生物质燃料乙醇研究进展

生物燃料乙醇进展研究生命科学与技术学院08级生物技术（1）班陈骏学号：20080371摘要：人类对化石能源的过度依赖造成能源供需矛盾加剧、全球持续变暖、能源开支负担加重等一系列问题，破解能源供应瓶颈、降低温室气体排放量是实现经济和社会可持续发展的必然要求。随着化石能源尤其是石油资源的日益枯竭，人类不得不努力寻找和开发化石能源的替代品，生物燃料乙醇就是其中一种重要的选择。燃料乙醇是将乙醇以15％～20％的质量比掺入汽油中，一方面可以作为汽油的替代物以减少汽油消耗量，另一方面可以减少汽车尾气污染物的排放，改善城市大气环境。关键词：生物燃料乙醇研究研究内容：1、国内外燃料乙醇发展概况巴西是世界上最早推行生物燃料政策的国家之一,目前已成为世界上第二大乙醇生产国和最大的乙醇出口国。【1】目前面临化石能源危机，一些农产品丰富的国家正大力发展乙醇汽油供应市场。巴西从1975年开始实施“燃料乙醇计划”，以其富产甘蔗为原料，目前已形成1000多万吨产能，替代了1／3车用燃料。为推广燃料乙醇，美国制定了积极的经济激励政策，计划从2006年至2012年，可再生能源燃料年用量从1200万吨增加到2300万吨。日本重点研究利用农、林废弃物等植物纤维素制备燃料乙醇。欧盟、加拿大、菲律宾、墨西哥等国也在在积极进行着相关研究。中国也是继巴西、美国之后全球第三大生物燃料乙醇生产和消费国。“十一五”期间将生产600万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇500万吨。实践证明我国过去以粮食为原料生产燃料乙醇，不符合国情，探索非粮能源资源是大势所趋[1]。全国相关研究正如火如荼进行着，呈现一派“百花齐放，百家争鸣”的景象。特别是筹建中的中国科学院青岛生物能源与过程研究所，顺应时代潮流而生，肩负历史、国家使命，是集中力量办大事的“国家队”。2、生产生物燃料乙醇的主要原料乙醇的生产原料主要有3类：第一类是含糖作物，如甘蔗、甜菜、甜高梁等；第二类是淀粉质作物，如玉米、小麦、高梁、木薯、红薯、马铃薯及菊芋等；第三类是纤维质原料，如秸秆、木屑、农作物壳皮及城乡固体垃圾。【2】2.1淀粉质原科是我国乙醇生产的最主要原料，主要有甘薯(又名地瓜)、红薯、山芋、木薯、玉米、马铃薯(又名土豆)、大麦、大米、高梁等。农产品及野生植物中的淀粉是现形发酵法乙醇生产的主要原料，不同国家、不同地区依据资源条件，在具体的原料品种选择上有所侧重。我国薯类资源量大，产量相对集中，一直作为粮食作物而大面积种植，是发酵酒精的主体原料。近20年来，由于我国粮食产量稳定提升，玉米、小麦等谷类相对过剩，部分地区已开展了利用这类原料进行大规模乙醇转化的anT。野生植物淀粉适合于中小型乙醇生产的原料，对其利用需要实行可持续性开发，以免对生态环境造成负面影Ⅱ向。淀粉质原料的开发，必须进行综合利用，在生产乙醇的同时，获得饲料、油脂以及其他有用的化工原料、医药中间体，提高资源利用的附加值。2.2糖质原料主要是甘蔗、甜莱，还有糖蜜。糖蜜是制糖工业的副产品，甜菜糖蜜的产量是加工甜菜量的3．5％一5％，甘蔗糖蜜的产量是ann-甘蔗量的3％左右。【3】近几年，甘蔗乙醇占世界生物质乙醇总量的41％一47％，是生物质乙醇的最重要组成部分，这主要是因为甘蔗作为燃料乙醇原料具有下述五大优势，成为最有竞争力的原料作物。①甘蔗适应性广，适宜边际性土地，是粮食作物的先驱作物。②甘蔗是第一代乙醇中唯一的多年生C4(碳4)非粮作物。③甘蔗能量转化效率最高。④甘蔗乙醇生产成本最低。⑤甘蔗燃科乙醇减少排放温室气体效果最好。【4】2.3纤维素原料包括半纤维素是地球上最有潜力的乙醇生产原料，主要有农作物秸秆、森林采伐和木材aDT剩余物、柴草、造纸厂和造糖厂含有纤维素的下脚料、城市生活垃圾的一部分等。【5】2.4其他原料如造纸厂的亚硫酸盐纸浆废液、淀粉厂的甘薯淀粉渣和马铃薯淀粉渣、奶酪工业的副产物乳清、一些野生植物等。2.4秸秆是一种用作生物燃料、具有潜力的原料,如玉米秸秆、大麦秸秆、小麦秸秆、细条芦笋和稻谷秸秆等。阐述了美国能源部重点开发高效发酵微生物,把生物质原料转化成乙醇的5项乙醇转化项目,该项目预计用3年时间完成,投资2330万美元。介绍了美国能源部投资12亿美元,在6家生物炼制厂用4年时间,每年生产4.92亿L纤维素乙醇的计划。【6】3研究方法对于生物质衍生合成气制乙醇有并存、竞争的化学法、生物法两种转化技术：（1）生物法：纤维素、半纤维素，酸解或酶解或发酵→单糖(五碳、六碳糖)，化学、酶催化及微生物发酵→乙醇（2）化学法：纤维素、半纤维素、木素及其它生物体有机物，热解→合成气(H2,CO)，化学或酶催化或微生物发酵→乙醇在某些方面，化学法好比西药，强烈、见效快，生物法好比中药，温和、见效慢。两种方法“各有千秋”，其制约因素是成本和高效、廉价催化剂、酶和合适微生物的开发等关键技术。总而言之，生物法具有选择性、活性好、反应条件温和等优点，但原料利用率低、反应时间长、产物浓度低及酶、微生物活性易受影响且纤维素降解和单糖转化所需酶、微生物适于不同反应条件，不能很好耦合。相比，化学法具有原料利用率高、反应时间短、催化剂构成简单、没有严格反应条件限制等优点，但为高温、高压过程，对设备要求高。4研究取得的成绩中国政府推广生物燃料乙醇的最初设想在1999年，当时中国的粮食严重积压，如何解决陈化粮问题成了当务之急。2001年，当时的国家计委等五部委颁布了《陈化粮处理若干规定》，规定陈化粮必须在县级以上粮食批发市场公开拍卖，确定陈化粮的用途主要用于生产酒精、饲料等。于是在几个粮食主产区，国家规划了几个大的乙醇生产项目，用陈化粮来生产乙醇，以满足车用乙醇汽油所需变性燃料乙醇。在此背景下，国家批准全国建立4个燃料乙醇企业：安徽丰原生化、黑龙江华润酒精、河南天冠集团、吉林燃料乙醇公司。我国的生物燃料乙醇开发从2002年开始试点，虽然时间不长，但发展速度很快。《车用乙醇汽油“十五”发展专项规划》提出短期内以陈化粮为主开展燃料乙醇的试点项目，在推广时考虑使用商品粮作为变性燃料乙醇生产的原料。2004年2月，经国务院同意，国家发改委等8部门联合颁布了《车用乙醇汽油扩大试点方案》和《车用乙醇汽油扩大试点工作实施细则》，把推广使用车用乙醇汽油作为国家一项战略性举措。目前，我国生物燃料乙醇生产技术已经成熟，黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽5省及湖北、河北、山东、江苏部分地区已基本实现车用乙醇汽油替代普通无铅汽油。据2006年的国家发改委的统计数据，这4个生物燃料乙醇生产试点项目已经能够实现年生产能力102万t左右，使用的原料主要是储备粮中时间比较久的陈化粮（其中80多万t是用玉米、20万t是用其他粮食和薯类植物），可以混配1020万t生物燃料乙醇汽油，乙醇汽油的消费量已占全国汽油消费量的20%。2007年9月，国家发改委发布《关于促进玉米深加工业健康发展的指导意见》。《意见》要求各地立即停止备案玉米深加工项目，而且要对在建、拟建项目全面清理，对已备案尚未建的项目全面叫停。以玉米、小麦为主的第1代燃料乙醇原料被叫停，各大燃料乙醇公司不得不寻找过渡性的非粮原料，木薯、甜高粱等原料成为发展的重点。木薯、甜高粱等被视作燃料乙醇原料的第1.5代。2009年6月，我国首个国家非粮生物质能源工程技术研究中心在广西科学院正式挂牌，这标志着我国非粮生物质能源的研发工作迈出了新步伐。该研究中心将根据国家能源战略和科技中长期规划，立足广西面向全国，以木薯、甘蔗、甜高粱等非粮生物质能源作物为主要研究对象，研究产业化中亟待解决的技术经济问题，中心将通过3年建设，打造成为我国非粮生物质能源技术研发基地、成果孵化基地和成果工程化基地。《可再生能源发展十一五规划》提出在广西、重庆、四川、海南等地进行木薯、甘薯的规模化种植和生物燃料乙醇生产试点。中国今后发展的原料基本上就是薯类，即木薯、甘薯，木薯是替代玉米的最佳选择。其主要优势有：原料优势（生物特性好、种植面积广阔、单产增长潜力大）；乙醇生产率较高，成本较低。我国甘薯每年种植面积700万hm2，是第一大甘薯种植国。甘薯总产1.5亿t，占世界总产86%。木薯种植面积44万hm2，薯类具有年产2500～4000万t乙醇的生产能力。2006年10月，中粮集团投资的国内第一个用木薯年产20万t燃料乙醇项目在广西开工。中科院成都生物研究所在成都的万吨级甘薯燃料乙醇产业化示范项目至2010年初已完成5批次鲜薯的燃料乙醇发酵试验，各项指标均远远高于现有生产水平。海南椰岛年产10万t木薯乙醇项目已通过了发改委审核。【7】2009年广东湛江抢抓生物能源发展先机，将建设年产30万t燃料乙醇生产基地，目前，作为燃料乙醇主要原料的木薯生产基地已建成投产。【8】“十五”以来，福建农林大学、广州甘蔗糖业研究所、广西甘蔗研究所、云南省农科院甘蔗研究所、福建师大生命科学学院、教育部现代发酵技术研究工程中心和各地龙头企业等，开展糖、能兼用甘蔗育种、甘蔗清汁发酵技术研究、中试和产业化技术示范和应用，取得一批阶段性成果。虽然甘蔗是生产燃料乙醇的理想原料，但是甘蔗生产燃料乙醇的计划目前还处于“设想”阶段，甘蔗制造燃料乙醇困难不少。【9】第一是价格问题；第二是作为综合加工的辅助产品，糖厂的酒精生产设备不配套是问题；第三是蔗区划分问题；第四是环保问题，也是甘蔗生产燃料乙醇要面临的最大问题，酒精废液的处理问题一直困扰着生产企业。甜高粱秸秆在众多乙醇生产原料中，生产成本最低，而且利用边际性土地种植，不争粮不争地。据悉，由黑龙江东南亚投资管理有限责任公司投资2.4亿元，由东北农业大学提供技术支持，已建成一座利用甜高粱秸秆年产50万t乙醇的上千公顷的绿色油田生产基地，把盐碱地变为甜高粱的生产基地，可带动近万户农民脱贫致富。2009年在新疆由莎车县与浙江浩淇生物质新能源科技有限公司共同开发，将在5年内建成年产30万t的甜高粱秸秆制取无水燃料乙醇项目，莎车县4个乡镇将种植约1330hm2的甜高粱，总投资12.6亿元。项目建成后，可使农户增收2250～3000元/hm2，并带动当地3500多人就业。2010年4月内蒙古巴彦淖尔市中兴能源有限公司年产10万t甜高粱茎秆燃料乙醇项目开工奠基剪彩，计划总投资13.5亿元，总占地面积100hm2。可利用边缘性土地10万hm2，解决农村富余劳动力3万人，实现CO2减排30万t。计划到2015年甜高粱种植面积达到6万hm2，年产30万t燃料乙醇，建设一个国家级的生物质能源基地。2007年宁夏平罗县与河南中促实业有限公司等签订了利用甜菜生产燃料乙醇24万t的项目协议；目前，陕西定边县正在筹建年产10万t甜菜燃料乙醇生产项目。【10】5研究的意义第一代生物燃料的生产工艺已经较为成熟,美国、欧盟和巴西等一些国家已经形成了较完善的产业链。以纤维素乙醇为代表的第二代生物燃料是更有希望的替代燃料,但目前还未获得关键性的技术突破,其大规模的商业化生产尚待时日。目前生物燃料正处于从第一代向第二代发展过渡的初期.各国纷纷将发展第二代生物燃料定为国策,为此制订了长期的发展规划与目标,并为生物燃料发展提供了良好的政策环境和大力的经费支持。各相关研究机构与企业也积极行动,力图解决生物燃料发展的各个关键问题.在此过程中,一些与生物燃料可持续发展有关的重要问题也引起了人们的关注。【11】我国GDP快速增长的同时带来严重的大气污染,因此中国政府正在寻求一种更加环保的可再生绿色燃料来满足国内的运输需求。生物燃料是一种从生长过程中吸收CO2的植物中提取出来的新型燃料,尽管中国国内并没有足够的农用土地来生产满足其未来消费需求的生物燃料,但是选择生物燃料仍然不失为污染问题的部分解决方法。由于巴西从甘蔗中提取的乙醇比其他国家从谷物中提取的乙醇便宜且排放更少的温室气体,因此从巴西进口乙醇可以说是中国政府最好的选择。加上巴西不但在乙醇工业部门有着其特殊的技术,而且拥有大量的劳动力,丰富的水源和闲置的农业用地,这些条件足以为中国额外生产85亿升的乙醇来满足中国到2020年对乙醇的需求量。【12】6研究存在的问题和对策6.1