生物乙醇產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、生物乙醇產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)生物乙醇的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)1產(chǎn)品研發(fā)背景化石資源的短缺使得生物基化學(xué)品成為各國競相研發(fā)的熱點(diǎn)，而能源、環(huán)保和 資源的壓力更使生物柴油、生物乙醇、生物制氫等成為我國生物基化學(xué)品發(fā) 展的重 中之中。鑒于世界石油需求增長和油價(jià)暴漲，各國不得不加速發(fā)展替代能源，其中 生物乙醇需求和發(fā)展尤為顯著。但生產(chǎn)生物乙醇的原料，目前主要是糧食和糖料， 存在成本高、與民爭糧（爭地）等問題。將來生產(chǎn)生物乙醇的根本出路，在于用農(nóng) 作物秸稈、木屑等纖維素為原料的方法。目前世界車用汽油需求內(nèi)，乙醇的混合比率平均2.6%。去年11月國際能源機(jī)構(gòu) 發(fā)表預(yù)測，至2030年世界運(yùn)輸燃料年平均增長9%。歐洲消費(fèi)量

2、預(yù)計(jì)到2010年將超 過巴西，到2030年將超過美國。2005年世界乙醇產(chǎn)量1710萬噸（換算 成石油 計(jì)）。乙醇原料美國主要用玉米，巴西用甘蔗。歐洲主要用植物油生產(chǎn)生物柴油。 2005年歐洲生物柴油產(chǎn)量290萬噸（換算成石油計(jì)）。2005年世界生物 燃料產(chǎn)量 2000萬噸（換算成石油計(jì)），基準(zhǔn)情況下2030年達(dá)到9200萬噸，年 平均增長 7%;替代能源對策情況下年平均增長9%, 2030年世界產(chǎn)量14700萬 噸。運(yùn)輸用燃 料內(nèi)，生物燃料所占比率由現(xiàn)在的1%提高至2030年的7%。1.1 技術(shù)發(fā)展生產(chǎn)乙醇的大問題在于原料甘蔗、玉米等與人、畜爭奪食料、飼料。最近，玉 米、糖價(jià)格上漲。芝加哥市

3、場玉米期貨，去年1月每蒲式耳2.13美元，今年2月達(dá) 到4.11美元，上漲近1倍。由生物能源的纖維素、半纖維素生產(chǎn)乙醇的效 率比甘 蔗、玉米等高。單位能源投入的能源產(chǎn)出比，玉米為1 3、甘蔗為8.5、纖維素乙 醇16。纖維素乙醇比甘蔗高1倍。但是，其涉及技術(shù)與成本。巴西甘蔗乙醇成本為 每升22美分，比汽油便宜。玉米乙醇成本為每升30美分。由農(nóng)作物秸稈、木屑等 纖維素生產(chǎn)乙醇，必須破壞植物細(xì)胞壁，切斷纖維素鏈，釋放糖分，再轉(zhuǎn)化為醇。 發(fā)酵、蒸館、精制等過程，前后需要56種酵素。目前，這種有效酵素很貴。二十一世紀(jì)是生物的世紀(jì)，隨著人類對生物認(rèn)識的不斷提高，生物技術(shù)解決了 諸如農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的許多

4、問題，越來越多的人類問題也訴諸于生命科學(xué)，氫能 源也不例外。所以生物制氫受到越來越多人的關(guān)注，生物制氫具有原料來源廣泛， 不污染環(huán)境等突出的優(yōu)點(diǎn)。1.2 行業(yè)發(fā)展生物乙醇/纖維素乙醇正在迅速崛起。盡管生物柴油名聲大噪，但是綠色燃料技 術(shù)對世界的最大沖擊恐怕還是生物乙醇成為汽油的替代品。據(jù)美國能源部專家預(yù) 計(jì)，2007年美國乙醇汽油產(chǎn)能將達(dá)到2000萬t2200萬t,目前美國乙醇 汽油消費(fèi) 量占全美汽油消費(fèi)總量的30%。2007年布什表示，美國到2012年法定 的可再生和 替代性能源的總量目標(biāo)是要達(dá)到0.28億t （75億加侖），到2017年達(dá) 到1.3億t（350億加侖），而當(dāng)前的替代能源每年

5、產(chǎn)量是015億1 （40億加侖）。美國從 20世紀(jì)70年代開始利用其耕地多、玉米產(chǎn)量大的優(yōu)勢，發(fā)展燃料乙醇，以玉米為原 料生產(chǎn)燃料乙醇的生產(chǎn)工藝已經(jīng)基本成熟。目前，美國生物乙醇的產(chǎn)量約為1514 萬tab大部分是采用玉米為原料。美國將根據(jù)“生物燃料行動計(jì)劃”的安排，設(shè)立 基金支持以各種生物質(zhì)為原料的乙醇汽油生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)，尤其是將更多地關(guān)注除 玉米之外的其他生物質(zhì)原料，如碎木塊、秸稈和草本植物等，擴(kuò)大原料資源，降低 成本。根據(jù)美國生物技術(shù)工業(yè)組織的統(tǒng)計(jì)，美國每年利用農(nóng)作物副產(chǎn)品（如玉米秸 稈、甘蔗渣、麥秸和稻草等）可生產(chǎn)2 650萬f纖維素乙醇，通過采用纖維素生物 質(zhì)原料，降低乙醇成本。目前全

6、球乙醇的生產(chǎn)仍以發(fā)酵方法為主，發(fā)酵酒精占乙醇 生產(chǎn)總能力的85%以上。與石油化工路線相比，微生物發(fā)酵工藝生產(chǎn)的乙醇具有較強(qiáng)的競爭力，特 別是 以可再生的農(nóng)副產(chǎn)品為原料，不存在資源枯竭的問題，是緩解石油供應(yīng)緊張的辦法 之一。以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)生物乙醇是技術(shù)開發(fā)的焦點(diǎn)。木質(zhì)纖維素是地球上 最豐富的可再生資源，可以來源于農(nóng)業(yè)廢棄物（如麥草、玉米秸稈和玉米芯等）、 工業(yè)廢棄物（如制漿和造紙廠的纖維渣）、林業(yè)廢棄物和城市廢 棄物（如廢紙、包 裝紙等），由木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化成的燃料乙醇越來越引起世界各國的廣泛關(guān)注。 目前世界各國研究利用木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的科研機(jī)構(gòu)都圍繞著幾大關(guān)鍵技術(shù) 進(jìn)行攻關(guān)，現(xiàn)

7、有的生物技術(shù)是利用酶催化劑將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭砂l(fā)酵葡萄糖，但是目 前世界上還沒有一家工業(yè)規(guī)模利用纖維質(zhì)原料生產(chǎn)燃 料乙醇的企業(yè)，主要障礙為酶 解成本過高、缺乏經(jīng)濟(jì)可行的發(fā)酵技術(shù)。因此，技術(shù)路線的優(yōu)化組合問題、生產(chǎn)過 程中成本降低的問題以及乙醇廢糟的綜合利用等問題需要解決。據(jù)美國能源部門預(yù) 測，2015年由木質(zhì)纖維素制燃料乙醇有望在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上過關(guān)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 13技術(shù)特點(diǎn)13.1 技術(shù)創(chuàng)新性這是一株填補(bǔ)我國生物乙醇研究領(lǐng)域空白的高效產(chǎn)氫菌種，它的產(chǎn)生乙醇 的能 力在國際上處于前列，將大大加快我國從海藻中采用發(fā)酵法生產(chǎn)生物乙醇 產(chǎn)業(yè)化的 步伐。13.2 技術(shù)可行性利用等離子輻射、電子打孔和分子

8、生物學(xué)技術(shù)，誘變和選育高效產(chǎn)氫菌種，對其 進(jìn)行優(yōu)化及代謝功能和活性表達(dá)的研究。采用基因工程技術(shù)對優(yōu)勢產(chǎn)生物 乙醇菌種 進(jìn)行改造，提高其產(chǎn)生物乙醇的效率、擴(kuò)大其可利用底物范圍，保證高效產(chǎn)生物乙醇 的性能的穩(wěn)定遺傳，并通過實(shí)際運(yùn)行形成與所開發(fā)的高效產(chǎn)生物乙醇菌種相配套的 生物反應(yīng)器技術(shù)，在分子生物學(xué)水平上闡明生物產(chǎn)生物乙 醇系統(tǒng)中微生物種群結(jié)構(gòu) 及其功能、種群結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，建立相應(yīng)的調(diào)控方法。L3.3技術(shù)路線鑒定了一株野生型脈抱菌并研究了使用玉米芯為原料時(shí)的纖維素乙醇發(fā) 酵潛 力，對其形態(tài)特征和生理生化特性研究表明，該菌與脈抱菌屬菌株的特征一致；對其 18S.28S rDNA的ITS區(qū)段進(jìn)行序列分

9、析，通過構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹和分析系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系， 確定該菌為脈抱菌屬的間型脈抱菌。該脈抱菌能在以玉米芯粉和葡萄糖為碳源的液 體培養(yǎng)基中快速生長，從按人抱子到形成有乙醇發(fā)酵能 力的菌絲只需48 h的時(shí)間。 以10g.L 1的玉米芯配成培養(yǎng)基，分別進(jìn)行脈胞菌、釀酒酵母直接乙醇發(fā)酵和脈抱 苗與釀酒酵母共發(fā)酵試驗(yàn)。結(jié)果表明脈抱菌對玉米芯進(jìn)行直接乙醇發(fā)酵時(shí)，乙醇產(chǎn)量 為437gL（產(chǎn)醇底物還包括培養(yǎng)菌絲時(shí)未用完的部分碳源），用酵母菌進(jìn)行直 接乙醇發(fā)酵時(shí)，乙醇產(chǎn)量僅為0.18 g.L八而當(dāng)培養(yǎng)脈革包菌菌絲后接入釀酒酵母同時(shí)糖 化發(fā)酵時(shí)，得到的乙醇濃度提高到553g.D,因而，使用脈胞菌與釀酒酵母的同時(shí)糖化 發(fā)酵

10、更有利于玉米芯的纖維素乙醇發(fā)酵。2市場分析21需求分析美國能源部的數(shù)據(jù)表明，美國年產(chǎn)450萬噸生物乙醇，創(chuàng)造了 2 0多萬個就業(yè) 機(jī) 會，每年為國民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)約8 0億美元，大大超過國家為扶植產(chǎn)業(yè)發(fā)展所提供的8億 美元財(cái)政補(bǔ)貼，產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新的就業(yè)機(jī)會，帶動了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。生物乙醇是以生物質(zhì)為原料制造，可以單獨(dú)或與汽油混配作為汽車燃料。巴西 和美國是世界上最大的生物乙醇燃料生產(chǎn)和消費(fèi)國家，分別以甘蔗和玉米為主要原 料，每年各消費(fèi)約1200萬t和500萬仁近年來，我國政府為解決消化多余糧食，減 少石油進(jìn)口和保護(hù)環(huán)境三大問題，高度重視發(fā)展生物乙醇燃料發(fā)展生物乙醇產(chǎn)業(yè)和 推廣使用乙醇汽油在我國是

11、一項(xiàng)新的事業(yè)，是關(guān)系到我國中長期經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn) 略決策。根據(jù)以上的分析，并考慮我國的國情，我們提出以下產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策建議。 1、生物乙醇目前生產(chǎn)成本高，市場競爭力不敵汽油。美國政府目前每升生物乙醇 補(bǔ)貼約01 4美元。我國政府可參照美國的成功經(jīng)驗(yàn)，提供終端銷售補(bǔ)貼，使E10 汽油價(jià)格低于一般汽油，鼓勵消費(fèi)，擴(kuò)大市場。隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，補(bǔ)貼逐步減少，直 至取消。2、產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大威脅是糧食安全，而今后20多年中我國居民食物結(jié)構(gòu)升級會使 飼料糧需求大幅上升，如決策失誤，將嚴(yán)重危及我國糧食安全。因此，政府對以糧 食為原料的生物乙醇產(chǎn)業(yè)應(yīng)確保穩(wěn)健的發(fā)展步伐，同時(shí)支持多元化原料生物乙醇技 術(shù)的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化

12、，以保證產(chǎn)業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展。3、生物乙醇產(chǎn)業(yè)是競爭性產(chǎn)業(yè)，應(yīng)當(dāng)實(shí)行政府支持和市場機(jī)制相結(jié)合的發(fā)展 方 針。一方面由政府支持利用現(xiàn)有的幾百萬噸生產(chǎn)能力，進(jìn)行技術(shù)改造，減少投資成 本，另一方面應(yīng)促進(jìn)企業(yè)競爭，激勵以企業(yè)為主體的技術(shù)創(chuàng)新，降低消 耗，提高效 益，擇優(yōu)淘劣，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)資源配置。4、鼓勵多元發(fā)展模式，在原料（玉米、甘蔗、木薯、甜高粱等）充裕集中的地 區(qū)，可以建立大規(guī)模的乙醇工廠。另一方面，在原料分散的地區(qū)，大力推進(jìn)訂單農(nóng) 業(yè)！等產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，建立生產(chǎn)企業(yè)和原料農(nóng)戶間穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)合同關(guān)系，由農(nóng)民 個人或集體企業(yè)就地生產(chǎn)粗酒精，然后由技術(shù)先進(jìn)的大型企業(yè)收購并進(jìn)一步提純生 產(chǎn)出最終產(chǎn)品的模式，

13、進(jìn)一步增加農(nóng)民收入，促進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。5、鑒于生物乙醇原料和成品的運(yùn)輸成本高，應(yīng)在糧食原料充裕的地區(qū)建立現(xiàn) 代化 生產(chǎn)企業(yè)，并在周邊地區(qū)消費(fèi)，而在糧食供應(yīng)不充裕的地區(qū)，或因地制宜地利用其它 原料生產(chǎn)，或暫時(shí)不使用生物乙醇。6、加強(qiáng)部門之間的協(xié)調(diào)，避免重復(fù)建設(shè)。乙醇工業(yè)耗能較大的部分為精憾提純， 精館技術(shù)在石油、石化行業(yè)是非常成熟的工藝，建議乙醇行業(yè)和石油石化行業(yè)配 合，不必重復(fù)研制開發(fā)精館設(shè)備與工藝；另一方面，乙醇汽油中乙醇含量與汽油輕 組分（碳四碳五）的含量需要乙醇行業(yè)和石油石化行業(yè)配合，選擇合 適的混合比例， 以保證車輛的使用安全。22主要競爭主要競爭是國內(nèi)外同樣研究生物乙醇的科

14、研單位，例如英國正在建造世界最大 的生物乙醇制造工廠。英國Ensus集團(tuán)已宜布，它投資在這個“世界級綠色燃料” 工廠的資金已接近2 5億英鎊。工廠預(yù)計(jì)在2009年初建成，將使用來自英國和歐 洲大陸的小麥作為原料，初步計(jì)劃該工廠的年生產(chǎn)能力為4億L,可供一輛普通的車 一年跑480萬km,或者是30萬輛車在路上跑一年。于他們的科研實(shí)力較強(qiáng)，故此競 爭較為嚴(yán)重。歐盟和英國承諾要減少對化石燃料的使用，以減少溫室氣體的排放，降低對石 油的依賴，從而加強(qiáng)能源供應(yīng)的安全性。2003年，歐盟發(fā)布指示，到2010年，運(yùn)輸 燃料能含量的5.75%都要來自生物燃料。另外，使用小麥生產(chǎn)生物乙醇時(shí)所產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品富含蛋白質(zhì)，可用作動物 飼料，被稱作DDGS（可溶解的干燥蒸館粒），歐盟對這種飼料的需要存在著巨大的 缺口。可以肯定歐盟在生物乙醇的開發(fā)方面存在巨大潛力。3生產(chǎn)流程生產(chǎn)中利用已培養(yǎng)出來的新型產(chǎn)生物乙醇的細(xì)菌，進(jìn)行馴化并利用分子生物 學(xué) 的手