燃料乙醇非粮化——我国发展纤维乙醇的挑战与对策

第6卷第1期生物如工过程Jan.20082008年1月Chinese Journal of Bioprocess Engineering燃料乙醇非粮化——我国发展纤维乙醇的挑战与对策刘洪斌(中国石油化工股份有限公司科技开发部北京10009)摘要:在分析国内外燃料乙醇发展状况的基础上阐迷了以非粮原料木质纤维煮生产燃軒乙醇的重要性,着重论逑了发展纤维素燃料乙醇所面临的发展机遇和技术挑战,同时对我国纤维乙醇的产业化发展提出了建议。关键词:生物质;纤维质;酒精;石油;非粮化中图分类号:S26.5文献标识码:A文章编号: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随着全球社会和经济的高速发展能源的消费的可再生材料、原料和能源已成为全球的共识可量日益攀升,能源消费总量将从目前的100多亿t再生能源应运而生成为各国主要的发展措施。油增加到2025年的162亿t油,增长率超过50%国际能源署预计到2020年新的可再生能源CO2的排放量也将随之激增。另一方面,据最新的(不包括传统生物质能和大水电)将增长2倍以上,数据表明,全世界己探明的可开采石油、煤炭和天可再生能源将占全球能源消费总量的30%。在众然气的储量分别为1770亿t9827亿t和18×10°多可再生形式的可再生能源中,生物质能源凭借其亿m3。以目前的开采和消耗速度估算,石油仅能维巨大的资源、分布和开发使用等独特优势成为发展持生产40a,天然气和煤炭分别可以供应65a和的热点。地球上每年经光合作用固定在绿色植162a。因此,资源和环境方面的压力迫使人类越来物中的总碳就达2x10,能量达3×102J生物量越多地关注自然和社会的可持续性发展,发展新型为1700亿t,其能量约相当于世界主要燃料消费的中国煤化工收稿日期:20070721基金项目:国家863计划课题资助项目(2006AA020103)CNMHG作者简介:刘洪斌(1965-),男,山东安郸人,高媛工程师研究方向:合威纤维聚合物及其单体技术开发和技术。 E-mail: liuhongbin@生物加工过租第6卷第1期10倍2);同时,生物质能源也是唯一可转化成常规的生产和试点推广工作,先后颁布实施了的固态液态和气态燃料的可再生碳源,是解决现(GB1836-2001)《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽实和未来能源危机和环境污染最有潜力的途径之油》(GB18315-2001)两项国家标准批准建设了吉当前生物质能源的主要形式有燃料乙醇、生物林燃料乙醇、黑龙江华润酒精、河南天冠燃料乙醇柴油、沼气和生物制氢等,其中燃料乙醇是世界上和安徽丰原燃料乙醇等4家粮食乙醇的定点生产生产和使用规模最大的生物质能源-2。厂,设计生产能力为1.02×10°t,并在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽5省全境和江苏、山东河北湖1国内外燃料乙醇的发展状况北等4省的27个地市进行车用乙醇汽油试点推广工作。根据《可再生能源中长期发展规划》,至2020燃料乙醇作为一种最重要的生物质能源受到年,可再生能源开发量在能源供应结构中的比重将世界各国的广泛重视,乙醇汽油在全球范围内呈现提高到15%左右,其中生物质燃料乙醇的产能将达出迅猛的发展势头。预计2007年全世界乙醇的到1.0×10t,我国燃料乙醇的发展空间十分总产量可望达到500亿L左右,较上年增长近巨大。27%,其中巴西和美国占全球乙醇产量的70%,是乙醇燃料主要生产和消费国(表1)。2燃料乙醇生产的非粮化发展表1世界各国燃料乙醇生产能力比较Table 1 Comparison on the fuel ethanol productivities of燃料乙醇的生产原料主要有3类第一类是含糖different countries in the world作物,如甘蔗、甜菜、甜高粱等;第二类是淀粉质作物,国别美国巴西欧盟中国加拿大如玉米、小麦、高粱、木薯红薯、马铃薯及菊芋等;第2006年/亿L16137.2三类是纤维质原料如秸秆、木屑、农作物壳皮及城乡2007年/(亿L,估)250190231612固体垃圾等。目前用于生产燃料乙醇的原料基本上属于第一、二类如巴西的主要原料为甘蔗,美国95%年增长率/%3413442的原料来自玉米欧洲以小麦、甜菜为原料我国生产燃料乙醇的原料主要有玉米、小麦、薯干及糖蜜等。美国现已替代巴西成为世界上最大的燃料乙生产燃料乙醇的第一、二类原料要受到耕地和原料成醇生产国已拥有114家乙醇精炼厂,另有80家在本的限制,以玉米为例全美国12%以上的玉米产量建但仍然不能满足其国内的需要不足部分从巴被用于生产燃料乙醇燃料乙醇的生产对玉米的巨大西和中美洲国家进口。巴西是世界上燃料乙醇生消耗使美国玉米价格在两年内就上涨近一倍。因此,产和使用最领先的国家之一,现有320余家乙醇生美国总统布什在其200年财政年预算案中新增了产厂,5a内还将增加50余家。巴西的乙醇出口量6%的资金(590万美元)用于生物燃料的研究和发超过23亿L,其国内汽车燃料中乙醇消耗量超过展主要是提高非粮生物质原料在生物燃料生产中的15%,居全球首位。欧盟计划到2020年将可再生比重,目标之一就是加速纤维质乙醇的研发,力争到能源占欧盟能源消耗总量的比重提高到20%,并计2012年使他的生产成本具有市场竞争力,到2030年划到2010年将燃料乙醇的比例提高至5.75%。其纤维质乙醇可替代全美目前燃料消耗量的30%-中法国、瑞典、德国和英国等国是欧洲燃料乙醇发我国的燃料乙醇生产也面临着同样的困境,200年展的领军人物。加拿大计划到200年,35%的生产燃料乙醇102×10t,消费玉米3.3×10Pt约占汽油中将添加10%乙醇并投入约10亿多加元分玉米产量的2.3%。根据“十一五”规划,200年燃料别在安大略省和艾尔伯塔省等地进行乙醇工厂的乙醇的产销量要达到50×105t,则需消耗玉米165新建或扩建工作,以满足其快速增长的燃料乙醇需×107万t,占目前玉米产量的12%,而到2020年燃求。另外近年来其他国家和地区如南非、澳大利料V凵中国煤化工量(图1),对玉米亚、日本、印度、菲律宾和泰国等也都已经制定并且需CNMHG,200年底国内玉开始实施本国的燃料乙醇生产和推广使用规划。米的平均价格达到∫1441元/t,比年初上涨了近我国从2001年开始正式启动了车用乙醇汽油23%,直接导致燃料乙醇生产企业成本的急剧上升,2008年1月刘洪斌:燃料乙醇非粮化——我国发展纤维乙醇的挑战与对策同时我国的粮食工业及其相关的转化加工和养殖等廉价易得的非粮原料富含纤维素和半纤维素类聚产业均受到了显著冲击并引起了整个市场的连锁波糖物质,均可以转化成乙醇26-。在植物纤维质动。因此,石油安全和粮食安全是两个重大的基础问原料中农林废弃物就占有相当大的比例,仅农作题需要统筹兼顾发展燃料乙醇必须寻求非粮原料物秸秆一项全球年产量就超过20亿,其中中国年之路,必须坚持“不与民争粮不与粮争地”的基本原产量达到7亿t左右相当于35亿t标准煤可转则。20年6月7日国务院可再生能源会议明确指化为1亿t燃料乙醇,即相当于3个大庆的产油量。出,中国将停止在建的煤化工项目和粮食乙醇燃料项目前加拿大 logen公司在纤维乙醇技术开发,目,在不得占用耕地,不得消耗粮食,不得破坏生态环尤其是纤维素酶技术开发方面居世界领先地位,荷境的原则下,坚持发展非粮燃料乙醇。兰的皇家壳牌公司( Royal Dutch Shel)是其主要战略合作者。该公司计划投资约3.25亿美元,到2008年建成世界第一座工业規模纤维乙醇综合厂,其秸秆纤维年加工能力约70×103t,可生产燃料乙醇约1.6×103t。除此之外,美国(NREL、 MuscelShoals、 Alabama)、瑞典 Etek Etanolteknik AB、法国( Houston)、奥地利(Lin)和日本(TsK, Tokyo)等地均已建立了中试生产线。美国通用汽车公司(CE)德国大众公司( Volkswagen)和日本丰田公司(Toyo2000020015202025ta)也正在建设纤维素乙醇装置。我国有关秸秆生产乙醇(纤维乙醇)的科研报道较多,能够形成中试图1燃料乙醇消费玉米量占玉米生产总量的发展趋势生产线的较少,目前主要有河南天冠集团、安徽丰Fg1 The growing trend of the ratio of com consumption原集团以及黑龙江肇东的中粮集团等,其整体水平for fuel ethanol to com production与国外技术有一定的距离,乙醇成本高达600元3纤维素燃料乙醇的发展与挑战左右,且均未形成工业化生产规模(表2)。在燃料乙醇的生产原料中植物纤维质是一种表2国内外主要纤维素乙醇生产厂家技术指标比较Table 2 Comparison on the technology items of cellulosic ethanol in different corporations加拿大 logen技术指标美国NERL天冠集团丰原集团中粮集团玉米秸秆、玉米秸秆、主要原料小麦秸秆农作物废弃古秆玉米秸玉米秸秆麦草秸秆生物质等稀酸结合蒸预处理及稀酸预处酸预处理酸预处理、蒸汽爆破和水解汽气爆、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发戊糖己糖发酵己糖发酵己糖发酵联合发酵酵(SSF)分开发酵乙醇质量分数5%5%(估计)未运行产量/(t·a)16万2500400~500中国煤化工成本/(元·t)3500未运行CNMHG转化率4.4不祥不详注:*表示每吨秸秆产多少吨乙醇。生靳如工过程第6卷第1期当前纤维素燃料乙醇的生产在技术上已经可化率较低,使纤维素燃料乙醇的生产成本居高不以实现,但他在全世界范围内却仍然未能进行大规下。为了解决这些障碍,在过去的20多年里,全世模的工业化生产,主要是其商业化生产还存在着几界为此投入了大量的人力和物力,但只是在某些环个关键的技术经济障碍,即原料预处理、纤维素酶节上有了一些进展,总体上并未能取得明显的突水解和木糖的高效乙醇发酵{20破,他们仍然是世界性的难点和重点。(1)原料预处理与富含淀粉质的原料相比,植物纤维原料具有木质纤维复合物结构,难以直接水4我国非粮燃料乙醇的发展策略解和发酵因此在水解之前对天然的植物纤维原料进行适当的预处理,目的是为了破坏植物纤维原料经过几年来的研究和探索,政府、企业和专家的天然木质纤维复合体结构降低纤维的结晶度或学者等各界对于我国燃料乙醇产业的发展已经取直接去除原料中的木质素,以分离出结构疏松或游得了广泛的共识,即必须坚持非粮基本原则,大力离的纤维素、半纤维素及其降解物,从而增加纤维开发纤维素乙醇。结合我国的国情和实际笔的可及度。研发过的预处理方法主要有:高温高压者认为发展我国非粮燃料乙醇的策略是要充分利水蒸气爆破法、SO2蒸汽爆破法、低温氨爆破法、CO2用农作物秸秆等植物纤维废弃物资源,不仅可以变爆破法球磨、纤维溶剂法、稀酸水解法、温烤和微废为宝以缓解我国的能源压力而且可以增加农民生物预处理等其中蒸汽爆破技术占主导地位,但的收入,并改善农村的环境提供更多的就业机会,目前仍然缺乏简单廉价的预处理手段更为重要的是通过纤维素燃料乙醇形成一个新型(2)纤维素水解无机酸和(半)纤维素酶均可的资源——能源的产业链以拉动农业经济和林业用于纤维素和半纤维素水解,其中纤维素酶水解法经济,真正实现循环经济和可持续性发展。是当前的发展趋势。纤维素酶是一类能够水解纤根据当前的实际形势,在纤维素燃料乙醇的研维素(和半纤维素)生成己糖(和戊糖)的酶系,其主究和发展过程中要重点做好以下几个方面工作:要的天然生产菌株有里氏木霉( Trichoderma reesei是在国家和政府层面上,要制定出更加详细和拟康氏木霉( Trichoderma vries)等,可利用他们通明确的中、长期燃料乙醇发展规划;在产业规划设过液体深层发酵技术生产出纤维素酶制剂再水解计过程中,要充分做好纤维素资源区域性分布的调经预处理后的纤维素(和半纤维素)原料生成可发研工作精心规划燃料乙醇的产业布局。尽管农作酵性的己糖和戊糖类物质(主要为葡萄糖和木糖),物秸秆以及林业加工废弃物等纤维素资源的总体然后进入下游的发酵工序。目前,纤维素酶水解的数量很大但其实分布零散,当实际应用于工业生成本仍然居高不下,约占纤维质燃料乙醇总成本产时,此类原料的供应、收集、贮存和运输都存在一的40%定的问题,会直接影响到燃料乙醇的生产成本。因(3)木糖的高效乙醇发酵在植物纤维原料中,此,要充分结合这些纤维素资源的区域性分布情木糖是第二大糖类物质,含量可高达原料干质量的况,通过严密的技术经济论证,精心规划燃料乙醇35%以上。据专家测算,如果能够将木糖高效发酵生产的企业布局和企业生产规模。成乙醇则可以降低整个工艺成本的25%。但是,自二是要进一步加强对燃料乙醇产业的宏观调然界仅有极少数几个天然菌株能够在精确的限制控加大政策支持力度,重点扶持纤维素乙醇,从教性供氧条件下发酵木糖产乙醇,工业生产控制难度育、立法、财政和税收等多方面强力支持以引导和很大,同时他们也不能耐受植物纤维质水解液中的培育纤维素燃料乙醇的市场然后分阶段组织和实抑制物和较高浓度的乙醇,或者发酵副产物较多。施其产业化。为了克服这一技术障碍,在过去的数十年内,各国三是在技术研发层面上,国家要进一步加大对相继在微生物木糖代谢工程及基因工程菌株构建该领域的科研支持力度鼓励以企业为主体,组织方面开展了大量的研究和试验工作但是恣今为止由多們V中国煤化工公司所组成的跨他们的生产性能仍然不能满足商业化生产的多行CNMHG卜先进的智力资要求-1源,大引进资金、夜木相设备,构建出先进的试验上述3个环节造成植物纤维原料的利用率和转平台,着眼于本领域的重大技术问题进行协作攻208年1月刘洪斌:燃料乙醇非粮化—我国发展纤维乙感的挑战与对策·11关,以解决其关键的技术和设备障碍,在此基础上[81] Jeffery s tolar. logen process for prodcing ethanol from cellulosi建设示范生产线,引导和带动我国纤维素燃料乙醇biomass [J]. Clean Techn Environ Policy, 2002(3): 339-345产业的发展。[9] Cardona Alzate C A, Sanchez Toro O J. Energy consumption anal-ysis of integrated nowdheets for production of fuel ethanol from Hig-发展我国纤维素燃料乙醇的任务已经十分明lomas[门]. Energy,2006,31(13):24472459确,这对于实现国家的长治久安和可持续性发展具[10) Kiran l Kadam, James D MemMillan. Availability of com stover有重要的意义,真可谓任重而道远。面对这样一个as a sustainable feedstock for bioethanol production [J].Biore-世界性的挑战,通过产、学、研和社会各方面团结协source Technol. 2003. 88: 17-25作和长期艰苦卓绝的努力相信这个目标一定能够1wmcF,mbWH,Jm,ed. Generationoftheimproves recombinant xyloee-utilizing Saccharomyces cerevisiae达到。TMB 3400 by random mutagenesis and physiological comparisonwith Pichia stipitis CBS 6054 [J]. FEMS Yeast Res, 2003参考文献(3):319-326[1] Arthur J Ragauskas, Charlotte K Williams, Brian H Davison, et [12] Eliasson A, Hofmeyr JS, Pedler S, et al. The xylose reductase/al. 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