我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀及前景展望

第45卷第4期生物質(zhì)化學(xué)工程Vol 45 No 42011年7月Biomass Chemical Engineering·綜迷評論—一生物質(zhì)能娠我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀及前景展望張寧,蔣劍春·,李翔宇,趙劍(中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗室;國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗室;江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇南京210042)摘要:發(fā)展非糧燃料乙醇是我國應對環(huán)境、能源及糧食危機的重要途徑。本文從政策、供給和技術(shù)幾個(gè)方面分析了我國目前非糧(甜高梁、薯類(lèi)和纖維素等)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)及產(chǎn)業(yè)現狀,對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和前景進(jìn)行了展望,并對非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的健康可持續發(fā)展提出了建議。關(guān)鍵詞:燃料乙醇;甜高粱;薯類(lèi);纖維素中圖分類(lèi)號:TQ214文獻標識碼:A文章編號:1673-5854(2011)04-0047-04The State of the art of Fuel ethanol production fromNon-grain Crops in ChinaZHANG Ning, JIANG Jian-chun, LI Xiang-yu, ZHAO Jian( Institute of Chemical Industry of Forest Products, CAF; National Engineering Lab for Biomass Chemical Utilization; Key and OpenLab on Forest Chemical Engineering, SFA; Key Lab of Biomass Energy and Material, Jiangsu Province, Nanjing 210042, China)Abstract: Development of fuel ethanol production from non-grain crops has many advantages to deal with environment protectionenergy supply and food crisis in China. The state of the art of fuel ethanol production from non-grain crops (sweet sorghumcassava and cellulose in China, has been reviewed, from different view points, i. e. relative supporting policies, market chainsand advanced production technologies. The prospects for future development and direction were designed, and suggestions onKey words: fuel ethanol; sweet sorghum; cassava; cellulose燃料乙醇的研究始于20世紀初,經(jīng)過(guò)一段曲折的發(fā)展,現在已作為能源在很多國家得到應用,如巴西、美國、瑞典和中國等。在能源危機日益嚴重的今天,燃料乙醇的研究成為世界重大熱門(mén)研究課題之許多國家都制定了相應的開(kāi)發(fā)研究計劃。目前以糖類(lèi)或糧食為原料生產(chǎn)燃料乙醇的工藝已經(jīng)成熟但在中國這樣的人口大國,人均耕地面積少,發(fā)展糧食-燃料乙醇產(chǎn)業(yè)是行不通的。2007年8月8日中國政府公布《可再生能源中期發(fā)展規劃》,提出發(fā)展以非糧生物質(zhì)為原料的燃料。國家通過(guò)政策導向和資金支持積極推動(dòng)我國薯類(lèi)、甜高粱和纖維素等非糧作物燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,得到了企業(yè)界的積極響應,非糧作物生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化亦取得了一定的進(jìn)展,本文對我國目前非糧燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀及趨勢進(jìn)行評述。1燃料乙醇簡(jiǎn)介乙醇,分子式C2H5OH,相對分子質(zhì)量46.07。乙醇可用于化工、農業(yè)、醫藥等,作為動(dòng)力燃料使用時(shí)稱(chēng)為燃料乙醇。燃料乙醇產(chǎn)業(yè)是當前可行性最高的液體燃料替代方案,在普通汽油中添加10%的燃料收稿日期:2011-05-12中國煤化工基金項目:國家林業(yè)局公益性行業(yè)專(zhuān)項(201004001)CNMHG作者簡(jiǎn)介:張寧(1978-),女,吉林白城人博士,主要從事工業(yè)微生物及生物質(zhì)能源技術(shù)研究通訊作者:蔣劍春(1955-),男江蘇溧陽(yáng)人研究員博士,博士生導師從事林產(chǎn)化學(xué)加工和生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)技術(shù)研究;Ema:bioenergy@ 163, coma生物質(zhì)化第45卷乙醇,所形成的乙醇汽油具有能量利用效率高、尾氣排放污染少等優(yōu)點(diǎn)。截止當前,在中國10個(gè)省區正在施行這種方式,年消耗乙醇汽油1700萬(wàn)t,占中國汽油消耗總量的近3成。2我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀2.1甜高梁制取燃料乙醇甜高粱( Sorghum bicolor L. Moench)是禾本科高粱屬一年生草本植物,是高粱的一個(gè)變種。甜高粱具有抗旱、耐澇、耐鹽堿的特點(diǎn),對肥料和土壤的要求不高,在各種類(lèi)型的土壤中均可栽培。我國有70余個(gè)甜高粱品種2,從海南島至黑龍江都可以種植甜高粱,每公頃甜高粱一般能產(chǎn)2250~600kg糧食和6075t富含糖分的莖稈,可用于制取燃料乙醇。甜高粱較玉米的生物質(zhì)產(chǎn)量高,其籽種是糧食,莖稈制取乙醇后的殘渣是優(yōu)質(zhì)飼料,所以將一部分種植玉米的耕地轉種甜高梁不會(huì )影響我國的糧食安全。甜高粱為原料生產(chǎn)燃料乙醇項目較早就受到了中國有關(guān)能源企業(yè)的關(guān)注。是“七五”到“十五”期間國家重點(diǎn)科技攻關(guān)課題。2008年國家農業(yè)部又啟動(dòng)了“國家高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系”建設項目,組成強大的高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系框架。國家高粱改良中心及各相關(guān)省、市科研單位、大學(xué)投入大量的科研力量,開(kāi)展了卓有成效的工作,先后開(kāi)發(fā)出遼甜3、原甜、吉甜、龍飼雜、遼飼雜、沈農甜雜、醇甜等多個(gè)系列的甜高粱優(yōu)良品種。這些品種在生產(chǎn)上表現出高產(chǎn)、早熟、抗逆性強、抗倒伏、含糖量高、莖稈產(chǎn)量高、汁液優(yōu)良的雜交優(yōu)勢,有的已在生產(chǎn)上應用。其中甜高粱新品種吉甜3號已通過(guò)全國草品種審定委員會(huì )的審定,成熟期籽粒產(chǎn)量可達4500kg/hm2,總生物產(chǎn)量可達84U/hm2。適宜吉林省大部、黑龍江省第積溫帶、內蒙古通遼地區種植。目前,我國已經(jīng)建立了優(yōu)良能源作物甜高粱示范育種基地;甜高粱種植示范面積達6500hm2以上,建成年產(chǎn)2萬(wàn)t燃料乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)能力,達到工業(yè)化建設階段。目前我國應用甜高粱生產(chǎn)燃料乙醇正處于從試驗到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的過(guò)渡時(shí)期。制約甜高粱乙醇產(chǎn)業(yè)化的主要因素有原料供應、生產(chǎn)技術(shù)和副產(chǎn)品的綜合利用等。在原料供應方面,要重點(diǎn)選育產(chǎn)量高、莖稈含糖量高、抗倒伏及抗逆性(耐旱、耐鹽堿、耐濕澇等)強的優(yōu)良品種,重視雜交品種的引種、試種及推廣工作;生產(chǎn)技術(shù)方面,要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)經(jīng)濟、節能和環(huán)保的工藝及裝備,提高原料利用率及乙醇轉化效率;副產(chǎn)品綜合利用研究方面,要以充分利用其中的優(yōu)質(zhì)纖維素為目標,推廣混合發(fā)酵制蛋白飼料技術(shù)、壓制建筑板材和環(huán)保紙漿生產(chǎn)技術(shù),此外還要深入研究甜高粱莖稈渣水解制乙醇及裂解制生物油③的技術(shù)2.2木薯制取燃料乙醇木薯( Manihot escu lenta crantz)屬大戟科木薯屬植物,是灌木狀多年生木質(zhì)作物。木薯原產(chǎn)于美洲熱帶,于19世紀20年代引入我國,現廣泛分布于華南地區,以廣西、廣東和海南栽培最多,福建、云南江西、四川和貴州等省的南部地區亦有種植°。中國是最早大規模用木薯為原料生產(chǎn)乙醇的國家。2007年12月,采用天津大學(xué)石化中心木薯燃料乙醇成套生產(chǎn)技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)TUS技術(shù)),設計建設的廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司“年產(chǎn)20萬(wàn)噸木薯燃料乙醇示范生產(chǎn)裝置”一次投料試車(chē)成功,薯類(lèi)淀粉利用率超過(guò)90%,燃料乙醇收率大于99.5%,居于世界領(lǐng)先水平0。在現有技術(shù)的基礎上,張超等采用低溫蒸煮液化,濃醪發(fā)酵技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化木薯乙醇生產(chǎn)工藝,降低能耗及成本。目前,我國用木薯制燃料乙醇技術(shù)發(fā)展相對完善,已處于規?；a(chǎn)階段。但隨著(zhù)生產(chǎn)規模的擴大,原料供應和企業(yè)污染問(wèn)題日益突出。在原料供應方面,要注重推廣標準化種植技術(shù),實(shí)施間作種植低產(chǎn)作物輪作種植技術(shù)以提高土地利用率,增加作物的種類(lèi)和產(chǎn)量,還可以利用荒山荒地、改造低產(chǎn)果園等方式擴大木薯種植面積;此外從東盟國家進(jìn)口木薯干片也是解決目前我國木薯原料緊張的有效途徑。對于木薯乙醇企業(yè)的污染問(wèn)題,應推廣清潔生產(chǎn)技術(shù),如閃中國煤化工取、CO2高效回收技術(shù)等,減輕環(huán)境污染。CNMHG2.3橡子制取燃料乙醇橡子( Quercus acutissima Carr)是殼斗科麻櫟屬和常綠櫧栲類(lèi)野生植物橡樹(shù)的果實(shí)"。全世界有8第4期張寧,等:我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀及前景展望屬900余種,我國占6屬301種。我國約有橡子林1.33×10~1.67×10hm2,每年可產(chǎn)60~70億千克橡子。橡子仁除富含淀粉,還含有單寧、蛋白質(zhì)、脂肪纖維素等。隨著(zhù)產(chǎn)地、氣候、品種的不同,橡子的化學(xué)成分有很大的差異,脫澀后可食用橡子作為我國目前有大量生產(chǎn)潛力而未大規模利用的林產(chǎn)淀粉原料,其研究報道較少,生產(chǎn)開(kāi)發(fā)尚處于起步階段,迫切需要對橡子結構、形態(tài)、成分、果實(shí)保鮮、提取及開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行深入而系統的研究,從而為大規模開(kāi)發(fā)生物質(zhì)燃料項目提供基礎原料以及理論與應用基礎。陜西綠迪橡樹(shù)林業(yè)發(fā)展有限公司從2002年開(kāi)始投資橡樹(shù)林業(yè),于2004年正式啟動(dòng)橡樹(shù)產(chǎn)業(yè)化項目,建成橡樹(shù)示范林基地8600hm2,并研發(fā)岀低溫制燃料乙醇技術(shù)。但總的來(lái)說(shuō),目前以野生橡實(shí)為原料制備燃料乙醇的研究較少,國外也未見(jiàn)報道。不過(guò)以玉米、木薯淀粉為原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)已經(jīng)成熟61),為實(shí)現橡子能源化提供了成熟的技術(shù)基礎。中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所在國家林業(yè)局948創(chuàng )新重點(diǎn)項目和林業(yè)公益性行業(yè)專(zhuān)項的資助下對橡子淀粉的性質(zhì)及制備燃料乙醇工藝進(jìn)行了研究,目前已處于中試階段。雖然我國對橡子資源的開(kāi)發(fā)利用比較重視,但從目前情況來(lái)看仍存在許多問(wèn)題131。在加工技術(shù)方面,橡子淀粉加工仍釆用傳統工藝技術(shù),費時(shí)、費水、廢水產(chǎn)量大,既易加重環(huán)境污染和增加廢水處理費用,又不利于單寧的回收利用;此外對殼斗、皮殼基本上未加利用。因此經(jīng)濟有效地脫除橡實(shí)中所含的單寧,研究橡子皮殼的降解及生物轉化是實(shí)現橡子能源化的重要研究課題。2.4纖維素制取燃料乙醇以糖質(zhì)和淀粉質(zhì)為原料生產(chǎn)乙醇的技術(shù)已經(jīng)成熟,在國內外都得到了迅速發(fā)展,但以?xún)α控S富的農林廢棄物為代表的木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇,正處于技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化示范階段202通常所說(shuō)的以木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇包括纖維素的預處理、酶水解和發(fā)酵3個(gè)過(guò)程。近年來(lái)在優(yōu)化預處理工藝,降低纖維素酶成本,已己糖戊糖協(xié)同發(fā)酵等方面的研究都取得了長(cháng)足的進(jìn)步。發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的方式有直接發(fā)酵法、間接發(fā)酵法、混合菌發(fā)酵法、分步糖化發(fā)酵法(SHF)、同步糖化發(fā)酵法(SSF)、非等溫同步糖化發(fā)酵法(NSSF)和固定化細胞發(fā)酵法等。其中SSF法是美國現在玉米生物乙醇行業(yè)所主要采用的方法{2),也是最具發(fā)展潛力和優(yōu)勢的方法之一。我國的纖維素制燃料乙醇技術(shù)在生物質(zhì)的預處理工藝、超高酶活性纖維素酶方面以及基因重組酵母和其他基因工程細菌的構建等方面已取得了重要進(jìn)展312。迄今為止,已經(jīng)建成和正在建設多套纖維素原料制燃料乙醇中試生產(chǎn)線(xiàn)。河南天冠集團已建成3000t纖維素制乙醇裝置,華東理工大學(xué)建成年產(chǎn)600t纖維素制乙醇的示范生產(chǎn)線(xiàn),豐原集團采用固體發(fā)酵纖維素酶技術(shù)建成的300t規模的中試裝置,中糧集團在黑龍江肇東建成了以玉米秸稈為原料年產(chǎn)500t纖維素制乙醇的中試裝置。據估算,中國每年產(chǎn)生大約6億噸農業(yè)廢棄物(主要是秸稈),除了用于飼料和還田之外,還應該有2億噸可以用來(lái)生產(chǎn)5500萬(wàn)噸燃料乙醇,這幾乎等于目前中國的汽油總消耗量。到2020年,我國的纖維素制燃料乙醇將可以替代3100萬(wàn)噸汽油,每年為中國帶來(lái)320億元人民幣的收入。纖維素制燃料乙醇工藝路線(xiàn)雖然巳經(jīng)打通,但在原料收集、預處理、糖化、發(fā)酵和精餾各個(gè)過(guò)程中還存在著(zhù)制約其實(shí)現大規模工業(yè)生產(chǎn)的工藝和設備問(wèn)題,主要表現為以下5個(gè)方面:1)木質(zhì)纖維素原料分散,季節性強;2)木質(zhì)纖維素預處理技術(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化和提高;3)缺乏髙效的產(chǎn)纖維素酶菌株,現有的纖維素酶制劑效率較低,使得酶解糖化經(jīng)濟成本較高;4)缺乏能夠同時(shí)高效代謝戊糖和己糖的發(fā)酵菌株,戊糖的利用是影響纖維素燃料乙醇綜合成本的關(guān)鍵因素;5)纖維素燃料乙醇發(fā)酵濃度較低,污水處理成本髙,難度大。對此應積極加強纖維素制燃料乙醇技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,加強纖維素制燃料乙醇混合發(fā)酵菌株的構建和發(fā)酵控制研究;重視纖維素整合生物加工技術(shù)的基礎研究,突破木質(zhì)纖維素原料的預處理和酶解工藝瓶頸。中國煤化工3我國非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢和前景展望CNMHG根據中國工程院對我國生物資源和發(fā)展潛力的評估研究認為,從目前到2015年,木薯、甘薯和甜高粱是我國主要的能源作物,甘蔗和甜菜是制糖和生產(chǎn)乙醇兩用的作物。2016-~2025年期間,將是乙醇生物質(zhì)化學(xué)工程第45卷原料作物、柴油油料作物和木質(zhì)纖維素作物并舉階段,甜高粱、纖維高梁、木薯、菊芋、甜菜、灌木和多年生草本類(lèi)纖維作物以及麻瘋樹(shù)、黃連木和文冠果等油料作物的共同發(fā)展階段。至2026年,以糖和淀粉為主的能源作物的種植面積逐漸減少,木質(zhì)纖維作物將成為越來(lái)越主要的能源作物,其中灌木類(lèi)包括檉柳、紫穗槐和檸條等,草本類(lèi)包括纖維高梁、菊芋、柳枝稷和芒草等2。在利用纖維素制備燃料乙醇的技術(shù)開(kāi)發(fā)方面還要加強對以下技術(shù)的研究:以基因工程手段選育高酶活的纖維素酶、木質(zhì)素酶菌種;深入研究固體發(fā)酵技術(shù),解決目前存在的污染率高和成本高的問(wèn)題;進(jìn)一步研究纖維素原料的預處理技術(shù),有效地降低生產(chǎn)成本。隨著(zhù)燃料乙醇的硏究領(lǐng)域和應用范圍不斷擴展,燃料乙醇在可再生燃料市場(chǎng)中將占據主要地位,發(fā)展前景廣闊。發(fā)展非糧燃料乙醇既可解決我國的石油資源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題,有利于保證國家能源安全和社會(huì )的可持續發(fā)展,還適合我國人多地少的國情,對我國能源農業(yè)及畜牧業(yè)等工業(yè)的發(fā)展也具有重大意義。而且有助于增加農民收入、改善農村環(huán)境以及拉長(cháng)農業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。參考文獻[1]梅曉巖,劉榮厚中國甜高粱莖稈制取乙醇的研究進(jìn)展[J]中國農學(xué)通報,2010,26(5):341-345[2]王峰.甜高梁制取燃料乙醇產(chǎn)業(yè)初步分析[J.釀酒,200,36(3):64-67[3]劉雅榮,趙玉杰,賀強遼甜1號高粱雜交制種技術(shù)[打.雜糧作物2010,31(3):223-224[4]李桂英,蘇益民,張保明優(yōu)質(zhì)飼用甜高梁新品種原甜1號的選育及栽培技術(shù)[冂].作物雜志,2005(5):60[5]王德生糧食兼用高粱雜交種—遼飼雜4號[J]養殖技術(shù)顧問(wèn),2009(8):43[6]王鼐,劉紅欣,石貴山,等.甜高粱吉甜3號的選育報告[J.雜糧作物,2007,27(5):340-341[7]班靖洋,張栩,譚天偉以甜高粱渣為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇[J]北京化工大學(xué)學(xué)報,2007,34(6):637-639[8]吳漢靚,劉榮厚,鄧春健甜高粱莖稈殘渣熱裂解過(guò)程及其生物油成分分析[門(mén)農機化研究,2009,31(8):205-2089]黎貞崇梁秀明木薯作為我國燃料乙醇原料的潛力分析[冂]釀酒技術(shù),2010(4):31-3[10]李北,鄧立廉.木薯燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況和趨勢J].糧食與食品工業(yè),2010,17(5):37-39[1張超,張立省鄭啟,等一種木薯發(fā)酵制備乙醇的方法:中國,ZL201010209847.2[P].2010-06-2512]胡芳名,李建安湖南省主要橡子資源綜合開(kāi)發(fā)利用的研究[門(mén)].中南林學(xué)院學(xué)報,00,20(4):41-4513]魏練平,毛非鴻,蔣立科,等橡子營(yíng)養成分及其加工利用的初步研究[J.安徽農學(xué)通報,2007,13(9):137-138[14]謝碧霞,謝濤我國橡實(shí)資源的開(kāi)發(fā)利用[J.中南林學(xué)院學(xué)報,2002,22(3):37-41[15]王航,黃立新,高群玉,等,橡子淀粉性質(zhì)的研究[].食品與發(fā)酵工業(yè),2002,28(7):1-5[16]趙學(xué)敬橡子開(kāi)發(fā)利用釀制白酒的途徑[]農牧產(chǎn)品開(kāi)發(fā),1997(9):16-17[17周彥春,周彥文野生植物淀粉資源如橡子淀粉替代糧食生產(chǎn)乙醇的辦法:中國,CN101085992A[P].2007-12-12[18]白坤,趙智星.橡子資源的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品加工技術(shù)[J.中國商辦工業(yè),20005):50-51[19]韓驍陳瑩,夏炎,等超聲耦合膜技術(shù)提取橡子中單寧的研究[J.過(guò)濾與分離,2008,18(3):16-17,47[20] 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