Z12-2-2生物质能源-燃料乙醇

走进生活的生物化学：生物质能源浅谈能源草背景随着经济的发展,人类对石油天然气等能源的需求越来越大。近年来国际石油价格直线上涨,促使发达国家加快了对替代能源的研究。石油进口量和进口依存度的迅速攀升给我国石油安全带来了日益严重的影响;我国的石油安全问题也引起了一些国家的顾虑。利用生物能源作物生产燃料是一个开创性的理念,国际上对此已进行了十几年的研究,并筛选出了一系列的优势作物,比如木本植物杂交白杨,柳树和枫树。但草本植物柳枝稷的优势尤为突出。生产乙醇燃料的原料原料:•陈粮•农、林业废弃物，各种含纤维素垃圾•能源植物•能源草Miscanthus（大禾草）Switchgrass（柳枝稷）淀粉类甜高梁木薯效益:•中国能源战略发展的需要•解决环境污染，变废为宝•增加农民收入，解决“三农”问题能源草指两年或多年生草本或半灌木，包括甜高粱、柳枝稷、芒属作物等高大草本都是理想的能源草。多为耐旱、耐盐碱、耐瘠薄、适应性强的草种，种植和管理简单，在干旱、半干旱地区、低洼易涝和盐碱地区、土壤贫瘠的山区和半山区均可种植。柳枝稷的生态多样性与开放授粉生殖方式相关联的遗传多样性;快速生长的深根体系;高效的生理代谢系统。Cellulose45%Hemi-cellulose30%Lignin20%Other5%(glucosepolymer)(xylose/arabinosepolymer)生物质的主要成分木质素纤维素半纤维素Feedstock原料Cellulose纤维素Hemi-cellulose半纤维素Lignin木质素Other其他AgriculturalWaste农业废弃物38321713ForestryWaste林业废弃物5023225MunicipalWaste含纤维素垃圾4591036EnergyCrop能源作物45301510生物质的主要成分(%)ProductioncapabilityforEthanolisabout5.81milliontoninChina.Fig:mediumandlargeenterprisespatialdistributionProvincesforEthanolproductionbyuseofSorghumbicolorinChinaCelluloseFiber•Hemicellulose•Lignin•Pectin•Otherpolysaccharides生物质原料的结构•纤维素呈结晶状拧合成纤维束•半纤维素和其他多聚糖缠绕着纤维束•木质素像胶水一样覆盖和凝合着各种物质•水解酶或其他化学物质很难渗透到纤维素表面纤维束•半纤维素•木质素•果胶质•其他多聚糖秸杆或其他原料组分分离预处理酶制剂生物降解乙醇分离ThePathfromCellulosetoEthanol从秸杆到乙醇燃料CrystallineRegionAmorphousRegionCelluloseLigninHemicellulosePretreatment预处理的作用预处理纤维素木质素无定形区结晶区半纤维素0.000.250.500.751.001.251.501.75DiluteAcidHotWaterAFEXARPLimeNetStoverOtherVariableFixedw/oDepreciationDepreciationIncomeTaxReturnonCapital$/galEtOH稀酸热水气爆气渗石灰预处理的效果和费用•处理效果依方法而异•耗能(热水、气爆)，环境污染(稀酸)，周期长(石灰)•成本高β-glucoside内切葡聚糖酶外切葡聚糖酶纤维二糖水解酶纤维二糖酶纤维素葡聚糖纤维二糖葡萄糖纤维素水解•纤维素水解由纤维素酶系完成•纤维素酶系含至少三种酶，内切葡聚糖酶，纤维二糖水解酶和纤维二糖酶•此法成本很高，纤维素酶占总成本的36-45%•效率常低产物反馈抑制受预处理影响燃料乙醇生产新构想基因工程酵母燃料乙醇植物原料原料粉半纤维素纤维素有机酸纤维素单糖有机酸乙醇混合物单糖有机酸木质素水解酶酵母CHOOCH3OHHCHOOCH3OHHCHOOCH3OHH木质素过氧化物酶Ligninperioxidase锰过氧化物酶Manganeseperoxidase乙二醛氧化酶Glyoxaloxidase漆酶LaccaseCelluloseLigninHemi-cellulose纤维素木质素半纤维素Cellulose纤维素Hemicellulose半纤维素半纤维素酶酵母CHOOCH3OHHCHOOCH3OHHCHOOCH3OHH内切木聚糖酶endoxylanase乙酰木聚糖酯酶Acetylxylanesterase木糖苷酶Xylosidase阿拉伯呋喃糖苷酶ArabinofuranosidaseCelluloseHemi-cellulose纤维素半纤维素Cellulose纤维素纤维素酶酵母CHOOCH3OHHCHOOCH3OHHCHOOCH3OHH外切葡聚糖酶Exoglucosidase内切葡聚糖酶Endoglucsidase纤维二糖水解酶Cellobiohydrolase纤维二糖酶CellobiaseCellulose纤维素CHOOCH3OHHCHOOCH3OHH五碳糖代谢酵母木糖还原酶XyloseReductase木糖醇脱氢酶XylitolDehydrogenase木酮糖激酶XylulokinaseCHOOCH3OHHCHOOCH3OHHH-C-C-OHH|H||H|H乙醇燃料电池日本TOSHIBA公司研制出甲醇燃料电池，可使笔记本电脑连续工作5小时。美国研制出乙醇燃料电池，效率高出其32倍。我国从2001年开始推广“车用乙醇汽油”。传统燃料乙醇的生产过程生物质乙醇工艺传统成熟工艺---采用糖类，粮食类作物发酵法制备乙醇，60%价格---成本传统经济项目的评价:成本为汽油的1.5-2倍左右，$6-12/GJ.原料:蔗糖，木薯，甜菜，甜高粱，玉米，小麦，稻谷等。非粮食类生物质酶水解乙醇经济预测生物质酶水解制乙醇经济预测00.20.40.60.811.21.41.61.8Current2010年2030年timeEthanolPrice($/gallon)柳枝稷英文名:Versatileswitchgrass学名:Panicumvirgatum科属:禾本科稷属类别:多年生草本主要性状:多年生丛生型禾草，根茎和种子繁殖，根深，株高l~2米。分布地区:美国大平原及东部大部分地区的土生种。习性特点:耐旱，耐排水不良的土壤。繁殖方法:种子植物形态ahardy,deep-rooted,perennialrhizomatousgrassgrowinlatespring.upto2.7mhigh,typicallyshorterthanbigbluestemgrassorIndiangrass.Theleaves30–90cmlong,withaprominentmidrib.usesC4carbonfixation.Itsflowershaveawell-developedpanicle,upto60cmlong,andbearsagoodcropofseeds.Theseedsare3–6mmlongandupto1.5mmwide,andaredevelopedfromasingle-floweredspikelet.Whenripe,theseedstakeonapinkordull-purpletinge,andturngoldenbrownwiththefoliageoftheplantinthefall.Switchgrassisaself-seedingcrop,growonmarginallandsandrequiresrelativelymodestlevelsochemicalfertilizerconsideredaresource-efficient,low-inputcropforproducingbioenergyfromfarmland.柳枝稷的商业潜力评估柳枝稷丛种植费用低,易于维护。成熟稷生长带的生长期可在20年期间不需要特别维护。柳枝稷能够提供优质的干性物质材料,每英亩的产量为12～15t。柳枝稷枝叶成熟后,体内主要的营养成分将回流至根部可以节约肥料柳枝稷利用的困难从柳枝稷中提取纤维素的工艺复杂、成本较高。根据植物材料的种类不通，从中提取的纤维素需要采用不同的酶处理。这类催化剂与糖类相似，作用于复合碳水化合物，释放出纤维素以及废料二氧化碳。然而，使用这种酶费用较高，每提取一加仑的乙醇就要花费20美分。此外，用酵母对纤维素进行发酵的过程中，还需要不同的酶，这又进一步提高了成本。2006年，植物遗传学家阿伯特•考希称，以当前的培育生产方法，每加仑纤维素酒精成本为2.70美元。这仍比汽油便宜，但考希认为成本可以下降到1美元左右。大幅降低成本的方法之一是开发更便宜的酶，最好能找到寻找既可以分解纤维素，又可以发酵乙醇的酶。柳枝稷生产燃料乙醇的另一个问题是怎么把乙醇燃料从精炼厂运送到燃油站。乙醇具有高度腐蚀性，不能像石油一样通过管道或油桶运输。这就意味着只能通过卡车运送，必然增加生产成本，降低能比，因为大型油罐卡车需要消耗石油燃料运送乙醇。使用柳枝稷提取乙醇燃料的另一个问题是要解决所需的大面积耕地。展望加大对生物能源研究的投入,确保柳枝稷的基础研究科研经费。从生态、生理、分子以及生产工艺等多个方面对柳枝稷进行全面研究。在全国勘查适宜柳枝稷生长的种植区,并规划生长带。加大对生物能源作物宣传,让农民了解能源作物的发展前景和种植方法。国家要制定相关政策,扶持生物能源产业的发展。繁殖方法S1：选择适宜生长发育阶段的茎节组织S2：诱导初生再生芽S3：丛生芽块生长点的人工处理S4：丛生芽的大量诱导S5：丛生芽生根培养