纤维质原料生产燃料乙醇的研究进展[R]

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1、纤维质原料生产燃料乙醇的研究进展自1910年Heinerch等利用木材酸水解生产乙醇以来，木质纤维素制备乙醇的研究经历了100多年的发展。早期生产纤维乙醇的方法是利用化学物质把原料中的纤维素水解为单糖，然后将单糖发酵成为乙醇，并在美国和前苏联建有工厂。该工艺的原料价格虽然便宜，但生产成本却很高，随着石油的大量开采、以淀粉质和糖质原料发酵生产乙醇的大量生产，这类工厂大都关闭，只有前苏联还有一定程度的应用。我国黑龙江省伊春市的南岔木材水解厂是20世纪60年代引进前苏联设备建成的，80年代末又引进该国设备与技术进行改造，以木屑为原料，年产酒精3000，之后因缺乏原料等原因而停产。在20世纪石油危

2、机后，经过科学论证分析，西方国家又开始重视纤维素生产乙醇技术，这是因为生物质液体燃料的燃料特性和应用方式与化石液体燃料有许多共同点，便于纳入现有的交通液体燃料体系。我国在“十五”期间已将纤维乙醇研究工作提上日程，并在国家“863”计划中作为研究课题进行重点攻关。另外，国内的一些相关企业也在进行这方面的研究工作，诸如河南天冠、安徽丰原和河北唐山的太博尔等。目前，许多国家虽然建造了纤维质原料的燃料乙醇示范性工厂，但其产业化仍存在三大技术瓶颈，一是秸秆等木质纤维素类原料降解产生的木糖难以发酵生成乙醇，二是纤维素酶生产成本偏高，三是原料要进行复杂的预处理。当前随着国际石油价格的持续走高及世界各国对

3、能源需求的增加，使乙醇燃料比汽油更具成本优势，因此对利用纤维质原料生产乙醇工艺的研究和开发成为目前国内外寄予厚望的重点课题。如何开发高效廉价的纤维质原料预处理技术、选育诱变产酶活高的纤维素酶生产菌株、构建能同化五碳糖的菌株以及实现相对高浓度醪液发酵等是降低纤维乙醇成本的关键。1国外纤维乙醇的研究与应用现状。纤维乙醇的生产包括酸水解和酶水解两种工艺。酸水解生产工艺最具代表性的是前苏联的连续渗滤水解流程、美国Vulcan化工公司与加拿大的Stake公司联合研制的Vulcan-Stake流程。酸水解酒精生产工艺具代表性的是前苏联的连续渗滤水解流程和美国Vulcan化工公司与加拿大的Stake公司

4、联合研制的Vulcan-Stake流程。连续渗滤水解流程是前苏联木材水解制造酒精的主要工艺流程，该工艺流程首先将木材粉碎后由带式输送器填入水解器中，水解后剩下的木质素通过排渣器排出器外。水解液从水解器流出后接连通过高压蒸发器和地压蒸发器，最后送往中和器。它的特点在于酸水解在高温条件下进行，由高压蒸发器和低压蒸发器产生的二次蒸汽又用于水解液的预热，提高了热能利用率。在Vulean-Stake流程中，纤维原料经加料器加到一个圆柱形的分解器中，由螺旋输送器推动原料沿着分解器前进。分解器用蒸气加热到半纤维能够溶解于水，木质素能够溶解于碱的程度，然后物料通过出料器定期排出。用水和碱冲洗物料，以去除半

5、纤维素和木质素供进一步利用。剩下的纤维素就很容易被酸分解为葡萄糖。酶水解生产乙醇工艺分为分步水解发酵工艺和同步水解发酵两类。美国的Natick流程采用分别水解发酵工艺，纤维素水解和乙醇发酵分别在不同容器内单独进行。主要以城市纤维垃圾经辊式磨粉碎为原料，用辊式磨进行粉碎。酶水解间歇进行，24小时完成。水解率达45％，水解液中葡萄糖达10％。美国加州大学Berkeley分校流程采用的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。本流程的酸水解是连续进行的，反应器中的纤维原料为5％(w/w)，玉米芯水解率达4o％，水解液中糖为2．6％，然后采用

6、多效蒸发器浓缩至糖浓度为11％再进行发酵。为了降低纤维酒精的生产成本，美国Novozymes公司和美国国家再生能源实验室合作开发的生物基乙醇燃料项目获重大进展，将生产1加仑燃料级乙醇所需纤维素酶的成本从最初超过5美元的水平大幅减少至当前的低于50美分。据称，Novozymes公司和NREL下一步将努力降低纤维素酶的生产成本，目标是在未来的两年中把生产一加仑燃料级乙醇所需纤维素酶的成本降低至10美分6。另外，美国普渡大学的何汪媛教授利用基因工程技术构建了可发酵戊碳糖的酵母菌株，为半纤维素的酒精转化奠定了基础。近年，随着纤维乙醇技术的快速发展，欧美国家的一些大公司已决定建造较大规模的工厂。BC

7、International公司计划投资9000万美元(其中能源部投资1100万美元)，将一个闲置的炼油厂改造成燃料酒精生产厂，所用原料为甘蔗残渣。年产酒精7600万升。该厂采用稀硫酸水解，其核心技术是转基因的E.coli，由弗罗里达大学开发，该菌株可发酵水解液中的全部单糖。MasadaResource公司计划投资1.5亿美元，建造年产乙醇3600万升的工厂。它以城市固体废弃物为原料，采用浓酸水解工艺。Arkenol公司计