木質纖維素制乙醇生產工藝及經濟性

乙醇是重要的有機溶劑，廣泛用于醫藥、涂料、衛生用品、化妝品、油脂等制備過程。乙醇是重要的基本化工原料，用于制備乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等，并衍生出醫藥、染料、涂料、香料、合成橡膠、洗滌劑、農藥等產品的許多中間體。75%的乙醇水溶液是常用的消毒劑。此外，乙醇還可以作為車用燃料使用。

生物質制乙醇主要分為兩種技術，第一種是普遍采用的一代技術，以糧食作物如玉米、甘蔗、木薯等發酵生產，存在的主要問題是“與人爭糧”。第二代技術是采用農、林業廢棄物，如秸稈和木屑等木質纖維素為原料，經發酵生產乙醇。

目前由木質纖維素轉化為乙醇的研究非常活躍，這一領域已取得許多新的進展。API公司采用木質纖維素為原料生產乙醇的工藝路線主要包括原料預處理、纖維素水解、發酵、乙醇分離等工序。(1)原料預處理。在生物質鍋爐中，生物質和SO2、乙醇水溶液經加熱，分離為：半纖維素、纖維素和木質素。半纖維素和木質素部分溶解，纖維素不溶，經洗滌過濾后，纖維素進入水解發酵區；濾液進入汽提塔，塔頂物流SO2和乙醇經冷凝后循環利用，塔底物流可用來產生蒸汽。(2)纖維素水解和發酵。在酶催化水解反應器中，纖維素經酶促反應水解生成葡萄糖；不溶性的木質素經分離，進入半纖維素水解發酵區。葡萄糖再經發酵生成乙醇。發酵液經離心分離后進入濃縮塔，分離出的細胞進行硫酸處理，再返至發酵罐循環利用。(3)半纖維素水解和發酵。在纖維素水解發酵區中分離出的不溶性木質素和生物質鍋爐產出的蒸汽一起進入自水解反應器，半纖維素水解生成單糖，如木糖。水解產物經石灰中和處理，木質素送入能量利用系統(發電)，單糖則送入發酵罐發酵生成乙醇，再進入濃縮塔。(4)精餾。纖維素和半纖維素的發酵液經混合后，進入濃縮塔，塔頂得到含50%乙醇的蒸汽。塔底物流用于纖維素洗滌，側線出料進入精餾塔，塔頂得到含93%乙醇的蒸汽。乙醇經分子篩脫水后，產品純度達99.5%。

與采用酶催化纖維素及半纖維素水解工藝相比，該工藝僅催化纖維素水解，減少了酶用量，降低了成本，同時將低熱值的半纖維素轉化為高價值的乙醇，提高了整體效益；此外，該工藝還能夠高效回收利用反應放出的熱能，降低能耗，節約生產成本。

加拿大Intratec Solutions公司對木質纖維素生產生物基乙醇生產工藝進行了經濟性評估，基于以下幾項假定：(1)在美國海灣地區建立一套2.2×108L/a無水乙醇裝置；(2)產品儲量相當于30 d運行產量，無原料貯存。預測包括總固定投資、營運資金、其他資金耗費等在內的資金投入約為7億美元。

發展纖維素乙醇對于解決當前石油資源短缺、增加農民收入以及減少環境污染等方面具有十分重要的意義。在《可再生能源中長期發展規劃》中，預計到2020年實現生物燃料乙醇利用量達10 Mt/a。建議該工藝與紙漿和造紙企業結合起來，以使木材的每一組分(纖維素、半纖維素和木質素)得到最充分的利用。纖維素用于生產紙漿和造紙，半纖維素用于發酵制乙醇，木質素用于能源供給。