纤维素燃料乙醇研究进展

2013年第8期广东化工第40卷总第250期www.gdchem.com51纤维素燃料乙醇研究进展李煜,李慧(中国石油大学(北京)北京市油气污染防治重点实验室,北京102249)摘要]纤维素燃料乙醇是当今世界可再生生物质能源研究的热点。文章综述了纤维素燃料乙醇生产技术以及纤维素燃料乙醇产业的发展概况。分析了纤维素燃料乙醇产业化过程中出现的关键技术问题,并提出了相应建议关键词]纤维素:燃料乙醇:产业化中图分类号TQ131[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2013)080051-02Cellulose Fuel Ethanol Research DevelopmentLi Yu. Li hui(Beijing Key Laboratory of Oil and Gas Pollution Control, Department of Environmental EngineeringChina University of Petroleum, Beijing 102249, China)Abstract: Fuel ethanol from lignocellulosic biomass attracted increasing attention in the field of renewable bioenergy research. Cellulose fuel ethanolhnology and the industry development are reviewed. The key technical issues in cellulose fuel ethanol industry process are analyzed, and suggestionscellulose: fuel ethanol: industry能源需求量伴随着经济的发展而与日俱增,化石能源供需矛原料来源于玉米和甘蔗,但是此类原料成本较髙,其由于其原料盾日益突出,对我国可持续发展造成巨大压力。同时,由于化石的可食用性,存在与人争粮的问题。因此,以纤维素为原料的燃燃料的过度使用而导致的环境问题愈发突出。面对这一系列压力料乙醇成为当今研究的热点开发出环境友妖型化石能源皆代品成为一种然的势作为清1纤维素燃料乙醇生产技术发展概况再生资源,符合能源、环境和经济发展的需求。资源日渐趋紧和纤维素燃料乙醇生产工艺流程如图1所示,主要包含原材料人们逐渐增强的环保意识不断推动着燃料乙醇产业的发展,世界预处理、酶水解、发酵以及分离纯化4个步骤。其中,原材料预各国纷纷制定可再生能源发展战略。目前,生物燃料乙醇的主要处理和酶水解阶段一般统称为发酵前的处理过程。原材料顶处理酶解发酵分离纯化副产品图1维素燃料乙醇生产流程Fig 1 ellulose fuel ethanol production process1.1发酵前处理过程过程。目前最常见的方法就是酸水解。酸水解又可分为高温烯酸利用自然界中最为丰富的纤维素作为生产乙醇的原料是提高(酸浓度低于5%)水解和低温浓酸(酸浓度高于10%)水解。高温烯乙醇产量成本最理想的策略。最为常见的纤维素燃料乙醇酸水解优点在于无需回收酸,但是产率较低,一般在50%左右原料包括农作物秸秆、木屑等。不同的生物质,其纤维素、木质同时会产生大量副产物。可以通过对工艺进行优化来提高产率素、半纤维素含量差别较大,具体见表1所示同时,一般通过对原材料的预处理来提高反应速率。预处理手段可分为四大类:化学法、物理法、物理化学法以及生物法。原料表1维素燃料乙醇原料组成预处理没有唯一适应性的手段,不同原材料由于其物理化学性质Tab 1 Ellulose materials不同,其最佳预处理方法有所差异。一般,预处理方法的选择基纤维素/%半纤维素/%木质素%于“低成本、高效率”原则纸l8-30同的预处理手段对纤维素酶水解过程的影响不同,其选择硬木24-40依据不仅要考虑原材料性质、生产成本,还应顾及后续工艺等因素。各种预处理手段对后续酶水解过程的影响如表2所示软木45-50柳枝30-5010表2各种预处理手段对后续处理的影响2Tab 2 Effects of different pretreatments 2)稻草秸秆预处理方法麦秸酸处理增加原料内孔面积,去除半纤维素玉米秸秆15碱处理增加原料内孔面积,去除半纤维素和木质素,降低纤维纤维素燃料乙醇生产工艺中的预处理过程除去除木质素,降机械破坏增加原料接触面积,降低纤维素结晶度低纤维素的聚合度,还可增加原料的比表面积,降低生物质硬度蒸汽爆增加原料内孔面积,去除半纤维素目前,纤维素的预处理工艺倾向于将原料预处理阶段与酶的水解阶段结合起来生物法增加原料内孔面积,去除木质素纤维素生物质转变为乙醇的过程,就是生物质转变为糖类的液相热水法YH中国煤化工CNMHG收稿日期]201303-19[作者简介」李煜(1987-),男,辽宁人,硕士研究生,主要研究方向为环境化工广东化工2013年第8期www.gdchem.com第40卷总第250期1.1.2酶解法中试生产线。丰原集团建成年产300t规模纤维素燃料乙醇生产微生物能够产生纤维素酶,该酶能够把纤维素降解成葡萄糖试装置,中粮集团在黑龙江建成年产500t已玉米秸秆为原料的纤利用该方法把纤维素生成单糖的方法就是酶解法。利用酶解法也维素燃料乙醇中试装置,华东理工大学建成年产600t的纤维素燃需要对原材料进行一定的预处理。纤维素酶具有非常显著的优点,料乙醇示范生产线,柯南天冠建成年产3000t纤维素燃料乙醇生由此引起十分广泛的关注,但也仅限实验室研究产装置。预计到2020年,我国生产的纤维素燃料乙醇可以替代3100万吨汽油影响纤维素酶水解效果的因素众多,包括温度、溶解氧、pl维素燃料乙醇的产业结构方面,国内相关酶量等。同时,纤维素酶生产成本偏高,且存在酶的活力及酶者均开展了有益的探索,涌现出多个示范性工程。最典型的例如量不足等问题。上述问题都严重影响着酶解法的工业化进程华东理工大学承担国家863计划项目"农林废弃物制取燃料乙醇1.2发酵工艺技术",在上海建成年产600吨纤维素燃料乙醇工业化示范工厂;纤维素燃料乙醇的生产过程中,需要对发酵工艺进行严格中科院与山东泽生生物科技有限公司在山东共建每年3000吨纤有效的控制,从而使得原材料能够在最短时间内最大限度生产乙维素燃料乙醇示范工程牌般,发酵阶段分为前,中、后个发醇阶段,发酵阶段3问题与建议价段的中期是正要发酵期,庞大数量的面种厌氧发酵,反应温度产业化过程中还存在一系列的间题亟待解决。纤维素类原材料如迅速上升,需要釆用外加手段控制反应温度。在发酵阶段的后則界中非大量的糖分被消化,反应温度开始下降,也需采用外加手段控制维素燃料乙醇生产工艺较为繁琐、生产能耗大、原料利用率低,反应温度以防止温度过低降低发酵效率,最终导生产成本高于粮食类燃料乙醇。主要表现为以下几纤维素燃料乙醇发酵工艺过程中,水解液中不但含有易发方面:原料受地域、季节、气候限制;预处理技术有待进一步提酵的葡萄糖,也含有不易被菌种利用的五碳糖。如何高效利用此高;现有提取的纤维素酶效率低;纤维素燃料乙醇污水处理难度类成分,是实验室研究的重点。大等2纤维素燃料乙醇产业发展概况为此,在充分利用纤维素原料、优化生产工艺、降低成本减少生产过程废弃物排放的基础上。还应进一步强化纤维素燃料2.1国外燃料乙醇产业发展概况乙醇生产技术的研发,加快其产业化进程2:进一步加深纤维素作为一种可再生的生物质能源,世界范围内纤维素燃料乙醇制取燃料乙醇的发酵菌种构建和反应控制条件等基础研究,突破产业发展极为迅速。在生物燃料乙醇产业发展方面,巴西和美国纤维素燃料乙醇生产的产业化瓶颈。位于世界前列。巴西是世界上纤维素燃料乙醇最为典型、最为成功的国家。1989年,巴西以甘蔗、木薯等为原料醇12Mt,率先实现了企业燃料酒精化。至今,巴西仍是世界参考文献唯一不使用纯汽油作为汽车燃料的国家。1于斌,齐鲁.木质纤维素生产燃料乙醇的研究现状门.化工进展,2006美国对纤维素燃料乙醇的研发及其活跃,也是纤维素燃料乙25(3):244-248醇生产技术较为先进的国家。美国ABUS公司开发出利用玉米秸(2]辛芬,陈汉平,王贤华,等.木质纤维素生物质生产乙醇的预处理技术[J.能源工程,2006,(3);24-27发出的烯酸预处理酶解发酵工艺可以使得大约90%的纤维素转3贤良,温其标,朱江纤维素酶解的研究进展阴.郑州工程大学学报匕为葡萄糖。美国能源部的研究表明,到2015年其燃料乙醇的[J,2001,22(4):68-71成本可以降低36%,其纤维素燃料乙醇生产过程中的技术问题、[4]房彩琴,木质纤维素水解发酵制备乙醇的研究[D].北京:北京化工大经济问题都能得到有效解决,从而能够实现纤维素燃料乙醇的工学,业化生产[5]Sun YCheng J Y. Hydrolysis of lignocellaterials for ethanol欧洲各国对纤维素燃料乙醇的研究虽然起步较晚,但是发展 production: A review. Bioresoure Technolog83(1):I-11也极为迅速。欧盟通过积极的政策引导、推广纤维素燃料乙醇的6]胡徐腾.纤维素乙醇研究开发进展门.化工进展,2011,30(1):137-143通燃料中所占比例为2%,到2010年将达575%,并提出到20200M北京:科学出版社,20025、中国生物质能技术路线图研究使用。欧盟生物燃料计划为:到2005年,各成员国生物燃料在交7中国国家发展和改革委员会能源研力争20%的运输燃料由燃料乙醇替代8]周友超,姜新春.纤维素燃料乙醇生产技术研究进展门广东化工2.2国内燃料乙醇产业发展概况2010(5):45-51年来,我国纤维素燃料乙醇的发展得到广泛重视。2006年,(9赵亮.车用乙醇清洁能源的实验研究D,西安:长国家发改委紧急叫停粮食乙醇生产,纤维素燃料乙醇的生产成为10张杰,李岩,许海朋纤维素乙醇发展现状[学,2008生物质能源生产的主流。在《可再生能源中长期发展规划》中国明确提出减少粮食燃料乙醇生产能力,致力于发展纤维素燃[1l海,林鹿,孙料乙醇技术78):1l41-1146目前,我国燃料乙醇年产量位居世界第三,全国燃料乙醇主[12]Antoine M, Barbel HH, Maria E, et al. New Improvements for要生产企业分别为中石油吉林燃料乙醇、中粮广西木薯项目、中Lignocellulosic Ethanol]. Curr Opin Biotechnol, 2009, 20(3): 372-380粮丰原生化、黑龙江华润酒精以及河南天冠。据估算,我国每年产生的农业废弃物(主要为秸秆)大约有6亿吨,其中2亿吨可用(本文文献格式:李煜,李慧.纤维素燃料乙醇硏究进展[J].广于纤维素燃料乙醇生产,所产生纤维素燃料乙醇量相当于目前中东化工,2013,40(8):51-52)国汽油消耗总量。目前,我国建成多套大规模纤维素燃料乙醇(上接第61页[ 19JHIG, Halil S, Ahmet U, et al. Synthesis and Electrochemical22]周鑫,赵新兵,余红明,等.F掺杂 LiFePOw/C的固相合成及电化学性Properties of Carbon-Mixed LiEroo2Feo 8PO4 Cathode Material for能.无机材料学报,2008,23(35):587-591Lithium-ion Batteries[J]. J. Mater. Sci. Technol. 2011, 27(9): 861-864[23]Yang L, Jiao L F, Miao Y L, et al. Synthesis and characterization of[20]Du K, Zhang L H, Cao Y B, et al. Synthesis of LiFeo. AMno6-xNix PO /C LiFeo. Mno.oI(PO4)hium-ionco-precipitation method and its electrochemical perfElectrochem, 2011, 41: 1349-135521]任兆刚,瞿美臻,于作龙, LiFePogsBoosOυC的制备及电化学性能研硏(本文文献格式:马晓华,杨建文,叶璟.锂离子电池正极材料磷究!.无机材料学报,2010,25(3):230-234广东化工,2013,40(8):60-61)中国煤化工CNMHG