纖維質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展[R]

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1、纖維質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展自1910年Heinerch等利用木材酸水解生產(chǎn)乙醇以來(lái)，木質(zhì)纖維素制備乙醇的研究經(jīng)歷了100多年的發(fā)展。早期生產(chǎn)纖維乙醇的方法是利用化學(xué)物質(zhì)把原料中的纖維素水解為單糖，然后將單糖發(fā)酵成為乙醇，并在美國(guó)和前蘇聯(lián)建有工廠。該工藝的原料價(jià)格雖然便宜，但生產(chǎn)成本卻很高，隨著石油的大量開采、以淀粉質(zhì)和糖質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的大量生產(chǎn)，這類工廠大都關(guān)閉，只有前蘇聯(lián)還有一定程度的應(yīng)用。我國(guó)黑龍江省伊春市的南岔木材水解廠是20世紀(jì)60年代引進(jìn)前蘇聯(lián)設(shè)備建成的，80年代末又引進(jìn)該國(guó)設(shè)備與技術(shù)進(jìn)行改造，以木屑為原料，年產(chǎn)酒精3000，之后因缺乏原料等原因而停產(chǎn)。在20世紀(jì)石油危

2、機(jī)后，經(jīng)過(guò)科學(xué)論證分析，西方國(guó)家又開始重視纖維素生產(chǎn)乙醇技術(shù)，這是因?yàn)樯镔|(zhì)液體燃料的燃料特性和應(yīng)用方式與化石液體燃料有許多共同點(diǎn)，便于納入現(xiàn)有的交通液體燃料體系。我國(guó)在“十五”期間已將纖維乙醇研究工作提上日程，并在國(guó)家“863”計(jì)劃中作為研究課題進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。另外，國(guó)內(nèi)的一些相關(guān)企業(yè)也在進(jìn)行這方面的研究工作，諸如河南天冠、安徽豐原和河北唐山的太博爾等。目前，許多國(guó)家雖然建造了纖維質(zhì)原料的燃料乙醇示范性工廠，但其產(chǎn)業(yè)化仍存在三大技術(shù)瓶頸，一是秸稈等木質(zhì)纖維素類原料降解產(chǎn)生的木糖難以發(fā)酵生成乙醇，二是纖維素酶生產(chǎn)成本偏高，三是原料要進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理。當(dāng)前隨著國(guó)際石油價(jià)格的持續(xù)走高及世界各國(guó)對(duì)

3、能源需求的增加，使乙醇燃料比汽油更具成本優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)利用纖維質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇工藝的研究和開發(fā)成為目前國(guó)內(nèi)外寄予厚望的重點(diǎn)課題。如何開發(fā)高效廉價(jià)的纖維質(zhì)原料預(yù)處理技術(shù)、選育誘變產(chǎn)酶活高的纖維素酶生產(chǎn)菌株、構(gòu)建能同化五碳糖的菌株以及實(shí)現(xiàn)相對(duì)高濃度醪液發(fā)酵等是降低纖維乙醇成本的關(guān)鍵。1國(guó)外纖維乙醇的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。纖維乙醇的生產(chǎn)包括酸水解和酶水解兩種工藝。酸水解生產(chǎn)工藝最具代表性的是前蘇聯(lián)的連續(xù)滲濾水解流程、美國(guó)Vulcan化工公司與加拿大的Stake公司聯(lián)合研制的Vulcan-Stake流程。酸水解酒精生產(chǎn)工藝具代表性的是前蘇聯(lián)的連續(xù)滲濾水解流程和美國(guó)Vulcan化工公司與加拿大的Stake公司

4、聯(lián)合研制的Vulcan-Stake流程。連續(xù)滲濾水解流程是前蘇聯(lián)木材水解制造酒精的主要工藝流程，該工藝流程首先將木材粉碎后由帶式輸送器填入水解器中，水解后剩下的木質(zhì)素通過(guò)排渣器排出器外。水解液從水解器流出后接連通過(guò)高壓蒸發(fā)器和地壓蒸發(fā)器，最后送往中和器。它的特點(diǎn)在于酸水解在高溫條件下進(jìn)行，由高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽又用于水解液的預(yù)熱，提高了熱能利用率。在Vulean-Stake流程中，纖維原料經(jīng)加料器加到一個(gè)圓柱形的分解器中，由螺旋輸送器推動(dòng)原料沿著分解器前進(jìn)。分解器用蒸氣加熱到半纖維能夠溶解于水，木質(zhì)素能夠溶解于堿的程度，然后物料通過(guò)出料器定期排出。用水和堿沖洗物料，以去除半

5、纖維素和木質(zhì)素供進(jìn)一步利用。剩下的纖維素就很容易被酸分解為葡萄糖。酶水解生產(chǎn)乙醇工藝分為分步水解發(fā)酵工藝和同步水解發(fā)酵兩類。美國(guó)的Natick流程采用分別水解發(fā)酵工藝，纖維素水解和乙醇發(fā)酵分別在不同容器內(nèi)單獨(dú)進(jìn)行。主要以城市纖維垃圾經(jīng)輥式磨粉碎為原料，用輥式磨進(jìn)行粉碎。酶水解間歇進(jìn)行，24小時(shí)完成。水解率達(dá)45％，水解液中葡萄糖達(dá)10％。美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校流程采用的是纖維素水解與發(fā)酵同步進(jìn)行，該工藝以粉碎的玉米芯為原料，再用稀酸水解，將半纖維素水解成木糖等產(chǎn)物。本流程的酸水解是連續(xù)進(jìn)行的，反應(yīng)器中的纖維原料為5％(w/w)，玉米芯水解率達(dá)4o％，水解液中糖為2．6％，然后采用

6、多效蒸發(fā)器濃縮至糖濃度為11％再進(jìn)行發(fā)酵。為了降低纖維酒精的生產(chǎn)成本，美國(guó)Novozymes公司和美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)的生物基乙醇燃料項(xiàng)目獲重大進(jìn)展，將生產(chǎn)1加侖燃料級(jí)乙醇所需纖維素酶的成本從最初超過(guò)5美元的水平大幅減少至當(dāng)前的低于50美分。據(jù)稱，Novozymes公司和NREL下一步將努力降低纖維素酶的生產(chǎn)成本，目標(biāo)是在未來(lái)的兩年中把生產(chǎn)一加侖燃料級(jí)乙醇所需纖維素酶的成本降低至10美分6。另外，美國(guó)普渡大學(xué)的何汪媛教授利用基因工程技術(shù)構(gòu)建了可發(fā)酵戊碳糖的酵母菌株，為半纖維素的酒精轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)。近年，隨著纖維乙醇技術(shù)的快速發(fā)展，歐美國(guó)家的一些大公司已決定建造較大規(guī)模的工廠。BC

7、International公司計(jì)劃投資9000萬(wàn)美元(其中能源部投資1100萬(wàn)美元)，將一個(gè)閑置的煉油廠改造成燃料酒精生產(chǎn)廠，所用原料為甘蔗殘?jiān)?。年產(chǎn)酒精7600萬(wàn)升。該廠采用稀硫酸水解，其核心技術(shù)是轉(zhuǎn)基因的E.coli，由弗羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)，該菌株可發(fā)酵水解液中的全部單糖。MasadaResource公司計(jì)劃投資1.5億美元，建造年產(chǎn)乙醇3600萬(wàn)升的工廠。它以城市固體廢棄物為原料，采用濃酸水解工藝。Arkenol公司計(jì)