甘蔗生产燃料乙醇的发展现状及前景展望

酿酒科技2007年第6期(总第156期) LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2007No.6(Tol.156)甘蔗生产燃料乙醇的发展现状及前景展望李苗苗,于淑娟(华南理工大学轻工与食品学院,广东广州510640)摘要:甘蔗是C4作物,其光能转换效率、光合速率、单位面积生物产量显著高于其他作物,其净能比最高。用甘蔗生产燃料乙醇,成本低。甘蔗是最有潜力的生物能源作物,但是我国发展生物能源必须重视能源廿蔗品种的选育,加强甘蔗燃料乙醇生产工艺的研究与开发。利用甘蔗发展燃料乙醇产业具有广阔的前景。分析了我国利用甘蔗发展可再生生物能源的必要性及可行性。关键词:甘蔗;燃料乙醇;生物能源;前景中图分类号:TS261.23;TS2622;TS2614文献标识码:A文章编号:1001-9286(2007)06-011103resent Status the Prospect of Fuel Ethanol Production by SugarcaneLI Miao-miao and YU Shu-juan(College of Light Industry and Food Science, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China)Abstract: As a C4 plant, sugarcane is rather high in light energy conversion efficiency, photosynthetic rate and biomassproductivity (its net energy rate is the highest). Ethanol production by sugarcane is economically practical. It is believedthat sugarcane is a most promising energy crop in China. Accordingly, we must pay more attention to the breeding of newsugarcane species and strengthen the research on and the development of fuel ethanol production techniques by sugarcaneThe use of sugarcane to develop fuel ethanol has broad foreground. The necessity and the feasibility of the use of sugarcaneas renewable resources in China was analyzed in this paper.Key words: sugarcane; fuel ethanol; bio-energy; prospect现代工业的迅速发展导致的能源紧缺现状和环境力物力,实施了一系列激励和强制政策,开发和推广燃污染问题,使得燃料乙醇作为替代石油能源的绿色可再料乙醇,并达到较高的规模化生产水平队4。巴西是世界生能源日益受到人们的青睐。燃料乙醇是可再生能源,上最早大规模使用乙醇做替代燃料的国家,主要原料是属于“绿色汽油”,作为一种清洁能源,其抗爆性能好,用甘蔗。自1974年第一次石油危机后,巴西政府就开始推作车用燃料时燃烧更完全,减少尾气排放量,降低对环广“酒精汽油”计划。目前,巴西是世界上唯一不供应纯境的污染田。汽油的国家,现在它的主要燃料为4种:纯乙醇(含水乙甘蔗是热带和亚热带地区广泛种植的糖料作物,如醇)、乙醇汽油(22%乙醇+78%汽油)MEG燃料(0我国的广东、广西、云南和海南等省都大规模地种植甘乙醇+33%甲醇+7%汽油)和柴油56。现在巴西年产乙蔗。甘蔗被认为是中国发展生物能源最有潜力的作物,醇1000万千升左右,97%用于燃料。2001年,美国农业利用甘蔗生产燃料乙醇具有良好的发展前景。本文将部决定每年提供15亿美元补贴乙醇生产企业,用以增对甘蔗生产燃料乙醇的发展现状及前景作一综述加乙醇和生物柴油等生物燃料的使用叨。1992年,欧盟1国内外发展现状通过法律:对于可再生资源为原料生产燃料的试验性项目,成员国可采取免税政策,包括燃料乙醇圖。在亚洲国1.1国外燃料乙醇发展现状家中,泰国是对乙醇燃料的推广最为积极的国家之始于20世纪70年代的“石油危机”,使人们开始认对发展乙醇表现出了极大的兴趣,成立了专门委员会进识到利用可再生资源(如粮食或植物纤维)发酵生产酒精行发V中国煤化工定发展计划与政策。日作为生物能源来代替或部分代替汽油的重要性。巴西本从CNMHG开发计划,重点开发美国欧盟以及泰国和日本等国家相继投入了大量的人用农、林产废物等资源直接发酵生产乙醇的技术。稿日期:2007-0305111酿酒科技2007年第6期(总第156期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2007No.6(Io.156)巴西的酒精主要以糖蜜或甘蔗汁为原料,目前有分析,在中国的生产条件下,甘蔗是单位面积产酒精量70%以蔗糖为原料的酒精厂采用间歇发酵,发酵能力达最高,最有潜力的作物。印度国家糖业管理联合会主席150万L酒精。约有350个酒精厂采用连续发酵工艺。Rao吗比较了各种能源作物单位面积酒精产量,认为甘在两种发酵过程中,酵母均被从发酵后醪液中分离出蔗与小薯产量最高。美国夏威夷再生能源协会资料表来,经稀硫酸冲洗后再用于发酵过程。发酵可获得较高明,在多种能源植物中,能源甘蔗的单位面积酒精产量酒精浓度(8%ol~11%V)和较高酒精得率(⑨2%Vol~最多叫。中国南方纬度、气候与巴西相似,发展能源甘蔗93%wo)及较短发酵时间(6~10h),可使酵母1d回收有着得天独厚的自然资源条件,利用甘蔗生产燃料乙醇利用3次,连续运行200d。由于野生酵母具有很强的发的成本比用其他作物具有明显的优势。其次,甘蔗生产酵能力,在巴西30个酒精厂已有21个将野生酵母作为燃料乙醇加工成本低。用玉米或木薯等淀粉质原料生产接种菌种进行发酵。在北美,燃料乙醇的生产主要以玉酒精,首先经过粉碎、蒸煮、用α-淀粉酶液化、糖化酶糖米为原料,玉米酒精发酵采用不回收利用酵母的间歇发化,再由酵母发酵成酒精,其工艺流程长,厂房设备投资酵或计算机控制的连续发酵过程,并采用C技术,降大,能耗大,成本高。而以甘蔗为原料生产燃料乙醇时低了劳动成本,减少了设备损耗。美国运用发酵法生产可用蔗汁直接发酵,因而生产过程的能耗小,生产成本酒精的工厂一般发酵后酒精浓度可以达到12%。自然也就降低。12国内燃料乙醇发展现状23环境可行性分析2001年9月,国务院正式批准了在国内发展燃料由甘蔗榨汁直接生产酒精,每吨甘蔗约可生产酒精酒精试点。目前,河南省天冠年产2万千升燃料酒精,并70L、蔗渣250kg、废醪液910L。蔗汁是可以直接食正在建设年产20万千升的生产线;安徽省年产35万千用的纯天然食品,成分简单,利用蔗汁生产乙醇,经发酵升燃料酒精项目也正在生产和扩建;吉林省大成年产蒸馏后,只剩下酵母残体和废液,酵母残体可用于生产80万千升燃料酒精厂已投产,我国酒精80%左右以玉饲料,废液含有少量未发酵完全的有机物,不含重金属米、小麦、高粱、甘薯、木薯等富含淀粉的物质为原料,约或其他燃烧后可能释放的有毒气体和有毒物质,采用废有10%的酒精以糖蜜为原料,采用间歇发酵,酵母不回液浓缩喷雾燃烧的方式可以实现废物零排放,不污染环收,最终酒精浓度通常可达8%vol~10%Vol,低于国际境n,该种废液处理方式已在广东中能酒精有限公司成先进水平叫。近年我国甘蔗产量在8500~9000万t,用功应用。发酵后的废液颜色比糖蜜为原料的浅,灰分和糖蜜生产酒精(食用酒精)约50多万千升,应用纯蔗汁发残糖低,也可直接用于灌溉农田。用蔗渣作燃料排放的酵生产燃料乙醇工艺技术方面仍处于中试阶段。烟气,不含二氧化硫和其他有害气体,经除尘后对环境2我国发展甘蔗燃料乙醇的可行性分析无污染。发酵时产生的CO2经回收乙醇后可收集制造液体CO2,不排入大气,对环境不会造成大的影响。而燃料21技术可行性分析烧出的锅炉灰是很好的钾肥网。用甘蔗生产燃料乙醇,首先需要提汁,再进行浓缩发酵、蒸馏和脱水等工艺过程。而糖厂中的蔗汁提取浓3展缩的工艺和设备都是现成的。就发酵过程而论,大型甘3.1甘蔗是中国最有潜力的生物能源作物蔗糖厂都有食用乙醇车间,其发酵原料主要是制糖过程中国是蔗糖生产大国,产糖总量占世界第3位,中中产生的废蜜(糖蜜),在甘蔗糖蜜生产乙醇上的经验和国南方9省(区)适宜种植甘蔗的土地面积在200万hm2技术是成熟的。甘蔗汁和糖蜜都是以含蔗糖成分为主,以上,蔗糖业已成为中西两部地区特别是广西、云南的但用甘蔗汁做发酵原料生产乙醇,与糖蜜生产乙醇相比主要产业。在这些地方,大部分蔗区是旱坡地种植甘蔗有一定的差异性凹。燃料乙醇的含水量低于食用乙醇,具有明显的作物竞争优势,甘蔗生产仍有较大的发展空因此需要脱水。目前制备无水酒精的方法主要有生石灰间。面对国际能源价格的高涨以及国内能源短缺的压脱水法、萃取蒸馏法、真空蒸馏法、离子交换树脂法、恒力,以甘蔗为原料生产燃料乙醇的优势越来越受到重沸精馏法、盐溶精馏法、无水硫酸钙法、分子筛法以及膜视。由于能源甘蔗是以高生物量代替髙蔗糖作为农业生分离法等。其中,分子筛法和膜分离法作为新方法,具有产目标年生长量可高达280t以上,工业加工良好的发展前景,已经在实践中得到了应用叫。成中国煤化工发展生物能源最理想的22经济可行性分析作物CNMHG甘蔗是C4作物,其光能转换效率、光合速率、单位32我国发展甘蔗燃料乙醇需要重视的突出问题面积生物产量显著高于其他作物。根据李松叫等的研究321能源甘蔗新品种选育112李苗苗,于淑娟·甘蔗生产燃料乙醇的发展现状及前景展望以制糖为目的的糖料甘蔗品种的选育目标是高糖process,2001,71:187-195高产,对甘蔗蔗糖分的含量要求较高。而作为能源的甘4 Christoph berg, EO Licht. World fuel ethanol analysis and ou蔗品种,则在选育种方面对蔗糖糖分含量的要求不严look].Ministry of Economy Trade and Industry (METI)(apan)格,而在产量和宿根性、抗性等方面则要求较高,即有003,(8):25定的蔗糖糖分基础上,群体的生物产量越高越好。并具 Iz Carlos Corra carvalho-UNICA. Status of large scale pro-有株形好,适宜于机械化作业,省工、好管理等特性。到Ethanol Congress, 2001目前为止,我国虽然育成了3个糖能兼用的甘蔗品种,[苏毅译巴西的无水酒精生产门广西轻工业,94,(3)45但其公顷年蔗茎产量只有121~130t,低于世界水平,说明我国的能源甘蔗研究与创新具有很大的潜力。[7] Bruce S. Dien, Rodney J. Bothast, Nancy N. Nichols and3.2.2甘蔗燃料乙醇生产工艺的研究与开发Michael A Cotta The U.S. coin ethanol industry: An overview of用甘蔗原汁发酵生产燃料乙醇及其汽油与乙醇混current technology and future prospect[J]. INT SUGAR JNL配作动力燃料的有关技术,巴西最为成熟。中国目前还2002,104(1241):204处在起步阶段,许多有关技术和设备需要在借鉴国外技 uropean Biofuels UJ. Industrial Bioprocessing01术经验的基础上结合本国的实际进行创新,经过研究19]吕欣,毛忠贵集成化玉米燃料酒精生产[粮食与油脂,中试后才能用于常规生产,并通过体制和管理的创新2002,(12):27-2研究出适合我国甘蔗能源发展的技术之路。到目前为1o张君,刘德华世界燃料酒精工业发展现状与展望酿酒科止,糖厂的酒精生产都以糖蜜为原料,虽然甘蔗汁与糖技,2004,(5):118-12蜜一样以含蔗糖成分为主,但甘蔗汁有其特殊性,如甘1]傅其军新型可再生清洁能源—燃料酒精的开发展望蔗汁灰分较少,而蛋白质、胶体等较多,易引起发酵过程广西轻工业,2000,(4):9-12中影响酵母繁殖、易引起酵母菌絮凝等叫。针对甘蔗汁2]曾麟安玉兴李奇伟以甘蔗为原料生产燃料乙醇的技术直接发酵的特殊性,需开展深入研究,选育出适宜蔗汁经济分析[甘蔗糖业,2006,(2):15-18发酵的酵母菌种,改进并优化其发酵工艺,以期提高产13]梁萌张建安刘德华无水酒精制备的研究进展酿酒,率;加强相关设备的研究和开发;探讨高浓酒精发酵工2002,29(5):36艺,提高设备利用率提高生产能力,降低能耗,降低生[14]李松杨荣仲谭裕模等我国发展能源甘蔗研究生产的现实意义广西蔗糖,2003,(3):44-45产成本四;通过基因工程和代谢工程等现代生物技术手(1 5] Rao PJ M. Industrial utilization of sugar CO-products (M). In段构建发酵性能优良的菌株,调控微生物代谢过程,提dia: National Federation of Co-operatives Ltd, 1997, 274-276.高菌株耐温性和耐酒精性,提高酒精收率;通过开发新[16]李杨瑞,谭裕模,李松,等.甘蔗作为生物能源作物的潜力分的节能脱水工艺,降低无水乙醇的生产成本;采用固定析门西南农业学报,2006,19(4):742-745化细胞发酵技术提高发酵器内细胞浓度,可使用较高的17]李奇伟,戚荣张远平能源甘蔗生产燃料乙醇的前景甘基质浓度并得到较高的酒精收率四,为甘蔗资源的应蔗糖业,2004,(5):29-33用提供新的技术保障叫。[8]吴松海,林一心甘蔗生产燃料乙醇的发展前景[门中国糖综上所述,由于燃料乙醇的应用可以带来巨大的经料,2006,(2):58-61济、社会和环境效益,还可以调节商品糖市场的供需关19]曾麟王革华中国甘蔗燃料乙醇生产的技术、经济和环境可行性分析[可再生能源,2006,(4):46-49系,所以世界各国对其已有了不同程度的研究和应用。[20]陈子云能源甘蔗的开发与利用甘蔗糖业,203(2)随着现代生物技术和工程技术的不断发展,高产菌株的获得越来越简单,发酵工艺也得到不断改进,这些都为[21]张华陈如凯中国能源甘蔗的研究与开发门小中国甘蔗网,燃料乙醇的大规模生产提供技术保证。燃料乙醇的研究领域和应用范围将会不断扩展,燃料乙醇在可再生能源2]吕欣,毛忠贵高浓度酒精发酵研究进展酸酒科技,2003市场中将占主要地位。(5):58-60[23] Kolot F B. Immobilized cells for solvent production[]. Pro参考文献:cess Biochem. 1984 19: 7-13[1] Beer, Kenn Ethanol as a sustainable transport fuel[J]. Enginee[24中国煤化工. Ethanol fermentation inAustralia,2003,75(7):32.CNMHGacchanromyces Cerevisiae[2]何淑芳,孙君社,苏东海燃料乙醇在中国发展利用食品科LvivIv6J,w,92:251-260学,2005,26(增刊):166-1[25]徐惠娟,王世锋,尤敏南,燃料酒精生产的研究进展[厦门3] HelenaLC, RalphPO Biomass and renewable fuels[]. Fuel Bio-大学学报(自然科学版),2006,45(增刊):37-41.113