)專家測(cè)算,如果能夠?qū)⒛咎歉咝Оl(fā)酵生產(chǎn)的企業(yè)布局和企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模。成乙醇則可以降低整個(gè)工藝成本的25%。但是,自二是要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的宏觀調(diào)然界僅有極少數(shù)幾個(gè)天然菌株能夠在精確的限制控加大政策支持力度,重點(diǎn)扶持纖維素乙醇,從教性供氧條件下發(fā)酵木糖產(chǎn)乙醇,工業(yè)生產(chǎn)控制難度育、立法、財(cái)政和稅收等多方面強(qiáng)力支持以引導(dǎo)和很大,同時(shí)他們也不能耐受植物纖維質(zhì)水解液中的培育纖維素燃料乙醇的市場(chǎng)然后分階段組織和實(shí)抑制物和較高濃度的乙醇,或者發(fā)酵副產(chǎn)物較多。施其產(chǎn)業(yè)化。為了克服這一技術(shù)障礙,在過去的數(shù)十年內(nèi),各國三是在技術(shù)研發(fā)層面上,國家要進(jìn)一步加大對(duì)相繼在微生物木糖代謝工程及基因工程菌株構(gòu)建該領(lǐng)域的科研支持力度鼓勵(lì)以企業(yè)為主體,組織方面開展了大量的研究和試驗(yàn)工作但是恣今為止由多們V中國煤化工公司所組成的跨他們的生產(chǎn)性能仍然不能滿足商業(yè)化生產(chǎn)的多行CNMHG卜先進(jìn)的智力資要求-1源,大引進(jìn)資金、夜木相設(shè)備,構(gòu)建出先進(jìn)的試驗(yàn)上述3個(gè)環(huán)節(jié)造成植物纖維原料的利用率和轉(zhuǎn)平臺(tái),著眼于本領(lǐng)域的重大技術(shù)問題進(jìn)行協(xié)作攻208年1月劉洪斌:燃料乙醇非糧化—我國發(fā)展纖維乙感的挑戰(zhàn)與對(duì)策·11關(guān),以解決其關(guān)鍵的技術(shù)和設(shè)備障礙,在此基礎(chǔ)上[81] 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