導(dǎo)語：纖維素乙醇發(fā)展研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益突出，世界能源發(fā)展正步入一個嶄新的時期，即世界能源結(jié)構(gòu)正在經(jīng)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(dāng)作最佳液體替代燃料并具有生態(tài)效益而成為工業(yè)生物技術(shù)的研究熱點。針對國內(nèi)外纖維素乙醇的研究現(xiàn)狀，分析了影響纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的因素以及纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：纖維素乙醇；木質(zhì)纖維素；產(chǎn)業(yè)化；生物精煉；乙醇聯(lián)產(chǎn)

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(dāng)今世界各國都面臨的關(guān)系國家安全和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的中心議題，已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點。因此，人們開始把目光轉(zhuǎn)移到有利于社會可持續(xù)發(fā)展的可再生能源體系。專家認為，生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化體系是引領(lǐng)第三次世界能源革命的技術(shù)平臺。在此背景下，燃料乙醇已經(jīng)被視為替代和節(jié)約汽油的最佳燃料，其高效的轉(zhuǎn)換技術(shù)和潔凈利用日益受到全世界的重視，已經(jīng)被廣泛認為是21世紀(jì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)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(fā)展，原料問題日益突出，成為制約燃料乙醇發(fā)展的瓶頸；另外，以糧食作物為原料的燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展還有可能引發(fā)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(jīng)濟分析顯示，中國發(fā)展纖維素乙醇有更大的優(yōu)勢。木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，也是當(dāng)前利用率最低的資源，是各國新資源戰(zhàn)略的重點。中國可利用的木質(zhì)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(nóng)林業(yè)廢棄物、工業(yè)廢棄物和城市廢棄物。所以，纖維素乙醇是未來發(fā)展的必然方向。

1木質(zhì)纖維素原料組成及性質(zhì)

木質(zhì)纖維素是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)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(fā)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(yīng)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(gòu)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(shù)量的乙?；图谆?。半纖維素的水解產(chǎn)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(yīng)用現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，大規(guī)模開發(fā)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(yīng)的開發(fā)研究計劃，例如：美國的“能源農(nóng)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(fā)展規(guī)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(fā)，并形成了各具特色的生物質(zhì)能源研究與開發(fā)體系，擁有各自的技術(shù)優(yōu)勢。

自1973年世界石油危機后，巴西就實施了“國家乙醇生產(chǎn)計劃”，主要依靠本國豐富的甘蔗資源，積極發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，目前已經(jīng)發(fā)展320多家燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)，1400萬噸/年的乙醇生產(chǎn)規(guī)模。大部分企業(yè)實行燃料乙醇和糖聯(lián)產(chǎn)。美國在燃料乙醇的生產(chǎn)上仍然是世界乙醇生產(chǎn)的領(lǐng)頭羊，在將纖維素轉(zhuǎn)化為燃料酒精的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用方面也走在世界的前列。美國加州大學(xué)Berkeley分校采用的流程是纖維素水解與發(fā)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(chǎn)物。該流程的酸水解是連續(xù)進行的，反應(yīng)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(fā)器濃縮至糖濃度為11%再進行發(fā)酵。美國維吉尼亞州立大學(xué)利用80%的濃磷酸循環(huán)使用進行木質(zhì)纖維素“溶解性分離”的研究，然后經(jīng)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(xué)KarinOhgren等研究了將蒸汽爆破預(yù)處理后的玉米秸稈進行同步糖化與發(fā)酵的工藝研究，試驗結(jié)果表明，發(fā)酵結(jié)束后乙醇達到25g/L。

近年，隨著纖維乙醇技術(shù)的快速發(fā)展，一些大公司開始計劃建造較大規(guī)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(chǎn)純乙醇2億升，乙醇產(chǎn)率為27.7%。加拿大的Iogen生物技術(shù)公司，在渥太華開設(shè)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(jié)合蒸汽氣爆預(yù)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(lián)合發(fā)酵。經(jīng)評估，其生產(chǎn)成本比谷物乙醇高出30%～50%。

3國內(nèi)纖維素乙醇研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

我國在纖維素乙醇技術(shù)開發(fā)上也取得了一些重要進展。浙江大學(xué)主持的“利用農(nóng)業(yè)纖維廢棄物代替糧食生產(chǎn)酒精”的項目已在河北完成中試生產(chǎn)，以玉米芯為原料，乙醇產(chǎn)率為22.2%（W/W）。南京林業(yè)大學(xué)建立了玉米秸稈間歇蒸汽爆破預(yù)處理、纖維素酶水解和戊糖己糖同步發(fā)酵技術(shù)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(xué)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(fā)酵，轉(zhuǎn)化率達到了70%。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)利用黃胞原毛平革菌和雜色云芝的復(fù)合預(yù)處理，對選擇性降解木質(zhì)素的能力和規(guī)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(xué)微生物技術(shù)國家重點實驗室主要開展“纖維素原料轉(zhuǎn)化乙醇關(guān)鍵技術(shù)”研究。對纖維素酶高產(chǎn)菌的篩選和誘變育種、用基因手段提高產(chǎn)酶量或改進酶系組成、纖維素酶生產(chǎn)技術(shù)等研究。吉林輕工業(yè)設(shè)計研究院“玉米秸稈濕氧化預(yù)處理生產(chǎn)乙醇”在實驗室規(guī)模為10L發(fā)酵罐條件下，經(jīng)濕氧化預(yù)處理和酶水解后酶解率86.4%；糖轉(zhuǎn)化為乙醇產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)，與高校聯(lián)合進行纖維素乙醇的工業(yè)化技術(shù)的探索性研發(fā)。目前，河南天冠集團將建成300噸/年的乙醇中試生產(chǎn)線，原料轉(zhuǎn)化率超過了16%。中糧集團于2006年在黑龍江肇東啟動建設(shè)500噸/年纖維素乙醇實驗裝置。吉林九新實業(yè)集團建立了3000噸/年的玉米秸稈生產(chǎn)纖維乙醇示范性工廠。

迄今為止，全世界已經(jīng)建有幾十套纖維質(zhì)原料經(jīng)纖維素酶水解成單糖的中試生產(chǎn)線或小試生產(chǎn)線。纖維燃料乙醇在國內(nèi)外研究正步入一個新的時代，在一些關(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)技術(shù)、戊糖己糖發(fā)酵菌株構(gòu)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(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

4影響纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化的主要因素

近年來，國內(nèi)外對利用木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)化乙醇進行了大量的研究，工藝路線已經(jīng)打通，但當(dāng)前要想實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在原料收集、預(yù)處理、糖化、發(fā)酵和精餾各工藝過程中還存在著制約纖維素乙醇生產(chǎn)的問題，主要表現(xiàn)為以下四個方面

（1）木質(zhì)纖維素原料分散，季節(jié)性強，尤其是農(nóng)作物秸稈。

（2）木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)有待進一步優(yōu)化和提高。由于天然纖維素原料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性，使得其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三者不能有效分離；另外伴隨產(chǎn)生一些中間副產(chǎn)物，實驗表明，這些物質(zhì)抑制酵母的生長和代謝，最終影響乙醇產(chǎn)率。

（3）缺乏高效的纖維酶菌株，現(xiàn)有的纖維素酶制劑效果較低，使得酶解糖化經(jīng)濟成本較高，當(dāng)前生產(chǎn)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(fā)酵菌株。在木質(zhì)纖維水解中，其中有相當(dāng)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(guān)鍵一項。

5未來纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢

目前，國外纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的研究已經(jīng)成為了熱潮，正步入一個關(guān)鍵時期，中國在這方面也有良好的基礎(chǔ)。為了使纖維素乙醇盡早地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，除了以上幾項關(guān)鍵技術(shù)進一步解決好外，還應(yīng)當(dāng)借鑒石油化工的經(jīng)驗，堅持走生物精煉和乙醇聯(lián)產(chǎn)的模式，盡可能地最大提升和拓展底物的各組分的經(jīng)濟價值，也許是促使纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的重要途徑。

盡管木質(zhì)纖維素原料本身非常廉價，但是將其轉(zhuǎn)化成乙醇的工藝過程非常復(fù)雜，需要大量的能耗。這主要是由木質(zhì)纖維素自身的結(jié)構(gòu)特性決定的，而得到的目標(biāo)產(chǎn)物是經(jīng)濟附加值并不很高的乙醇，致使單位乙醇的經(jīng)濟效益并不具備較強的市場優(yōu)勢。而生物精煉和乙醇聯(lián)產(chǎn)模式就打破了原來由生物質(zhì)生產(chǎn)單一產(chǎn)品的觀念，實現(xiàn)原料充分利用和產(chǎn)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(chǎn)乙醇一樣。例如，利用玉米同時生產(chǎn)燃料乙醇、玉米油、蛋白粉、高果糖漿、蛋白飼料和其他系列產(chǎn)品，這樣提升了整個工藝產(chǎn)品的經(jīng)濟附加值，同時取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。同樣利用木質(zhì)纖維素的三大類組分也可以衍生出多種產(chǎn)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(chǎn)木糖醇，結(jié)果剩下大量的木糖渣（主要是纖維素和木質(zhì)素），如果進行聯(lián)產(chǎn)模式，將剩下的纖維素與木質(zhì)素進行組分分離，分別生產(chǎn)纖維乙醇和優(yōu)質(zhì)燃料或木素磺酸鹽，就有可能進一步提升產(chǎn)品的綜合效益。

綜上所述，中國應(yīng)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(shù)開發(fā)，盡早實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的目標(biāo)。相信經(jīng)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(huán)境保護和社會可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用。

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