我国非粮作物燃料乙醇技术与产业发展现状

第2卷第2期新能源进展Vol 2 No. 22014年4月ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGYApr.2014文章编号:2095-560X(2014)020089-05我国非粮作物燃料乙醇技术与产业发展现状王霞1,陈迪嘉23,叶广英23,谢君23(1.茂名职业技术学院,化学工程系,茂名525000;2.华南农业大学,新能源与新材料研究所,广州510642农业部能源植物资源与利用重点实验室,广州510642)摘要:非粮燃料乙醇是我国生物质能源发展的重点之一。本文就我国木薯、甜高粱、菊芋、葛和菊叶薯蓣等几种非粮能源作物的资源优势、非粮乙醇转化技术及其产业发展现状进行探讨,并对我国非粮作物燃料乙醇产业的可持续发展提出了建议关键词:燃料乙醇;非粮能源作物;淀粉;糖质中图分类号:TK6文献标志码:Adoi:10.3969/issn.2095560X.2014.02.002Development of Technology and Industrialization ofNon-Grain Crops Fuel EthanolWANG Xia, CHEN Diii 2.3 YE Guang-ying", XIE Jun2,3(1. Department of Chemical Engineerin, Maoming Polytechnic College, Maoming 525000, China2. Institute of New Energy and New Materials, South China Agriculture University, Guangzhou 510642, China3. Key Laboratory of Energy Plants Resource and Utilization, Ministry of Agriculture, Guangzhou 510642, China)Abstract: Non-grain fuel ethanol is one of emphases on the development of biomass energy in China. Non-grain energycrops, such as cassava, cane, Jerusalem artichoke, kudzu, and Dioscorea composite, etc, are discussed from aspects ofresource advantages, development of ethanol conversion technology, and industrialization in China. Suggestions about howto develop non-grain crops fuel ethanol industry are proposed in this articleKey words: fuel ethanol; non-grain energy crops; starch; sugariness0引言化技术创新、推进液体燃料等生物质能源产品规模化生产与示范”的发展需求。2012年,我国燃料乙可再生能源是解决我国能源供需矛盾、改善能醇产量约为166万t,是继美国和巴西之后的第三大源结构和实现可持续发展的战略选择。近年来,作燃料乙醇生产国。第1代粮食燃料乙醇主要以玉米、为一种能替代化石燃料的清洁液体燃料能源,生物甘蔗等为原料,虽然为环境倸护、节能减排、降低石燃料乙醇受到了人们的关注。生物质乙醇的广泛油消耗做出了较大贡献,但是也存在过度消耗粮食、应用,使其在全球范围内的产量大幅提高凹。根据与人畜争夺口粮、与粮林争夺土地的弊端。第2代纤2007年9月国家发展和改革委员会公布的《可再生维素乙醇具有资源丰富、成本低廉、绿色环保、低能源中长期发展规划》,预计2020年我国可再生能碳节源、不争粮、不争地等特点,符合世界能源发源消费量将达到能源消费总量的15%左右,而生物展趋势和环保潮流,受到国家政策支持,发展潜力燃料乙醇作为重点发展对象之一,年利用量将达到巨大,然而生产成本高使其产业化进程缓慢。我1000万t。2012年,科技部发布了《生物质能源科国是人口大国,粮食安全是关乎国家稳定的首要问技发展¨“十二五”重点专项规划》,明确了我国“加题。现阶段,在发展粮食燃料乙醇不可行、纤维素快新型能源植物的规模化培育、加强生物质高效转燃料乙醇暂不围经洺性的背晷下以木薯、甜高粱中国煤化工*收稿日期:201309-04修订日期:201404-10CNMHG基金项目:广东省科技计划重点项目(2011B090400437);“十二五”国家科技支撑计划(201BAD22B01)通信作者:谢君,E-mail:xIejun@scau.edu.cn新能源进展第2卷等非粮作物为代表的第1.5代非粮燃料乙醇成为了的糖分,是玉米、甜菜的2~3倍,与甘蔗相当,亩较理想的选择。本文就第1.5代非粮作物燃料乙醇产可达5000kg-1000kg48,每公顷甜高粱茎秆可的原料开发、生产工艺、产业现状等方面的内容进生产乙醇6300kg3。我国拥有盐碱地、低洼地等边行阐述际性土地约3.7亿亩,为甜高粱的种植提供了可利用的土地资源。利用边际土地种植甜高粱生产燃1非粮作物燃料乙醇原料的开发料乙醇,不仅能解决原料来源和成本问题,还能开本文中探讨的第1.5代非粮作物燃料乙醇原料发我国干旱、半干旱地区的农业,有效利用贫瘠土主要是指利用“非耕地”种植、“非食用”的高生物地,具有较大的发展潜力。但甜高粱的糖分极易被量能源作物。荒山荒坡、早地、盐碱地、受污染土微生物降解,储藏非常困难,如何延长贮藏期已地等边际性土地不适合粮食作物生长或者种植,其成为甜高粱乙醇产业化面临的最大技术难题生产的粮食不适合食用,因此种植能源作物既能缓菊芋、葛和菊叶薯蓣是目前正在硏究中的新资解我国能源供应的不足,又能充分利用土地资源,改源,三者均可在生产燃料乙醇的同时副产高值产品善生态环境,同时避免了“能源与粮争地”、“能源有利于提高原料综合利用率和经济效益。菊芋块茎与人争粮”的弊端。经过多年的摸索与研究,木薯中含有大量菊粉(或称菊糖),达干重的70%~甜高粱、菊芋、葛和菊叶薯蓣等一批“非粮”能源80%,菊粉是果糖的寡聚物,经发酵后可得到乙醇;作物的开发和利用取得了较大的进展。此外,菊粉是天然的功能性多糖,具有降血脂、抗鲜木薯块根中淀粉含量为20%-30%,是我国消化的保健功能,菊芋生物量高,适合在荒漠、滩开发最早、技术最成熟、产业化程度最高,也是目涂、盐碱地等边际土地上种植,适应性广,抗病抗前经济效益最好的非粮能源作物。木薯主要分布在寒力强,一般不需精耕细作。葛在我国大部分地区我国南部地区,其中广西的种植面积最大。2010年都有分布,葛根中包含有大量的淀粉,可作为燃料全国木薯栽培面积约为600万亩,1年平均亩产1.3t.乙醇的原料,葛根中还含有异黄酮、葛根苷、三萜鲜薯总产量为600万t-680万t,每公顷土地栽种皂苷等药用成分;葛耐旱、耐贫瘠,可在不适于的木薯可转化为6000kg乙醇。木薯能抗风、抗旱、粮食作物生长的荒山荒坡、撂荒地等边际土地种植。耐瘠薄、抗病虫害,具有适应性强、栽培粗放、技菊叶薯蓣于1978年从原产地墨西哥引人我国,目术要求不高、投入少见效快等优点。但是木薯成熟前在云南、广东等地推广种植;菊叶薯蓣具有种植后如不及时收获,容易发生纤维化,影响淀粉含量;粗放、生长快、不纤维化、抗旱、抗贫瘠等优点,适收获后又极易腐烂,因此必须处理成木薯干或木薯于在荒山荒坡等边际土地种植;菊叶薯蓣亩产可达粉,否则会造成淀粉含量的大幅度降低,影响工业3-6t,块茎中淀粉含量约占鲜重的25%-28%;另生产。随着广西木薯燃料乙醇项目的投产,工业生外,块茎中所含有的薯蓣皂素是现代医药工业的重产对木薯原料的需求逐年增加,而广西的木薯产量要基础原料,具有较高的经济价值,是理想的乙并不能满足木薯燃料乙醇以及其他产品的生产需醇和皂素非粮原料之一。求,因此必须采取相应措施以缓解原料供应问题,如2非粮作物燃料乙醇转化技术的发展寒能力,开范山荒坡等地资扩大检面积另现状外,从泰国、越南等进口木薯原料也是解决原料缺第1.5代非粮作物富含淀粉或者糖汁,以淀粉口的重要途径之一间,目前我国已成为亚洲最大的为原料生产乙醇一般需要经过预处理、淀粉转变为木薯原料进口国。糖、糖发酵转化为乙醇、乙醇蒸馏及脱水五个阶段甜高粱是C4作物,具有产量高、抗旱、抗倒伏、以糖汁或糖蜜为原料要经过预处理、糖发酵、乙醇适应性强、稳产等优势,是目前公认的最具应用前蒸馏和脱水四景的能源作物之一。甜高粱主要分布在我国东北2.1淀粉质中国煤化工和西北地区,亩产高粱籽粒150kg~500kg,可食以木薯为CNMH好的生物降用、饲用;更重要的是其茎秆汁液含有12%~22%解性,其较低的生产成本和广泛的可使用性使其在第2期王霞等:我国非粮作物燃料乙醇技术与产业发展现状与其他原料的竞争中拥有更多的优势3。淀粉乙醇值、无机盐对乙醇产率、发酵速度和发酵周期有着生产一般采用先糖化后发酵的工艺,即高温蒸煮或淀显著影响92。固体发酵是将原料粉碎后直接进行粉酶低温蒸煮后糖化、发酵,该工序消耗的热量约占发酵,具有设备简单、投资少、易于操作、乙醇转总能耗的1β3,是资源消耗较大、生产周期较长的阶化率髙的优点,而且整个生产过程无污水、污物排段。刘振等4采用同步糖化发酵工艺,在一个反应器放,是比较容易实现和推广的技术,但是生产周期中同时进行木薯淀粉的糖化和发酵,相比先糖化后发较长,约需4~6d21b清华大学的韩冰等2采用车酵的生产模式,该工艺发酵时间由72h缩短为48h,鼓式固态发酵裝置和高效产乙醇菌种乙醇浓度由992g00mnL提高到l0.89g/100mL,增cGMC1949,完成了甜高粱秸秆固体发酵过程的数幅达9.8%,具有工艺简单、节约资源等优点。莫丽学模拟和工程放大,发酵时间低于30h,可发酵糖春等以木薯粉生料为原料,在添加酵母前先进行转化率高于92%,实际乙醇收率达理论值的90.86%低温水解,结果表明此工艺的加人可使发酵周期缩平均lt燃料乙醇消耗15~16t茎秆,具有明显的工短30%,出酒率和淀粉利用率分别提高19:0%和程实用性和经济可行性。康利平等23采取添加18.0%,大大提高了木薯淀粉的利用率。梁于朝等10FPUg纤维素酶和10CBU/g葡萄糖苷酶进行同釆用木薯挤压膨化技术进行乙醇发酵实验,结果显步糖化固体发酵的方法,使甜高粱茎秆的乙醇得率示在料水比为1:2、糖化酶用量为100U/g、糖化比不添加酶的提高了146%,充分利用了茎秆中的温度为60℃、糖化45min、酵母接种量为0.1%、发可溶性糖和部分纤维素,在副产物及环境保护上更酵温度为30℃的生产条件下,乙醇体积分数可达具优势。液体发酵则是先榨汁,利用糖汁进行发酵,16.61%,相比传统工艺提高了2276%。另外,由天该技术发酵时间短,更适用于大规模现代化生产,但津大学和广西中粮生物质能源有限公司共同开发的是投资较大,乙醇转化率比固体发酵低。为提高固木薯非粮燃料乙醇成套技术”,包括“浓醪除砂技体发酵的乙醇得率,沈飞等蚀4比较了固定化酵母和术”、“鲜木薯浓浆制备技术”、“高温喷射与低能阶游离态酵母的发酵性能,并进一步优化了发酵条件,换热集成技术”、“低温双酶法完全液化技术”、“同发现固定化酵母发酵不仅时间缩短了近2/3,而且乙步糖化浓醪发酵技术”、“CIP高效清洗技术”、“高醇得率提高了35%。采用酵母固定化技术,在发酵效精密精馏技术”、“变温变压分子筛脱水技术”等温度为34℃、pH值为4.5和粒子填充率为25%的条多项关键技术及设备,使成熟醪酒分的浓度提高了件下发酵10h,最后测得乙醇得率和总糖利用率为40‰%,淀粉利用率提高了4.7%,水和蒸汽消耗降低96.72%和9986%,为提高甜高粱液体发酵效率和了约50%,废水也达到了国家的排放标准,成为连续化生产提供了有力的参考。肖明松等采用工业实施的典范,在国内外处于行业领先地位。华固定化酵母流化床快速发酵工艺,解决了固定化载体南农业大学新能源与新材料硏究所开发的物理-化强度低、使用寿命短等技术难题,实现了大量种子的学分离提取皂素法、菊叶薯蓣补加糖质原料、水解固定化,降低了生产成本。总之,提髙甜高粱茎秆皂苷废水调酸的乙醇混合发酵技术,采用大罐连续汁渣分离效率,充分利用汁液糖分进行液态发酵,最补料发酵及微量通风发酵技术,不仅能同时获得皂大程度转化纤维素组分以提髙酒精得率是今后甜高素和燃料乙醇两种产品,还能大幅度提高成熟醪中粱茎秆制取乙醇技术的发展方向乙醇的浓度,降低能源和水的消耗,避免含糖废酸水的排放。因此,采用清洁沽化生产方式,提高产品3我国非粮燃料乙醇产业化发展现状质量稳定性、降低能耗物耗、减少污染物排放是促“十一五”期间,随着我国粮食供需矛盾的突出进非粮作物燃料乙醇产业进一步扩大的必经之路。燃料乙醇的主要生产原料由玉米、小麦逐渐转变为木22糖质原料乙醇转化技术薯、甜髙粱、薯类等非粮作物。预计2015年我国非甜高粱富含糖汁,经预处理后可直接进行发酵,粮作物燃料乙TVT中国煤化工万相对淀粉原料而言,工艺较简单,技术成熟。以甜木薯燃料善,业已实高粱茎秆为原料的糖质乙醇生产主要有固体发酵和现了工业化生∮。CNMH原有限公司年液体发酵两种工艺,菌种的选择、发酵温度、pH产20万t木薯燃料乙醇项目于2007年12月投入生92新能源进展第2卷产,是中国第一个非粮燃料乙醇试点项目,日前生在非粮乙醇的研究中取得了较大的进步,但我国在产运行情况平稳28。广东首条木薯燃料乙醇生产试原料开发、技术创新、产业发展等方面仍有较多限制线于2007年6月落户清远例。中国石化和海南椰制因素,非粮燃料乙醇发展任重道远。島集团合作在海南建设木薯燃料乙醇项目及木薯生是非粮乙醇原料供应保障不足。美国和巴西产基地的计划也在积极推进之中燃料乙醇产业的蓬勃发展,其有利条件之一是原料我国木薯种植业发展较快,已成为华南农业经供应充足、价格低廉;而我国人口众多、土地资源济的一个重要组成部分。2014年1月全国木薯研讨匮乏,原料的产量和价格仍是未来制约燃料乙醇产年会上,国家木薯产业技术体系首席科学家李开绵业发展的主要因素。我国木薯燃料乙醇的产量居世教授指出,我国目前木薯种植面积突破700万亩,年界前列,但国内木薯产量不足以满足工业需求,仍需产鲜薯∞ω0多万t。随着木薯产量和种植面积的进一要从泰国、越南等地进口。甜高粱中的可发酵糖组步扩大,未来满足100万t木薯燃料乙醇的原料需分容易被降解,必须在短时间内加工,无法长期保求是完全可能的。存,造成原料供应的中断。菊叶薯蓣、菊芋、葛根我国已自主开发了以甜高粱茎秆为原料生产燃等新兴的能源作物尚处于优良品种选育、栽培实验料乙醇的技术,在完成“十五”国家863项目“能源和推广阶段,还无法满足产业的需求。作物甜高粱繁育和能量转换技术”和“甜高粱茎秆制二是燃料乙醇推广力度不够。目前我国燃料乙取乙醇”课题的同时,逐步扩大规模,进入甜高粱茎醇的推广使用明显落后于形势发展,市场乱象严重秆制取乙醇的产业化初始阶段,在黑龙江、内蒙古、政府督导和保护作用不足都是引起推广受阻的原山东、新疆和天津等地开展了甜高粱的种植及燃料乙因。试点区的推广过渡期漫长,市场不能完全实现醇生产试点。山东安丘山东景芝酒业集团采用固定化车用乙醇汽油的封闭销售与使用,普通汽油仍然存酵母流化床多级连续发酵工艺与设备,完成了年产在且价格较低,使乙醇汽油无法与之竞争。400t甜高粱乙醇的生产性中试工程建设,实现了连4.2建议续化、自动化和高效化的乙醇生产。通过小批量生在现阶段,1.5代非粮作物燃料乙醇与石化能源产规模示范工程试点,目前,我国已经建立了优良能相比仍不具备市场竞争力,关键在于原料供应和经源作物甜高粱示范育种基地,甜高粱种植示范面积达济效益问题。因此,利用边际土地规模化种植效益」6500公顷以上,建成年产2万t燃料乙醇的工业化生好的多用途非粮能源植物,培育新型生物质资源;开产能力,达到工业化建设阶段。能源局核准的“中发非粮乙醇联产高值产品的转化技术和生物质资源兴能源(内蒙古)有限公司年产10万t甜高粱茎秆综合利用的清洁技术,提高非粮乙醇经济效益,增燃料乙醇项目”已经在2010年开工。清华大学研发强市场竞争力,是发展生物燃料乙醇产业最现实的的固态发酵甜高粱茎秆生产燃料乙醇的技术进入了选择。针对我国非粮作物燃料乙醇技术与产业发展工业化示范阶段。在甜高粱种植方面,预计到2030现状,提出如下具体建议。年,全国至少有1887.12万公顷土地可用于甜高粱种(1)开展系统的非粮能源作物的资源收集、引植,其中约有96%的土地为非耕地种和品种选育工作,开发具有高附加值的非粮能源2006年华南农业大学新能源与新材料研究所将作物。实现作物的规模化种植,为燃料乙醇的生产菊叶薯蓣引人广东,经过与多家多年的研究,突破提供稳定、充足、低廉的原料供应,解决原料不足了育种、繁苗、高产优质栽培、皂素联产乙醇等核的问题。结合原料供应情况,适度谨慎发展,避免心技术,建成了位于韶关年产500万株种苗示范基哄而上、大起大落的局面。地以及在揭阳开展2000亩种植示范基地,并完成了(2)加强宏观调控和政府监管,确保非粮乙400t投料中试。现正在进一步扩大和推广之中。醇产业稳步发展。政府应出台适当的扶持政策,确4非粮燃料乙醇产业化发展的问题以保乙醇生产企业的经济收益,并尽快确定乙醇汽油的推广进度和及建议通。对非粮燃中国煤化工醇的销售畅监督,确保4.1存在的问题燃料乙醇的产MNMH待燃料乙醇自2007年国务院叫停粮食乙醇项目以来,我国的优缺点。第2期王霞等:我国非粮作物燃料乙醇技术与产业发展现状(3)加强非粮作物燃料乙醇技术创新和攻关。∏η柳树海,刘晓峰.木薯非粮燃料乙醇生产技术进展门不断完善和革新非粮作物燃料乙醇生产工艺,开发酿酒,2010,37(2):91清洁生产技术,降低成本,减少能耗物耗,减少生18]刘杰,李源有,郑士梅,等利用甜高粱秸秆加工乙醇产过程对环境的影响,提高原料的综合利用率和燃存在的问题及建议门.吉林农业科学,2007,32(2)62-65料乙醇的产量。[1!]王莹,张峰龙,贾茹珍,等.甜髙粱茎汁酒精发酵研究与应用进展.可再生能源,2007,25(1):52-55参考文献:[20]薛洁,王异静,贾士儒.甜高粱茎秆固态发酵生产燃[1] Geng A, Xin F, Ip J Y. Ethanproduction from料乙醇的工艺优化研究[J.农业工程学报,2007,horticultural waste treated by a modified organosolve23(11):224-228.method[J. Bioresource Technology,2012,104:715-721.[21]王猛杰,肖明松.略谈甜高粱茎秆制取燃料乙醇2] Gaykawad ss, van der Wielen L A, Straathof A J能源政策研究,2005,(1):58-6Effects of yeast-originating polymeric compounds onoI pervaporation[J]. Bioresource Technology, 2012,[22]韩冰,王莉,李十中,等.先进固体发酵技术(ASSF)生16:9-14产甜高粱乙醇[J.生物工程学报,2010.26(7):1-83] Galbe M, Zacchi C. Pretreatment of lignocellulosic[23]康利平,刘莉,刘萍,等.甜高粱茎秆固态发酵生产燃materefficient bioethanol production[J]Biotechnol,2007,108:41-65料乙醇研究J.农业工程学报,2008,24(7):181-184[4]郭荣琦,刘光华,程金焕,等.云南木薯产业化发展前[24]沈飞,刘荣厚.甜高粱糖分积累规律及其酒精发酵的景分析[.安徽农业科学,2010,38(34):19803-19804研究[.农机化研究,2007,(2):149-1525]唐三元,席在星,谢旗.甜高粱在生物能源产业发展25]沈飞,刘荣厚.固定化酵母发酵甜高粱茎秆汁工艺参中的前景[J.生物技术进展,2012,2(2):81-86数对酒精得率的影响[J.农业工程学报,2007,23(10):6]黎贞崇,梁秀明.木薯作为我国燃料乙醇原料的潜力186-191分析.酿酒科技,2010,(4):31-3[26]肖明松,封俊.甜高粱茎秆液态发酵制取乙醇工艺技7]石龙阁.我国甜高粱产业发展前景分析[J.杂粮作物,术门.农业工程学报,2006,22(supp1):217-2202007,27(3):242-24327]刘莉,孙君社,康利平,等.甜高粱茎秆生产燃料乙[8]谢延臣,王春虎,尹学惠,等.甜高粱在循环产业中的醇[J化学进展,2007,19(7/8):1009-1115应用[.河南科技学院学报,2012,40(2:91328]冯献,徐明冉,詹玲,等.木薯生物燃料产业化研究述I9]涂振东,王钊英,傅力.甜高粱秸秆燃料乙醇产业化评.中国农学通报,2010,26(10):375-380问题与对策的探究.可再生能源,2009,27(4):29张宁,蒋剑春,李翔宇,等.我国非粮燃料乙醇产业发106-108.展现状及前景展望门.生物质化学工程,201,45(4):0]胡素琴,蔡飞鹏,王建梅,等.菊芋的种植和开发利47-50.用[J.生物质化学工程,2012,46(1):51-4[30]靳胜英.世界燃料乙醇产业发展态势凹.石油科技论[1]刘云,张瑶,和润喜.葛根及葛根食品的研究与开发坛,2011,(2:52-54现状[.中国林副特产,2010,(1):[31]赵立欣,张艳丽,沈丰菊.能源作物甜高粱及其可供[12 Marc S, Anne C M, Marie A L, et al. The Dioscorea应性研究[.可再生能源,2005,(4):37-40genus: a review of bioactive steroid saponins J]. J Nat3 RUSSO ma L, O'Sullivan C, Rounsefell B,eta!.ihe作者简介:anaerobic degradability of thermoplastic starchpolyvinyl alcohol blends potential biodegradable food霞(1981-),女,硕士,讲师,茂名职业技术学院教师,packaging materials]. Bioresource Technology, 2009100:1705-1710华南农业大学在读博士研究生,主要从事能源植物分子生物14刘振,王金鹏,张立峰,等.木薯干原料同步糖化发酵学研究。生产乙醇.过程工程学报,2005,5(3):353-356陈迪嘉(1989-),男,硕土研究生,主要从事能源植物分子15]莫丽春,彭文,朱冰清,等.木薯粉生料低温水解制酒生物学研究。精的发酵工艺研究[J.食品与发酵科技,2012,48(1)16梁于朝,朱德明,李开绵.挤压膨化木薯粉生产酒精谢君(1965-),男,教授、博士生导师,主要从事能源植物及其生化转化研究。的研究门.安徽农业科学,2008,36(21):9242-9243中国煤化工CNMHG