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:在分析國內外燃料乙醇發(fā)展狀況的基礎上闡迷了以非糧原料木質纖維煮生產燃軒乙醇的重要性,著重論逑了發(fā)展纖維素燃料乙醇所面臨的發(fā)展機遇和技術挑戰(zhàn),同時對我國纖維乙醇的產業(yè)化發(fā)展提出了建議。關鍵詞:生物質;纖維質;酒精;石油;非糧化中圖分類號:S26.5文獻標識碼:A文章編號: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隨著全球社會和經(jīng)濟的高速發(fā)展能源的消費的可再生材料、原料和能源已成為全球的共識可量日益攀升,能源消費總量將從目前的100多億t再生能源應運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%國際能源署預計到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總量的30%。在眾然氣的儲量分別為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)使用等獨特優(yōu)勢成為發(fā)展持生產40a,天然氣和煤炭分別可以供應65a和的熱點。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2x10,能量達3×102J生物量越多地關注自然和社會的可持續(xù)性發(fā)展,發(fā)展新型為1700億t,其能量約相當于世界主要燃料消費的中國煤化工收稿日期:20070721基金項目:國家863計劃課題資助項目(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開發(fā)和技術。 E-mail: liuhongbin@生物加工過租第6卷第1期10倍2);同時,生物質能源也是唯一可轉化成常規(guī)的生產和試點推廣工作,先后頒布實施了的固態(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《車用乙醇汽實和未來能源危機和環(huán)境污染最有潛力的途徑之油》(GB18315-2001)兩項國家標準批準建設了吉當前生物質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家糧食乙醇的定點生產生產和使用規(guī)模最大的生物質能源-2。廠,設計生產能力為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國內外燃料乙醇的發(fā)展狀況北等4省的27個地市進行車用乙醇汽油試點推廣工作。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能源受到年,可再生能源開發(fā)量在能源供應結構中的比重將世界各國的廣泛重視,乙醇汽油在全球范圍內呈現(xiàn)提高到15%左右,其中生物質燃料乙醇的產能將達出迅猛的發(fā)展勢頭。預計2007年全世界乙醇的到1.0×10t,我國燃料乙醇的發(fā)展空間十分總產量可望達到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量的70%,是乙醇燃料主要生產和消費國(表1)。2燃料乙醇生產的非糧化發(fā)展表1世界各國燃料乙醇生產能力比較Table 1 Comparison on the fuel ethanol productivities of燃料乙醇的生產原料主要有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L16137.2三類是纖維質原料如秸稈、木屑、農作物殼皮及城鄉(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燃料乙醇的第一、二類原料要受到耕地和原料成醇生產國已擁有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%以上的玉米產量建但仍然不能滿足其國內的需要不足部分從巴被用于生產燃料乙醇燃料乙醇的生產對玉米的巨大西和中美洲國家進口。巴西是世界上燃料乙醇生消耗使美國玉米價格在兩年內就上漲近一倍。因此,產和使用最領先的國家之一,現(xiàn)有320余家乙醇生美國總統(tǒng)布什在其200年財政年預算案中新增了產廠,5a內還將增加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,其國內汽車燃料中乙醇消耗量超過展主要是提高非糧生物質原料在生物燃料生產中的15%,居全球首位。歐盟計劃到2020年將可再生比重,目標之一就是加速纖維質乙醇的研發(fā),力爭到能源占歐盟能源消耗總量的比重提高到20%,并計2012年使他的生產成本具有市場競爭力,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也面臨著同樣的困境,200年展的領軍人物。加拿大計劃到200年,35%的生產燃料乙醇102×10t,消費玉米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行乙醇工廠的乙醇的產銷量要達到50×105t,則需消耗玉米165新建或擴建工作,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年底國內玉開始實施本國的燃料乙醇生產和推廣使用規(guī)劃。米的平均價格達到∫1441元/t,比年初上漲了近我國從2001年開始正式啟動了車用乙醇汽油23%,直接導致燃料乙醇生產企業(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)與對策同時我國的糧食工業(yè)及其相關的轉化加工和養(yǎng)殖等廉價易得的非糧原料富含纖維素和半纖維素類聚產業(yè)均受到了顯著沖擊并引起了整個市場的連鎖波糖物質,均可以轉化成乙醇26-。在植物纖維質動。因此,石油安全和糧食安全是兩個重大的基礎問原料中農林廢棄物就占有相當大的比例,僅農作題需要統(tǒng)籌兼顧發(fā)展燃料乙醇必須尋求非糧原料物秸稈一項全球年產量就超過20億,其中中國年之路,必須堅持“不與民爭糧不與糧爭地”的基本原產量達到7億t左右相當于35億t標準煤可轉則。20年6月7日國務院可再生能源會議明確指化為1億t燃料乙醇,即相當于3個大慶的產油量。出,中國將停止在建的煤化工項目和糧食乙醇燃料項目前加拿大 logen公司在纖維乙醇技術開發(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開發(fā)方面居世界領先地位,荷境的原則下,堅持發(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)也正在建設纖維素乙醇裝置。我國有關秸稈生產乙醇(纖維乙醇)的科研報道較多,能夠形成中試圖1燃料乙醇消費玉米量占玉米生產總量的發(fā)展趨勢生產線的較少,目前主要有河南天冠集團、安徽豐Fg1 The growing trend of the ratio of com consumption原集團以及黑龍江肇東的中糧集團等,其整體水平for fuel ethanol to com production與國外技術有一定的距離,乙醇成本高達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)化生產規(guī)模(表2)。在燃料乙醇的生產原料中植物纖維質是一種表2國內外主要纖維素乙醇生產廠家技術指標比較Table 2 Comparison on the technology items of cellulosic ethanol in different corporations加拿大 logen技術指標美國NERL天冠集團豐原集團中糧集團玉米秸稈、玉米秸稈、主要原料小麥秸稈農作物廢棄古稈玉米秸玉米秸稈麥草秸稈生物質等稀酸結合蒸預處理及稀酸預處酸預處理酸預處理、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)酵乙醇質量分數(shù)5%5%(估計)未運行產量/(t·a)16萬2500400~500中國煤化工成本/(元·t)3500未運行CNMHG轉化率4.4不祥不詳注:*表示每噸秸稈產多少噸乙醇。生靳如工過程第6卷第1期當前纖維素燃料乙醇的生產在技術上已經(jīng)可化率較低,使纖維素燃料乙醇的生產成本居高不以實現(xiàn),但他在全世界范圍內卻仍然未能進行大規(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,主要是其商業(yè)化生產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)個關鍵的技術經(jīng)濟障礙,即原料預處理、纖維素酶節(jié)上有了一些進展,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,他們仍然是世界性的難點和重點。(1)原料預處理與富含淀粉質的原料相比,植物纖維原料具有木質纖維復合物結構,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天然的植物纖維原料進行適當?shù)念A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)和專家的天然木質纖維復合體結構降低纖維的結晶度或學者等各界對于我國燃料乙醇產業(yè)的發(fā)展已經(jīng)取直接去除原料中的木質素,以分離出結構疏松或游得了廣泛的共識,即必須堅持非糧基本原則,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。結合我國的國情和實際筆的可及度。研發(fā)過的預處理方法主要有:高溫高壓者認為發(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民生物預處理等其中蒸汽爆破技術占主導地位,但的收入,并改善農村的環(huán)境提供更多的就業(yè)機會,目前仍然缺乏簡單廉價的預處理手段更為重要的是通過纖維素燃料乙醇形成一個新型(2)纖維素水解無機酸和(半)纖維素酶均可的資源——能源的產業(yè)鏈以拉動農業(yè)經(jīng)濟和林業(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,真正實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)性發(fā)展。是當前的發(fā)展趨勢。纖維素酶是一類能夠水解纖根據(jù)當前的實際形勢,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)展過程中要重點做好以下幾個方面工作:要的天然生產菌株有里氏木霉( 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;在產業(yè)規(guī)劃設過液體深層發(fā)酵技術生產出纖維素酶制劑再水解計過程中,要充分做好纖維素資源區(qū)域性分布的調經(jīng)預處理后的纖維素(和半纖維素)原料生成可發(fā)研工作精心規(guī)劃燃料乙醇的產業(yè)布局。盡管農作酵性的己糖和戊糖類物質(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)量很大但其實分布零散,當實際應用于工業(yè)生成本仍然居高不下,約占纖維質燃料乙醇總成本產時,此類原料的供應、收集、貯存和運輸都存在一的40%定的問題,會直接影響到燃料乙醇的生產成本。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,含量可高達原料干質量的況,通過嚴密的技術經(jīng)濟論證,精心規(guī)劃燃料乙醇35%以上。據(jù)專家測算,如果能夠將木糖高效發(fā)酵生產的企業(yè)布局和企業(yè)生產規(guī)模。成乙醇則可以降低整個工藝成本的25%。但是,自二是要進一步加強對燃料乙醇產業(yè)的宏觀調然界僅有極少數(shù)幾個天然菌株能夠在精確的限制控加大政策支持力度,重點扶持纖維素乙醇,從教性供氧條件下發(fā)酵木糖產乙醇,工業(yè)生產控制難度育、立法、財政和稅收等多方面強力支持以引導和很大,同時他們也不能耐受植物纖維質水解液中的培育纖維素燃料乙醇的市場然后分階段組織和實抑制物和較高濃度的乙醇,或者發(fā)酵副產物較多。施其產業(yè)化。為了克服這一技術障礙,在過去的數(shù)十年內,各國三是在技術研發(fā)層面上,國家要進一步加大對相繼在微生物木糖代謝工程及基因工程菌株構建該領域的科研支持力度鼓勵以企業(yè)為主體,組織方面開展了大量的研究和試驗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性能仍然不能滿足商業(yè)化生產的多行CNMHG卜先進的智力資要求-1源,大引進資金、夜木相設備,構建出先進的試驗上述3個環(huán)節(jié)造成植物纖維原料的利用率和轉平臺,著眼于本領域的重大技術問題進行協(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)與對策·11關,以解決其關鍵的技術和設備障礙,在此基礎上[81] 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