新疆棉秆生产燃料乙醇的现状及对策

2011年第5期新疆农垦科技食晶加工新疆棉秆生产燃料乙醇的现状及对策(1.新疆塔里木河种业股份有限公司十七连,新疆阿拉尔 843300;2. 塔里木大学生命科学学院生物质能源研究所)摘要:本文对新疆农业的主导产业-棉花在生产过程种植的副产物,棉秆每年也将大量产生。中所产生的大量副产物-棉花秸秆资源及其利用状况进行目前,新疆的棉秆大多直接切碎还田,少量用于了调查,探讨和分析了应用棉花秸秆生产燃料乙醇的前景及造纸、制板、建筑、饲料生产及食用菌栽培。还田的棉所面临的问题。秆当年不能腐熟利用,往往成为病虫的寄生源;在饲关键词:新疆;棉秆;燃料乙醇料生产中,棉秆只能用作粗饲料,其干物质有效降解率和代谢能都较低,规模化推广困难;加之新疆食用新疆是我国最大的商品棉生产基地，植棉面积菌栽培规模小,造纸、制板建筑等行业消耗有限,实占全国的1/4, 年产棉花250余万t,占全国总产量难解决大量棉秆利用问题。随着人们对生物质能的的1/3。由于新疆环境条件的限制,以棉花为主的作认识逐渐提升,棉秆的能源特性日益凸显,在新疆有物种植面积不断扩大,并成为新疆农业的主导产业。的县已建立了小型棉秆生物发电厂，也有人探讨利棉花生产过程中产生大量副产物-棉花秸秆,其年用棉秆纤维发酵生产燃料乙醇，但棉秆乙醇的生产产量可达600~800万t。数量如此之多的棉秆资源大都集中在预处理条件的研究上。如何生态高效地利用，已成为新疆重大的社会经济2纤维素 生产燃料乙醇的现状和开发前景问题。2.1纤维素乙醇生产的政策 支持1新疆棉秆资源及其利用现状在我国,燃料乙醇产业起步较晚,但近年来发展棉花一直以来都是新疆的主打经济作物，近年较快。自2000年政府央定将燃料乙醇的开发生产与来随着兵团特色农业结构的调整，棉花种植面积略使用列入十一- 五规划以来，燃料乙醇在我国已得到有波动,但仍不影响新疆棉花生产的主导地位.。2010长足的发展。《可再生能源法》和《国家中长期科学和年5月召开的中央新疆工作座谈会对推进新疆跨越技术发展规划纲要(2006~ 2020年)》的出台,极大式发展和长治久安作出了战略部署，建议国家把新地推进了生物柴油和燃料乙醇等生物液体燃料的开疆作为国家商品棉生产基地，并考虑到新疆特殊的发进程。我国规划，到2020年生物燃料消费量占到地理位置和边疆的稳定,给予新疆粮棉同等政策,以全部交通燃料的15%左右,建立起具有国际竞争力稳定、恢复新疆宜棉地区的棉花种植面积,不断提高的生物燃料产业，这给我国燃料乙醇产业带来了良棉花产量和质量。在此政策支持下,棉花在新疆大面好的发展机遇。在这个快速发展的过程中，燃料乙醇积种植的局面将在很长时期内保持不变，作为棉花产业面临原料成本高、原料有限等问题,为此,燃料贮藏是一项系统性工程,只有控制好采前、采收(MA)的 ,要根据产品的情况确定聚乙烯或聚氯乙烯和采后的每个环节,严格执行操作标准,对人库产品薄膜的厚度或硅窗的个数,有些需要在贮藏过程中的质量严格把关,才能够取得好的贮藏效果。定期开袋通风; (4)使用气调库贮藏(CA)对气密性(1)一项贮藏工程开始之前,要安排好相应的要求严格花干察窗监测和取样，人员,并做好库房、工具和容器的清洁、消毒工作;不得 随中国煤化工:THCNMHC尽量安排一次出(2)进行大规模商业贮藏前,要经过试验或相对小规清 ,因为件内的气体环境并引模的贮藏，掌握相应种类和品种果蔬的最佳的气调起温度波动,对库内果蔬不利。如不能--次出库的贮藏条件，避免造成损失;(3)使用自发气调贮藏要尽快安排分次出库。●51●食品加工新疆农垦科技2011年第5期乙醇的发展呈现“非粮替代”势头,纤维素乙醇的发蛋白,风干的棉秆一般含水量也较低。据魏敏等的展也应运而生。我国在“十- -五”期间已将纤维素乙检测结果,棉花秸秆中纤维素、半纤维素和木质素醇研究工作提上日程,在国家“863”计划中列为研究的含量分别为44.0%、10.7%.15.3%",张琴等检测课题进行重点攻关。2006年8月,河南天冠集团开了塔里木棉区棉秆的木质纤维素含量，其纤维素、始建设年产3 000t的纤维素乙醇项目,这是国内第半纤维素和木质素的含量分别为38.15%、12.91%和一条纤维素乙醇产业化生产线。这一生产线的建设18.35% ,其中的纤维素和半纤维都可水解为可发酵与投人使用，将使利用农作物秸秆类纤维质原料生的还原糖,包括六碳糖和五碳糖,这些还原糖都可产乙醇成为现实,其意义非常深远。中粮集团正在建在乙醇发酵微生物作用下转化为乙醇;而目前可用设以玉米秸秆为原料,年产燃料酒精5000t的中间于规模化发酵生产燃料乙醇的玉米秸秆中，纤维试验厂, 预算总投资4 500万元。中粮集团与拥有世素、半纤维素和木质素的含量分别为33.6%、32.5%、界领先技术的丹麦诺维信公司建立合作伙伴关系，4.6%,可见，与玉米秸秆相比，棉花秸秆亦有较高将于2~3年内实现纤维素乙醇的规模化生产。山东的乙醇发酵潜力。当然棉杆中的木质素含量比玉米大学与山东龙力生物科技有限公司通力合作，以玉秸秆中的高,但据Silverstein等的报道,即使用传统米芯生产木糖系列产品的加工残渣为原料生产乙的化学方法(H2SO4和NaOH)预处理,棉杆中的木质醇，为加快纤维素乙醇生产的产业化进程开创了--素都能显著去除周,Zhang等通过比较三株白腐菌对条新的便捷途径。棉秆的降解效果，得出用黄孢原毛平革菌降解棉2.2纤维素乙醇 的开发前景.秆15d，能获得最高的木质素降解率并能较好地进入21世纪,燃料乙醇已成为全世界研究的热保留纤维素，找到了一种较好的棉秆生物预处理点,尤以纤维素类物质生产燃料乙醇为首。燃料乙醇方法4。总的来看,棉秆木质素的可去除性及纤维生产过程中，采用有效的预处理手段可在-一定程度素、半纤维素的可糖化性能都决定了其中的还原.上破坏生物质原料中纤维素、半纤维素和木质素的糖能有效地用于乙醇发酵生产中,为此,探索适当交织结构,增强微生物及酶的可及性,有利于后续的的预处理和微生物发酵途径，有望实现棉秆乙醇水解糖化。针对预处理过程中有毒抑制物的产生情的优化生产。况，采取有效的脱毒方式或采用高耐受微生物的发3.2 棉秆生产乙醇的政策支持酵可提高水提糖液转化乙醇的高效性。通过筛选合进入21世纪，开发新兴的可再生能源替代传适的微生物发酵菌株,调控发酵过程,最终实现乙醇统化石能源已成为解决能源问题的重要方式,木质优化生产。素原料以其存在的广泛性用以燃料乙醇的生产巳据国家农业部提供的数据，中国秸秆资源量达备受各国政府的重视。在我国《可再生能源中长期6亿t,目前有3亿t用于薪柴燃料的消耗,其余均被规划》中指出:“不再增加以粮食为原料的燃料乙醇焚烧;而林业部提供的数据显示，我国林业废弃物资生产能力，合理利用非粮生物质原料生产燃料乙源量8亿t,其中工业消耗5亿t,有3亿t亟待开发醇”，“从长远考虑，要积极发展以纤维素生物质为利用按照美国每4t秸秆生产1t乙醇的技术水平,原料的生物液体燃料技术”。《兵团中长期科学和技这些原料将能生产115亿t燃料乙醇。如果纤维素术发展规划纲要(2006~ 2020年)》指出“要引进开燃料乙醇技术获得突破进展,实现工业化生产,则对发生物质液体燃料(生物酒精、生物柴油等)及秸秆突破我国资源瓶颈起到至关重要的作用。在我国,玉能源转化关键技术”,可见,国家及兵团对棉花的持米秸秆、甜高粱秸秆等农业废弃秸秆已用于燃料乙续生产及棉秆的能源化利用十分重视,棉秆乙醇的生醇的生产，并在- -定程度上形成一定产业和试验示产将成为兵团可再生能源发展的新的经济增长点。范基地。为此,广泛地发掘我国秸秆资源，探索出成3.3 棉秆生产乙醇的探索熟的乙醇生产技术，将极大地推动我国纤维素燃料中国煤化工'少,目前还没有形乙醇产业的发展。成完整JHCNMH(三艺,但已有人对棉.3棉秆生产乙醇的现状和 前景分析秆的预处理、硒化双ζs联的土厂一等方面进行了一定3.1棉秆生产 乙醇发酵潜力分析研究。Jian等研究了白腐菌预处理对棉秆纤维素酶棉秆中的主要组分是木质纤维素，还有少量粗解和生产乙醇的影响,结果显示,经白腐菌预处理,万放数据2011年第5期新疆农垦科技食品加工棉秆中木质素含量显著降低，但通过纤维素酶进行的,自主开发出能有效用于棉秆纤维素水解糖化的后续降解仍存在纤维素转化率低、乙醇产量不高的纤维素酶制剂。问题,乙醇产量仅为0.027g/ g棉秆门;张琴等利用棉4.4现有的棉秆乙醇发酵的产量还较低，有较多秆的酸解液发酵生产乙醇，乙醇产量可达8.49 土的技术环节需要改进0.54g/L,但其产量仍较玉米秸秆等水解液的低Q;棉秆乙醇在生产过程中,与其它木质纤维素原Haykir通过碱预处理、漆酶和纤维素酶的复合处理，料乙醇生产的技术环节有类似之处,但就目前的研使棉秆溶出的葡萄糖产量达到5.45%;邓辉等通过究而言,棉秆纤维素糖化发酵过程中乙醇含量均较优化棉秆糖化碱预处理条件，使棉秆水解率达到低,说明棉秆乙醇的很多生产环节都需要改进甚至20.05%7;张琴等、李艳宾等利用微生物降解经稀创新。酸常温处理的棉秆，实现棉秆糖化率最高达30%5小结左右B;1。但以上研究普遍存在微生物发酵周期偏新疆是我国重要的能源基地,随着燃料乙醇在.长、糖化率不高及乙醇产量低等问题,故只有在棉秆全国的推广生产,新疆亦有不少燃料乙醇项目得以生产乙醇的各个环节上展开深人研究，才能从根本启动,但如何立足本地工农业生产模式,高效低成上提高乙醇产量。本地利用本土资源用以燃料乙醇的生产仍值得关3.4棉秆生产 乙醇的前景分析注。棉秆纤维素乙醇的生产中,只有针对纤维素乙棉秆是新疆广泛存在的生物质资源，其在新疆醇生产的各环节,开发高效低成本关键技术,才能集中而广泛的存在将为燃料乙醇的生产提供充足的从根本上促进新疆燃料乙醇产业的长足发展。原料。棉秆生产乙醇的产业中,可积极探索棉秆木质参考文献纤维素转化燃料乙醇过程中的关键技术，包括预处[1]魏敏,雒秋江,潘榕，等.对棉花秸秆饲用价值的基本评理技术、酶水解技术和乙醇发酵技术,实现乙醇的规价[].新疆农业大学学报，2003, 26(1):1-4.模化生产,并将此成果就地转化、吸收和应用,在新[2]张琴，李艳宾，龚明福，等.一种棉杆稀酸水解及生产乙疆实现规模化示范和推广,将产生良好的社会效益、醇的方法[P].公开号: CN101906489.[3] Silverstein RA, Chen Y, Sharma . -Shivappa RR, et al. A经济效益和环境效益。comparison of chemical pretreatment methods for improving sac-棉秆的产生伴随棉花生产而存在，在新疆产量charification of cotton stalks [J]. Bioresource Technology, 2006,巨大,便于集中采收和就地生产转化。开发棉秆生产98(16) : 3000 -3011.乙醇的关键技术将有利于新疆棉秆资源的本土化利[4] Zhang Q, Li YB. Biodegradation of cotton stalk by three white用，为纤维素乙醇在新疆的生产和推广奠定理论和rot fungi and study on composition and structure changes of cot-技术依据。ton stalks[J]. Conference on China Technological Development of4新疆棉秆生产燃料乙 醇的存在问题和对策Renewable Energy Source, 2010, (2):351-353.4.1棉秆乙醇的生产 尚未受到高度重视,棉秆乙醇[5]Jian S, Ratna R S, Mari C, et al. Effect of microbial pretreat-的生产缺乏资金和政策的支持ment on enzymatic hydrolysis and fermentation of cotton stalks forethanol production [J]. Biomass and bioenergy, 2009, 33 (4):目前，在新疆尚未有棉秆乙醇生产的专业化企88- -96.业,其经济转化能力较差,政策上虽支持秸秆类原料[6] Haykir. A comparative study on lignocellulose pretreatments生产燃料乙醇，但相较传统的棉秆直接还田的模式for bioethanol production from cotton stalk [J]. New Biotechnolo-来看,棉秆乙醇的生产并未受到高度重视。gy, 2009, 25(1): 253-254. .4.2棉秆预处理技术的研究较多 ,但尚未有成熟的[7]邓辉，李春，李飞，等.棉花秸秆糖化碱预处理条件优化预处理技术用于棉秆乙醇的规模化生产中[0].农业工程学报, 2009, 25(1): 208-212.棉秆有其自身独特的木质纤维素组成特性,进.[8]张琴，李艳宾,岳耀峰,等.棉秆的微生物降解及糖化工行预处理时应注重预处理技术的复合性而尽量避免艺研究[J].1中国煤化工142-145.单一性。[9]李艳宾,:MYHCNMH G对棉秆的降解及糖4.3尚未开发 出高效的棉秆水解酶制剂,棉秆中纤化工艺研究J酿酒科技，2009, (2): 121-123.维的糖转化率较低研发中应以提高棉秆纤维的糖转化率为首要目●53●