生物燃料乙醇产业化研究进展
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Research Progress on the Industr ia liza tion of B iofuel Ethanol
YUAN Bo, FENG Fu2ying (B ioengineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)
木质纤维素通过微生物产生的纤维素酶降解为可发 酵ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ , 可替代现有的粮食淀粉原料生产乙醇 、乳酸 、氨 基酸和抗生素等产品 。而纤维素生物降解为葡萄糖技术 是国际公认的难题 , 也是最有前途的技术之一 。其技术 关键是高效降解木质纤维素的微生物菌种的筛选与基因 工程菌的构建 [14 ] 。因此 , 应开展高活性纤维素酶生产 菌种的筛选及复合微生物协同产酶技术 、高活力纤维素 酶解基因工程菌 (或菌群 ) 的构建 、木质素降解真菌 与真菌菌群的筛选与构建 、纤维素酶解反应器与可发酵 糖在线分离与脱毒技术的研究 。 415 注重木质纤维素生物转化工艺关键技术研究
读 , 研究方向为生物质能源 。
为燃料乙醇的发展提供了良好的法律基础 。美国还设立 基金 , 支持以各种生物质为原料的乙醇汽油生产技术的 开发 。根据美国生物技术工业组织的统计 , 美国每年可 利用纤维素生产乙醇 2 650万 t[4 ] 。 113 加拿大
加拿大采取免税政策来促进生物乙醇的发展 。加拿 大拥有世界唯一的纤维素乙醇工厂 ———Logen生物技术 公司 , 该公司是以生物质为原料生产乙醇的大规模工业 化公司 , 年产量达到 100 万加仑 [5 ] 。2004 年 , Logen公 司借助酶使小麦秸秆转化为糖类 , 然后通过发酵转化为 乙醇 , 从而实现以纤维为原料大规模生产乙醇 。生物乙 醇的使用 , 大大降低了加拿大对石油进口的依赖 。 114 欧盟等国家
从 20世纪 70年代开始美国就利用玉米生产燃料乙 醇 。从 1978年的 《能源税收法案 》到 2005年的 《新能 源法案 》, 美国政府制定了一系列燃料乙醇的相关政策 ,
收稿日期 : 2009203214 作者简介 : 袁 博 ( 1982 - ) , 男 , 蒙古族 , 内蒙古赤峰人 , 硕士在
技术难度大 、开发利用成本较高等问题制约了生物 燃料乙醇产业的发展 。因此 , 加强生物燃料乙醇利用技 术的研究 , 开发新产品 , 努力降低成本 , 是推动生物质 能产业快速发展的重要途径 [10 ] 。 313 生物燃料乙醇的体系不完善
生物燃料乙醇的资源评价 、技术标准 、产品检测和 认证等体系不完善 , 没有明确的技术标准和严格的技术 监督 , 缺乏统一的规划 , 没有形成支撑生物燃料乙醇产 业发展的技术服务体系 。 314 生物燃料乙醇产业市场保障机制还不够完善 [11 ]
我国在利用纤维素制取燃料乙醇技术方面也取得了 一定的进展 。国家 863计划课题 “纤维素废弃物制取乙 醇技术 ”通过生化法和热转化法的有机结合 , 达到年产 乙醇 600 t的规模 。山东大学和河南农业大学与河南天 冠集团合作 , 在纤维素原料预处理和乙醇转化技术开发 方面取得了一定的突破 , 使原料转化率超过 18% , 即 6 t秸秆可生产 1 t乙醇 , 1条年产 300 t乙醇的中试生产 线已建成投产 。此外 , 还成功开发了新型酒精发酵设 备 , 可明显缩短发酵周期 , 解决纤维乙醇发酵后酒精浓 度过低的难题 。中石油在吉林的燃料乙醇公司正开展以 玉米秸秆为原料工业化示范项目研究论证 ; 安徽丰原集 团与国内有关大专院校在原料预处理和纤维素酶的培育 等方面也取得初步成果 [8 ] 。中国科学院过程工程研究所 已在山东泽生生物科技有限公司建立了年产 3 000 t秸秆 酶解发酵燃料乙醇产业化示范工程 。
近年来 , 虽然我国逐步加大了对生物燃料乙醇发展 的支持力度 , 但由于没有建立起强制性的市场保障政 策 , 无法形成稳定的市场需求 , 生物燃料乙醇发展缺少 持续的市场拉动 , 导致生物燃料乙醇新技术发展缓慢 。
4 我国生物燃料乙醇的发展对策
411 加强政府引导 在现有的技术水平和政策环境下 , 生物燃料乙醇技
酒精酵母是乙醇的生物转化中最后的关键步骤 。因 此 , 酒精酵母直接关系到生物乙醇转化率和生产成本 。 作为生命体 , 不同来源 、不同种类的酒精酵母存在各种 各样的差异 , 表现在环境适应性 、生命力 、生物活性和 生产能力等方面 。因此 , 专用酒精酵母的筛选 , 特别是 适合我国旱 、寒荒漠区极端生态环境的专用酒精酵母的 筛选及其分 子 改 良 对 生 物 乙 醇 产 业 具 有 极 为 重 要 的 作 用 [13 ] 。应开展高抗 、广谱 、高效专用酒精酵母的筛选 , 酒精酵母的离子束生物技术改良及其分子机理研究以及 糖基原料乙醇转化专用酒精酵母复合菌剂产业化关键技 术的研究 。 414 注重生物质高效转化微生物筛选及其构建技术研究
生物燃料乙醇是利用高糖植物 、淀粉类植物或纤维 物质 , 通过发酵工艺 、生物技术和化工手段获得的 。目 前用于生产生物燃料乙醇的材料包括谷物 、甜高粱 、木 薯 、甘薯 、甜菜 、甘蔗 、秸秆 、木料和废弃木等 。统计 表明 , 2005 年 全 世 界 生 物 燃 料 乙 醇 的 总 产 量 约 为 3 000万 t[1 ] 。由于生物燃料乙醇的应用可以减少对石油 进口的依赖 、减少财政赤字 、创造就业机会 、减少二氧 化碳排放量 , 从而减轻对环境的污染 。因此 , 生物燃料 乙醇被认为是最具潜力的生物能源形式 , 被广泛用于工 业生产 。
欧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) 直接调和而成 。相对其他国家 , 欧 盟国家生物燃料乙醇的成本最高 , 这是由于欧盟主要农 作物 (小 麦 、黑 麦 和 大 麦 ) 都 比 玉 米 更 难 转 化 为 乙 醇 [6 ] 。对此 , 丹麦 Novozyers公司开发出 3 种能提高生 产率达 20%的酶 , 并且可以获得高质量的乙醇 。英国 已经在诺福克建立了该国第 1个生物乙醇工厂 ———Sugar 公司 。2006年 2 月瑞典宣布 , 在 15 a 内成为世界上第 1个不依赖石油的国家 。欧盟新的木质素和纤维素乙醇 工程已经高速发展了 4 a。 115 亚太地区
河北农业科学 , 2009, 13 (4) : 139 - 141 Journal of Hebei Agricultural Sciences
编辑 李布青
生物燃料乙醇产业化研究进展
袁 博 , 冯福应 (内蒙古农业大学生物工程学院 , 内蒙古 呼和浩特 010018)
摘要 : 阐述了国内外生物燃料乙醇的生产 、使用及产业化等现状 , 分析了我国生物燃料乙醇生产存在的问题 , 提出了生物燃料乙醇的发展对策 。 关键词 : 生物燃料乙醇 ; 产业化 ; 研究概况 中图分类号 : S21612 文献标识码 : A 文章编号 : 100821631 ( 2009) 0420139203
木质纤维素是作物秸秆和农林剩余物的主要成分 。 利用生物转化技术可将木质纤维素转化为戊糖或己糖 , 并作为生物乙醇的材料 , 大幅提高生物乙醇转化率 , 降 低生产成本 。应开展以提高模式产物 (乙醇和乳酸 ) 收率和产品耐受性菌种的改造技术研究 , 以优化模式产 物 (乙醇和乳酸 ) 代谢途径 , 提高糖利用率的代谢工 程技术研究以及高效共代谢五碳糖 、六碳糖产乙醇的基 因工程细菌构建技术和连续生物合成技术 , 包括自固定 细胞生物合成技术 、固定床连续生物合成技术 、膜生物 反应器连续生物合成技术的研究 [15 ] 。
Abstract: The p roduction, utilization and industrialization of biofuel ethanol at home and abroad were described, the p roblems in the p roduction of biofuel ethanol in China were analyzed, and the development countermeasures were put forward. Key words: B iofuel ethanol; Industrialization; Research p rogress
3 我国生物燃料乙醇发展存在的问题
311 对生物燃料乙醇的认识不够 由于宣传力度不够等原因 , 造成人们对生物燃料乙
醇的利用及其具有环保 、高能和使用方便等特性的认识 不足 , 导致生物燃料乙醇的利用不能得到社会各界的广 泛支持 , 不能积极参与到生物质能源产业链条中去 , 生 物燃料乙醇产业化得不到大力发展 [9 ] 。 312 技术研究薄弱 , 产品技术含量低 , 资金短缺
术还缺乏竞争力 , 需要政府扶持和激励 , 以引导生物燃 料乙醇产业的健康发展 。 412 注重特有能源植物的筛选与高效培育技术研究
生物燃料乙醇制备 50%以上的成本来源于生物质 原材料 , 这是制约生物能源大规模产业化的根本原因 。 筛选 、培育和推广种植新型的适用当地土地种植的优良 能源植物 , 可大幅度降低生物燃料乙醇制备的成本 。针 对生物产量 、糖及淀粉含量等经济指标 , 应注重研究适 应不同生态条件下高产、优质和高效的配套栽培技术 [12]。 413 注重专用酒精酵母的筛选及分子改良技术研究
1 国外生物燃料乙醇发展概况
111 巴西 世界上最早开发生物燃料乙醇的国家是巴西 , 燃料
乙醇实现工业化生产也始于巴西 , 经过 20 多年的努力 , 巴西已成为燃料乙醇生产能力最大的国家 , 也是世界上 唯一不供应车用纯汽油的国家 [2 ] 。目前 , 巴西生物乙醇 产量已占世界生物乙醇总产量的 35% , 是世界最大的 生物乙醇出口国 。国际能源组织 ( IEA ) 的研究表明 , 巴西的生物乙醇不但生产能力最大 , 而且生产成本最 低 , 这是因为巴西的蔗糖产量高 、联合发电设施被有效 使用 , 以及劳动力成本低等 。巴西是世界上使用以酒精 为汽车燃 料 最 成 功 的 国 家 之 一 , 不 仅 其 车 辆 燃 料 的 40%是用甘蔗生产的酒精燃料 , 而且还研制出世界首架 酒精燃料飞机 [3 ] 。 112 美国
5 结语
为促进我国生物燃料乙醇技术的发展 , 适应世界可 再生能源发展的潮流 , 结合我国生物燃料乙醇资源和技 术特点 、产业基础及社会和经济发展的要求 , 在广泛吸
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
亚太地区农业资源丰富但能源短缺 , 因此燃料乙醇 市场的潜力巨大 , 其中印度已在 9个州和另外 3 个地区 指令调合 5%乙醇 , 日本也开始着眼于 ETBE的应用 。
2 我国生物燃料乙醇发展概况
我国在 “七五 ”和 “八五 ”期间就将 “甜高粱茎 秆制取乙醇 ”立项 , 并将其列入 “九五 ”和 “十五 ” 国家重点科技攻关计划 、“十一五 ”中长期发展规划 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·140·
河北农业科学
2009 年
2007年 7月农业部倡导利用荒山 , 荒坡和盐碱地等边际 性土地种植甜高粱 、甘薯 、木薯和甘蔗等能源作物 。同 时 , 我国自行研制的燃料乙醇生产装备已接近国际先进 水平 , 自行培育的能源植物 ———甜高粱的农艺性状和工 业性能也处于世界先进水平 , 已在山东 、内蒙 、新疆等 地规模化种植 , 并进行乙醇生产试验 [7 ] 。
YUAN Bo, FENG Fu2ying (B ioengineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)
木质纤维素通过微生物产生的纤维素酶降解为可发 酵ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ , 可替代现有的粮食淀粉原料生产乙醇 、乳酸 、氨 基酸和抗生素等产品 。而纤维素生物降解为葡萄糖技术 是国际公认的难题 , 也是最有前途的技术之一 。其技术 关键是高效降解木质纤维素的微生物菌种的筛选与基因 工程菌的构建 [14 ] 。因此 , 应开展高活性纤维素酶生产 菌种的筛选及复合微生物协同产酶技术 、高活力纤维素 酶解基因工程菌 (或菌群 ) 的构建 、木质素降解真菌 与真菌菌群的筛选与构建 、纤维素酶解反应器与可发酵 糖在线分离与脱毒技术的研究 。 415 注重木质纤维素生物转化工艺关键技术研究
读 , 研究方向为生物质能源 。
为燃料乙醇的发展提供了良好的法律基础 。美国还设立 基金 , 支持以各种生物质为原料的乙醇汽油生产技术的 开发 。根据美国生物技术工业组织的统计 , 美国每年可 利用纤维素生产乙醇 2 650万 t[4 ] 。 113 加拿大
加拿大采取免税政策来促进生物乙醇的发展 。加拿 大拥有世界唯一的纤维素乙醇工厂 ———Logen生物技术 公司 , 该公司是以生物质为原料生产乙醇的大规模工业 化公司 , 年产量达到 100 万加仑 [5 ] 。2004 年 , Logen公 司借助酶使小麦秸秆转化为糖类 , 然后通过发酵转化为 乙醇 , 从而实现以纤维为原料大规模生产乙醇 。生物乙 醇的使用 , 大大降低了加拿大对石油进口的依赖 。 114 欧盟等国家
从 20世纪 70年代开始美国就利用玉米生产燃料乙 醇 。从 1978年的 《能源税收法案 》到 2005年的 《新能 源法案 》, 美国政府制定了一系列燃料乙醇的相关政策 ,
收稿日期 : 2009203214 作者简介 : 袁 博 ( 1982 - ) , 男 , 蒙古族 , 内蒙古赤峰人 , 硕士在
技术难度大 、开发利用成本较高等问题制约了生物 燃料乙醇产业的发展 。因此 , 加强生物燃料乙醇利用技 术的研究 , 开发新产品 , 努力降低成本 , 是推动生物质 能产业快速发展的重要途径 [10 ] 。 313 生物燃料乙醇的体系不完善
生物燃料乙醇的资源评价 、技术标准 、产品检测和 认证等体系不完善 , 没有明确的技术标准和严格的技术 监督 , 缺乏统一的规划 , 没有形成支撑生物燃料乙醇产 业发展的技术服务体系 。 314 生物燃料乙醇产业市场保障机制还不够完善 [11 ]
我国在利用纤维素制取燃料乙醇技术方面也取得了 一定的进展 。国家 863计划课题 “纤维素废弃物制取乙 醇技术 ”通过生化法和热转化法的有机结合 , 达到年产 乙醇 600 t的规模 。山东大学和河南农业大学与河南天 冠集团合作 , 在纤维素原料预处理和乙醇转化技术开发 方面取得了一定的突破 , 使原料转化率超过 18% , 即 6 t秸秆可生产 1 t乙醇 , 1条年产 300 t乙醇的中试生产 线已建成投产 。此外 , 还成功开发了新型酒精发酵设 备 , 可明显缩短发酵周期 , 解决纤维乙醇发酵后酒精浓 度过低的难题 。中石油在吉林的燃料乙醇公司正开展以 玉米秸秆为原料工业化示范项目研究论证 ; 安徽丰原集 团与国内有关大专院校在原料预处理和纤维素酶的培育 等方面也取得初步成果 [8 ] 。中国科学院过程工程研究所 已在山东泽生生物科技有限公司建立了年产 3 000 t秸秆 酶解发酵燃料乙醇产业化示范工程 。
近年来 , 虽然我国逐步加大了对生物燃料乙醇发展 的支持力度 , 但由于没有建立起强制性的市场保障政 策 , 无法形成稳定的市场需求 , 生物燃料乙醇发展缺少 持续的市场拉动 , 导致生物燃料乙醇新技术发展缓慢 。
4 我国生物燃料乙醇的发展对策
411 加强政府引导 在现有的技术水平和政策环境下 , 生物燃料乙醇技
酒精酵母是乙醇的生物转化中最后的关键步骤 。因 此 , 酒精酵母直接关系到生物乙醇转化率和生产成本 。 作为生命体 , 不同来源 、不同种类的酒精酵母存在各种 各样的差异 , 表现在环境适应性 、生命力 、生物活性和 生产能力等方面 。因此 , 专用酒精酵母的筛选 , 特别是 适合我国旱 、寒荒漠区极端生态环境的专用酒精酵母的 筛选及其分 子 改 良 对 生 物 乙 醇 产 业 具 有 极 为 重 要 的 作 用 [13 ] 。应开展高抗 、广谱 、高效专用酒精酵母的筛选 , 酒精酵母的离子束生物技术改良及其分子机理研究以及 糖基原料乙醇转化专用酒精酵母复合菌剂产业化关键技 术的研究 。 414 注重生物质高效转化微生物筛选及其构建技术研究
生物燃料乙醇是利用高糖植物 、淀粉类植物或纤维 物质 , 通过发酵工艺 、生物技术和化工手段获得的 。目 前用于生产生物燃料乙醇的材料包括谷物 、甜高粱 、木 薯 、甘薯 、甜菜 、甘蔗 、秸秆 、木料和废弃木等 。统计 表明 , 2005 年 全 世 界 生 物 燃 料 乙 醇 的 总 产 量 约 为 3 000万 t[1 ] 。由于生物燃料乙醇的应用可以减少对石油 进口的依赖 、减少财政赤字 、创造就业机会 、减少二氧 化碳排放量 , 从而减轻对环境的污染 。因此 , 生物燃料 乙醇被认为是最具潜力的生物能源形式 , 被广泛用于工 业生产 。
欧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) 直接调和而成 。相对其他国家 , 欧 盟国家生物燃料乙醇的成本最高 , 这是由于欧盟主要农 作物 (小 麦 、黑 麦 和 大 麦 ) 都 比 玉 米 更 难 转 化 为 乙 醇 [6 ] 。对此 , 丹麦 Novozyers公司开发出 3 种能提高生 产率达 20%的酶 , 并且可以获得高质量的乙醇 。英国 已经在诺福克建立了该国第 1个生物乙醇工厂 ———Sugar 公司 。2006年 2 月瑞典宣布 , 在 15 a 内成为世界上第 1个不依赖石油的国家 。欧盟新的木质素和纤维素乙醇 工程已经高速发展了 4 a。 115 亚太地区
河北农业科学 , 2009, 13 (4) : 139 - 141 Journal of Hebei Agricultural Sciences
编辑 李布青
生物燃料乙醇产业化研究进展
袁 博 , 冯福应 (内蒙古农业大学生物工程学院 , 内蒙古 呼和浩特 010018)
摘要 : 阐述了国内外生物燃料乙醇的生产 、使用及产业化等现状 , 分析了我国生物燃料乙醇生产存在的问题 , 提出了生物燃料乙醇的发展对策 。 关键词 : 生物燃料乙醇 ; 产业化 ; 研究概况 中图分类号 : S21612 文献标识码 : A 文章编号 : 100821631 ( 2009) 0420139203
木质纤维素是作物秸秆和农林剩余物的主要成分 。 利用生物转化技术可将木质纤维素转化为戊糖或己糖 , 并作为生物乙醇的材料 , 大幅提高生物乙醇转化率 , 降 低生产成本 。应开展以提高模式产物 (乙醇和乳酸 ) 收率和产品耐受性菌种的改造技术研究 , 以优化模式产 物 (乙醇和乳酸 ) 代谢途径 , 提高糖利用率的代谢工 程技术研究以及高效共代谢五碳糖 、六碳糖产乙醇的基 因工程细菌构建技术和连续生物合成技术 , 包括自固定 细胞生物合成技术 、固定床连续生物合成技术 、膜生物 反应器连续生物合成技术的研究 [15 ] 。
Abstract: The p roduction, utilization and industrialization of biofuel ethanol at home and abroad were described, the p roblems in the p roduction of biofuel ethanol in China were analyzed, and the development countermeasures were put forward. Key words: B iofuel ethanol; Industrialization; Research p rogress
3 我国生物燃料乙醇发展存在的问题
311 对生物燃料乙醇的认识不够 由于宣传力度不够等原因 , 造成人们对生物燃料乙
醇的利用及其具有环保 、高能和使用方便等特性的认识 不足 , 导致生物燃料乙醇的利用不能得到社会各界的广 泛支持 , 不能积极参与到生物质能源产业链条中去 , 生 物燃料乙醇产业化得不到大力发展 [9 ] 。 312 技术研究薄弱 , 产品技术含量低 , 资金短缺
术还缺乏竞争力 , 需要政府扶持和激励 , 以引导生物燃 料乙醇产业的健康发展 。 412 注重特有能源植物的筛选与高效培育技术研究
生物燃料乙醇制备 50%以上的成本来源于生物质 原材料 , 这是制约生物能源大规模产业化的根本原因 。 筛选 、培育和推广种植新型的适用当地土地种植的优良 能源植物 , 可大幅度降低生物燃料乙醇制备的成本 。针 对生物产量 、糖及淀粉含量等经济指标 , 应注重研究适 应不同生态条件下高产、优质和高效的配套栽培技术 [12]。 413 注重专用酒精酵母的筛选及分子改良技术研究
1 国外生物燃料乙醇发展概况
111 巴西 世界上最早开发生物燃料乙醇的国家是巴西 , 燃料
乙醇实现工业化生产也始于巴西 , 经过 20 多年的努力 , 巴西已成为燃料乙醇生产能力最大的国家 , 也是世界上 唯一不供应车用纯汽油的国家 [2 ] 。目前 , 巴西生物乙醇 产量已占世界生物乙醇总产量的 35% , 是世界最大的 生物乙醇出口国 。国际能源组织 ( IEA ) 的研究表明 , 巴西的生物乙醇不但生产能力最大 , 而且生产成本最 低 , 这是因为巴西的蔗糖产量高 、联合发电设施被有效 使用 , 以及劳动力成本低等 。巴西是世界上使用以酒精 为汽车燃 料 最 成 功 的 国 家 之 一 , 不 仅 其 车 辆 燃 料 的 40%是用甘蔗生产的酒精燃料 , 而且还研制出世界首架 酒精燃料飞机 [3 ] 。 112 美国
5 结语
为促进我国生物燃料乙醇技术的发展 , 适应世界可 再生能源发展的潮流 , 结合我国生物燃料乙醇资源和技 术特点 、产业基础及社会和经济发展的要求 , 在广泛吸
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
亚太地区农业资源丰富但能源短缺 , 因此燃料乙醇 市场的潜力巨大 , 其中印度已在 9个州和另外 3 个地区 指令调合 5%乙醇 , 日本也开始着眼于 ETBE的应用 。
2 我国生物燃料乙醇发展概况
我国在 “七五 ”和 “八五 ”期间就将 “甜高粱茎 秆制取乙醇 ”立项 , 并将其列入 “九五 ”和 “十五 ” 国家重点科技攻关计划 、“十一五 ”中长期发展规划 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·140·
河北农业科学
2009 年
2007年 7月农业部倡导利用荒山 , 荒坡和盐碱地等边际 性土地种植甜高粱 、甘薯 、木薯和甘蔗等能源作物 。同 时 , 我国自行研制的燃料乙醇生产装备已接近国际先进 水平 , 自行培育的能源植物 ———甜高粱的农艺性状和工 业性能也处于世界先进水平 , 已在山东 、内蒙 、新疆等 地规模化种植 , 并进行乙醇生产试验 [7 ] 。