燃料乙醇生产技术

1燃料乙醇生产技术摘要：生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化为燃料酒精。在能源安全问题日益突出、传统化石能源的消耗造成严重环境危害的形势下，生物燃料乙醇已经成为世界各国重点研究和推广的能源课题之一。经过几十年的研究与发展，生物燃料的生产技术发展迅速，而第一代与第二代生物燃料都是以乙醇为主，本文将大致介绍燃料乙醇的生产过程与相应技术。关键词：生物质，燃料乙醇，原料，发酵，工艺，能源。ABSTRACTBioethanolisrefersthroughthefermentationofmicroorganismwillbeallkindsofbiomassintofuelalcohol.Onenergysecurityissueshavebecomeincreasinglyprominent,thetraditionalfossilenergyconsumptioncausedseriousharmtotheenvironmentsituation,biofuelethanolhasbecomeoneoftheenergyissueallovertheworldfocusontheresearchandpromotionof.Afterdecadesofresearchanddevelopment,productiontechnologyofbiofueldevelopmentisrapid,andthefirstandsecondgenerationbiofuelsareethanolbased,thispaperwillbroadlyintroducetheproductionprocessoffuelethanolandcorrespondingtechnology.Keywords:biomass,fuelethanol,rawmaterial，fermentation,technics,energy.2一、背景从1978年一月到2001年1月，世界平均原油价格由每桶13美元到每桶22美元，上涨了69%。而从2001年1月到2006年1月，原油价格由每桶22美元到每桶55美元，上涨了150%。到2014年每桶原油超过115美元，上涨超过100%。能源需求的不断增长和石油供给的不稳定性加速了原油价格的不断上涨，而全球的能源消耗却与日俱增。原油的价格增长加速了工业生物经济这一便宜的、可持续的、环境友好的经济过程的发展，大量综述文献描述了工业生物技术在发挥此作用中可能扮演的角色。美国、巴西、加拿大、欧盟、中国、日本、印度等各国为了因对资源危机、减少污染、提高经济效益，相继在风能、太阳能、生物质能等新能源上投入精力，进行技术研究与发展，国家政策也给予很大的支持，生物乙醇作为其中之一也受到广泛关注，各国积极研究与发展。汽车平均消耗1t燃料，所产生的有害物为40—60千克，汽车尾气的污染占所有大气污染源的60%左右。使用10%燃料乙醇的车用乙醇汽油，由于良好的燃烧效率，可使汽车尾气中的CO、碳氢化合物排放量分别下降30.8%和13.4%，CO2排放减少3.9%。典型的汽油调以10%乙醇（E10），有助于抑制烟雾，而且绝大多数汽车发动机无需作任何改装。巨大的市场需求，良好的经济效益，友好的环境关系，政府的政策支持……为乙醇技术的开发与研究提供了良好的环境，2000年以来，乙醇的生产技术已逐渐成熟并取得重大成果。二、生产原料（一）生物乙醇的原料生物乙醇是以粮食为原料的第一代生物燃料。生物乙醇的原料不局限于一种或一类植物，可以用作生产乙醇燃料的植物有很多种，原料广泛，易于寻找，世界各个国家、地区都有相应的原料生产乙醇；在中国，各个省份、各个城市也都容易寻到生产乙醇的原料。原料虽然种类繁多，但其3效益确是各不相同，有好有坏。美国生产乙醇的原料主要是玉米，巴西生产乙醇的原料主要是甘蔗，欧盟生产乙醇的原料主要是小麦，其他国家与地区的原料还有木薯、甜菜、甜高粱、稻米等，有些国家不举限于一两种原料，像中国就有木薯、甜菜、甜高粱、某些品种的红薯等几种原料用于生产生物乙醇。目前，巴西的乙醇生产以甘蔗为原料，生产成本低，每升0.2美元；美国以玉米为原料，乙醇的生产成本为每升0.33美元；欧洲以小麦为原料的乙醇生产成本为每升0.48美元；以甜菜为原料的成本则为每升0.52美元。下表是印度国家糖业管理联合会主席P.J.M.Rao总结的结果，通过此表我们可以大致得出各种农作物生产乙醇的效率。各种能源作物单位土地面积乙醇产量比较原料土地产量/[t/（hm^2*a）]糖或淀粉含量/（%）乙醇产率/（L/t原料）单位土地乙醇产量/[kg/（hm^2*a）]木薯40251506000甘蔗7012.5704900甜菜45161004300甜高粱3514802800稻米5754502250玉米5694102050小麦4663901560（二）纤维乙醇的原料与第一代生物燃料不同，纤维素乙醇是以秸秆、草、和碎木等农业废弃物或非粮作物为主要燃料的第二代生物燃料。与第一代相比，第二代具有非常大的优势。首先，生产纤维素乙醇的原料不是粮食作物，不会影响人类赖以生存的粮食，容易在如今这个人口众多粮食不足的世界得到支持；第二，秸秆等纤维素类农业废弃物大量存4在，如中国每年农业生产大约7亿吨秸秆，供给量非常充足；第三，纤维素乙醇的催化酶技术成本呈快速下降趋势，大规模工业生产的可行性非常强。另一方面，纤维素乙醇对人类健康的负面影响与汽油或谷物乙醇相比相对较少，仅排放较少的细颗粒物质，温室气体排放也较少。研究发现，根据所用材料和生产技术，纤维素乙醇对环境的影响费用比汽油要少一半，而谷物基乙醇的影响费用比汽油还要大：汽油对环境和健康总的影响费用约为0.71美元/gal，谷物基乙醇取决于所用技术，为0.72—1.45美元/gal，纤维素乙醇取决于所用技术和所用纤维素原料，为0.19—0.32美元/gal。三、生产乙醇的技术与过程生物乙醇的生产技术与过程以农作物为原料的生物乙醇主要都是用农作物中的淀粉作为基本原料，经过微生物发酵转化为糖，再由糖转化为乙醇。纤维素乙醇的生产技术与过程1、原料预处理通常情况下，预处理被分为生物法预处理、物理法预处理和化学法预处理，或是这些方法相结合的处理等几种类型。典型的生物法预处理是利用木材降解真菌（软腐菌、褐腐菌、白腐菌）处理来改变木质纤维原料的化学成分。一般来说，软腐菌和褐腐菌主要降解半纤维素而对木质素的影响很小，白腐菌则能有效降解木质素组分。尽管在该领域已经作了一定的研究工作，但主要是将其应用于制浆造纸工业中的生物制浆，而不是将其作为生产生物能源前的预处理。生物与处理的缺点是，需要严格的控制生长的条件和足量的空间，一般需要10—14个小时，因此生物法预处理在工业方面没有发展前景。物理法预处理包括磨碎生物质原料使之形成更小的颗粒，从而有利于后续的酶水解。锤磨与球磨等物理法预处理可以破坏纤维素的结晶度，增5加原料的比表面积，是原料与酶接触并发生反应，从而提高水解。物理法几乎可以适用于所有性质的原料，但要消耗大量的能量，且不能去除木质素。木质素会阻碍水解过程中纤维素酶与纤维素的接触，并会抑制纤维素酶。化学法预处理主要借用化学试剂溶出半纤维素和木质纤维以增加酶对纤维素的可及性，以及降低纤维素的聚合度和结晶度。降低纤维素结晶度的预处理包括使用温和的润涨剂如氢氧化钠、联氨和无水氨，以及强的润涨剂如硫酸、盐酸、铜乙二氨溶液等。减少原料木质素含量的预处理方法有使用乙醇、甘油和亚乙基二醇等不同的有机溶剂制浆。总体而言，每一种预处理技术都有各自的优缺点。2、降解技术与发酵技术木质纤维素降解有酸水解和酶水解两种不同的技术路线。发酵技术有分步水解和发酵（SHF）、同时水解和发酵（SSF）、直接微生物转化（DMC）三种。对于SHF，45到50摄氏度酶解，30到35摄氏度乙醇发酵，各步可以在各自的最适温度下进行；缺点是酶解出的糖抑制酶的活性。SSF主要问题是水解与发酵所需的最佳温度不能匹配，SSF是多相、多酶催化过程，存在微生物的生长。DMC是将纤维素直接发酵转化为乙醇，既能水解纤维素，又能发酵糖为乙醇。3、所需酶纤维素酶的来源极为广泛，对纤维素能进行有效降解的生物包括细菌、丝状真菌、放线菌、软体动物、原生动物和昆虫在内的多种生物。产生纤维素酶的细菌有纤维粘菌和纤维杆菌等，真菌有黑曲霉、根霉、绿色木霉、里氏木霉、康氏木霉、斜卧青霉等，放线菌有玫瑰色放线菌和纤维放线菌等丝状真菌是研究最多的纤维素降解类群。对纤维素作用较强的菌株多是木霉属、曲霉属和青霉属菌株，一般采用的工业发酵菌种多是这些产酶能力较强的菌种，特别是以作用突出的木霉属菌种居多，目前研究最清楚6的是里氏木霉。另外，酵母也产生纤维素酶。一般而言，厌氧菌所产酶系较有氧菌丰富，厌氧菌产多酶体系，而有氧菌多产单一酶系4、精馏与脱水技术精馏与脱水可以借鉴淀粉质原料燃料乙醇生产工艺中已经发展成熟的工业化技术。木质纤维素类原料发酵液中乙醇浓度比较低，一般在5%（V）以下，致使精馏操作能耗高。有研究者建议，在木质纤维素水解乙醇发酵工艺中耦合渗透蒸发技术来提高进入精馏系统发酵液中乙醇的浓度，但渗透蒸发系统本身的动力消耗也比较大，而且渗透蒸发所用的透醇膜被发酵缪和菌体污染的问题也很突出。四、小结随着现代生物技术与工程技术的不断发展，发酵工艺及精馏技术得到不断改进，高产菌株的获取也将变得相对容易，燃料乙醇的大规模生产就有了技术保证。发展燃料乙醇可解决我国及其他国家与地区的石油资源短缺和环境污染等问题，有利于保证世界能源安全和社会的可持续发展。随着燃料乙醇的研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很重要的地位，发展前景广阔。参考文献：[1]李志军．生物燃料乙醇发展现状、问题与政策建议[J].中国生物工程杂志ChinaBiotechnology，2008,28(7)：139-142.[2]孙孝仁．2l世纪世界能源发展前景[J]．中国能源。2001(2)：19-20．[3]刘铁男．中国燃料乙醇产业发展［J].中国能源，2002，(3):6－10．[4]钱伯章.生物乙醇与生物丁醇及生物柴油技术与应用[M].北京：科学出版社，2010.9.7[5]L.Olsson.生物燃料（曲音波等译）[M].北京：化学工业出版社，2009.9.[6]刘荣厚，梅晓岩，颜涌捷．燃料乙醇制取工艺与实例[M].北京：化学工业出版社，2007.