從工業(yè)中西方看制乙醇工業(yè)

從工業(yè)中西方看制乙醇工業(yè)

隨著石化能源的逐漸匱乏、糧食危機的頻發(fā)、能源需求的增加和原油價格的持續(xù)上升，人們越來越意識到尋找清潔能源和能源的緊迫性。因此,越來越多的國家已將生物質能源產業(yè)作為一項重大的國家戰(zhàn)略推進,紛紛投入巨資進行生物質能源的研發(fā)。20世紀70年代石油危機以來,一些國家開始嘗試利用生物質資源生產液體燃料。其中由木質纖維素生產的燃料乙醇以其可再生性、無污染性和提高汽車的防爆性能等特點而被公認為是最有工業(yè)應用前景的可再生能源之一,得到了廣泛的研究。1國內外關于纖維和乙醇的產業(yè)化發(fā)展1.1國外碳乙醇產業(yè)的發(fā)展1.1.1纖維質為酒精的工廠美國在將纖維質轉化為燃料酒精的研究、生產和應用方面走在了世界的前列。1998年10月第一家商業(yè)性轉化纖維質為酒精的工廠由BCInternational在路易斯安那Jennings開始破土動工,該廠以蔗渣和稻殼為原料,年產酒精20×106加侖,先進技術的應用使生產燃料乙醇的成本降低了2/3,約為每升0.24~0.34美元。除此之外,加利福尼亞和紐約用城市垃圾生產酒精的建廠計劃亦在進行中。1.1.3美國專利廢木屑生產燃料乙醇日本全國每年有1000萬t廢木屑,不少企業(yè)利用自行開發(fā)的技術或引進美國技術開展了以廢木屑為原料生產燃料乙醇的工業(yè)試驗。2003年5月投資5億日元建成工試,目前日產乙醇2.50t。試成后擬建200t/d的商用裝置,成本目標為25日元/L,將低于美國現有水平。1.1.4為原料的乙醇廠Abengoa是歐洲最大的乙醇生產廠,同時也是世界排名第二的生產廠家,是以小麥秸稈為原料生產乙醇的瑞典生產商。目前,Abengoa正努力建兩個生物質乙醇廠,一個在西班牙,一個在美國,兩個都在施工過程中,他們的目標是在2011年前使該技術商業(yè)化。瑞典Etek中試乙醇廠日產量400~500升乙醇,每日需要消耗鋸末或其他纖維質原料2t(以干物質計)。要建造一家年產3.90萬t以木質纖維素為原料的乙醇廠需要投資1.25億歐元,工廠能提供45~60人就業(yè)機會,運輸及加工原料還另需40~80人。根據瑞典原材料的成本計算乙醇價格為每升0.35~0.45歐元,但從長遠角度考慮,纖維素生產乙醇作為能源前景比較可觀。1.2世界燃料乙醇生產國我國燃料乙醇起步較晚,但是發(fā)展迅速,已成為繼巴西、美國之后世界第三大燃料乙醇生產國。目前我國有一些科研機構、大學和企業(yè)在這方面也開始了研發(fā)工作,取得了一些進展。1.2.1河南天冠集團2006年6月26日,河南天冠集團建成投產了我國首條秸稈乙醇中試生產線,標志著我國在生物質能源利用領域已躋身世界行列。目前,在河南天冠集團,一條年產300t乙醇的中試生產線已建成投產,6t麥秸可變成1t乙醇。此外,天冠集團還成功開發(fā)了新型乙醇發(fā)酵設備,可明顯縮短發(fā)酵周期。據了解,天冠集團將在穩(wěn)定中試生產線的基礎上,通過優(yōu)化工藝,再建一條1000t級纖維乙醇生產線,“十一五”期間,該集團以秸稈生產乙醇的成本可望與糧食生產乙醇基本持平。1.2.2燃料乙醇的生產能力將進一步擴上海華東理工大學能源化工系,承擔國家863項目的“農林廢棄物制取燃料乙醇技術”研究,近年已進入工業(yè)性試驗階段。已建成年產燃料乙醇600t的示范工廠,接下來的問題就是如何產業(yè)化。按照現在的技術,每噸燃料乙醇的生產成本在5500元左右,如果國家不補貼,就沒有多少市場競爭力。因此,還必須在降低成本上下功夫。爭取建成年產5000t的工廠,3~5年內建成年產3萬t的工廠。由于上海的秸稈資源較少,今后將以上海為研發(fā)中心和設備生產基地,幫助秸稈資源豐富的地區(qū)建設工廠。在“十一五”期間,將進一步擴大規(guī)模,達到年產燃料乙醇3000~6000t。同時還將圍繞降低成本和規(guī)?；a展開研究,使其在經濟上更具有競爭力。黑龍江肇東金玉乙醇有限公司已進行了300t的玉米秸稈制乙醇的中試。1.2.3實驗室法氧化法制備栽培蝦吉林沱牌農產品開發(fā)公司與丹麥瑞速國家實驗室合作研究“玉米秸稈濕氧化預處理生產乙醇”,2003年開始,2005年階段性鑒定,規(guī)模為10L發(fā)酵罐,階段性試驗結果為:在實驗室條件下,玉米稈經濕氧化預處理后纖維素得率78.20%~83.60%;酶水解后酶解率86.40%;糖轉化為乙醇產率48.20%。在只利用六碳糖的情況下(即五碳糖尚未利用),7.88t玉米稈產1t乙醇。10L全自動發(fā)酵罐發(fā)酵乙醇,發(fā)酵時間為62h,乙醇度6.20%,2006年在此基礎上進行了改進創(chuàng)新,并自主創(chuàng)新建成具有國際先進水平的實驗室纖維質原料預處理裝置。1.2.4原料制備溶劑河北農業(yè)大學食品科技學院實驗室研究用CO2爆破法對纖維物質預處理后用稀酸水解半纖維素,然后用酶法水解纖維素轉化為單糖,發(fā)酵乙醇。江南大學生物工程系實驗室試驗:以玉米芯先濃酸后稀酸水解得糖率為81%,石灰中和后,接種酵母發(fā)酵生產乙醇,題為“酸兩步水解法”。山東大學微生物技術國家重點實驗室開展“纖維素原料轉化乙醇關鍵技術”研究。對預處理方法試驗:酸水解工藝、蒸汽爆破、低溫氨爆破等方法,對纖維素酶高產菌的篩選和誘變育種、用基因手段提高產酶量或改進酶系組成、纖維素酶生產技術、天然廢物利用策略等研究。1.2.5碳糖發(fā)酵技術工程該集團全力拓展燃料乙醇生產所需原料和相關技術的創(chuàng)新,并與國內相關高校和科研院所合作進行系統(tǒng)工程研究。經過協同攻關,目前豐原集團發(fā)酵技術國家工程中心已成功突破秸稈利用的兩項重大技術瓶頸———纖維素水解酶的系列開發(fā)以及用于五碳糖發(fā)酵技術工程的菌株開發(fā)。豐原集團作為國內農產品深加工企業(yè),與豐原發(fā)酵技術國家工程研究中心一起創(chuàng)造性地提出了秸稈原料生產乙醇先分離后發(fā)酵的工藝路線。目前,實驗已取得階段性成果,結果顯示,利用秸稈轉化燃料乙醇的成本應在4000~4300元/t,比玉米生產乙醇的成本低300~500元/t。秸稈按300~400元/t計算,農民每667m2地可多獲利不低于300元。豐原發(fā)酵技術國家工程研究中心與豐原集團計劃2006年建成年產300t秸稈生產燃料乙醇的中試項目。如進展順利,將于2007年推廣,實現產業(yè)化。目前,豐原集團用秸稈等植物纖維生產乙醇,已到中試階段,約6t秸稈可生產1t乙醇,其成本和玉米充分綜合利用后分攤的成本相當,成本極其低廉。3正在解決光纖和乙醇行業(yè)的實際困難3.1不同規(guī)模的t如大規(guī)模收購玉米秸、麥秸,到廠價會漲到200~300元/t以上。目前的技術條件下,如所含的戊糖不能很好地利用,需要6~7t秸稈才能生產1t乙醇,原料成本對總成本就有很大影響。3.2預處理酶解纖維素天然纖維素材料的結構性質非常復雜,纖維素不僅被半纖維素和木質素所包裹,且其本身也存在著高度結晶性和木質化,阻礙了酶與纖維素的接觸,使其難以直接被生物降解。對大多數天然纖維素材料來說,如果不經過適當預處理,直接進行酶促水解,酶解率一般都非常低(<20%),進而影響總糖產率,增加了經濟成本。開發(fā)廉價高效的木質纖維預處理技術是降低生產成本,實現產業(yè)化的途徑之一。3.3纖維素酶nfp的生產目前使用的纖維素酶的比活力較低,單位原料用酶量很大,酶解效率低,產酶和酶解技術都需要改進。纖維素酶和木聚糖酶的生產成本過高。在國內,纖維素酶生產大多采用固體方法,也有采用液體深層通風發(fā)酵培養(yǎng)的,但其主要用于紡織品處理等效益較高的行業(yè),還不能大規(guī)模地應用于植物纖維產糖。纖維素酶用于植物纖維產糖的合適添加量為20~30FPAIU/g纖維底物,若不考慮水解液中戊糖的利用,那么需1.76t纖維生產1噸100%(v/v)的乙醇,而目前纖維素酶的液體發(fā)酵水平為20FPAIU/rnl。因此,有效降低纖維素酶和木聚糖酶的成本是纖維乙醇生產鏈中的一項關鍵的技術。3.4利用優(yōu)化工程方法構建糖化型酵母菌種同纖維素相比,半纖維素很容易被水解。但其水解產物往往含大量戊糖,戊糖的高效率發(fā)酵轉化是實現纖維素乙醇產業(yè)化的又一瓶頸。纖維素經過糖化作用后,產生的還原糖主要為己糖和戊糖。通常戊糖不能被酵母發(fā)酵成乙醇,會使原料的乙醇率大大降低。目前許多研究機構都借助于自然界中存在的一些能發(fā)酵木糖為乙醇的酵母菌,諸如管囊酵母、樹干比赤酵母等。但糖醇轉化率普遍較低,因此需要利用基因工程方法構建能同時高效利用己糖和戊糖的菌種。因此,戊糖高效率轉化也是實現生物質轉化工藝實用化的一個關鍵技術。4發(fā)展纖維乙醇研究的若干建議隨著國際石油價格的一路狂飚和國內對石油需求量的急劇增加,各國在走能源多元化之路方面已形成廣泛的共識,因此,纖維乙醇研究已經成為目前生物質液體燃料研究工作的重中之重。纖維乙醇研究工作涉及物理、化學、生物工程等多個學科,為了充分發(fā)揮我國科技工作者在纖維乙醇研究領域的優(yōu)勢,必須走科研與生產相結合的道路,完成從科學技術到生產力的轉化,促進纖維乙醇產業(yè)化早日實現,特提出以下建議:首先,應該制定生物質能源產業(yè)的國家發(fā)展戰(zhàn)略,國家和地方政府應采取優(yōu)惠政策繼續(xù)加大科研和生產投入;其次,提升經濟效益,經濟效益是關系生物質能源產業(yè)生存與發(fā)展的關鍵問題;最后,在生物質能源領域建立支持和鼓勵技術創(chuàng)新機制,我國生物質能源起步較晚而且在很多方面都較落后,因此我國應該加大科技投入力度,鼓勵在生物質能源原料和品種開發(fā)、生物能源轉換和提煉技術等方面的技術創(chuàng)新。1.1.2國外農業(yè)保險的設備生產設備.基于世界上一個領先地位,利用蒸汽氣爆預處理生物質,選擇合適的原料生產生物轉化原料,并將其連續(xù)氣爆處理小麥炭加拿大纖維質燃料乙醇工業(yè)一直處于領先地位。Iogen是一家生物技術公司,主要開發(fā)纖維素酶技術,在2004年開設了一家投資約4千萬美元的纖維素乙醇廠,是首家纖維質乙醇工業(yè)化公司,處于世界領先地位。使用原料為麥秸等其他農作物廢棄物,采用的技術是用稀酸結合蒸汽氣爆預處