第二代生物燃料——草油时代的来临

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1、发表期刊：《化学教学》2011年第12期第二代生物燃料——草油时代的来临但世辉，陈莉莉（襄阳市东风中学，湖北襄阳441004）摘要：从能源短缺的角度出发，本文阐述了第二代生物燃料的由来，概括了第二代生物燃料的生产工艺和独特优势，并对其未来的发展做出展望。关键词：第二代生物燃料；纤维素乙醇；纤维素汽油；生产技术1第二代生物燃料的由来石油是主要的化石能源之一，一直以来都推动着工业和社会的发展，然而，地球上蕴藏的可开发石油资源却只剩下几十年的寿命，而且使用石油资源所带来的环境问题也日益突出：石油燃烧会产生大量的含碳氧化物及少量含硫、含氮化合物，这些化合物要么是温室气体，要么能产生

2、酸雨，不仅造成环境污染更能伤害人体健康。因此，积极寻找一种石油的替代资源就势在必行，于是生物质能就渐渐进入了人们的视野。所谓生物质能就是储存于生物质资源中的能量，这些生物质能源主要是指可再生的有机物质资源，主要包括农作物、树木等植物及其残体、蓄禽粪便、有机废弃物等，可以储存由光合作用产生的能量，因此可以说生物质能也是太阳能的一种转化形式，也具有可再生、应用潜力大等特点，科学家们需要做的就是将这些能量进行开发并加以应用。20世纪30年代，巴西最早使用甘蔗进行发酵，生产出乙醇燃料，用以驱动汽车，像巴西这种以可食用作物（主要包括玉米、大豆、甘蔗等）为原料制造出的生物质能被称为第一

3、代生物燃料，其代表产品是通常所说的生物乙醇和生物柴油，前者由富含单糖、寡糖或淀粉的生物质原料经过发酵、蒸馏、脱水等步骤制成，后者为以动植物油脂为原料，经过酯交换反应(碱、酸、酶催化或超临界条件下)加工而成的脂肪酸甲酯或乙酯燃料。虽然第一代生物燃料已在许多发达国家推广使用，但第一代生物燃料并非长久之计，原因有二。其一：没有足够的耕地以满足发达国家10%的液态燃油原料需求。比如在2008年，由于生产第一代生物燃料而对粮食作物的额外需求使得粮食价格大幅上涨，同时也导致了第二个问题：原料成本太高，特别是生物柴油，原料构成了其成本的70%，这也使得第一代生物燃料的价格高于石油，远离了

4、人们所期望的对替代石油具有积极影响的能源形式。20世纪90年代，美国可再生能源实验室研究开发利用纤维素废料生产酒精的技术，这也标志着第二代生物燃料的诞生。所谓第二代生物燃料是指以非粮作物和农业废弃物为原料的可再生替代能源，这些原料包括玉米秸秆、木材废料及草本类能源作物。与第一代生物燃料的原材料（粮食作物）相比，这些原料作物成本低、量大，更关键的是这些作物的种植生产不会干扰和危及粮食生产。第二代生物燃料的诸多优势使其具有更加明朗的发展前景，其代表产品主要有纤维素乙醇和纤维素汽油两种。2第二代生物燃料的生产2.1纤维素乙醇的生产技术第一代生物燃料的原料（甘蔗、玉米等）本身富含糖

5、类，将其转化为乙醇的生产工艺较为简单，而第二代生物燃料主要以纤维素质材料为原料，其炼制过程比第一代生物乙醇的合成多了两个步骤：生物质原料的预处理和纤维素、半纤维素的降解，这也是目前纤维素乙醇生产的难点之一，而整个炼制过程则涉及多个生物催化反应，它们可以按照多个方式组合形图1酶水解—发酵技术成不同的工艺路线。目前已建有示范装置的纤维素乙醇生产技术主要有4种：硫酸/酶水解—发酵技术、硫酸水解—发酵技术、酸水解—发酵—酯化—加氢技术和酶水解—发酵技术。这四种技术最大的不同点在于纤维素水解方式的差异：前3种均采用酸水解，而第4种采用生物酶水解。实际工业生产中，用酶替代酸水解纤维素，

6、可以在比较缓和的条件下操作，可以减少糖的降解，提高乙醇收率，因此酶水解—发酵技术（图1）是纤维素乙醇生产的发展方向，此项技术由美国可再生实验室开发。图2纤维素乙醇生产的预处理首先将经研磨后的生物质原料（玉米秸秆、玉米芯等）进行预处理（图2上半部），其目的是将原料“解封”进而得到纤维素、半纤维素和木质素，再将这些成分进行增溶和分离，为水解变为可发酵的糖做好准备。实际上在植物体内，长长的纤维素构筑了植物细胞（图2，直线型为纤维素，曲线型为半纤维素），纤维素分子被半纤维素和木质素环绕，因此科学家必须先用酸、碱或加热等方法进行预处理，以解开植物细胞内的“矩阵”。最新研究表明，用氢氧

7、化钠的水—乙醇溶液进行预处理，得到的纤维素是一种纳米级的海绵体。可使4—6nm直径的酶进入纤维素中进行酶解，能把生产纤维素乙醇的预处理成本由50美分／gal降至4～5美分／gal，可与用玉米淀粉生产第一代乙醇的预处理成本2美分／gal竞争。接着用酶将“降解”得到的纤维素、半纤维素进行水解从而得到葡萄糖和戊糖单体。不同的纤维素原料和不同的预处理工艺应采用不同类型和数量的酶，所以酶的生产成本就成为纤维素乙醇生产的第一项核心所在。起初在20世纪90年代末，酶的生产成本很高，约在5美元／gal以上，目前，酶的生产成本已降至