生物乙醇技术概论

生物乙醇技术概论
余迪
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摘要：生物乙醇是以生物质为原料生产的可再生能源。

它可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。

汽油掺乙醇有两个作用：一是乙醇辛烷值高达115，可以取代污染环境的含铅添加剂来改善汽油的防爆性能；二是乙醇含氧量高，可以改善燃烧，减少发动机内的碳沉淀和-氧化碳等不完全燃烧污染物排放。

同体积的生物乙醇汽油和汽油相比，燃烧热值低30％左右，但因为只掺入10％，热值减少不显著，而且不需要改造发动机就可以使用。

本篇文章主要是对国内外各类燃料乙醇加工制取工艺进行大致介绍，并分析当今世界生物燃料乙醇生产的发展趋势。

关键词：生物质，燃料乙醇，发酵，工艺，能源。

1.生物乙醇简介
生物乙醇是以富含淀粉，糖分的生物质为原料通过发酵和蒸馏提纯制得的乙醇，属于可再生资源。

生物质原料包括玉米，高粱，小麦，大麦，甘蔗，甜菜，土豆等含糖类和淀粉的农作物。

此外城市垃圾，甘蔗渣，小树干，木片碎屑等纤维质原料也可用来生产生物乙醇。

目前生物乙醇主要来自于谷物粮食发酵，该工艺生产技术已经相当成熟，但生产成本较高，且受到粮食安全等社会因素的制约。

生物乙醇最廉价的智取途径是废弃的农作物秸秆发酵。

生物乙醇可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。

汽油掺乙醇有两个作用：一是乙醇辛烷值高达115，可以取代污染环境的含铅添加剂来改善汽油的防爆性能；二是乙醇含氧量高，可以改善燃烧，减少发动机内的碳沉淀和-氧化碳等不完全燃烧污染物排放。

同体积的生物乙醇汽油和汽油相比，燃烧热值低30％左右，但因为只掺入10％，热值减少不显著，而且不需要改造发动机就可以使用。

2. 燃料乙醇
燃料乙醇是一种绿色可再生资源，随着科学技术的发展，粮食和各种植物纤维都可以加工生产出燃料乙醇，燃料乙醇的原料来源相当丰富，而且可以循环再生。

燃料乙醇的出现不仅仅减少了对石油资源的依赖，燃料乙醇还可以很大程度的改善汽车尾气污染和提升发动机燃烧效率。

由于乙醇是燃油氧化处理的增氧剂，可以使汽油增加内氧燃烧充分，达到节能和环保目的。

与用石油生产的汽油相比，生物乙醇在燃烧时释放到大气中的二氧化碳要少得多，最高可使二氧化碳的排放量比汽油减少90%。

另外，乙醇具有极好的抗爆性能，辛烷值一般都在120左右，它可有效提高汽油的抗爆性(辛烷值)。

不过在现有汽油发动机上，单纯的换用燃料乙醇也会在燃烧值、动力性和耐腐蚀性上产生一定的性能下降，并不能很好体现燃料乙醇的优势。

因此燃料乙醇专用发动机便应运而生。

通用公司在上海车展上展示了使用E100纯生物燃料乙醇的萨博Biopower100概念车，这台针对燃料乙醇特殊改进的概念车向世人证明了燃料乙醇的真正实力。

它采用 2.0升直列四缸排列，配合涡轮增压技术，并且这台特殊的纯燃料乙醇(E100)发动机达到了量产水准。

其最大功率高达220kW，最大扭矩可达400Nm。

萨博Biopower100概念车从静止加速到100km/h仅需6.6秒。

高达110kW的升功率充分证明了生物燃料技术的潜力。

体积小巧、动力强劲的发动机同样可以使用再生能源，并且实现清洁排放，这足以让人们对燃料乙醇动力性弱，实用性低的传统认识发生改观。

3.燃料乙醇的制取工艺
生物质生产燃料乙醇的主要过程是：先将生物质转化成糖，再将糖发酵得到乙醇。

不同的生物质原料，糖化步骤不同。

【1】生产燃料乙醇的生物质原料资源可以分为三类：糖类，包括甘蔗、甜高粱、甜菜等；淀粉类，包括玉米、小麦、甘薯、木薯等；纤维素类，包括秸秆、麻类、农作物壳皮、树枝、落叶、林业边角余料等。

3.1糖类生物质原料生产燃料乙醇的工艺
目前工业上利用糖类原料生产乙醇的菌种多为酿酒酵母，酿酒酵母进入糖液的发酵体系后，体系中的糖分（主要是单糖和多糖）通过酵母的营养运输机制进入细胞内，在糖—乙醇转化酶系统的作用下，最终生成乙醇、CO2和热量。

【2】
在糖类生物质原料中，利用甜高粱汁液生产燃料电池具有更为广阔的前景。

甜高粱收获时，每公顷除可收获高粱籽6t外，还可收获秸秆75~300t，且耐盐碱、抗倒伏。

【3】大致步骤为：获取汁液，再进入酒精发酵过程，适当调节pH值，之后再进行酒精蒸馏。

发酵后的残渣可以综合利用，其BOD含量更高。

3.2淀粉类生物质原料生产燃料乙醇的工艺
淀粉类生物质发酵法制取乙醇要求原料富含碳水化合物，含蛋白质适量，少含或不含影响发酵的组分。

其原理为：在热水里淀粉颗粒会膨胀，有一部分淀粉溶解在水里，另一部分悬浮在水里，形成胶状淀粉糊。

进而在糖化酶作用下水解为被酵母利用的糖。

酵母菌利用这些糖进行发酵，在各种酶的催化下转化为乙醇。

【4】
3.3纤维素类生物质原料生产燃料乙醇的工艺
其主要步骤为：纤维素预处理、纤维素酶解、酵母发酵及乙醇分离。

由于纤维素生物质转换不能仅仅只使用酿酒酵母菌株，科学家利用重组酵母进行发酵，并采用同步糖化发酵工艺【5】，大大提高了乙醇产量。

发酵中，我们根据纤维素与半纤维素的性质采用不同的发酵方法相结合，如中科院生化工程国家重点实验室的陈洪章【6】等提出的秸秆分层多级转化液体燃料构思，将产量提高了60%。

图1 非粮原料生产乙醇的工艺路线
4.生物燃料乙醇的研究现状及发展前景
太阳能发电、风力发电利用的特点是不受资源量的限制，开发的焦点集中在技术方面，即如何更高效地利用这些巨大的资源。

与太阳能发电、风电等新能源利用方式有所不同，生物燃料的利用不仅要受技术方面的制约，更受到资源量及可获得性方面的制约，因此生物质原料的低廉、稳定、足量供应成为生物燃料利用能否取得成功的最关键因素。

由于目前全球
燃料乙醇的生产主要以农作物为原料，因此其生产开发必然受到农业、土地等资源的限制。

近两年来，各大能源消费国竞先寻求替代石油的新能源。

美国和欧洲不约而同地都选择生物燃料乙醇作为主要的替代运输燃料，并制订了雄心勃勃的开发计划。

2007年1月，美国总统布什在《国情咨文》中宣称，美国计划在今后10年中将其国内的汽油消费量减少20%，其中15%通过使用替代燃料实现，计划到2017年燃料乙醇的年使用量达到1325亿升，是目前年使用量的7倍。

2007年3月，欧盟27国出台了新的共同能源政策，计划到2020年实现生物燃料乙醇使用量占车用燃料的10%。

中国开发生物燃料乙醇的热潮也在近两年骤然升温。

2005年，中国生产燃料乙醇125万吨，2006年增长到133万吨。

中国燃料乙醇的消费量已占汽油消费量的20%左右。

目前，我国生物燃料乙醇生产技术已经日趋成熟，部分地区出现车用乙醇汽油替代普通无铅汽油，成为继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和消费国。

【5】
国务院常务会议审议并原则通过《可再生能源中长期发展规划》，我国将停止在建粮食乙醇燃料项目，在不得占用耕地，不得消耗粮食，不得破坏生态环境的原则下，坚持发展非粮燃料乙醇。

可以说，这一决定的主旨是让燃料乙醇项目紧急“刹车”。

此举意味着，各地一哄而上的粮食燃料乙醇项目将受阻。

市场化是趋势国家对于企业还采取了利润补贴、税收支持等多种方式，来支持燃料产业的发展。

目前我国燃料乙醇行业，还处在“以产定销、计划供应”阶段，离市场化竞争和运作尚存在较大的距离。

而且，相关企业缺乏相应的市场操作经验和思想准备。

未来几年国家对于燃料乙醇的支持方式将进行转变，从成本加利润，到定额补贴，再到2008年底取消补贴，意味着国家将逐步放开，实现燃料乙醇完全市场化。

【6】进入门槛将提高.针对部分地区产业过热倾向，国家发改委、财政部将联手加强生物燃料乙醇项目建设管理，除试点工程外，任何地区的燃料乙醇项目核准和建设一律要报国家审定。

同时，政策技术门槛也将提高。

比如，从水耗来说，将来１吨料乙醇水耗要控制在５吨以下，目前这个数字至少是10吨；产１吨乙醇煤耗要降低到500公斤以下，与国际同步；COD（化学耗氧化物）排放也有较高标准。

5.第二代生物乙醇的介绍
第一代转化技术
以玉米（包谷）等富含淀粉的蔗糖类粮食作物和谷物为原料生产燃料乙醇。

第1.5 代转化技术
以木薯、甜高粱等富含淀粉的非粮食作物为原料生产燃料乙醇。

第二代转化技术
利用木质纤维素，主要是来源于玉米秸秆等农作物废弃物的生物质以及生物量较大的木本和草本科植物，生产燃料乙醇。

目前所说的第二代生物乙醇主要就是指木质纤维素原料乙醇。

利用木质纤维素作为能源资源具有如下优点：一是属于可再生资源，而且再生能力很强，可长期受益；二是减少污染，保护环境，维持生态平衡；三是没有核能的危险性以及风能、潮汐能和地热能的局限性。

另外，研究和开发适合在边际土地种植的、可再生的、环境友好的多年生草本能源作物，不仅能产生良好的经济效益同时也能形成长期的环境效益【7】。

6.结论
由于燃料乙醇的应用可以带来巨大的经济、社会和环境效应，所以世界各国对它已有了不同程度的研究和应用。

随着现代生物技术与工程技术的不断发展，高产菌株的获取将变得相对容易，发酵工艺及精一馏技术也得到不断改进，这些都为燃料乙醇的大规模生产提供了技术保证。

发展燃料乙醇可解决我国的石油资源短缺和环境污染等问题，有利于保证国家能
源安全和社会的可持续发展。

随着燃料乙醇的研究领域和应用范围不断扩展，燃料乙醇在可再生燃料市场中将占据主要地位，发展前景广阔。

7.参考文献
【1】柴梅，颜涌捷．生物质生产燃料乙醇技术的研究[J].上海节能,2006,(6):71-74
【2】王凡强，许平．产乙醇工程菌研究进展[J].微生物学.2006,46(4):673-675
【3】黎大爵．甜高粱可持续农业生态系统研究[J]中国农业科学,2002,3(58):1021-1024
【4】刘荣厚，梅晓岩，颜涌捷．燃料乙醇制取工艺与实例[M].北京：化学工业出版社，2007【5】kadar Zs,Szengyel,Reczey K．SSF of industrial wastes for the production of ethanol[J].Industrial Crops and Products，2004,20（1）：103-110
【6】陈洪章，徐建，姚建中，等．秸秆分层多级液体燃料新工艺的研究进展[J].生物加工过程2005,3(1):9-13
【7】李志军．生物燃料乙醇发展现状、问题与政策建议[J].中国生物工程杂志China Biotechnology，2008,28(7)：139-142.。