燃料乙醇生产原料技术分析

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○高校讲坛○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００８ 年 第 １４ 期
燃料乙醇生产原料技术分析
刘超超 孙 然 李海亮 （ 中国矿业大学 江苏 徐州 ２２１００８）
【摘 要】燃料乙醇， 有较高辛烷值， 按合适比例调入汽油中， 会提高汽油的辛烷值， 降低汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放， 减少环 境污染。生产燃料乙醇的原料丰富， 从粮食作物到经济作物再到新兴的木质纤维素。随着降低生产成本的需求日益强烈， 人们不断寻求原料与 生产工艺的最优结合。
【关键词】燃料乙醇； 生产原料； 生产工艺
随着世界化石能源的日趋匮乏， 石油类产品价格日益攀升， 开发 一 种 绿 色 可 持 续 的 能 源 已 经 变 得 相 当 急 迫 。乙 醇 作 为 一 种 生 产 工 艺 成 熟， 生产原料来源广泛的替代能源越来越受到人们的关注。
乙醇既是一种基本的化工原料， 又是一种绿色新能源。未来乙醇 的市场方向将主要体现在三个方面：
１．１ 粮食类作物 目前， 市场上生产燃料乙醇较为成熟的技术主要是依靠玉米、小 麦等粮食类作物为生产原料。在我国， 目前的燃料乙醇生产企业基本 是以采购新粮进行生产的， 但粮食产量的增长已远不能满足企业的生 产需求。以粮食作物为原料生产燃料乙醇已引起了粮食短缺， 鉴于此， 国 家 在 《可 再 生 能 源 发 展 “十 一 五 ”规 划 》中 明 确 了 “非 粮 ”的 发 展 方 向 ， 并将采取措施逐步抑制以粮食为原料进行的燃料乙醇的生产。 １．２ 经济类作物 以经济类作物甘蔗、高粱、木薯等生产燃料乙醇， 基本上解决了与 民争粮的问题。此类作物产量高， 含糖量高， 抗旱， 抗盐碱， 且生产成本 较低，具有很大发展前景。尤其是木薯， 有超常的气候资源利用率， 单 位面积的光合作用能力和生物能量生产水平最高， 适应性广泛， 淀粉 含量高等优势， 生产成本较玉米为低。目前发展经济类作物存在的主 要问题是品种单一， 种性退化较严重， 单产量低， 需要进一步改进种植 技术， 提高单产量。 １．３ 木质纤维素 从 更 长 时 期 来 看 ， 粮 食 、经 济 作 物 只 是 生 产 燃 料 乙 醇 的 过 渡 性 原 料， 还不足以改变中国整个能源结构。承担改变中国能源结构重任的， 是 在 全 国 比 比 皆 是 的 以 秸 秆 为 代 表 的 植 物 纤 维 。纤 维 素 是 地 球 上 贮 量 最丰富的有机物， 我国每年农作物秸秆约 ７ 亿吨左右， 若能有效的被 利用来生产乙醇， 中国能源问题就能得到根本解决。但目前秸秆生产 乙醇普遍面临着技术不成熟（ 主要是纤维素分解成单糖） 的问题， 因此 生产成本较高。一旦技术获得突破进展， 实现工业化生产， 则对突破我 国资源瓶颈将起到重要的作用。 以发展的眼光看， 解决燃料乙醇大量使用时所需原料问题的途径 将最终转向纤维， 依靠生物技术、基因技术等高新技术的发展， 通过筛 选种植高能 、高 产 生 物 资 源 ， 利 用 我 国 大 量 农 业 废 弃 资 源 和 工 业 废 弃 物资源， 开发和实现利用纤维素生产酒精技术的产业化， 可为燃料乙 醇生产提供取之不尽的可再生植物原料。 ２．燃料乙醇生产工艺现状分析 ２．１ 先糖化后发酵（ ＳＨＦ） 传统的乙醇生产工艺都是先糖化再发酵， 即有机底物先被纤维素 酶、淀粉酶、糖化酶水解为可发酵的糖液， 然后在酒精酵母的作用下生 成乙醇和二氧化碳。但由于糖化的理想温度为 ５０℃， 而发酵的最佳温 度为 ２８－ ３５℃， 一般不超过 ３６℃， 因此， 糖化的醪液需先冷却到 ３０℃以 下， 才能进入发酵罐发酵， 而酵母发酵为放热， 发酵罐也需要冷却， 这 样要消耗大量冷却水， 再加上大量有机底物转化后使产物浓度增加， 产物的积累会抑制酶的活性， 使转化率降低， 因此既使设备利用率降 低 ， 生 产 工 艺 复 杂 ， 又 浪 费 了 能 源 ， 加 大 了 生 成 成 本 ， 在 强 调 “节 能 高 效”的今天， 这种方法必然不能满足人们的要求， 但由于发酵的温度不 高， 对酵母菌的耐热能力和高温发酵能力要求也就不高。
２．２ 边糖化边发酵 边糖化边发酵， 主要是针对纤维素类原料， 包括同时糖化戊糖单 独发酵（ ＳＳＦ） 法和同时糖化共发酵（ ＳＳＣＦ） 法。两者都是原料不经过预 先糖化， 而是预处理后直接进入发酵罐， 糖化和发酵在同一发酵罐中 进行， 但前者是水解和己糖发酵同时进行， 而分离出的戊糖单独发酵； 后 者 是 水 解 戊 糖 、己 糖 发 酵 同 时 进 行 。 这 种 操 作 方 法 免 去 了 专 门 的 糖 化工序， 使发酵罐中糖液浓度始终保持较低浓度， 从而减弱了产物对 酶的抑制作用， 提高原料的转化率， 生产过程比较平稳， 设备的利用率 较高。 同步糖化发酵法分为两种类型： 一种是采用酶糖化和微生物发酵 同步进行， 目前研究用绿色木霉纤维素酶和酿酒酵母同步糖化发酵经 汽 爆 处 理 后 的 毛 白 杨 木 粉 ， 醇 的 转 化 率 比 分 步 法 提 高 了 １．６ 倍 （ 同 步 糖化发酵法醇的转化率为 ８６％， 分步法为 ５３．７５％） 。另一种是糖化和 发酵都采用微生物同步进行即联合生物加工工艺 （ ＣＢＰ） ， 但 由 于 两 种 微生物之间存在互生、共生、寄生、拮抗、捕食等关系， 因此必须找到一 种和酵母菌能够共生的微生物。研究表明， 具有水解淀粉功能的酵母 菌和酿酒酵母及拟内胞霉菌和酿酒酵母同步糖化发酵淀粉， 可使乙醇 转化率达 ９３％。此外， 同步糖化发酵还可缩短生产周期。 但目前这两种方法都还不成熟， 存在较多的问题， 以木质纤维素 生产燃料乙醇为例， 用酶糖化时， 酶用量较大， 而酶价又较高， 且酶无 法回收利用， 因此生产成本居高不下， 这就要求更新的预处理工艺， 进 一步降低纤维素 的 聚 合 度 、结 晶 度 ， 破 坏 木 质 素 、半 纤 维 素 的 结 合 层 ， 脱去木质素， 增加与酶接触的有效比表面积， 以提高酶的催化效率， 减 少 酶 的 用 量 。 目 前 的 预 处 理 工 艺 从 物 理 法 的 机 械 破 坏 、微 波 或 超 声 波 等， 化学法的酸或碱处理， 到物理化学结合方法的蒸汽爆破技术和氨 冷冻爆破技术， 再到新兴的生物方法――真菌处理（ 主要是木腐菌中 的白腐菌、褐腐菌、软腐菌） ， 工艺在不断的研究改进中。由于糖化和发 酵同时进行 ， 而 二 者 温 度 的 矛 盾 必 然 要 求 选 育 、驯 化 一 株 高 温 发 酵 能 力强的菌株。另外， 废料的回收利用问题有待进一步解决。ＣＢＰ 法不但 存在以上问题， 还有糖化和发酵菌株的选育问题， 在生产过程中如何 避免杂菌污染的问题。 在 生 料 发 酵 中 一 般 也 采 用 这 种 生 产 工 艺 。生 料 发 酵 是 指 原 料 不 经 过蒸煮， 直接进行糖化和发酵。省去了高温蒸煮工艺， 降低了能源的消 耗， 简化了操作工序， 便于进行工业化生产。采用增香型生料酿酒高产 技术可减轻劳动强度 ６０％以上， 节约能源 ７０％以 上 ， 增 加 出 酒 率 ４０％ 以上， 大大降低了生产成本。 ２．３ 液化糖化连续发酵工艺 连续式操作是指分批式操作进行到一定阶段， 一方面将基质连续 不断的加入反应器内， 另一方面又把反应物料连续不断的取出， 使反 应条件（ 如反应液体积等） 不随时间变化的操作方式。具有易机械化、 自动化操作， 节约劳动力， 缩小反应器体积， 缩短生产周期， 减少操作 带来的污染， 产品质量较稳定等优点。但连续式培养要求原料品质均 一， 长时间发酵增加了杂菌污染或菌种变异的概率。而且反应过程较 难控制， 对设备和技术要求较高， 因此， 目前国内还不能实现燃料乙醇 的连续式发酵生产。 ２．４ 固定化发酵 固定化发酵， 活细胞可连续重复使用， 发酵罐中的细胞浓度始终 保持很大， 不但节省了用于细胞生长的糖类， 而且催化效率高， 乙醇产 生速度快， 产量也高。传统的乙醇生产工艺采用游离细胞发酵， 细胞随 发酵液不断流走， 使发酵液中菌种浓度降低， 乙醇产生速度慢， 发酵时 间长， 且所用发酵罐多， 设备利用率不高。研究采用固定化休哈塔假丝 酵母发酵杨木水解液， 发酵 １５ 小时， 糖的利用率达到（ 下转第 １３９ 页）
综上所述， 正是由于资本主义的政治经济发展不平衡最终酝酿了 第二次世界大战， 而德国民众国家和民族的屈辱被野心家利用、人民希 望 摆 脱 经 济 困 难 的 迫 切 、德 意 志 文 化 传 统 中 的 负 面 因 素 、英 、法 、美 的 绥 靖政策等等因素都加速了这一过程。１９３９ 年 ９ 月 １ 日凌晨， 德国军队利 用夜幕的掩护， 在 ２３００ 多架飞机的支援下， 对波兰发动突然袭击， 标志 著 一 场 世 界 性 的 战 争— — — 第 二 次 世 界 大 战 的 全 面 爆 发 。科
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他选择的。”［１５］与此相反， Ａ·Ｊ·Ｐ·泰勒就声称： “在我看来， 这就是有关 希 特 勒 是 否 有 意 发 动 战 争 这 个 问 题 的 关 键 。他 并 不 是 一 心 想 要 战 争 爆 发， 除非他可以使用某种聪明的诡计逃避战争， 如同他曾经逃避国内 战争一样。”［１６］奈教授也认为“泰勒的观点有点过份”。不过， 公正地讲， 希特勒的个人因素是导致二战的重要原因。
回顾历史， 可以看到， 希特勒上台之后， 开始疯狂的扩军备战， 他 利用纳粹扩张 与 集 权 的 理 念 ， 打 破 《凡 尔 赛 和 约 》对 德 国 军 力 的 限 制 ， 魔 术 般 地 打 造 了 一 支 现 代 化 的 庞 大 军 队 。尤 其 希 特 勒 对 闪 击 战 实 施 的 作用是不可忽视的。１９３２ 年， 希特勒曾说过， “下次战争将完全不同于 上次战争， 步兵攻击和密集队形将过时， 持续多年在固定的战线进行 的 呆 板 的 正 面 攻 击 将 不 会 再 现 。我 断 定 … … 我 们 将 再 次 获 得 机 动 作 战 的优越性。”［１７］１９３３ 年， 希特勒在一次现代武器表演会上， 当看到古德 里安的一支摩托化坦克部队通过训练场时， 不由得欣喜若狂， “这就是 我所希望的东西， 这就是我所需要的东西。”［１８］所以， 希特勒 的 思 想 与 古德里安的观点不谋而合。后来， 古德里安关于组建专门装甲师的建 议 ， 得 到 希 特 勒 的 积 极 支 持 ， 于 １９３５ 年 秋 ， 建 立 了 德 国 也 是 世 界 上 第 一批三个装甲师。