生物乙醇綜述.doc

生物乙醇（Bioethanol） 摘要：生物乙醇是指通過(guò)微生物的發(fā)酵將各種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料酒精。在能源安全問(wèn)題日益突出、傳統(tǒng)化石能源的消耗造成嚴(yán)重環(huán)境危害的形勢(shì)下，生物燃料乙醇已經(jīng)成為世界各國(guó)重點(diǎn)研究和推廣的能源課題之一，在我國(guó)以乙醇代替汽油或部分代替汽油驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)車(chē)輛，農(nóng)用機(jī)械也勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)燃料乙醇進(jìn)行了100多年的生產(chǎn)、應(yīng)用和推廣工作，但至今依然存在著許多關(guān)鍵的制約因素。研究表明，嚴(yán)重制約著生物質(zhì)燃料乙醇規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題有兩個(gè)：一是原料的預(yù)處理造成嚴(yán)重的環(huán)境污染或處理成本偏高；二是發(fā)酵階段中糖的利用率低造成燃料乙醇產(chǎn)率偏低。本篇文章主要是對(duì)國(guó)內(nèi)外各類(lèi)燃料乙醇加工制取工藝進(jìn)行大致介紹，并分析當(dāng)今世界生物燃料乙醇生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：生物質(zhì)，燃料乙醇，發(fā)酵，工藝，能源。 ABSTRACT:Ethanol is through the microbial fermentation will all kinds of biomass into fuel alcohol. Energy Safty Problem is becoming more and more outstanding day after day, all or part the gasoline is replaced by fuel-ethanol will be imperative under the situation for driving motor vehicles and farming machines in China. Production,application and extension along with many others of fuel ethanol have been made over 100 years.However,there are many key obstacle factors especially two sides in it today.One is serious environmental pollution and high cost caused by pretreatment of materials,the other is the lower conversional rate of fuel ethanol during sugar fermentation. This article is mainly to the fuel ethanol processing all kinds of domestic and foreign production technology introduced roughly, and analysis of the current world biofuel ethanol production development trend.Keywords: biomass,fuel ethanol,fermentation,technics,energy.引言：生物乙醇以其可再生，燃燒不增加大氣中二氧化碳量的關(guān)系，作為燃料的前途被社會(huì)所期待。生產(chǎn)燃料乙醇的生物質(zhì)原料資源可以分為三類(lèi)：糖類(lèi)、淀粉類(lèi)、纖維素類(lèi)。但是生物乙醇的制取至今依然存在著許多關(guān)鍵的制約因素。生物乙醇主要應(yīng)用在兩個(gè)方面，分別為作為車(chē)用燃料和燃料電池燃料。世界經(jīng)合組織于2004年9月6日公布的最新研究報(bào)告建議：各國(guó)政府應(yīng)大力支持和鼓勵(lì)生物質(zhì)能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，減小它與傳統(tǒng)原油及天然氣產(chǎn)品的價(jià)格差距，以最終達(dá)到替代的結(jié)果。 生物乙醇是以富含淀粉，糖分的生物質(zhì)為原料通過(guò)發(fā)酵和蒸餾提純制得的乙醇，屬于可再生資源。目前生物乙醇主要來(lái)自于谷物糧食發(fā)酵，該工藝生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但生產(chǎn)成本較高，且受到糧食安全等社會(huì)因素的制約。生物乙醇最廉價(jià)的智取途徑是廢棄的農(nóng)作物秸稈發(fā)酵。生物乙醇可以單獨(dú)或與汽油混配制成乙醇汽油作為汽車(chē)燃料。 1. 燃料乙醇的制取工藝 生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇的主要過(guò)程是：先將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成糖，再將糖發(fā)酵得到乙醇。不同的生物質(zhì)原料，糖化步驟不同?！?】生產(chǎn)燃料乙醇的生物質(zhì)原料資源可以分為三類(lèi)：糖類(lèi)，包括甘蔗、甜高粱、甜菜等；淀粉類(lèi)，包括玉米、小麥、甘薯、木薯等；纖維素類(lèi)，包括秸稈、麻類(lèi)、農(nóng)作物殼皮、樹(shù)枝、落葉、林業(yè)邊角余料等。 1.1糖類(lèi)生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇的工藝目前工業(yè)上利用糖類(lèi)原料生產(chǎn)乙醇的菌種多為釀酒酵母，釀酒酵母進(jìn)入糖液的發(fā)酵體系后，體系中的糖分（主要是單糖和多糖）通過(guò)酵母的營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸機(jī)制進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在糖乙醇轉(zhuǎn)化酶系統(tǒng)的作用下，最終生成乙醇、CO2和熱量。【2】 在糖類(lèi)生物質(zhì)原料中，利用甜高粱汁液生產(chǎn)燃料電池具有更為廣闊的前景。甜高粱收獲時(shí)，每公頃除可收獲高粱籽6t外，還可收獲秸稈75300t，且耐鹽堿、抗倒伏?！?】大致步驟為：獲取汁液，再進(jìn)入酒精發(fā)酵過(guò)程，適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值，之后再進(jìn)行酒精蒸餾。發(fā)酵后的殘?jiān)梢跃C合利用，其BOD含量更高。1.2淀粉類(lèi)生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇的工藝淀粉類(lèi)生物質(zhì)發(fā)酵法制取乙醇要求原料富含碳水化合物，含蛋白質(zhì)適量，少含或不含影響發(fā)酵的組分。其原理為：在熱水里淀粉顆粒會(huì)膨脹，有一部分淀粉溶解在水里，另一部分懸浮在水里，形成膠狀淀粉糊。進(jìn)而在糖化酶作用下水解為被酵母利用的糖。酵母菌利用這些糖進(jìn)行發(fā)酵，在各種酶的催化下轉(zhuǎn)化為乙醇?！?】1.3纖維素類(lèi)生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇的工藝其主要步驟為：纖維素預(yù)處理、纖維素酶解、酵母發(fā)酵及乙醇分離。由于纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)換不能僅僅只使用釀酒酵母菌株，科學(xué)家利用重組酵母進(jìn)行發(fā)酵，并采用同步糖化發(fā)酵工藝【5】，大大提高了乙醇產(chǎn)量。發(fā)酵中，我們根據(jù)纖維素與半纖維素的性質(zhì)采用不同的發(fā)酵方法相結(jié)合，如中科院生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳洪章【6】等提出的秸稈分層多級(jí)轉(zhuǎn)化液體燃料構(gòu)思，將產(chǎn)量提高了60%。 2. 生物燃料乙醇未解決的問(wèn)題生物乙醇作為一個(gè)極具發(fā)展前景的燃料，解決了能源危機(jī)問(wèn)題，但是，密歇根州立大學(xué)研究人員的研究結(jié)果表明，生物乙醇的能源利用率較低。【7】此外，盡管生物乙醇燃料能夠減少溫室氣體的排放量，但是，研究者稱(chēng)，過(guò)去大部分研究中，在計(jì)算溫室氣體凈效果的影響時(shí)，錯(cuò)誤地忽略或是系統(tǒng)地低估了土地利用變化對(duì)環(huán)境的影響，而這將會(huì)間接地釋放巨大的碳儲(chǔ)存?！?】而在我們國(guó)家，還存在著原料不足，成本較高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，資源評(píng)價(jià)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢測(cè)和認(rèn)證等體系不完善，以及市場(chǎng)環(huán)境和保障機(jī)制不夠完善等問(wèn)題。【9】 3. 生物乙醇的應(yīng)用生物乙醇主要應(yīng)用在兩個(gè)方面，分別為作為車(chē)用燃料和燃料電池燃料。這里主要介紹乙醇汽油。汽油摻乙醇后，會(huì)有如下的性能的變化。第一，乙醇可提高汽油的辛烷值；第二，燃料乙醇的加入，可提高汽油含氧量，改善燃燒，減少一氧化碳等不完全燃燒污染物排放；第三，可有效地防止積碳的形成，減少故障。【10】同體積的生物乙醇汽油和汽油相比，燃燒熱值低30左右，但因?yàn)橹粨饺?0，熱值減少不顯著，而且不需要改造發(fā)動(dòng)機(jī)就可以使用?！?1】美國(guó)新配方汽油可以有效降低汽車(chē)尾氣排放使用乙醇體積分?jǐn)?shù)為6的加州新配方汽油與常規(guī)汽油相比，碳?xì)浠衔锱欧沤档?0屹7。C0排放減少210o,-128氮氧化合物排放減少7no,-160o，有毒氣體排放降低90曠32。使用乙醇體積分?jǐn)?shù)為85、汽油體積分?jǐn)?shù)為15的混合燃料(E15)，而不改變其他條件，與常規(guī)汽油相比，碳?xì)浠衔锱欧沤档?，氮氧化合物排放減少400,4，CO增加約7。我國(guó)研究結(jié)果表明，燃用E15和E25(乙醇體積分?jǐn)?shù)為25、汽油體積分?jǐn)?shù)為75的混合燃料)時(shí)碳?xì)浠衔锖勘热加闷头謩e下降162和300,4CO排放分別減少300,6和47。【12】全球現(xiàn)在使用生物乙醇做成ETBE（乙基叔丁基醚-一種性能優(yōu)良的高辛烷值汽油調(diào)和組分）替代MTBE（甲基叔丁基醚），通常以515%的混合量在不需要修改/替換現(xiàn)有汽車(chē)引擎的狀況下加入；有些時(shí)候ETBE也以替代鉛的方式加入汽油中，以提高辛烷值而得到較潔凈的汽油；也可以完全替代汽油使用為輸送燃料。目前世界上使用乙醇汽油的國(guó)家主要是美國(guó)、巴西等國(guó)。在美國(guó)使用的是E85乙醇汽油，即85%的乙醇和15%的汽油混合作為燃料，而美國(guó)是用甘蔗和玉米來(lái)生產(chǎn)乙醇的，這種E85汽油的價(jià)格與性能與常規(guī)汽油相似。 4.生物燃料乙醇的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景近兩年來(lái)，各大能源消費(fèi)國(guó)競(jìng)先尋求替代石油的新能源。美國(guó)和歐洲不約而同地都選擇生物燃料乙醇作為主要的替代運(yùn)輸燃料，并制訂了雄心勃勃的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。2007年1月，美國(guó)總統(tǒng)布什在國(guó)情咨文中宣稱(chēng)，美國(guó)計(jì)劃在今后10年中將其國(guó)內(nèi)的汽油消費(fèi)量減少20%，其中15%通過(guò)使用替代燃料實(shí)現(xiàn)，計(jì)劃到2017年燃料乙醇的年使用量達(dá)到1325億升，是目前年使用量的7倍。2007年3月，歐盟27國(guó)出臺(tái)了新的共同能源政策，計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)生物燃料乙醇使用量占車(chē)用燃料的10%。中國(guó)開(kāi)發(fā)生物燃料乙醇的熱潮也在近兩年驟然升溫。2005年，中國(guó)生產(chǎn)燃料乙醇125萬(wàn)噸，2006年增長(zhǎng)到133萬(wàn)噸。中國(guó)燃料乙醇的消費(fèi)量已占汽油消費(fèi)量的20%左右。目前，我國(guó)生物燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，部分地區(qū)出現(xiàn)車(chē)用乙醇汽油替代普通無(wú)鉛汽油，成為繼巴西、美國(guó)之后第三大生物燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。【13】 國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議審議并原則通過(guò)可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)將停止在建糧食乙醇燃料項(xiàng)目，在不得占用耕地，不得消耗糧食，不得破壞生態(tài)環(huán)境的原則下，堅(jiān)持發(fā)展非糧燃料乙醇?？梢哉f(shuō)，這一決定的主旨是讓燃料乙醇項(xiàng)目緊急“剎車(chē)”。此舉意味著，各地一哄而上的糧食燃料乙醇項(xiàng)目將受阻。市場(chǎng)化是趨勢(shì)國(guó)家對(duì)于企業(yè)還采取了利潤(rùn)補(bǔ)貼、稅收支持等多種方式，來(lái)支持燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前我國(guó)燃料乙醇行業(yè)，還處在“以產(chǎn)定銷(xiāo)、計(jì)劃供應(yīng)”階段，離市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)和運(yùn)作尚存在較大的距離。而且，相關(guān)企業(yè)缺乏相應(yīng)的市場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)和思想準(zhǔn)備。未來(lái)幾年國(guó)家對(duì)于燃料乙醇的支持方式將進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從成本加利潤(rùn)，到定額補(bǔ)貼，再到2008年底取消補(bǔ)貼，意味著國(guó)家將逐步放開(kāi)，實(shí)現(xiàn)燃料乙醇完全市場(chǎng)化?！?4】進(jìn)入門(mén)檻將提高.針對(duì)部分地區(qū)產(chǎn)業(yè)過(guò)熱傾向，國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部將聯(lián)手加強(qiáng)生物燃料乙醇項(xiàng)目建設(shè)管理，除試點(diǎn)工程外，任何地區(qū)的燃料乙醇項(xiàng)目核準(zhǔn)和建設(shè)一律要報(bào)國(guó)家審定。同時(shí)，政策技術(shù)門(mén)檻也將提高。比如，從水耗來(lái)說(shuō)，將來(lái)噸料乙醇水耗要控制在噸以下，目前這個(gè)數(shù)字至少是10噸；產(chǎn)噸乙醇煤耗要降低到500公斤以下，與國(guó)際同步；COD（化學(xué)耗氧化物）排放也有較高標(biāo)準(zhǔn)。 結(jié)語(yǔ)：由于燃料乙醇的應(yīng)用可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效應(yīng)，所以世界各國(guó)對(duì)它已有了不同程度的研究和應(yīng)用。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)與工程技術(shù)的不斷發(fā)展，高產(chǎn)菌株的獲取將變得相對(duì)容易，發(fā)酵工藝及精一餾技術(shù)也得到不斷改進(jìn)，這些都為燃料乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)提供了技術(shù)保證。發(fā)展燃料乙醇可解決我國(guó)的石油資源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題，有利于保證國(guó)家能源安全和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著燃料乙醇的研究領(lǐng)域和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，燃料乙醇在可再生燃料市場(chǎng)中將占據(jù)主要地位，發(fā)展前景廣闊。 參考文獻(xiàn)：【1】柴梅，顏涌捷生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)的研究J.上海節(jié)能,2006,(6):71-74【2】王凡強(qiáng)，許平產(chǎn)乙醇工程菌研究進(jìn)展J.微生物學(xué).2006,46(4):673-675【3】黎大爵甜高粱可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究J中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,3(58):1021-1024【4】劉榮厚，梅曉巖，顏涌捷燃料乙醇制取工藝與實(shí)例M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007【5】kadar Zs,Szengyel,Reczey KSSF of industrial wastes for the production of ethanolJ.Industrial Crops and Products，2004,20（1）：103-110【6】陳洪章，徐建，姚建中，等秸稈分層多級(jí)液體燃料新工藝的研究進(jìn)展J.生物加工過(guò)程2005,3(1):9-13【7】Study finds using food grain to make ethanol is energy-inefficientJ.Environmental 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