我国非粮燃料乙醇产业发展现状及前景展望

第45卷第4期生物质化学工程Vol 45 No 42011年7月Biomass Chemical Engineering·综迷评论—一生物质能娠我国非粮燃料乙醇产业发展现状及前景展望张宁,蒋剑春·,李翔宇,赵剑(中国林业科学研究院林产化学工业研究所;生物质化学利用国家工程实验室;国家林业局林产化学工程重点开放性实验室;江苏省生物质能源与材料重点实验室,江苏南京210042)摘要:发展非粮燃料乙醇是我国应对环境、能源及粮食危机的重要途径。本文从政策、供给和技术几个方面分析了我国目前非粮(甜高梁、薯类和纤维素等)燃料乙醇产业的技术特点及产业现状,对产业的发展趋势和前景进行了展望,并对非粮燃料乙醇产业的健康可持续发展提出了建议。关键词:燃料乙醇;甜高粱;薯类;纤维素中图分类号:TQ214文献标识码:A文章编号: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世纪初,经过一段曲折的发展,现在已作为能源在很多国家得到应用,如巴西、美国、瑞典和中国等。在能源危机日益严重的今天,燃料乙醇的研究成为世界重大热门研究课题之许多国家都制定了相应的开发研究计划。目前以糖类或粮食为原料生产燃料乙醇的工艺已经成熟但在中国这样的人口大国,人均耕地面积少,发展粮食-燃料乙醇产业是行不通的。2007年8月8日中国政府公布《可再生能源中期发展规划》,提出发展以非粮生物质为原料的燃料。国家通过政策导向和资金支持积极推动我国薯类、甜高粱和纤维素等非粮作物燃料乙醇生产技术的发展,得到了企业界的积极响应,非粮作物生产燃料乙醇的技术研发和产业化亦取得了一定的进展,本文对我国目前非粮燃料乙醇的产业发展现状及趋势进行评述。1燃料乙醇简介乙醇,分子式C2H5OH,相对分子质量46.07。乙醇可用于化工、农业、医药等,作为动力燃料使用时称为燃料乙醇。燃料乙醇产业是当前可行性最高的液体燃料替代方案,在普通汽油中添加10%的燃料收稿日期:2011-05-12中国煤化工基金项目:国家林业局公益性行业专项(201004001)CNMHG作者简介:张宁(1978-),女,吉林白城人博士,主要从事工业微生物及生物质能源技术研究通讯作者:蒋剑春(1955-),男江苏溧阳人研究员博士,博士生导师从事林产化学加工和生物质能源开发技术研究;Ema:bioenergy@ 163, coma生物质化第45卷乙醇,所形成的乙醇汽油具有能量利用效率高、尾气排放污染少等优点。截止当前,在中国10个省区正在施行这种方式,年消耗乙醇汽油1700万t,占中国汽油消耗总量的近3成。2我国非粮燃料乙醇产业发展现状2.1甜高梁制取燃料乙醇甜高粱( Sorghum bicolor L. Moench)是禾本科高粱属一年生草本植物,是高粱的一个变种。甜高粱具有抗旱、耐涝、耐盐碱的特点,对肥料和土壤的要求不高,在各种类型的土壤中均可栽培。我国有70余个甜高粱品种2,从海南岛至黑龙江都可以种植甜高粱,每公顷甜高粱一般能产2250~600kg粮食和6075t富含糖分的茎秆,可用于制取燃料乙醇。甜高粱较玉米的生物质产量高,其籽种是粮食,茎秆制取乙醇后的残渣是优质饲料,所以将一部分种植玉米的耕地转种甜高梁不会影响我国的粮食安全。甜高粱为原料生产燃料乙醇项目较早就受到了中国有关能源企业的关注。是“七五”到“十五”期间国家重点科技攻关课题。2008年国家农业部又启动了“国家高粱产业技术体系”建设项目,组成强大的高粱产业技术体系框架。国家高粱改良中心及各相关省、市科研单位、大学投入大量的科研力量,开展了卓有成效的工作,先后开发出辽甜3、原甜、吉甜、龙饲杂、辽饲杂、沈农甜杂、醇甜等多个系列的甜高粱优良品种。这些品种在生产上表现出高产、早熟、抗逆性强、抗倒伏、含糖量高、茎秆产量高、汁液优良的杂交优势,有的已在生产上应用。其中甜高粱新品种吉甜3号已通过全国草品种审定委员会的审定,成熟期籽粒产量可达4500kg/hm2,总生物产量可达84U/hm2。适宜吉林省大部、黑龙江省第积温带、内蒙古通辽地区种植。目前,我国已经建立了优良能源作物甜高粱示范育种基地;甜高粱种植示范面积达6500hm2以上,建成年产2万t燃料乙醇的工业化生产能力,达到工业化建设阶段。目前我国应用甜高粱生产燃料乙醇正处于从试验到产业化生产的过渡时期。制约甜高粱乙醇产业化的主要因素有原料供应、生产技术和副产品的综合利用等。在原料供应方面,要重点选育产量高、茎秆含糖量高、抗倒伏及抗逆性(耐旱、耐盐碱、耐湿涝等)强的优良品种,重视杂交品种的引种、试种及推广工作;生产技术方面,要进一步开发经济、节能和环保的工艺及装备,提高原料利用率及乙醇转化效率;副产品综合利用研究方面,要以充分利用其中的优质纤维素为目标,推广混合发酵制蛋白饲料技术、压制建筑板材和环保纸浆生产技术,此外还要深入研究甜高粱茎秆渣水解制乙醇及裂解制生物油③的技术2.2木薯制取燃料乙醇木薯( Manihot escu lenta crantz)属大戟科木薯属植物,是灌木状多年生木质作物。木薯原产于美洲热带,于19世纪20年代引入我国,现广泛分布于华南地区,以广西、广东和海南栽培最多,福建、云南江西、四川和贵州等省的南部地区亦有种植°。中国是最早大规模用木薯为原料生产乙醇的国家。2007年12月,采用天津大学石化中心木薯燃料乙醇成套生产技术(简称TUS技术),设计建设的广西中粮生物质能源有限公司“年产20万吨木薯燃料乙醇示范生产装置”一次投料试车成功,薯类淀粉利用率超过90%,燃料乙醇收率大于99.5%,居于世界领先水平0。在现有技术的基础上,张超等采用低温蒸煮液化,浓醪发酵技术进一步优化木薯乙醇生产工艺,降低能耗及成本。目前,我国用木薯制燃料乙醇技术发展相对完善,已处于规模化生产阶段。但随着生产规模的扩大,原料供应和企业污染问题日益突出。在原料供应方面,要注重推广标准化种植技术,实施间作种植低产作物轮作种植技术以提高土地利用率,增加作物的种类和产量,还可以利用荒山荒地、改造低产果园等方式扩大木薯种植面积;此外从东盟国家进口木薯干片也是解决目前我国木薯原料紧张的有效途径。对于木薯乙醇企业的污染问题,应推广清洁生产技术,如闪中国煤化工取、CO2高效回收技术等,减轻环境污染。CNMHG2.3橡子制取燃料乙醇橡子( Quercus acutissima Carr)是壳斗科麻栎属和常绿槠栲类野生植物橡树的果实"。全世界有8第4期张宁,等:我国非粮燃料乙醇产业发展现状及前景展望属900余种,我国占6属301种。我国约有橡子林1.33×10~1.67×10hm2,每年可产60~70亿千克橡子。橡子仁除富含淀粉,还含有单宁、蛋白质、脂肪纤维素等。随着产地、气候、品种的不同,橡子的化学成分有很大的差异,脱涩后可食用橡子作为我国目前有大量生产潜力而未大规模利用的林产淀粉原料,其研究报道较少,生产开发尚处于起步阶段,迫切需要对橡子结构、形态、成分、果实保鲜、提取及开发利用进行深入而系统的研究,从而为大规模开发生物质燃料项目提供基础原料以及理论与应用基础。陕西绿迪橡树林业发展有限公司从2002年开始投资橡树林业,于2004年正式启动橡树产业化项目,建成橡树示范林基地8600hm2,并研发岀低温制燃料乙醇技术。但总的来说,目前以野生橡实为原料制备燃料乙醇的研究较少,国外也未见报道。不过以玉米、木薯淀粉为原料生产燃料乙醇的技术已经成熟61),为实现橡子能源化提供了成熟的技术基础。中国林业科学研究院林产化学工业研究所在国家林业局948创新重点项目和林业公益性行业专项的资助下对橡子淀粉的性质及制备燃料乙醇工艺进行了研究,目前已处于中试阶段。虽然我国对橡子资源的开发利用比较重视,但从目前情况来看仍存在许多问题131。在加工技术方面,橡子淀粉加工仍釆用传统工艺技术,费时、费水、废水产量大,既易加重环境污染和增加废水处理费用,又不利于单宁的回收利用;此外对壳斗、皮壳基本上未加利用。因此经济有效地脱除橡实中所含的单宁,研究橡子皮壳的降解及生物转化是实现橡子能源化的重要研究课题。2.4纤维素制取燃料乙醇以糖质和淀粉质为原料生产乙醇的技术已经成熟,在国内外都得到了迅速发展,但以储量丰富的农林废弃物为代表的木质纤维素类生物质生产燃料乙醇,正处于技术开发和产业化示范阶段202通常所说的以木质纤维素原料生产乙醇包括纤维素的预处理、酶水解和发酵3个过程。近年来在优化预处理工艺,降低纤维素酶成本,已己糖戊糖协同发酵等方面的研究都取得了长足的进步。发酵法生产乙醇的方式有直接发酵法、间接发酵法、混合菌发酵法、分步糖化发酵法(SHF)、同步糖化发酵法(SSF)、非等温同步糖化发酵法(NSSF)和固定化细胞发酵法等。其中SSF法是美国现在玉米生物乙醇行业所主要采用的方法{2),也是最具发展潜力和优势的方法之一。我国的纤维素制燃料乙醇技术在生物质的预处理工艺、超高酶活性纤维素酶方面以及基因重组酵母和其他基因工程细菌的构建等方面已取得了重要进展312。迄今为止,已经建成和正在建设多套纤维素原料制燃料乙醇中试生产线。河南天冠集团已建成3000t纤维素制乙醇装置,华东理工大学建成年产600t纤维素制乙醇的示范生产线,丰原集团采用固体发酵纤维素酶技术建成的300t规模的中试装置,中粮集团在黑龙江肇东建成了以玉米秸秆为原料年产500t纤维素制乙醇的中试装置。据估算,中国每年产生大约6亿吨农业废弃物(主要是秸秆),除了用于饲料和还田之外,还应该有2亿吨可以用来生产5500万吨燃料乙醇,这几乎等于目前中国的汽油总消耗量。到2020年,我国的纤维素制燃料乙醇将可以替代3100万吨汽油,每年为中国带来320亿元人民币的收入。纤维素制燃料乙醇工艺路线虽然巳经打通,但在原料收集、预处理、糖化、发酵和精馏各个过程中还存在着制约其实现大规模工业生产的工艺和设备问题,主要表现为以下5个方面:1)木质纤维素原料分散,季节性强;2)木质纤维素预处理技术有待进一步优化和提高;3)缺乏髙效的产纤维素酶菌株,现有的纤维素酶制剂效率较低,使得酶解糖化经济成本较高;4)缺乏能够同时高效代谢戊糖和己糖的发酵菌株,戊糖的利用是影响纤维素燃料乙醇综合成本的关键因素;5)纤维素燃料乙醇发酵浓度较低,污水处理成本髙,难度大。对此应积极加强纤维素制燃料乙醇技术的研发与产业化进程,加强纤维素制燃料乙醇混合发酵菌株的构建和发酵控制研究;重视纤维素整合生物加工技术的基础研究,突破木质纤维素原料的预处理和酶解工艺瓶颈。中国煤化工3我国非粮燃料乙醇产业发展趋势和前景展望CNMHG根据中国工程院对我国生物资源和发展潜力的评估研究认为,从目前到2015年,木薯、甘薯和甜高粱是我国主要的能源作物,甘蔗和甜菜是制糖和生产乙醇两用的作物。2016-~2025年期间,将是乙醇生物质化学工程第45卷原料作物、柴油油料作物和木质纤维素作物并举阶段,甜高粱、纤维高梁、木薯、菊芋、甜菜、灌木和多年生草本类纤维作物以及麻疯树、黄连木和文冠果等油料作物的共同发展阶段。至2026年,以糖和淀粉为主的能源作物的种植面积逐渐减少,木质纤维作物将成为越来越主要的能源作物,其中灌木类包括柽柳、紫穗槐和柠条等,草本类包括纤维高梁、菊芋、柳枝稷和芒草等2。在利用纤维素制备燃料乙醇的技术开发方面还要加强对以下技术的研究:以基因工程手段选育高酶活的纤维素酶、木质素酶菌种;深入研究固体发酵技术,解决目前存在的污染率高和成本高的问题;进一步研究纤维素原料的预处理技术,有效地降低生产成本。随着燃料乙醇的硏究领域和应用范围不断扩展,燃料乙醇在可再生燃料市场中将占据主要地位,发展前景广阔。发展非粮燃料乙醇既可解决我国的石油资源短缺和环境污染等问题,有利于保证国家能源安全和社会的可持续发展,还适合我国人多地少的国情,对我国能源农业及畜牧业等工业的发展也具有重大意义。而且有助于增加农民收入、改善农村环境以及拉长农业产业链。参考文献[1]梅晓岩,刘荣厚中国甜高粱茎秆制取乙醇的研究进展[J]中国农学通报,2010,26(5):341-345[2]王峰.甜高梁制取燃料乙醇产业初步分析[J.酿酒,200,36(3):64-67[3]刘雅荣,赵玉杰,贺强辽甜1号高粱杂交制种技术[打.杂粮作物2010,31(3):223-224[4]李桂英,苏益民,张保明优质饲用甜高梁新品种原甜1号的选育及栽培技术[冂].作物杂志,2005(5):60[5]王德生粮食兼用高粱杂交种—辽饲杂4号[J]养殖技术顾问,2009(8):43[6]王鼐,刘红欣,石贵山,等.甜高粱吉甜3号的选育报告[J.杂粮作物,2007,27(5):340-341[7]班靖洋,张栩,谭天伟以甜高粱渣为原料发酵生产乙醇[J]北京化工大学学报,2007,34(6):637-639[8]吴汉靓,刘荣厚,邓春健甜高粱茎秆残渣热裂解过程及其生物油成分分析[门农机化研究,2009,31(8):205-2089]黎贞崇梁秀明木薯作为我国燃料乙醇原料的潜力分析[冂]酿酒技术,2010(4):31-3[10]李北,邓立廉.木薯燃料乙醇产业发展状况和趋势J].粮食与食品工业,2010,17(5):37-39[1张超,张立省郑启,等一种木薯发酵制备乙醇的方法:中国,ZL201010209847.2[P].2010-06-2512]胡芳名,李建安湖南省主要橡子资源综合开发利用的研究[门].中南林学院学报,00,20(4):41-4513]魏练平,毛非鸿,蒋立科,等橡子营养成分及其加工利用的初步研究[J.安徽农学通报,2007,13(9):137-138[14]谢碧霞,谢涛我国橡实资源的开发利用[J.中南林学院学报,2002,22(3):37-41[15]王航,黄立新,高群玉,等,橡子淀粉性质的研究[].食品与发酵工业,2002,28(7):1-5[16]赵学敬橡子开发利用酿制白酒的途径[]农牧产品开发,1997(9):16-17[17周彦春,周彦文野生植物淀粉资源如橡子淀粉替代粮食生产乙醇的办法:中国,CN101085992A[P].2007-12-12[18]白坤,赵智星.橡子资源的开发和产品加工技术[J.中国商办工业,20005):50-51[19]韩骁陈莹,夏炎,等超声耦合膜技术提取橡子中单宁的研究[J.过滤与分离,2008,18(3):16-17,47[20] SASSNER P, MARTENSSON C G, GALBE M, et al. 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