生物燃料乙醇進(jìn)展研究

摘要:人類對(duì)化石能源的過度依賴造成能源供需矛盾加劇、全球持續(xù)變暖、能源開支負(fù)擔(dān)加重等一系列問題，破解能源供應(yīng)瓶頸、降低溫室氣體排放量是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。隨著化石能源尤其是石油資源的日益枯竭，人類不得不努力尋找和開發(fā)化石能源的替代品，生物燃料乙醇就是其中一種重要的選擇。燃料乙醇是將乙醇以15% ～20%的質(zhì)量比摻入汽油中，一方面可以作為汽油的替代物以減少汽油消耗量，另一方面可以減少汽車尾氣污染物的排放，改善城市大氣環(huán)境。

關(guān)鍵詞:生物燃料 乙醇 研究

1 國(guó)內(nèi)外生物燃料乙醇的發(fā)展?fàn)顩r

燃料乙醇已有30多年發(fā)展歷史，其中巴西是最早大規(guī)模使用乙醇作為替代燃料的國(guó)家。巴西從1975年就開始實(shí)施“燃料乙醇計(jì)劃”，以甘蔗為原料生產(chǎn)燃料乙醇替代車用汽油，經(jīng)過多年的努力，達(dá)到了預(yù)期目的。近年來，雖然燃料乙醇產(chǎn)量因油價(jià)、糖價(jià)和政策影響有所波動(dòng)，但平均年產(chǎn)量達(dá)1000萬t左右，累計(jì)替代石油約2億t。據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2006年，美國(guó)的玉米乙醇超過190100億L，與2005年的產(chǎn)量相比，增幅超過35%;同時(shí)，在美國(guó)各地出售的汽油中，添加乙醇添加劑的汽油超過了40%。2007年1月23日，美國(guó)總統(tǒng)布什在發(fā)表國(guó)情咨文時(shí)提出，未來10年內(nèi)，美國(guó)將通過開發(fā)替代能源和提高能源利用效率，將汽油消耗量壓縮20%。其中，用替代性燃料降低15%的汽油使用量，即到2017年乙醇產(chǎn)量達(dá)到1591113 億L，這相當(dāng)于美國(guó)2017 年汽油消費(fèi)量的15%。歐洲使用的生物燃料乙醇主要是用少量乙醇和乙基叔丁基醚( ETBE) 直接調(diào)和而成。相對(duì)其他國(guó)家，歐盟國(guó)家生物燃料乙醇的成本最高，這是由于歐盟主要農(nóng)作物(小麥、黑麥和大麥) 都比玉米更難轉(zhuǎn)化為乙醇。對(duì)此，丹麥Novozyers公司開發(fā)出3 種能提高生產(chǎn)率達(dá)20%的酶，并且可以獲得高質(zhì)量的乙醇。英國(guó)已經(jīng)在諾福克建立了該國(guó)第1個(gè)生物乙醇工廠—Sugar公司。2006年2月瑞典宣布，在15 年內(nèi)成為世界上第1個(gè)不依賴石油的國(guó)家。歐盟新的木質(zhì)素和纖維素乙醇工程已經(jīng)高速發(fā)展了4 年。

20世紀(jì)末我國(guó)實(shí)行改革開放后，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，糧食生產(chǎn)相對(duì)過剩，國(guó)家在糧食生產(chǎn)和儲(chǔ)備方面的負(fù)擔(dān)日益加重，農(nóng)民收入增幅趨緩。交通基礎(chǔ)設(shè)施的逐漸完善和汽車工業(yè)快速發(fā)展使我國(guó)汽車保有量逐年增多，尾氣污染日益嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)壓力日漸加大。與此同時(shí)，隨著對(duì)能源需求的增加，我國(guó)從石油凈出口國(guó)變?yōu)閮暨M(jìn)口國(guó)，石油資源匱乏和能源安全問題已引起國(guó)家的高度重視。為了統(tǒng)籌解決我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中存在的上述問題，特別是為促進(jìn)農(nóng)民增收，我國(guó)應(yīng)借鑒巴西、美國(guó)等國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)，有組織地進(jìn)行燃料乙醇和車用乙醇汽油的研究和試點(diǎn)應(yīng)用。

2 生產(chǎn)生物燃料乙醇的主要原料

乙醇的生產(chǎn)原料主要有3類:第一類是含糖作物，如甘蔗、甜菜、甜高粱等;第二類是淀粉質(zhì)作物，如玉米、小麥、高粱、木薯、紅薯、馬鈴薯及菊芋等;第三類是纖維質(zhì)原料，如秸稈、木屑、農(nóng)作物殼皮及城鄉(xiāng)固體垃圾等。目前，乙醇的生產(chǎn)技術(shù)仍處于第一代，所采用的原料包括第一類和第二類，以第三類為原料的纖維素乙醇技術(shù)屬于第二代生物燃料技術(shù)，雖已開發(fā)成功但還不成熟。全球乙醇生產(chǎn)高度集中于美國(guó)和巴西，兩國(guó)合計(jì)產(chǎn)量占全球的87%。其中，美國(guó)的乙醇產(chǎn)量為265億L，占全球的50%;巴西的乙醇產(chǎn)量為190億L，占全球的37%。中國(guó)、歐盟和加拿大的乙醇產(chǎn)量分別占全球的4%、4%和2%，其他國(guó)家的乙醇產(chǎn)量?jī)H占全球的3%。美國(guó)乙醇生產(chǎn)所需原料幾乎全部是玉米;巴西的乙醇生產(chǎn)原料幾乎全部來自甘蔗;中國(guó)、歐盟、加拿大等國(guó)家和地區(qū)生產(chǎn)乙醇所用的原料主要為糧食和甜菜。全球所生產(chǎn)的乙醇幾乎全部由農(nóng)作物中所含的淀粉和糖類轉(zhuǎn)化而來，造成了對(duì)農(nóng)業(yè)資源的大量占用，并推高了糧價(jià)。因此發(fā)展以第三類為原料的纖維素乙醇技術(shù)是今后生物燃料乙醇發(fā)展的方向所在。

2.1 淀粉質(zhì)原料是我國(guó)乙醇生產(chǎn)的最主要原料，主要有甘薯(又名地瓜)、紅薯、山芋、木薯、玉米、馬鈴薯(又名土豆)、大麥、大米、高梁等。農(nóng)產(chǎn)品及野生植物中的淀粉是現(xiàn)形發(fā)酵法乙醇生產(chǎn)的主要原料，不同國(guó)家、不同地區(qū)依據(jù)資源條件，在具體的原料品種選擇上有所側(cè)重。我國(guó)薯類資源量大，產(chǎn)量相對(duì)集中，一直作為糧食作物而大面積種植，是發(fā)酵酒精的主體原料。近20年來，由于我國(guó)糧食產(chǎn)量穩(wěn)定提升，玉米、小麥等谷類相對(duì)過剩，部分地區(qū)已開展了利用這類原料進(jìn)行大規(guī)模乙醇轉(zhuǎn)化的加工。野生植物淀粉適合于中小型乙醇生產(chǎn)的原料，對(duì)其利用需要實(shí)行可持續(xù)性開發(fā)，以免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。淀粉質(zhì)原料的開發(fā)，必須進(jìn)行綜合利用，在生產(chǎn)乙醇的同時(shí)，獲得飼料、油脂以及其他有用的化工原料、醫(yī)藥中間體，提高資源利用的附加值。

2.2 糖質(zhì)原料主要是甘蔗、甜菜，還有糖蜜。糖蜜是制糖工業(yè)的副產(chǎn)品， 甜菜糖蜜的產(chǎn)量是加工甜菜量的3.5%-5%，甘蔗糖蜜的產(chǎn)量是加工甘蔗量的3%左右。近幾年，甘蔗乙醇占世界生物質(zhì)乙醇總量的41%-47%，是生物質(zhì)乙醇的最重要組成部分，這主要是因?yàn)楦收嶙鳛槿剂弦掖荚暇哂邢率鑫宕髢?yōu)勢(shì)，成為最有競(jìng)爭(zhēng)力的原料作物。①甘蔗適應(yīng)性廣，適宜邊際性土地，是糧食作物的先驅(qū)作物。②甘蔗是第一代乙醇中唯一的多年生C4(碳4)非糧作物。③甘蔗能量轉(zhuǎn)化效率最高。④甘蔗乙醇生產(chǎn)成本最低。⑤甘蔗燃料乙醇減少排放溫室氣體效果最好。

2.3 纖維素原料包括半纖維素是地球上最有潛力的乙醇生產(chǎn)原料， 主要有農(nóng)作物秸稈、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、造紙廠和造糖廠含有纖維素的下腳料、城市生活垃圾的一部分等。

2.4 其他原料如造紙廠的亞硫酸鹽紙漿廢液、淀粉廠的甘薯淀粉渣和馬鈴薯淀粉渣、奶酪工業(yè)的副產(chǎn)物乳清、一些野生植物等。

3 生產(chǎn)生物燃料乙醇的主要方法

生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇的主要過程是先將生物質(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。糖質(zhì)原料可以直接發(fā)酵制取乙醇， 淀粉原料的糖解如下式所示

乙醇發(fā)酵過程實(shí)質(zhì)上是酵母等乙醇發(fā)酵微生物在無氧條件下的一系列有機(jī)質(zhì)分解代謝的生化反應(yīng)過程，如下式所示。可以進(jìn)行乙醇發(fā)酵的微生物種類很多，包括酵母菌、霉菌和細(xì)菌，目前最常用的是酵母菌。

纖維素原料由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要先經(jīng)過預(yù)處理再進(jìn)行糖解， 糖解過程如下式所示

預(yù)處理的目的就是脫除木素和半纖維素，降低纖維素的結(jié)晶度，增加原料的疏松性。預(yù)處理必須滿足下列要求:①促進(jìn)糖的形成，或者提高后續(xù)酶水解形成糖的能力;②避免碳水化合物的降解或損失;③避免副產(chǎn)物形成阻礙后續(xù)水解和發(fā)酵過程;④有成本效益。目前，木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理方法包括物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法和生物法。糖解的過程通常采用纖維素酶催化，發(fā)酵通過酵母菌或細(xì)菌實(shí)現(xiàn)。影響纖維素水解的因素包括廢棄原料的多孔性(可到達(dá)的表面積)，纖維素纖維的結(jié)晶度以及木素和半纖維素的含量。木素和半纖維素的存在使得纖維素酶很難到達(dá)纖維素，降低了水解效率。

木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化乙醇新技術(shù)快步發(fā)展的同時(shí)也面臨著一些新的挑戰(zhàn)，包括發(fā)酵過程中利用遺傳工程保持酵母的性質(zhì)穩(wěn)定，開發(fā)更加高效的預(yù)處理技術(shù)，如何把生產(chǎn)中的各個(gè)部分最佳結(jié)合等。如果能解決好這些問題，那么木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化乙醇必將產(chǎn)生更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 燃料乙醇的應(yīng)用前景

在新興的石油替代燃料中，乙醇是目前為止世界上公認(rèn)最安全、能較大規(guī)模供應(yīng)市場(chǎng)的車用燃料。添加一定比例的燃料乙醇，汽車不但動(dòng)力不受影響，且能極大降低尾氣的污染排放。隨著一些先進(jìn)農(nóng)業(yè)國(guó)勞動(dòng)生產(chǎn)率的大幅度提高，及七十年代中期以來四次較大的“石油危機(jī)”，燃料乙醇工業(yè)在世界許多國(guó)家得以迅速發(fā)展。自巴西、美國(guó)率先于七十年代中期大力推行燃料乙醇政策以來，加拿大、法國(guó)、西班牙、瑞典等國(guó)紛紛效仿，均已形成了規(guī)模生產(chǎn)和使用。我國(guó)國(guó)內(nèi)以生物燃料乙醇為代表的生物能源發(fā)展已歷時(shí)五年，作為中國(guó)“十五”十大重點(diǎn)工程之一，生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)取得了重大發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)石油需求的進(jìn)一步提高，以乙醇等替代能源為代表的能源供應(yīng)多元化戰(zhàn)略已成為中國(guó)能源政策的一個(gè)方向。隨著化石資源漸趨枯竭，油價(jià)進(jìn)一步高漲，國(guó)際原油價(jià)格也有上漲的趨勢(shì)，這給燃料乙醇的價(jià)格帶來了一定的升值空間，同時(shí)也給燃料乙醇的發(fā)展帶來了歷史性的機(jī)遇。