燃料乙醇的研究進(jìn)展

司晶星　趙文甲　金　晶

[摘要]由于能源、環(huán)境的潛在危機(jī)，燃料乙醇已經(jīng)成為世界各國(guó)重點(diǎn)研究和推廣的能源課題之一，在我國(guó)以乙醇代替能源也勢(shì)在必行。對(duì)燃料乙醇的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及生產(chǎn)工藝進(jìn)行歸納總結(jié)，簡(jiǎn)要說(shuō)明其發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]燃料乙醇研究現(xiàn)狀生產(chǎn)工藝

中圖分類號(hào)：TEO文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)0610005-01

一、前言

隨著世界化石能源的日趨匱乏，石油類產(chǎn)品價(jià)格日益攀升，開(kāi)發(fā)種綠色可持續(xù)的能源已經(jīng)變得相當(dāng)急迫。乙醇作為一種生產(chǎn)工藝成，生產(chǎn)原料來(lái)源廣泛的替代能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注。乙醇俗稱酒精，它以玉米、小麥、薯類、糖蜜等為原料經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而制成，所謂燃料乙醇是指對(duì)濃度為95％左右的乙醇進(jìn)一步脫水，再加上5％體積分散(一般為無(wú)鉛汽油或無(wú)鉛的烴類)的變性劑使之成為水分小于0.8％，且不可食用的變性無(wú)水乙醇。燃料乙醇既是一種清潔能源，又是一種良好的汽油增氧劑和辛烷值調(diào)和組分，用以代替四乙基鉛和甲基叔丁基醚(MXBE)或乙基叔丁基醚(ETBE)，乙醇調(diào)入汽油對(duì)降低汽車尾氣中的一氧化碳含量很有效，起到凈化空氣的效果；同時(shí)，乙醇用糧食制造，是一種生物轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能，是一種取之不盡，用之不竭的可再生資源，在汽油中加入一定比例的乙醇作燃料，能節(jié)約石油，凈化空氣，轉(zhuǎn)化多余糧食，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供一條簡(jiǎn)單有效的途徑。燃料乙醇作為21世紀(jì)車用燃料的替代產(chǎn)品，可使我國(guó)的車用燃料結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化的特征，其使用將對(duì)節(jié)約石油資源、減少環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

二、國(guó)內(nèi)外燃料乙醇的研究現(xiàn)狀

目前，燃料乙醇研究可分為3大類：菌種篩選及育種研究、發(fā)酵工藝研究、特殊需要的基因工程菌構(gòu)建及發(fā)酵研究。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的低成本、高轉(zhuǎn)化率和高產(chǎn)率，菌種是整個(gè)生產(chǎn)流程的核心。因此，菌種的選育也必須以降低生產(chǎn)耗資與高產(chǎn)出為原則。燃料乙醇發(fā)酵就需要菌種具備耐高酒精度、耐高底物濃度、耐高溫、高轉(zhuǎn)化率及具備絮凝性能等特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)和森林廢棄物是可用于燃料乙醇生產(chǎn)的主要木質(zhì)纖維素類原料。但微生物不能直接利用纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，必須把纖維素類物質(zhì)用酸、堿或酶水解為微生物可以利用的單糖，或者運(yùn)用基因操作技術(shù)構(gòu)建可以利用纖維素或半纖維素類物質(zhì)及其水解產(chǎn)物的基因重組菌。

三、燃料乙醇生產(chǎn)原料

世界上乙醇的生產(chǎn)來(lái)源有兩種，第一種是發(fā)酵法，占總產(chǎn)量的90％，第二種是化學(xué)合成法，占總產(chǎn)量的10％。生產(chǎn)乙醇的原料來(lái)源有：小麥，玉米，甘蔗，木素纖維素，木薯，植物的秸稈、枝葉、廢棄紙張和草類等纖維物質(zhì)，紅薯，以及利用現(xiàn)代生物技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)等對(duì)淀粉質(zhì)和糖蜜原料的現(xiàn)有酒精發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行革新，提高工藝技術(shù)水平，降低物耗和能耗，實(shí)現(xiàn)源頭減廢和清潔生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，可進(jìn)一步增強(qiáng)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。從長(zhǎng)時(shí)期來(lái)看，糧食、經(jīng)濟(jì)作物只是生產(chǎn)燃料乙醇的過(guò)渡性原料，還不足以改變中國(guó)整個(gè)能源結(jié)構(gòu)。承擔(dān)改變中國(guó)能源結(jié)構(gòu)重任的是在全國(guó)比比皆是的以秸稈為代表的植物纖維。纖維素是地球上貯量最豐富的有機(jī)物，我國(guó)每年農(nóng)作物秸稈約7億噸左右，若能有效的被利用來(lái)生產(chǎn)乙醇，中國(guó)能源問(wèn)題就能得到根本解決。一旦技術(shù)獲得突破進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，則對(duì)突破我國(guó)資源瓶頸將起到重要的作用。以發(fā)展的眼光看。解決燃料乙醇大量使用時(shí)所需原料問(wèn)題的途徑將最終轉(zhuǎn)向纖維，依靠生物技術(shù)、基因技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)篩選種植高能、高產(chǎn)生物資源，利用我國(guó)大量農(nóng)業(yè)廢棄資源和工業(yè)廢棄物資源，開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)利用纖維素生產(chǎn)酒精技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，可為燃料乙醇生產(chǎn)提供取之不盡的可再生植物原料。

四、生產(chǎn)工藝研究

目前，世界上燃料乙醇的生產(chǎn)方法有合成法(即乙烯水合法)和生物法兩種。由于近年來(lái)受原油資源問(wèn)題及乙烯價(jià)格上漲的制約，合成法被生物法所取代。生物法生產(chǎn)燃料乙醇大部分是以甘蔗、玉米、薯干和植物秸稈等農(nóng)產(chǎn)品或農(nóng)林廢棄物為原料酶解糖化發(fā)酵制造的。其生產(chǎn)工藝有酶解法、酸水解法及一步酶工藝法等。這段工藝與食用乙醇的生產(chǎn)工藝基本相同，所不同的是需要增加濃縮脫水后處理工藝，使其水的體積分?jǐn)?shù)降到1％以下。由于乙醇生產(chǎn)過(guò)程中水的存在，使得乙醇與水形成二元共沸物，而采用普通精餾方法所得乙醇中水的體積分?jǐn)?shù)約5％，要想控制燃料乙醇水的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1％以下，就必須采用較新的脫水工藝。目前開(kāi)發(fā)的脫水新工藝主要有：滲透汽化、吸附蒸餾、特殊蒸餾、加鹽萃取蒸餾、變壓吸附和超臨界萃取分離等。脫水后制成的燃料乙醇再加人少量的變性劑就成為變性燃料乙醇，和汽油按一定比例調(diào)合就成為車用乙醇汽油。由于考慮到經(jīng)濟(jì)因素以及未來(lái)燃料乙醇發(fā)展的方向，本文著重介紹纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝：纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇現(xiàn)行方法有固態(tài)發(fā)酵等方法。

固態(tài)發(fā)酵(SolidSubstrateFermentation)是培養(yǎng)基呈固態(tài)、雖然含水豐富，但沒(méi)有或幾乎沒(méi)有自由流動(dòng)水的狀態(tài)下進(jìn)行的一種或多種微生物發(fā)酵過(guò)程，底物(基質(zhì))是不溶于水的聚合物，它不僅可以提供微生物所需的碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、水及其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還是微生物生長(zhǎng)的場(chǎng)所。在固態(tài)乙醇發(fā)酵工藝中木質(zhì)纖維素材料的利用可以得到充分的發(fā)揮。木質(zhì)纖維素是地球上數(shù)量最大的一種再生資源。纖維素被酸完全水解時(shí)，能得到96％-98％的D-葡萄糖，生物酶法水解纖維素類物質(zhì)近幾年取得了較大的進(jìn)展。纖維素同時(shí)糖化發(fā)酵工藝-纖維素酶對(duì)纖維素的水解和發(fā)酵產(chǎn)生乙醇在同一裝置內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。這樣酶水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體不斷發(fā)酵而被利用，消除了葡萄糖因濃度過(guò)高對(duì)纖維素酶的反饋抑制。在工藝方面采用一步發(fā)酵，簡(jiǎn)化設(shè)備，節(jié)約能源，縮短了總生產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，但木糖的抑制作用和糖化發(fā)酵溫度不協(xié)調(diào)是該工藝的不足。一般在纖維素酶糖化過(guò)程中，纖維素酶的最適溫度為50℃左右，而酵母的發(fā)酵溫度為37-40℃，采用耐熱酵母(如假絲酵母、克勞林比酵母)是解決這一問(wèn)題的有效途徑。

五、結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)雖然是資源大國(guó)，但人均資源占有量遠(yuǎn)落后于世界人均水平，雖是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但無(wú)論農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量或質(zhì)量，或相關(guān)加工工業(yè)的技術(shù)水平都落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。作為推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，必須依靠科技進(jìn)步，在吸收國(guó)外成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)燃料乙醇生產(chǎn)新技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和副產(chǎn)物深度加工研究工作，重點(diǎn)圍繞副產(chǎn)物進(jìn)行綜合利用研究。同時(shí)研究擴(kuò)大燃料乙醇應(yīng)用范圍和市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)新的原料來(lái)源。隨著化石資源漸趨枯竭，油價(jià)進(jìn)一步高漲，國(guó)際原油價(jià)格也有上漲的趨勢(shì)，這給燃料乙醇的價(jià)格帶來(lái)了一定的升值空間，同時(shí)也給燃料乙醇的展帶來(lái)了歷史性的機(jī)遇。另外，隨著國(guó)內(nèi)石油需求的進(jìn)一步提高，以乙醇等替代能源為代表的國(guó)家能源供應(yīng)多元化戰(zhàn)略已成為國(guó)家能源政策的一個(gè)方向。