乙醇——尚待開發(fā)的生物能源

譚玉龍

20世紀70年代后，兩次石油危機相繼出現(xiàn)，給全球的經濟造成巨大損失，能源問題成為全世界共同面臨的難題。對我國來說，據統(tǒng)計，空氣中的CO₂、硫化物和顆粒懸浮物約70％來自化工石油燃料燃燒的排放物。近年來，我國大量消耗化工石油燃料，使大氣中硫化物和顆粒懸浮物含量急劇增加，給我國造成的經濟損失每年達1000億元以上。

生物能源是指利用生物可再生原料及太陽能生產的能源，生物能源主要包括生物電能和生物燃料兩大類。生物電能主要是利用各種植物秸桿進行發(fā)電，而生物燃料則是通過發(fā)酵產生甲醇和乙醇燃料等。生物能源既是可再生能源，又是無污染或低污染的綠色能源。

生物能源不含硫，其碳循環(huán)是動態(tài)的，能源植物通過光合作用固定二氧化碳和水，將太陽能以化學能形式儲藏在植物中，是一種可再生的環(huán)保型新能源。因此，開發(fā)生物能源是解決能源危機和保護生態(tài)環(huán)境的有效途徑。

各國已廣泛開始關注用生物能源來代替化石燃料，并制定了相應的計劃，如日本的“陽光計劃”、印度的“綠色能源工程”、美國的“能源農場”和巴西的“酒精能源計劃”等。

生物燃料乙醇

生物燃料乙醇也稱燃料酒精、乙醇汽油和乙醇柴油。燃料乙醇可以單獨作為一種燃料或作為改進型混合燃料。生物燃料乙醇是一種燃燒充分、可再生的燃料，近年來備受青睞。

在1979年，美國便開始制定酒精發(fā)展計劃，同年，日本工業(yè)技術研究院開始對稻草、廢木材等進行能源化研究，時至今日酒精發(fā)酵技術已基本完善。1980年，美國和加拿大兩位華裔教授幾乎同時宣布已經解決木糖酒精發(fā)酵的問題，這一研究成功使半纖維素利用進入一個嶄新階段。1998年9月由美國第一家商業(yè)化以纖維質(蔗渣和稻草殼)為原料生產酒精的工廠破土動工。

目前生物燃料乙醇的制備有2種，一種是直接由淀粉、蜜糖等物質通過各種轉化，最后分離出乙醇：一般的方法是首先使用淀粉酶，經水解成為醛，然后把剩余化學鍵折斷，經葡萄糖酶催化，生成葡萄糖，最后用酵母發(fā)酵法，把葡萄糖轉化成乙醇。另一種是由木質纖維通過發(fā)酵作用生產乙醇：纖維素制備乙醇主要有酸水解和酶水解乙醇生產工藝兩大類。目前對酸水解研究較少，因其較酶水解工藝來說，研究和發(fā)展?jié)摿^弱；纖維素酶水解乙醇生產工藝可以分為分步水解發(fā)酵工藝、同步糖化發(fā)酵工藝以及復合水解發(fā)酵工藝。

從原材料來看，各國的乙醇主要以玉米、小麥、薯干等糧食為原料經過發(fā)酵生產而成。美國是世界上最大的以谷物為原料生產生物燃料乙醇的國家。2004年，美國生產乙醇消耗的玉米約占其產量的11％。

面臨重重問題

目前，生物燃料乙醇主要存在如下問題：①使用糧食作為發(fā)酵原料生產乙醇；②從植物中提煉乙醇需要耗費大量能源；③酒精廢液帶來環(huán)境污染；④燃料乙醇價格沒有優(yōu)勢。

而其中最嚴峻的問題是使用糧食作為發(fā)酵原料生產乙醇。這不僅大大提高了燃料乙醇的生產成本，還導致了能源與糧食的矛盾，必將引發(fā)糧食安全、爭用農地等問題。越來越多地使用糧食生產生物燃料可能給世界范圍內已經高度開發(fā)的土地和水資源造成更大的壓力。如果在2015年前將生物燃料占全球燃料總需求的比例提高到5％，那么，世界耕地面積就必須比目前擴大15％。

我國已經于2007年5月份叫停了用玉米提煉生物乙醇的新項目，而改用甜高粱、紅薯和木薯。現(xiàn)有的以玉米為原料的生物乙醇項目也計劃在未來五年內全部轉化為甜高粱，紅薯和木薯。另外，在我國，來自農田及森林、的廢棄物如玉米稈、稻麥稈等相當多，若利用這些纖維原料替代淀粉類原料，則能夠有效地降低成本，解決能源與糧食的矛盾。目前由于缺乏有效的原料預處理和發(fā)酵方式，纖維類原料生產生物燃料乙醇未被廣泛推廣使用，因此對這兩項關鍵技術的研究將成為今后的重點。而纖維素原料生產燃料乙醇的實用性關鍵在于木糖發(fā)酵，因此找出發(fā)酵的優(yōu)良菌種成了必須首先解決的問題。日本生物能公司在日本神戶和京都等大學研究人員的幫助下，使用生物工程設計的酵母，可直接把淀粉發(fā)酵成乙醇。公司用此法獲得約92％的理論乙醇產率，由此大大降低了生產成本。中國科學院化工冶金研究所生化工程國家重點實驗室篩選出發(fā)酵乙醇的優(yōu)良菌種，并優(yōu)化了利用純木糖培養(yǎng)的條件。

同時，我們也需要進一步進行生物燃料乙醇生產過程的優(yōu)化研究。綜合利用生產原料，根據原料的不同特性，篩選經濟可行的生物能源生產路線，加大副產品加工利用，從而降低生物能源生產成本。

發(fā)展生物能源和種植油料作物可綠化荒山、灘涂、鹽堿地。我國南方約有2千萬平方米荒山荒坡，北方有1億平方米鹽堿地，利用荒山荒坡和鹽堿地、荒灘、沙地種植能源植物既不占寶貴的耕地資源，又可提供大量的生產原料。

在我國，生物能源的研究起步較晚，但經過近年來的發(fā)展，生物能源已經得到長足發(fā)展。隨著科研的深化，政府配套政策的不斷完善以及宣傳力度的不斷增加，相信未來生物能源產業(yè)在我國將得到蓬勃發(fā)展。

責任編輯趙檸