纤维素乙醇降低成本研究 科研训练报告

纤维素乙醇降低成本研究

一、课题摘要（简要说明课题的目的意义、主要研究内容、预期目标等。字数要求500字以内）

现代工业和交通运输等行业的迅速发展，导致了全球性能源、粮食和环境危机的日趋严重，这使得人类在迈入21世纪后面临着前所未有的挑战。世界许多国家为了应对化石资源的日益枯竭和环境的逐渐恶化，将目光逐渐转移到了大规模开发利用作为清洁能源的可再生资源。第一代燃料乙醇主要以玉米、小麦等粮食作物作为生产原料，日趋严峻的世界粮食安全角势让其渐失优势。而以非粮作物乙醇、纤维素乙醇和生物柴油等为代表的第二代生物燃料，成为未来生物质能源产业发展的方向。但是，纤维素的水解效率问题、水解废渣污染环境问题、水解糖液中有害物质影响酵母菌活性的问题、生产过程的能耗问题，导致纤维素乙醇生产成本过高，无法实现工业化生产，致使纤维素乙醇的研究与产业化开发的努力处于低潮状态。纤维素乙醇的高成本具体表现在预处理和精馏的高能耗，预处理废水、脱毒废水和发酵废水处理所导致的高额环境成本，纤维素酶的高价格，以及乙醇产品的低收率等方面。本实验对木质纤维素生物转化生产纤维素乙醇过程的各个加工工序进行了以过程节能和废水减排为目标的过程创新研究，应用了一系列具有工业价值的过程关键技术，为未来纤维素乙醇产业的降低成本提供了一个新型、完整的木质纤维素加工技术路线和一种资源节约型研发理念。

二、课题的目的、意义和必要性（说明课题选题对于科学研究及生产实践等方面产生的重要价值。基础研究需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；应用研究需结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。字数要求800字以内）

全球变暖、化石能源日渐消耗……引发了人们对新型、可再生能源的深刻思考。迄今，国内外采用不同技术手段、利用不同生物质材料、加工生产出不同形态的生物质能源，其战略性产品是生物燃料，主要包括生物燃料乙醇、生物柴油和沼气等。如巴西、美国、中国等国正积极开发、利用生物质燃料乙醇生产技术。与水电、太阳能、风能等常见的可再生能源不同，生物燃料属于含能体能源，在诸多方面与传统液体化石燃料相似，其可存储性、可运输性等优点是其它可再生能源所不可比拟的，具有较好的发展前景。但如果一如既往以大量粮食生产燃料乙醇势必和人“争食”、“争地”，造成人类生存隐患，走“非粮”路线是大势所趋。其中以纤维素乙醇最有前途，因为纤维素乙醇相对于生物柴油具有资源丰富、再生周期短、CO2和SO2等有害气体零排放等众多优点，更重要的是用于生产纤维素乙醇的能源作物对土地的适应性较强，在很多未开发利用的荒山荒地都可以种植，这样就不会引发粮食问题，也避免了资源枯竭的威胁，使能源保持持续稳定的发展，这对于满足社会能源需求以及维护能源安全具有十分重要的意义。

三、国内外现状和技术发展趋势

目前面临化石能源危机，一些农产品丰富的国家正大力发展乙醇供应市场。特别是以甘

蔗、玉米为原料的第一代燃料乙醇产业已形成规模，2009年世界各国燃料乙醇的总产量约为5860万吨，比2008年增加了12.7%，其中美国占54.1% [1]。燃料乙醇不仅部分解决了汽油紧张，为农民增加了收入，也促进了国家可持续发展战略。联合国工业发展组织在维也纳乙醇专题讨论会上提出：“乙醇应该被当作燃料和化工原料永久的和可供选择的来源”[2]。巴西从1975年开始实施“燃料乙醇计划”，为推广燃料乙醇，美国制定了积极的经济激励政策，日本重点研究利用农、林废弃物等植物纤维素制备燃料乙醇，欧盟、加拿大、菲律宾、墨西哥等国也在在积极进行着相关研究[3]。目前，我国生物燃料乙醇生产技术已经成熟，已成为世界上继巴西、美国之后的第三大生物燃料乙醇生产国和应用国。

西班牙Abengoa生物能源公司[4]在Salamanca地区建立的首家生物质乙醇厂；加拿大Iogen公司与Petro－Canada公司[5-6]共同投资，于2004 年底建立了世界上第一座木质纤维素乙醇中间试验工厂；瑞典O－vi的ETEK 乙醇厂[7]建成了一座10 m3的发酵罐、采用SHF 工艺的中间试验工厂；美国的Gulf Oil Chemical公司[8]建成了可处理1t/d纤维废料的中试车间。世界主要国家都制定了比较详细的生物燃料生产目标或混合目标。美国计划在2022年将生物燃料的产量由2007年的265亿L提高到1360亿L；欧盟计划在2020年使生物燃料在运输燃料中的比重达到10％；中国计划到2020年实现交通运输能源需求的15％来自生物燃料[9]。

根据国际货币基金组织世界经济展望报告，生产乙醇所消耗的粮食占了主要粮食作物消费增量的近一半。这几年高速发展的生物燃料产业拉动了对粮食的大量需求，不可避免地刺激了粮食价格的上涨。联合国粮农组织的数据显示，2006年全球基本农产品价格指数增幅仅为8%，2007年提高至24％，到2008年首季已高达53％。预计2017年前，小麦和植物油将分别涨价60％和80％[10]。虽然高粮价有助于保护粮农的利益，并在某种程度上推动着农村经济的发展，但同时也带来了粮食安全问题。我国生物燃料乙醇产业发展还处于起步阶段，其发展尚面临诸多困难和问题：原料不足，技术产业化基础薄弱，产品市场竞争力不强，政策和市场环境不完善[11]。

乙醇的生产原料主要有3类：第一类是含糖作物，如甘蔗、甜菜、甜高粱等；第二类是淀粉质作物，如玉米、小麦、高粱、木薯、红薯、马铃薯及菊芋等；第三类是纤维质原料，如秸秆、木屑、农作物壳皮及城乡固体垃圾等。目前，乙醇的生产技术仍处于第一代，所采用的原料包括第一类和第二类，以第三类为原料的纤维素乙醇技术属于第二代生物燃料技术，虽已开发成功但还不成熟[12]。木质纤维素的组成为: 纤维素约45% (由葡萄糖脱水，通过B-1，4葡萄糖苷键连接形成的直链聚合体，其酸水解或酶水解产物主要为葡萄糖) 、半纤维素约30%(由不同的多聚糖构成，水解产物主要为戊糖，其中以木糖为主)、木质素约25% ( 由复杂酚类聚合而成)[13]。

燃料乙醇生产路线：对于生物质衍生合成气制乙醇有并存、竞争的化学法、生物法两种转化技术：（1）生物法：纤维素、半纤维素，酸解或酶解或发酵→单糖(五碳、六碳糖)，化学、酶催化及微生物发酵→乙醇。（2）化学法：纤维素、半纤维素、木素及其它生物体有机物，热解→合成气(H2, CO)，化学或酶催化或微生物发酵→乙醇[14]。生物法具有选择性、活性好、反应条件温和等优点，但原料利用率低、反应时间长、产物浓度低及酶、微生物活性易受影响且纤维素降解和单糖转化所需酶、微生物适于不同反应条件，不能很好耦