我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望

1、我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望 第45卷第4期 生搖 物搖 質(zhì)搖 化搖 學搖 工搖 程 vol.45 no.4 2011年7月 biomass chemical engineering july2011 ?綜述評論生物質(zhì)能源? 我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望 * 張 寧,蔣劍春 ,李翔宇,趙 劍 中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學利用國家工程實驗室;國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學工程重點開放性實驗室;江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室, 江蘇 南京 210042 摘搖 要:發(fā)展非糧燃料乙醇是我國應(yīng)對環(huán)境、能源及糧食危機的重要途徑。 本文從政策、供給和技術(shù)幾個方面分析了我 國目

2、前非糧 甜高粱、薯類和纖維素等 燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的技術(shù)特點及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀,對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和前景進行了展望,并 對非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展提出了建議。 關(guān)鍵詞:燃料乙醇;甜高粱;薯類;纖維素 中圖分類號:tq214搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 文獻標識碼:a搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 文章編號:1673-5854 2011 04-0047-04 the state of the art of fuel ethanol production from non鄄grain crops in china zhang ning,jiangjian鄄chun,li xiang鄄yu,zhaojian in

3、stituteof chemical industry of forest products,caf;national engineering lab.for biomass chemical utilization;key and open lab.on forest chemical engineering,sfa;key lab.of biomassenergy and material,jiangsu province,nanjing210042,china abstract:development of fuel ethanol productionfromnon鄄graincrop

4、shasmany advantagestodealwithenvironmentprotection, energy supply andfood crisis in china. the state of the art of fuel ethanol production from non鄄grain crops sweet sorghum, cassava and cellulose in china,hasbeenreviewed,from different view points,i.e. relative supportingpolicies,market chains and

5、advanced production technologies. the prospects for future development and direction were designed,and suggestions on sustainable development of fuel ethanol industry by non鄄grain cropswere proposed. key words:fuel ethanol;sweet sorghum;cassava;cellulose 燃料乙醇的研究始于20世紀初,經(jīng)過一段曲折的發(fā)展,現(xiàn)在已作為能源在很多國家得到應(yīng)用,如巴

6、西、美國、瑞典和中國等。 在能源危機日益嚴重的今天,燃料乙醇的研究成為世界重大熱門研究課題之 一,許多國家都制定了相應(yīng)的開發(fā)研究計劃。 目前以糖類或糧食為原料生產(chǎn)燃料乙醇的工藝已經(jīng)成熟, 但在中國這樣的人口大國,人均耕地面積少,發(fā)展糧食-燃料乙醇產(chǎn)業(yè)是行不通的。 2007 年8月8 日,中 國政府公布可再生能源中期發(fā)展規(guī)劃,提出發(fā)展以非糧生物質(zhì)為原料的燃料。 國家通過政策導(dǎo)向和 資金支持積極推動我國薯類、甜高粱和纖維素等非糧作物燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,得到了企業(yè)界的積 極響應(yīng),非糧作物生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化亦取得了一定的進展,本文對我國目前非糧燃料乙 醇的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進行評述。

7、1搖 燃料乙醇簡介 乙醇,分子式c h oh,相對分子質(zhì)量46.07。 乙醇可用于化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等,作為動力燃料使用時 2 5 稱為燃料乙醇。 燃料乙醇產(chǎn)業(yè)是當前可行性最高的液體燃料替代方案,在普通汽油中添加10 %的燃料 搖 搖 收稿日期:2011-05-12 搖 搖 基金項目:國家林業(yè)局公益性行業(yè)專項 201004001 搖 搖 作者簡介:張 寧 1978- ,女,吉林白城人,博士,主要從事工業(yè)微生物及生物質(zhì)能源技術(shù)研究 搖 *通訊作者:蔣劍春 1955- ,男,江蘇溧陽人,研究員,博士,博士生導(dǎo)師,從事林產(chǎn)化學加工和生物質(zhì)能源開發(fā)技術(shù)研究;e鄄mail: bioenergy163。 搖

8、搖搖 48 生搖 物搖 質(zhì)搖 化搖 學搖 工搖 程 第45卷 乙醇,所形成的乙醇汽油具有能量利用效率高、尾氣排放污染少等優(yōu)點。 截止當前,在中國10個省區(qū)正 在施行這種方式,年消耗乙醇汽油1700萬t,占中國汽油消耗總量的近3成。 2搖 我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 2.1搖 甜高梁制取燃料乙醇 1 甜高粱 sorghum bicolor l. moench 是禾本科高粱屬一年生草本植物 ,是高粱的一個變種。 甜高粱 具有抗旱、耐澇、耐鹽堿的特點,對肥料和土壤的要求不高,在各種類型的土壤中均可栽培。 我國有70余 2 個甜高粱品種 ,從海南島至黑龍江都可以種植甜高粱,每公頃甜高粱一般能產(chǎn)225

9、06000kg糧食和60 75t富含糖分的莖稈,可用于制取燃料乙醇。 甜高粱較玉米的生物質(zhì)產(chǎn)量高,其籽種是糧食,莖稈制取乙 醇后的殘渣是優(yōu)質(zhì)飼料,所以將一部分種植玉米的耕地轉(zhuǎn)種甜高粱不會影響我國的糧食安全。 甜高粱為原料生產(chǎn)燃料乙醇項目較早就受到了中國有關(guān)能源企業(yè)的關(guān)注。 是“七五冶到“十五冶期 間國家重點科技攻關(guān)課題。 2008年國家農(nóng)業(yè)部又啟動了“國家高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系冶建設(shè)項目,組成強大 的高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系框架。 國家高粱改良中心及各相關(guān)省、市科研單位、大學投入大量的科研力量,開 3 4 5 展了卓有成效的工作,先后開發(fā)出遼甜 、原甜 、吉甜、龍飼雜、遼飼雜 、沈農(nóng)甜雜、醇甜等多個系列 的

10、甜高粱優(yōu)良品種。 這些品種在生產(chǎn)上表現(xiàn)出高產(chǎn)、早熟、抗逆性強、抗倒伏、含糖量高、莖稈產(chǎn)量高、汁 液優(yōu)良的雜交優(yōu)勢,有的已在生產(chǎn)上應(yīng)用。 其中甜高粱新品種吉甜3號已通過全國草品種審定委員會 2 2 的審定,成熟期籽粒產(chǎn)量可達4500kg/ hm ,總生物產(chǎn)量可達84t/ hm 。 適宜吉林省大部、黑龍江省第 6 一積溫帶、內(nèi)蒙古通遼地區(qū)種植 。 目前,我國已經(jīng)建立了優(yōu)良能源作物甜高粱示范育種基地;甜高粱 2 種植示范面積達6500hm 以上,建成年產(chǎn)2萬t燃料乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)能力,達到工業(yè)化建設(shè)階段。 目前我國應(yīng)用甜高粱生產(chǎn)燃料乙醇正處于從試驗到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的過渡時期。 制約甜高粱乙醇產(chǎn)業(yè) 化的主

11、要因素有原料供應(yīng)、生產(chǎn)技術(shù)和副產(chǎn)品的綜合利用等。 在原料供應(yīng)方面,要重點選育產(chǎn)量高、莖 稈含糖量高、抗倒伏及抗逆性 耐旱、耐鹽堿、耐濕澇等 強的優(yōu)良品種,重視雜交品種的引種、試種及推 廣工作;生產(chǎn)技術(shù)方面,要進一步開發(fā)經(jīng)濟、節(jié)能和環(huán)保的工藝及裝備,提高原料利用率及乙醇轉(zhuǎn)化效 率;副產(chǎn)品綜合利用研究方面,要以充分利用其中的優(yōu)質(zhì)纖維素為目標,推廣混合發(fā)酵制蛋白飼料技術(shù)、 7 8 壓制建筑板材和環(huán)保紙漿生產(chǎn)技術(shù),此外還要深入研究甜高粱莖稈渣水解制乙醇 及裂解制生物油 的技術(shù)。 2.2搖 木薯制取燃料乙醇 木薯 manihot escu lenta crantz 屬大戟科木薯屬植物,是灌木狀多年生木質(zhì)

12、作物。 木薯原產(chǎn)于美 洲熱帶,于19世紀20年代引入我國,現(xiàn)廣泛分布于華南地區(qū),以廣西、廣東和海南栽培最多,福建、云 9 南、江西、四川和貴州等省的南部地區(qū)亦有種植 。 中國是最早大規(guī)模用木薯為原料生產(chǎn)乙醇的國家。 2007 年12 月,采用天津大學石化中心木薯燃 料乙醇成套生產(chǎn)技術(shù) 簡稱tus技術(shù) ,設(shè)計建設(shè)的廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司“年產(chǎn)20萬噸木薯燃 料乙醇示范生產(chǎn)裝置冶一次投料試車成功,薯類淀粉利用率超過90 %,燃料乙醇收率大于99.5%,居于 10 11 世界領(lǐng)先水平 。 在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,張超等 采用低溫蒸煮液化,濃醪發(fā)酵技術(shù)進一步優(yōu)化木薯 乙醇生產(chǎn)工藝,降低能耗及成本。 目

13、前,我國用木薯制燃料乙醇技術(shù)發(fā)展相對完善,已處于規(guī)模化生產(chǎn)階段。 但隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴 大,原料供應(yīng)和企業(yè)污染問題日益突出。 在原料供應(yīng)方面,要注重推廣標準化種植技術(shù),實施間作種植、 低產(chǎn)作物輪作種植技術(shù)以提高土地利用率,增加作物的種類和產(chǎn)量,還可以利用荒山荒地、改造低產(chǎn)果 園等方式擴大木薯種植面積;此外從東盟國家進口木薯干片也是解決目前我國木薯原料緊張的有效途 徑。 對于木薯乙醇企業(yè)的污染問題,應(yīng)推廣清潔生產(chǎn)技術(shù),如閃蒸降溫節(jié)能、高效雜醇油萃取、co 高效 2 回收技術(shù)等,減輕環(huán)境污染。 2.3搖 橡子制取燃料乙醇 12 橡子 quercus acutissima carr 是殼斗科麻櫟屬和常

14、綠櫧栲類野生植物橡樹的果實 。 全世界有8 第4期 張 寧,等:我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望 搖搖搖 49 13 7 7 2 屬900余種,我國占6屬301種 。 我國約有橡子林1.33伊10 1.67伊10 hm ,每年可產(chǎn)60 70億千 14 克橡子 。 橡子仁除富含淀粉,還含有單寧、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素等。 隨著產(chǎn)地、氣候、品種的不同,橡 15 子的化學成分有很大的差異,脫澀后可食用 。 橡子作為我國目前有大量生產(chǎn)潛力而未大規(guī)模利用的林產(chǎn)淀粉原料,其研究報道較少,生產(chǎn)開發(fā)尚 處于起步階段,迫切需要對橡子結(jié)構(gòu)、形態(tài)、成分、果實保鮮、提取及開發(fā)利用進行深入而系統(tǒng)的研究,從 而為大規(guī)

15、模開發(fā)生物質(zhì)燃料項目提供基礎(chǔ)原料以及理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。 陜西綠迪橡樹林業(yè)發(fā)展有限公司 2 從2002年開始投資橡樹林業(yè),于2004年正式啟動橡樹產(chǎn)業(yè)化項目,建成橡樹示范林基地8600hm ,并 研發(fā)出低溫制燃料乙醇技術(shù)。 但總的來說,目前以野生橡實為原料制備燃料乙醇的研究較少,國外也未 見報道。 不過以玉米、木薯淀粉為原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)已經(jīng)成熟16-17 ,為實現(xiàn)橡子能源化提供了 成熟的技術(shù)基礎(chǔ)。 中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所在國家林業(yè)局948創(chuàng)新重點項目和林業(yè)公 益性行業(yè)專項的資助下對橡子淀粉的性質(zhì)及制備燃料乙醇工藝進行了研究,目前已處于中試階段。 雖然我國對橡子資源的開發(fā)利用比較

16、重視,但從目前情況來看仍存在許多問題18-19。 在加工技術(shù) 方面,橡子淀粉加工仍采用傳統(tǒng)工藝技術(shù),費時、費水、廢水產(chǎn)量大,既易加重環(huán)境污染和增加廢水處理 費用,又不利于單寧的回收利用;此外對殼斗、皮殼基本上未加利用。 因此經(jīng)濟有效地脫除橡實中所含 的單寧,研究橡子皮殼的降解及生物轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)橡子能源化的重要研究課題。 2.4搖 纖維素制取燃料乙醇 以糖質(zhì)和淀粉質(zhì)為原料生產(chǎn)乙醇的技術(shù)已經(jīng)成熟,在國內(nèi)外都得到了迅速發(fā)展,但以儲量豐富的農(nóng) 林廢棄物為代表的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇,正處于技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化示范階段20-21。 通常所說的以木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇包括纖維素的預(yù)處理、酶水解和發(fā)酵3個

17、過程。 近年來在 優(yōu)化預(yù)處理工藝,降低纖維素酶成本,己糖戊糖協(xié)同發(fā)酵等方面的研究都取得了長足的進步。 發(fā)酵法生 產(chǎn)乙醇的方式有直接發(fā)酵法、間接發(fā)酵法、混合菌發(fā)酵法、分步糖化發(fā)酵法 shf 、同步糖化發(fā)酵法 ssf 、非等溫同步糖化發(fā)酵法 nssf 和固定化細胞發(fā)酵法等。 其中ssf法是美國現(xiàn)在玉米生物乙醇 22 行業(yè)所主要采用的方法 ,也是最具發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢的方法之一。 我國的纖維素制燃料乙醇技術(shù)在生 物質(zhì)的預(yù)處理工藝、超高酶活性纖維素酶方面以及基因重組酵母和其他基因工程細菌的構(gòu)建等方面已 取得了重要進展23-24。 迄今為止,已經(jīng)建成和正在建設(shè)多套纖維素原料制燃料乙醇中試生產(chǎn)線。 河南 天冠

18、集團已建成3000t纖維素制乙醇裝置,華東理工大學建成年產(chǎn)600t纖維素制乙醇的示范生產(chǎn)線, 豐原集團采用固體發(fā)酵纖維素酶技術(shù)建成的300t規(guī)模的中試裝置,中糧集團在黑龍江肇東建成了以玉 米秸稈為原料年產(chǎn)500t纖維素制乙醇的中試裝置。 據(jù)估算,中國每年產(chǎn)生大約6億噸農(nóng)業(yè)廢棄物 主 要是秸稈 ,除了用于飼料和還田之外,還應(yīng)該有2億噸可以用來生產(chǎn)5500萬噸燃料乙醇,這幾乎等于 目前中國的汽油總消耗量。 到2020年,我國的纖維素制燃料乙醇將可以替代3100 萬噸汽油,每年為 中國帶來320億元人民幣的收入。 纖維素制燃料乙醇工藝路線雖然已經(jīng)打通,但在原料收集、預(yù)處理、糖化、發(fā)酵和精餾各個過程中

19、還 存在著制約其實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的工藝和設(shè)備問題,主要表現(xiàn)為以下5個方面:1 木質(zhì)纖維素原料 分散,季節(jié)性強;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;3 缺乏高效的產(chǎn)纖維素酶菌株,現(xiàn) 有的纖維素酶制劑效率較低,使得酶解糖化經(jīng)濟成本較高;4 缺乏能夠同時高效代謝戊糖和己糖的發(fā) 酵菌株,戊糖的利用是影響纖維素燃料乙醇綜合成本的關(guān)鍵因素;5 纖維素燃料乙醇發(fā)酵濃度較低,污 水處理成本高,難度大。 對此應(yīng)積極加強纖維素制燃料乙醇技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程,加強纖維素制燃 料乙醇混合發(fā)酵菌株的構(gòu)建和發(fā)酵控制研究;重視纖維素整合生物加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究,突破木質(zhì)纖維 素原料的預(yù)處理和酶解工藝瓶頸。 3搖

20、 我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢和前景展望 根據(jù)中國工程院對我國生物資源和發(fā)展?jié)摿Φ脑u估研究認為,從目前到2015年,木薯、甘薯和甜高 粱是我國主要的能源作物,甘蔗和甜菜是制糖和生產(chǎn)乙醇兩用的作物。 2016 2025 年期間,將是乙醇 搖搖搖 50 生搖 物搖 質(zhì)搖 化搖 學搖 工搖 程 第45卷 原料作物、柴油油料作物和木質(zhì)纖維素作物并舉階段,甜高粱、纖維高梁、木薯、菊芋、甜菜、灌木和多年 生草本類纖維作物以及麻瘋樹、黃連木和文冠果等油料作物的共同發(fā)展階段。 至2026 年,以糖和淀粉 為主的能源作物的種植面積逐漸減少,木質(zhì)纖維作物將成為越來越主要的能源作物,其中灌木類包括檉 25 柳、紫穗

21、槐和檸條等,草本類包括纖維高梁、菊芋、柳枝稷和芒草等 。 在利用纖維素制備燃料乙醇的 技術(shù)開發(fā)方面還要加強對以下技術(shù)的研究:以基因工程手段選育高酶活的纖維素酶、木質(zhì)素酶菌種;深 入研究固體發(fā)酵技術(shù),解決目前存在的污染率高和成本高的問題;進一步研究纖維素原料的預(yù)處理技 術(shù),有效地降低生產(chǎn)成本。 隨著燃料乙醇的研究領(lǐng)域和應(yīng)用范圍不斷擴展,燃料乙醇在可再生燃料市場中將占據(jù)主要地位,發(fā) 展前景廣闊。 發(fā)展非糧燃料乙醇既可解決我國的石油資源短缺和環(huán)境污染等問題,有利于保證國家能 源安全和社會的可持續(xù)發(fā)展,還適合我國人多地少的國情,對我國能源、農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)等工業(yè)的發(fā)展也 具有重大意義。 而且有助于增加農(nóng)民

22、收入、改善農(nóng)村環(huán)境以及拉長農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。 參考文獻: 1梅曉巖,劉榮厚.中國甜高粱莖稈制取乙醇的研究進展j.中國農(nóng)學通報,2010,26 5 :341-345. 2王峰.甜高粱制取燃料乙醇產(chǎn)業(yè)初步分析j.釀酒,2009,36 3 :64-67. 3劉雅榮,趙玉杰,賀強.遼甜1號高粱雜交制種技術(shù)j.雜糧作物,2010,31 3 :223-224. 4李桂英,蘇益民,張保明.優(yōu)質(zhì)飼用甜高粱新品種原甜1號的選育及栽培技術(shù)j.作物雜志,2005 5 :60. 5王德生.糧食兼用高粱雜交種遼飼雜4號j.養(yǎng)殖技術(shù)顧問,2009 8 :43. 6王鼐,劉紅欣,石貴山,等.甜高粱吉甜3號的選育報告j.雜糧作物,

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