纖維素乙醇發展研究論文

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摘要：隨著能源危機和環境污染問題日益突出，世界能源發展正步入一個嶄新的時期，即世界能源結構正在經歷由化石能源為主向可再生能源為主的變革。纖維素乙醇因被當作最佳液體替代燃料并具有生態效益而成為工業生物技術的研究熱點。針對國內外纖維素乙醇的研究現狀，分析了影響纖維素乙醇產業化發展的因素以及纖維乙醇產業化發展的趨勢。

關鍵詞：纖維素乙醇；木質纖維素；產業化；生物精煉；乙醇聯產

Abstrct：Withtheenergycrisisandenvironmentalproblems?becomingincreasinglyprominent，worldenergydevelopmentisenteringanewperiod.Thatis,theworldisexperiencingtherevolutionthattheenergy?isbeingrestructuredfromfossilenergyconsumptiontofocusingmainlyontherenewableenergyrevolution.Celluloseethanolisbeenthebestalternativeliquidfuelandindustrialbiotechnologyresearchfocusesonecologicalbenefits.Inthispaper,theauthorssummarizethestatusofcelluloseethanolathomeandabroad,andanalyztheimpact?factors?affectingcelluloseethanolindustrydevelopmentandthedevelopmenttrendofthecelluloseethanolindustry.

Keywords：Celluloseethanol;lignocellulose;industrialization;bio-refining;co-productionofethanol

0引言

能源問題是當今世界各國都面臨的關系國家安全和經濟社會可持續發展的中心議題，已經成為全球關注的焦點。因此，人們開始把目光轉移到有利于社會可持續發展的可再生能源體系。專家認為，生物質資源轉化體系是引領第三次世界能源革命的技術平臺。在此背景下，燃料乙醇已經被視為替代和節約汽油的最佳燃料，其高效的轉換技術和潔凈利用日益受到全世界的重視，已經被廣泛認為是21世紀發展循環經濟的有效途徑。

在中國，燃料乙醇的主要原料是玉米和小麥。隨著燃料乙醇的快速發展，原料問題日益突出，成為制約燃料乙醇發展的瓶頸；另外，以糧食作物為原料的燃料乙醇產業發展還有可能引發國家糧食安全問題。因此，中國政府提出生物乙醇堅持非糧之路，即“不與人爭糧，不與糧爭地”。經濟分析顯示，中國發展纖維素乙醇有更大的優勢。木質纖維素是地球上最豐富的可再生資源，也是當前利用率最低的資源，是各國新資源戰略的重點。中國可利用的木質纖維素每年在7億噸左右，這些豐富而廉價的自然資源主要來源于農林業廢棄物、工業廢棄物和城市廢棄物。所以，纖維素乙醇是未來發展的必然方向。

1木質纖維素原料組成及性質

木質纖維素是由纖維素、半纖維素、木質素和少量的可溶性固形物組成。纖維素大分子是由葡萄糖脫水，通過β-1,4葡萄糖苷鍵連接而成的直鏈聚合體。在常溫下不發生水解，高溫下水解也很緩慢。只有在催化劑的作用下，纖維素的水解反應才顯著進行。常用的催化劑是無機酸或纖維素酶，由此分別形成了酸水解和酶水解工藝。半纖維素是由不同的多聚糖構成的混合物，這些多聚糖由不同單糖聚合而成，有直鏈也有支鏈，上面連接有不同數量的乙?；图谆?。半纖維素的水解產物主要有己糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、戊糖和阿拉伯糖等幾種不同的糖。半纖維素的聚合度較低，相對比較容易降解成單糖。二者的水解機理可以用下列方程式簡單地表示：

(C6H10O5)n+nH2O→nC6H10O6

(C5H804)n+nH2O→nC5H10O5

2國外纖維素乙醇的研究與應用現狀

隨著現代工業的迅速發展，大規模開發利用作為清潔能源的可再生資源顯得日益重要。許多國家都制定了相應的開發研究計劃，例如：美國的“能源農場”、巴西的“酒精能源計劃”、印度的“綠色能源工程”和日本的“陽光計劃”等發展規劃。其它諸如丹麥、荷蘭、德國等國，多年來一直在進行各自的研究與開發，并形成了各具特色的生物質能源研究與開發體系，擁有各自的技術優勢。

自1973年世界石油危機后，巴西就實施了“國家乙醇生產計劃”，主要依靠本國豐富的甘蔗資源，積極發展燃料乙醇產業，目前已經發展320多家燃料乙醇生產企業，1400萬噸/年的乙醇生產規模。大部分企業實行燃料乙醇和糖聯產。美國在燃料乙醇的生產上仍然是世界乙醇生產的領頭羊，在將纖維素轉化為燃料酒精的研究、生產和應用方面也走在世界的前列。美國加州大學Berkeley分校采用的流程是纖維素水解與發酵同步進行，該工藝以粉碎的玉米芯為原料，再用稀酸水解，將半纖維素水解成木糖等產物。該流程的酸水解是連續進行的，反應器中的纖維原料含量為5%，玉米芯水解率達40%，水解液中糖為2.6%，然后采用多效蒸發器濃縮至糖濃度為11%再進行發酵。美國維吉尼亞州立大學利用80%的濃磷酸循環使用進行木質纖維素“溶解性分離”的研究，然后經纖維素酶水解，得到較純的葡萄糖，其得率達到35%。瑞典隆德大學KarinOhgren等研究了將蒸汽爆破預處理后的玉米秸稈進行同步糖化與發酵的工藝研究，試驗結果表明，發酵結束后乙醇達到25g/L。

近年，隨著纖維乙醇技術的快速發展，一些大公司開始計劃建造較大規模的試驗性工廠。美國的GulfoilChemical公司建成了可處理1t/d纖維廢料的中試車間，年產純乙醇2億升，乙醇產率為27.7%。加拿大的Iogen生物技術公司，在渥太華開設了以麥秸為原料的3.2萬加侖/年纖維素乙醇廠，采用稀酸結合蒸汽氣爆預處理半纖維素，隨后用纖維素酶水解，分離后的液體進行木糖和葡萄糖聯合發酵。經評估，其生產成本比谷物乙醇高出30%～50%。

3國內纖維素乙醇研究與應用現狀

我國在纖維素乙醇技術開發上也取得了一些重要進展。浙江大學主持的“利用農業纖維廢棄物代替糧食生產酒精”的項目已在河北完成中試生產，以玉米芯為原料，乙醇產率為22.2%（W/W）。南京林業大學建立了玉米秸稈間歇蒸汽爆破預處理、纖維素酶水解和戊糖己糖同步發酵技術制取纖維乙醇的中試裝置。水解得率為71.3%，還原糖利用率和乙醇得率分別為87.17%和0.43%。華東理工大學于2005年已建成了纖維乙醇600噸/年的示范性工廠，以廢木屑為原料，以稀鹽酸水解和氯化亞鐵為催化劑的水解工藝以及葡萄糖與木糖的發酵，轉化率達到了70%。河南農業大學利用黃胞原毛平革菌和雜色云芝的復合預處理，對選擇性降解木質素的能力和規律進行了試驗研究。生物降解后原料水解率達到了36.67%。山東大學微生物技術國家重點實驗室主要開展“纖維素原料轉化乙醇關鍵技術”研究。對纖維素酶高產菌的篩選和誘變育種、用基因手段提高產酶量或改進酶系組成、纖維素酶生產技術等研究。吉林輕工業設計研究院“玉米秸稈濕氧化預處理生產乙醇”在實驗室規模為10L發酵罐條件下，經濕氧化預處理和酶水解后酶解率86.4%；糖轉化為乙醇產率48.2%。

近年來，以河南天冠集團和中糧集團為代表的幾家大型燃料乙醇生產企業，與高校聯合進行纖維素乙醇的工業化技術的探索性研發。目前，河南天冠集團將建成300噸/年的乙醇中試生產線，原料轉化率超過了16%。中糧集團于2006年在黑龍江肇東啟動建設500噸/年纖維素乙醇實驗裝置。吉林九新實業集團建立了3000噸/年的玉米秸稈生產纖維乙醇示范性工廠。

迄今為止，全世界已經建有幾十套纖維質原料經纖維素酶水解成單糖的中試生產線或小試生產線。纖維燃料乙醇在國內外研究正步入一個新的時代，在一些關鍵技術上取得了重要的進展，并建立了多個示范性工廠。但整體上，由于在纖維素酶生產技術、戊糖己糖發酵菌株構建等方面還沒有取得根本性的突破，所以距離纖維素乙醇的產業化還有一定的距離。

4影響纖維乙醇產業化的主要因素

近年來，國內外對利用木質纖維轉化乙醇進行了大量的研究，工藝路線已經打通，但當前要想實現工業化生產，在原料收集、預處理、糖化、發酵和精餾各工藝過程中還存在著制約纖維素乙醇生產的問題，主要表現為以下四個方面

（1）木質纖維素原料分散，季節性強，尤其是農作物秸稈。

（2）木質纖維素預處理技術有待進一步優化和提高。由于天然纖維素原料的結構復雜的特性，使得其纖維素、半纖維素和木質素三者不能有效分離；另外伴隨產生一些中間副產物，實驗表明，這些物質抑制酵母的生長和代謝，最終影響乙醇產率。

（3）缺乏高效的纖維酶菌株，現有的纖維素酶制劑效果較低，使得酶解糖化經濟成本較高，當前生產一噸纖維乙醇需要酶制劑成本在2200～2600元。

（4）缺乏能夠同時高效利用戊糖和己糖的發酵菌株。在木質纖維水解中，其中有相當比重的木糖（葡萄糖/木糖約為2）。因此，戊糖的利用是影響纖維乙醇綜合成本的關鍵一項。

5未來纖維素乙醇產業化發展趨勢

目前，國外纖維素乙醇產業化的研究已經成為了熱潮，正步入一個關鍵時期，中國在這方面也有良好的基礎。為了使纖維素乙醇盡早地實現產業化，除了以上幾項關鍵技術進一步解決好外，還應當借鑒石油化工的經驗，堅持走生物精煉和乙醇聯產的模式，盡可能地最大提升和拓展底物的各組分的經濟價值，也許是促使纖維素乙醇產業化的重要途徑。

盡管木質纖維素原料本身非常廉價，但是將其轉化成乙醇的工藝過程非常復雜，需要大量的能耗。這主要是由木質纖維素自身的結構特性決定的，而得到的目標產物是經濟附加值并不很高的乙醇，致使單位乙醇的經濟效益并不具備較強的市場優勢。而生物精煉和乙醇聯產模式就打破了原來由生物質生產單一產品的觀念，實現原料充分利用和產品價值最大化，就是所謂的“吃干榨凈”，正如目前的利用糧食生產乙醇一樣。例如，利用玉米同時生產燃料乙醇、玉米油、蛋白粉、高果糖漿、蛋白飼料和其他系列產品，這樣提升了整個工藝產品的經濟附加值，同時取得良好的經濟效益和社會效益。同樣利用木質纖維素的三大類組分也可以衍生出多種產品。例如：目前，大多的木糖醇廠主要是利用玉米芯中的半纖維素生產木糖醇，結果剩下大量的木糖渣（主要是纖維素和木質素），如果進行聯產模式，將剩下的纖維素與木質素進行組分分離，分別生產纖維乙醇和優質燃料或木素磺酸鹽，就有可能進一步提升產品的綜合效益。

綜上所述，中國應該利用纖維素乙醇作為主要的生物能源，加快以纖維素乙醇為核心的綜合技術開發，盡早實現其產業化發展的目標。相信經過“十一五”計劃的實施，中國在利用纖維素廢棄物制取燃料乙醇方面，必將取得更大的進展，為緩解液體燃料短缺、促進環境保護和社會可持續發展等方面發揮重要作用。

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