纤维素乙醇的综述

纤维素乙醇的综述

摘要：纤维素乙醇是一种清洁且资源丰富的可再生能源。发展纤维素乙醇是解决我国能源安全、生态环境保护和三农等问题的重要切入点之一。能源作为现代社会赖以生存和发展的基础,受到世界各国的广泛关注。目前,石油、煤炭、天然气等化石燃料在价格不断上涨的同时,正面临资源枯竭的危险。由于我国石油储量有限,大量进口石油必然对我国的能源安全造成威胁。又化石能源在生产和使用的过程中所排放的二氧化碳和各类污染气体，故综述了目前国内外对生物乙醇的开发利用现状,同时提出了提高纤维素乙醇产量的方法,包括提高能源植物的生物量和品质,并指出纤维素乙醇发酵过程中存在的问题。关键词：纤维素乙醇；木质纤维素；纤维素酶；燃料乙醇

前言

随着科学技术的发展和机械化程度的提高，燃料能源短缺现象日趋严重。现代社会面临着严重的能源危机,发展燃料乙醇作为化石燃料的替代品已经成为国际上的广泛共识。就燃料乙醇的生产原料而言,以玉米等粮食作物为主的乙醇生产会与人争粮,从长远看,包括木材

废料、农作物秸秆在内的木质纤维素类物质是最具前景的燃料乙醇生产原料。开发石化能源的替代平已成为全世界关注的焦点。生物质是唯一可以转化为液体燃料的可再生资源，将生物质转化为液体燃料，不仅能够弥补化石燃料的不足，而且有助于保护生态环境。鉴于以上

种种原因，开发利用可替代能源迫在眉睫。乙醇能源以其环保、可再生、资源丰富等优点已成为一种重要的替代能源。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，也是当前利用率最低的资源，是各国新资源战略的重点。中国可利用的木质纤维素每年在7亿吨左右，这些丰富而廉价的自然资源主要来源于农林业废弃物、工业废弃物和城市废弃物。所以，纤维素乙醇是未来发展的必然方向。

1 纤维素乙醇的介绍

纤维素乙醇来源于秸秆、草皮、树皮和城市垃圾等，在解决能源短缺问题的同时，又有助于解决环境污染问题，一举两得。纤维素乙醇与利用玉米等农作物提取乙醇的传统方法相比，不存在与人争粮的问题，其产业化更可以变废为宝。纤维素乙醇在燃烧时产生的能量高于生产时消耗的能量，燃烧时温室气体排放量不仅比汽油减少90%，而且远低于谷物类乙醇燃料，避免了温室效应现象的出现。研究结果表明，所有汽车不用任何改装，就可以使用加入10%乙醇燃料的汽油。

能源问题是当今世界各国都面临的关系国家安全和经济社会可

持续发展的中心议题，已经成为全球关注的焦点。因此，人们开始把目光转移到有利于社会可持续发展的可再生能源体系。专家认为，生物质资源转化体系是引领第三次世界能源革命的技术平台。在此背景下，燃料乙醇已经被视为替代和节约汽油的最佳燃料，其高效的转换技术和洁净利用日益受到全世界的重视，已经被广泛认为是21世纪发展循环经济的有效途径。在中国，燃料乙醇的主要原料是玉米和小麦。随着燃料乙醇的快速发展，原料问题日益突出，成为制约燃料乙

醇发展的瓶颈；另外，以粮食作物为原料的燃料乙醇产业发展还有可能引发国家粮食安全问题。因此，中国政府提出生物乙醇坚持非粮之路，即“不与人争粮，不与粮争地”。经济分析显示，中国发展纤维素乙醇有更大的优势。

2 纤维素乙醇的制取方法

纤维素乙醇的生产方法主要分为两大类：生物质水解糖发酵法和生物质合成气制取乙醇法。

（1）生物质水解糖发酵法

曾经取得水解糖发酵法制取乙醇中试和生产实验结果的是浓盐酸和浓硫酸水解法；目前成功工业化的是稀硫酸渗滤水解法；正在大力研究，并具有开发潜力的是酶水解法生产工艺。酶水解具有反应温度低、过程能耗低、糖产率高等优点。由于纤维类物质的特殊构造及纤维素酶的水解效率低，导致纤维素乙醇生产成本高，无法与粮食乙醇相竞争。

（2）生物合成气制取纤维素乙醇法

生物质合成气制备乙醇的方法集成了热化学和生物发酵两种工艺过程。首先，通过气化反应装置把生物质转化成富含CO、CO2和H 2的中间气体，这些气体被称作生物质合成气；然后，再通过化学催化转化或微生物发酵技术将其转化为乙醇。生物质合成气制乙醇工艺过程可将全部生物质通过流化床气化过程转化成合成气，既提高生物质的利用率，也可解决木质素废液的处理问题。

3 国内外研究及应用现状

国内纤维素乙醇研究与应用现状：我国在纤维素乙醇技术开发上也取得了一些重要进展。浙江大学主持的“利用农业纤维废弃物代替粮食生产酒精”的项目已在河北完成中试生产，以玉米芯为原料，乙醇产率为22.2%（W/W）。南京林业大学建立了玉米秸秆间歇蒸汽爆破预处理、纤维素酶水解和戊糖己糖同步发酵技术制取纤维乙醇的中试装置。水解得率为71.3%，还原糖利用率和乙醇得率分别为87.17%和0.43%。华东理工大学于2005年已建成了纤维乙醇600吨/年的示范性工厂，以废木屑为原料，以稀盐酸水解和氯化亚铁为催化剂的水解工艺以及葡萄糖与木糖的发酵，转化率达到了70%。河南农业大学利用黄胞原毛平革菌和杂色云芝的复合预处理，对选择性降解木质素的能力和规律进行了试验研究。生物降解后原料水解率达到了36.6 7%。山东大学微生物技术国家重点实验室主要开展“纤维素原料转化乙醇关键技术”研究。对纤维素酶高产菌的筛选和诱变育种、用基因手段提高产酶量或改进酶系组成、纤维素酶生产技术等研究。吉林轻工业设计研究院“玉米秸秆湿氧化预处理生产乙醇”在实验室规模为1 0L发酵罐条件下，经湿氧化预处理和酶水解后酶解率86.4 %；糖转化为乙醇产率48.2 %。

国外纤维素乙醇的研究与应用现状：随着现代工业的迅速发展，大规模开发利用作为清洁能源的可再生资源显得日益重要。许多国家都制定了相应的开发研究计划，例如：美国的“能源农场”、巴西的“酒精能源计划”、印度的“绿色能源工程”和日本的“阳光计划”等发展规划。其它诸如丹麦、荷兰、德国等国，多年来一直在进行各

自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。美国在燃料乙醇的生产上仍然是世界乙醇生产的领头羊，在将纤维素转化为燃料酒精的研究、生产和应用方面也走在世界的前列。美国加州大学Berkeley分校采用的流程是纤维素水解与发酵同步进行，该工艺以粉碎的玉米芯为原料，再用稀酸水解，将半纤维素水解成木糖等产物。该流程的酸水解是连续进行的，反应器中的纤维原料含量为5%，玉米芯水解率达40%，水解液中糖为2.6%，然后采用多效蒸发器浓缩至糖浓度为11%再进行发酵。美国维吉尼亚州立大学利用80%的浓磷酸循环使用进行木质纤维素“溶解性分离”的研究，然后经纤维素酶水解，得到较纯的葡萄糖，其得率达到35%。瑞典隆德大学Karin Ohgren等研究了将蒸汽爆破预处理后的玉米秸秆进行同步糖化与发酵的工艺研究，试验结果表明，发酵结束后乙醇达到25g/L。

总的来说，迄今为止，全世界已经建有几十套纤维质原料经纤维素酶水解成单糖的中试生产线或小试生产线。纤维燃料乙醇在国内外研究正步入一个新的时代，在一些关键技术上取得了重要的进展，并建立了多个示范性工厂。但整体上，由于在纤维素酶生产技术、戊糖己糖发酵菌株构建等方面还没有取得根本性的突破，所以距离纤维素乙醇的产业化还有一定的距离。

4 发展纤维素乙醇的意义

生物能源主要有生物柴油和生物乙醇等形式。生物柴油与普通柴油相比，具有可再生、已于生物降解、燃烧污染物排放低、温室气体