纤维素生物乙醇生产关键技术

纤维素生物酒精生产关键技术简要分析

李 明　姚 珺　翁 伟　吴 彬　吴 畏

湖南农业大学工学院

摘　要：全球气候变暖和自然资源的枯竭，纤维素生物酒精研究是热点之一。纤维素生物质作为生产生物酒 精的原料，转化技术难度大，尚不成熟。该文主要对纤维素生物质生物酒精生产过程进行了分析， 提出有待解决的问题，并讨论关键技术。得出生物质机械化收集方式能有效保证生物质原料的数量 和减少原料成本；通过基因工程途径构建生产纤维素酶提高酶适应性和活性，加快水解效率和增强 耐热性能；开发节能精馏装置和注重转化后废物利用。农业工程、生物化学、基因工程等多学科的 综合发展将实现纤维素生物酒精工业化。

关键词：生物能源，生物酒精，生物质，纤维素，生产过程

0　引　言

由于温室气温排放导致全球气温变暖，自然石化资源短缺，生物能源成为世界上研究热点。中国是世界上消耗石油第二的国家，大约占全世界总量的6%[1]。国际能源中心（IEA）估计中国到2030年每天消耗1.4×107桶汽油；随着汽车工业的发展和普及，2020年，汽车的使用量从2004年大约2.4×107台增加到90-140×107台，运输所需的能源从现在比例约33%发展到57%左右，每天的所需量从目前的1.6×107桶到5.0×107桶。因此，到2030年，温室排放气体将增长至7.14Gt/年[2]。对石油的需求导致中国更加依赖进口石油，2030年，75%的石油将依靠进口[2]。因此，中国面临能源需求、国家能源安全和环境污染的挑战。中国作为发展中发展最快，世界上人口最多的国家，在经济快速发展和国际地位大幅提升的基础，应该发挥其主导作用，制定研究政策和目标，开发利用可持续“中性碳”能源，其中包括生物酒精的生产和使用[3]。

纤维素生物质转化成生物酒精是世界上生物能源发展的热点研究之一[4-8]。纤维素生物质主要包括农业残渣（水稻、玉米等秸秆）、森林残渣（树枝、锯末）、废弃物（废纸）、草本植物（芦竹）和木质植物（麻疯树、杨树），资源非常丰富，中国仅秸秆一年约有8.4 亿吨[9]，林木废弃物约2亿吨[10]；到2030年，每年农作物残渣量达5.53EJ；森林残渣达0.9EJ（3/4来自木材加工，1/4来自森林残枝残叶）；加上生物质能源种植（每公顷平均产量15吨干，10%的土地可以作为种植面积[10]），统计计算，每年可以提供约23EJ的能源，相当于6000亿升的石油。而根据IEA的预测，2030年中国需要12.4EJ 的交通运输液体能源[1]。如果能够充分利用木质纤维素生物质，提高转化技术，生成酒精，中国可以足够满足运输能源的需求。通过转化生成生物酒精使用是中性碳排放过程，减少温室气体排放，有利于环境和资源的平衡利用。

世界上纤维素生物质转化生物酒精的技术基本上处于研究阶段[11-15]。我国在纤维素生物质转化生物酒精的技术方面起步较晚，还是处于初步研究阶段[16-17]。本文主要对纤维素生物质生物酒精生产过程中关键技术进行简要分析，指出存在的难点和可能性的解决方法以便进一步深入研究。

1　纤维素生物酒精生产

1.1　纤维素生物质作为生物酒精原料的特征

糖类和淀粉转化酒精的工程通过发酵，在世界上已经实用化；草本纤维素和木材纤维素转化酒精正处于实用化过程研究阶段。从生物质转化为生物酒精的容易程度来比较可以得出：糖类 > 淀粉 > 草本纤维素 > 木材纤维素[4]

。

淀粉：葡萄糖分子同序排列

纤维素：葡萄糖分子交错排列

图1 淀粉和纤维素分子简图

淀粉和纤维素都是由葡萄糖组成的多分子高聚体。但是淀粉和纤维素的葡萄糖分子的结构不相同，如图1所示。淀粉容易生物化学分解，但是纤维素大分子是由葡萄糖脱水，通过B一1，4葡萄糖苷键连接而成的直链结晶性聚合体。在常温下不发生水解，高温下水解也很缓慢。另外，纤维素生物质中半纤维素由不同类型的单糖构成的异质多聚体，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。半纤维素木聚糖在木质组织中约占总量的20％～40%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接（如图2）。其三，草本和木质纤维素表面因为酚类聚合物木质素的存在，更加难以分解。因此从纤维素生物质转化为酒精，由于半纤维素和木质素的存在，普通的发酵法不能够顺利完成生物酒精的生成[12-14]。

图 2　纤维素、半纤维素和木质素图

1.2　纤维素生物酒精生产过程及有待解决的问题 从纤维素生物质转化为生物酒精的整个加工过程，如图3所示，大致可以分为六个过程。

首先是生物质的收集、水分调节和粉碎；然后是生物酒精生成过程，包括前处理、糖化、发酵和脱水；比如采用进行水热处理、碱化或微生物处理等的前处理措施来使纤维素易于糖化分解；其次，纤维素和半纤维素的糖化处理；接着采用酵母等微生物作用，产生酒精的过程，即发酵过程；然后，进行酒精和水分离，蒸馏脱

水过程，完成生物酒精的生成；最后，废水和废弃物处理。

1.2.1　生物质利用

世界上对生物质的种类开发[21]和数量估算[9-10]等研究比较多，但关于生物质利用收集运输[22]等相关研究不是太多。很多研究者提出了生物质收集的问题，但没有进行较深入的研究。主要存在以下问题：1）季节性和地域性强；2）能量密度低；3）输送成本高。 1.2.2　前处理、糖化技术开发

现在研究集中在生物酒精的转化过程中前处理分离木质素、纤维素糖化技术的开发和提高发酵效率[12-16]。按前处理技术分类，可以分为：1）物理方法（粉碎、爆碎和水热处理等）；2）化学方法（酸处理、碱化处理）；3）微生物方法（酵素、微生物菌类利用）。同样按糖化技术可以分为三类：：1）物理方法（水热处理等）；2）化学方法（酸处理）；3）微生物方法（酵素、微生物菌类利用）。

按照前处理和糖化综合技术可分成6大类，对比结果如表1。其中前5种方法，基本完成实验研究，处于应用初试阶段，但可以看出各种方法各有优点和缺点，在现有的工艺条件下，还没有最佳的生产工艺；微生物菌处理+微粉碎+酵素法是虽然处理速度慢，但能量效益和转化效果有望比较理想，环境负荷特低，所以前景最好，但各阶段都处于开发中。总体上，尚未有最佳的纤维素生物酒精的加工工艺。

图 3　生物酒精生产过程