从工业中西方看制乙醇工业

从工业中西方看制乙醇工业

随着石化能源的逐渐匮乏、粮食危机的频发、能源需求的增加和原油价格的持续上升，人们越来越意识到寻找清洁能源和能源的紧迫性。因此,越来越多的国家已将生物质能源产业作为一项重大的国家战略推进,纷纷投入巨资进行生物质能源的研发。20世纪70年代石油危机以来,一些国家开始尝试利用生物质资源生产液体燃料。其中由木质纤维素生产的燃料乙醇以其可再生性、无污染性和提高汽车的防爆性能等特点而被公认为是最有工业应用前景的可再生能源之一,得到了广泛的研究。1国内外关于纤维和乙醇的产业化发展1.1国外碳乙醇产业的发展1.1.1纤维质为酒精的工厂美国在将纤维质转化为燃料酒精的研究、生产和应用方面走在了世界的前列。1998年10月第一家商业性转化纤维质为酒精的工厂由BCInternational在路易斯安那Jennings开始破土动工,该厂以蔗渣和稻壳为原料,年产酒精20×106加仑,先进技术的应用使生产燃料乙醇的成本降低了2/3,约为每升0.24~0.34美元。除此之外,加利福尼亚和纽约用城市垃圾生产酒精的建厂计划亦在进行中。1.1.3美国专利废木屑生产燃料乙醇日本全国每年有1000万t废木屑,不少企业利用自行开发的技术或引进美国技术开展了以废木屑为原料生产燃料乙醇的工业试验。2003年5月投资5亿日元建成工试,目前日产乙醇2.50t。试成后拟建200t/d的商用装置,成本目标为25日元/L,将低于美国现有水平。1.1.4为原料的乙醇厂Abengoa是欧洲最大的乙醇生产厂,同时也是世界排名第二的生产厂家,是以小麦秸秆为原料生产乙醇的瑞典生产商。目前,Abengoa正努力建两个生物质乙醇厂,一个在西班牙,一个在美国,两个都在施工过程中,他们的目标是在2011年前使该技术商业化。瑞典Etek中试乙醇厂日产量400~500升乙醇,每日需要消耗锯末或其他纤维质原料2t(以干物质计)。要建造一家年产3.90万t以木质纤维素为原料的乙醇厂需要投资1.25亿欧元,工厂能提供45~60人就业机会,运输及加工原料还另需40~80人。根据瑞典原材料的成本计算乙醇价格为每升0.35~0.45欧元,但从长远角度考虑,纤维素生产乙醇作为能源前景比较可观。1.2世界燃料乙醇生产国我国燃料乙醇起步较晚,但是发展迅速,已成为继巴西、美国之后世界第三大燃料乙醇生产国。目前我国有一些科研机构、大学和企业在这方面也开始了研发工作,取得了一些进展。1.2.1河南天冠集团2006年6月26日,河南天冠集团建成投产了我国首条秸秆乙醇中试生产线,标志着我国在生物质能源利用领域已跻身世界行列。目前,在河南天冠集团,一条年产300t乙醇的中试生产线已建成投产,6t麦秸可变成1t乙醇。此外,天冠集团还成功开发了新型乙醇发酵设备,可明显缩短发酵周期。据了解,天冠集团将在稳定中试生产线的基础上,通过优化工艺,再建一条1000t级纤维乙醇生产线,“十一五”期间,该集团以秸秆生产乙醇的成本可望与粮食生产乙醇基本持平。1.2.2燃料乙醇的生产能力将进一步扩上海华东理工大学能源化工系,承担国家863项目的“农林废弃物制取燃料乙醇技术”研究,近年已进入工业性试验阶段。已建成年产燃料乙醇600t的示范工厂,接下来的问题就是如何产业化。按照现在的技术,每吨燃料乙醇的生产成本在5500元左右,如果国家不补贴,就没有多少市场竞争力。因此,还必须在降低成本上下功夫。争取建成年产5000t的工厂,3~5年内建成年产3万t的工厂。由于上海的秸秆资源较少,今后将以上海为研发中心和设备生产基地,帮助秸秆资源丰富的地区建设工厂。在“十一五”期间,将进一步扩大规模,达到年产燃料乙醇3000~6000t。同时还将围绕降低成本和规模化生产展开研究,使其在经济上更具有竞争力。黑龙江肇东金玉乙醇有限公司已进行了300t的玉米秸秆制乙醇的中试。1.2.3实验室法氧化法制备栽培虾吉林沱牌农产品开发公司与丹麦瑞速国家实验室合作研究“玉米秸秆湿氧化预处理生产乙醇”,2003年开始,2005年阶段性鉴定,规模为10L发酵罐,阶段性试验结果为:在实验室条件下,玉米秆经湿氧化预处理后纤维素得率78.20%~83.60%;酶水解后酶解率86.40%;糖转化为乙醇产率48.20%。在只利用六碳糖的情况下(即五碳糖尚未利用),7.88t玉米秆产1t乙醇。10L全自动发酵罐发酵乙醇,发酵时间为62h,乙醇度6.20%,2006年在此基础上进行了改进创新,并自主创新建成具有国际先进水平的实验室纤维质原料预处理装置。1.2.4原料制备溶剂河北农业大学食品科技学院实验室研究用CO2爆破法对纤维物质预处理后用稀酸水解半纤维素,然后用酶法水解纤维素转化为单糖,发酵乙醇。江南大学生物工程系实验室试验:以玉米芯先浓酸后稀酸水解得糖率为81%,石灰中和后,接种酵母发酵生产乙醇,题为“酸两步水解法”。山东大学微生物技术国家重点实验室开展“纤维素原料转化乙醇关键技术”研究。对预处理方法试验:酸水解工艺、蒸汽爆破、低温氨爆破等方法,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、天然废物利用策略等研究。1.2.5碳糖发酵技术工程该集团全力拓展燃料乙醇生产所需原料和相关技术的创新,并与国内相关高校和科研院所合作进行系统工程研究。经过协同攻关,目前丰原集团发酵技术国家工程中心已成功突破秸秆利用的两项重大技术瓶颈———纤维素水解酶的系列开发以及用于五碳糖发酵技术工程的菌株开发。丰原集团作为国内农产品深加工企业,与丰原发酵技术国家工程研究中心一起创造性地提出了秸秆原料生产乙醇先分离后发酵的工艺路线。目前,实验已取得阶段性成果,结果显示,利用秸秆转化燃料乙醇的成本应在4000~4300元/t,比玉米生产乙醇的成本低300~500元/t。秸秆按300~400元/t计算,农民每667m2地可多获利不低于300元。丰原发酵技术国家工程研究中心与丰原集团计划2006年建成年产300t秸秆生产燃料乙醇的中试项目。如进展顺利,将于2007年推广,实现产业化。目前,丰原集团用秸秆等植物纤维生产乙醇,已到中试阶段,约6t秸秆可生产1t乙醇,其成本和玉米充分综合利用后分摊的成本相当,成本极其低廉。3正在解决光纤和乙醇行业的实际困难3.1不同规模的t如大规模收购玉米秸、麦秸,到厂价会涨到200~300元/t以上。目前的技术条件下,如所含的戊糖不能很好地利用,需要6~7t秸秆才能生产1t乙醇,原料成本对总成本就有很大影响。3.2预处理酶解纤维素天然纤维素材料的结构性质非常复杂,纤维素不仅被半纤维素和木质素所包裹,且其本身也存在着高度结晶性和木质化,阻碍了酶与纤维素的接触,使其难以直接被生物降解。对大多数天然纤维素材料来说,如果不经过适当预处理,直接进行酶促水解,酶解率一般都非常低(<20%),进而影响总糖产率,增加了经济成本。开发廉价高效的木质纤维预处理技术是降低生产成本,实现产业化的途径之一。3.3纤维素酶nfp的生产目前使用的纤维素酶的比活力较低,单位原料用酶量很大,酶解效率低,产酶和酶解技术都需要改进。纤维素酶和木聚糖酶的生产成本过高。在国内,纤维素酶生产大多采用固体方法,也有采用液体深层通风发酵培养的,但其主要用于纺织品处理等效益较高的行业,还不能大规模地应用于植物纤维产糖。纤维素酶用于植物纤维产糖的合适添加量为20~30FPAIU/g纤维底物,若不考虑水解液中戊糖的利用,那么需1.76t纤维生产1吨100%(v/v)的乙醇,而目前纤维素酶的液体发酵水平为20FPAIU/rnl。因此,有效降低纤维素酶和木聚糖酶的成本是纤维乙醇生产链中的一项关键的技术。3.4利用优化工程方法构建糖化型酵母菌种同纤维素相比,半纤维素很容易被水解。但其水解产物往往含大量戊糖,戊糖的高效率发酵转化是实现纤维素乙醇产业化的又一瓶颈。纤维素经过糖化作用后,产生的还原糖主要为己糖和戊糖。通常戊糖不能被酵母发酵成乙醇,会使原料的乙醇率大大降低。目前许多研究机构都借助于自然界中存在的一些能发酵木糖为乙醇的酵母菌,诸如管囊酵母、树干比赤酵母等。但糖醇转化率普遍较低,因此需要利用基因工程方法构建能同时高效利用己糖和戊糖的菌种。因此,戊糖高效率转化也是实现生物质转化工艺实用化的一个关键技术。4发展纤维乙醇研究的若干建议随着国际石油价格的一路狂飚和国内对石油需求量的急剧增加,各国在走能源多元化之路方面已形成广泛的共识,因此,纤维乙醇研究已经成为目前生物质液体燃料研究工作的重中之重。纤维乙醇研究工作涉及物理、化学、生物工程等多个学科,为了充分发挥我国科技工作者在纤维乙醇研究领域的优势,必须走科研与生产相结合的道路,完成从科学技术到生产力的转化,促进纤维乙醇产业化早日实现,特提出以下建议:首先,应该制定生物质能源产业的国家发展战略,国家和地方政府应采取优惠政策继续加大科研和生产投入;其次,提升经济效益,经济效益是关系生物质能源产业生存与发展的关键问题;最后,在生物质能源领域建立支持和鼓励技术创新机制,我国生物质能源起步较晚而且在很多方面都较落后,因此我国应该加大科技投入力度,鼓励在生物质能源原料和品种开发、生物能源转换和提炼技术等方面的技术创新。1.1.2国外农业保险的设备生产设备.基于世界上一个领先地位,利用蒸汽气爆预处理生物质,选择合适的原料生产生物转化原料,并将其连续气爆处理小麦炭加拿大纤维质燃料乙醇工业一直处于领先地位。Iogen是一家生物技术公司,主要开发纤维素酶技术,在2004年开设了一家投资约4千万美元的纤维素乙醇厂,是首家纤维质乙醇工业化公司,处于世界领先地位。使用原料为麦秸等其他农作物废弃物,采用的技术是用稀酸结合蒸汽气爆预处