纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

來源：絲路印象 2024-07-19 17:33:50 瀏覽：936 收藏

    2017年9月，國家發(fā)改委、國家能源局、財政部等十五部門聯(lián)合下發(fā)了《關于擴大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》，提出了到2020年在全國范圍內(nèi)推廣使用車用乙醇汽油，基本實現(xiàn)全覆蓋的宏大目標。為了保證充足的原料供應、解決秸稈焚燒污染等問題，方案還提出了到2020年纖維素乙醇5萬噸級裝置實現(xiàn)示范運行，到2025年力爭纖維素乙醇實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，先進生物液體燃料技術、裝備和產(chǎn)業(yè)整體達到國際領先水平的明確要求。因此國內(nèi)各界對纖維素乙醇生產(chǎn)技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程的關注再次高漲起來，如果纖維素燃料乙醇能在技術經(jīng)濟上取得突破，不僅能為車用乙醇汽油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打開局面，也可為乙醇化工的發(fā)展帶來新機遇。

    發(fā)展纖維素乙醇意義重大

    (一)發(fā)展纖維素乙醇是保證國家政策落地實施的重要保障

    按照國家將要實現(xiàn)燃料乙醇全覆蓋的目標，預計到2020年全國燃料乙醇總需求將達到1200萬噸，假設燃料乙醇全部通過糧食淀粉發(fā)酵生產(chǎn)，每噸酒精消耗玉米淀粉(含水率12%)約2.3噸，則需要消耗玉米淀粉約2423萬噸，對應消耗玉米原料4250萬噸。而目前國內(nèi)的玉米庫存逐漸回落，使用玉米淀粉生產(chǎn)酒精來滿足未來國內(nèi)的燃料乙醇需求量是不可能的。因此大力發(fā)展第二代非糧燃料乙醇，是保證國家政策落地實施的重要保障。

    (二)減少秸稈焚燒污染，增加農(nóng)民收入

    我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈數(shù)量十分龐大，之前最多的處理方式就是焚燒。隨著空氣污染的加重，綠水青山意識越來越強，大力發(fā)展纖維素燃料乙醇則可變危為機、一舉多得。

    我國每年產(chǎn)生9億多噸的秸稈，利用其中的五分之一來生產(chǎn)纖維素乙醇則可消耗秸稈近2億噸，以每6噸秸稈生產(chǎn)1噸乙醇計算，則可生產(chǎn)超過3000萬噸乙醇，完全可以滿足目前我國全面推廣E10車用乙醇汽油的需求。按照一套年產(chǎn)5萬噸纖維素乙醇裝置1年需要處理30萬噸玉米秸稈計算，則可提供200~300個直接就業(yè)機會，秸稈的收集、打包、運輸貯存又可提供約1500個就業(yè)機會，帶動周邊農(nóng)戶年增收可達1.5億元。所以，發(fā)展纖維素乙醇不但可以減少秸稈焚燒，有效治理空氣污染，還可以變廢為寶，增加農(nóng)民收入，服務我國生物質(zhì)能源發(fā)展戰(zhàn)略。

    纖維素乙醇的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

美國是世界領先的纖維素乙醇生產(chǎn)與使用國，對纖維素乙醇在政策、資金和研發(fā)方面的投入力度都很大。2013年開始，美國著手建立了3個大型纖維素乙醇廠，其生產(chǎn)規(guī)模均達到7萬噸/年以上，具體如表1所示。最大的生產(chǎn)裝置是由杜邦公司2015年在美國愛荷華州建立的纖維素乙醇廠，以農(nóng)業(yè)秸稈等為原料，年產(chǎn)可達9萬噸/年，但遺憾的是該裝置自建成以來一直沒有達到其預期經(jīng)濟目標。2017年11月，該項目停產(chǎn)，杜邦公司同時也宣布出售該項目。實質(zhì)上受到2014年國際原油價格暴跌的影響，美國纖維素乙醇大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化進程受到了嚴重打擊，大部分工廠目前都處于停產(chǎn)狀態(tài)，2016年美國預計自己的纖維素乙醇產(chǎn)能目標將達到85萬噸/年，實際上到年底總生產(chǎn)能力僅為35萬噸。目前僅有DSM公司投產(chǎn)建立的位于愛荷華州的纖維素乙醇廠處于運行狀態(tài)，該裝置以玉米秸稈和玉米芯為原料，目前采用稀酸蒸汽爆破預處理和五碳糖/六碳糖共發(fā)酵技術。

世界范圍內(nèi)建成或建設中的商業(yè)規(guī)模纖維素乙醇項目

世界范圍內(nèi)建成或建設中的商業(yè)規(guī)模纖維素乙醇項目

巴西也是燃料乙醇生產(chǎn)大國，其對纖維素乙醇的研究以其本地特產(chǎn)原料甘蔗葉和渣為原料。巴西Petrobras公司建立了巴西首個纖維素乙醇廠，但受到原油價格的影響，目前并沒有新建項目投產(chǎn)。巴西Gran Bio公司在2014年建成并投產(chǎn)了一座年產(chǎn)6.5萬噸的纖維素乙醇廠，這是巴西目前最大規(guī)模的工廠。最新報道稱，巴西Raizen公司2018年投產(chǎn)了3萬噸/年以甘蔗為原料的酒精裝置，并宣稱要建第二條生產(chǎn)線。作為長期戰(zhàn)略，到2024年該公司要再建7~8個與一代甘蔗酒精相配套的纖維素乙醇廠，新的設計要利用更高效的酶，通過規(guī)模化生產(chǎn)實現(xiàn)節(jié)能降耗。總的來說，由于原料的優(yōu)勢，巴西纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展相對順利。

我國雖然秸稈資源儲備豐富，但纖維素乙醇的發(fā)展起步較晚，與國外差距較大，且在技術方面仍存在很多瓶頸問題，因此產(chǎn)業(yè)化過程艱難。

首先從技術方面來看，盡管我國已經(jīng)過了10多年的探索，但技術與國外的差距還是很明顯，目前專利申請數(shù)量排在前幾位的都不是國內(nèi)的公司，申請專利數(shù)最多的是丹麥諾維信公司。國內(nèi)公司與科研院所申請專利較多的有中糧集團、中科院過程所與天津大學等。這也從一方面反映了我國在纖維素乙醇領域掌握的技術有限，核心的酶與工程化菌株還是主要依靠進口。

在中國公開纖維素燃料乙醇相關專利的研發(fā)機構(gòu)分布情況

在中國公開纖維素燃料乙醇相關專利的研發(fā)機構(gòu)分布情況

    其次從產(chǎn)業(yè)化進度和規(guī)模來看，目前國內(nèi)有6個建成或計劃建設的大型纖維素燃料乙醇項目，如表1所示，受到國際大環(huán)境的影響這些裝置目前基本屬于停產(chǎn)狀態(tài)。2006年中糧集團與中石化、諾維信聯(lián)合在黑龍江省肇東市建立了500噸/年的中試生產(chǎn)裝置，開始探索用玉米秸稈生產(chǎn)纖維素乙醇技術，經(jīng)過多年試驗，中糧集團已經(jīng)擁有整套的先進纖維素乙醇生產(chǎn)技術。山東龍力生物是目前唯一獲得國家批復可以生產(chǎn)纖維素燃料乙醇的企業(yè)，2012年，龍力生物建立了當時中國最大的纖維素乙醇廠，最多可年產(chǎn)5萬噸酒精，但遺憾的是該裝置目前處于停運狀態(tài)。其余國內(nèi)在建或已經(jīng)建立的纖維素乙醇項目也都處于停產(chǎn)狀態(tài)或者從未開工，河南天冠集團在南陽建立的3萬噸/年醇電聯(lián)產(chǎn)項目自建成以來從未運行，其他幾家與國外公司合資建立的工廠也基本沒有開工。

    纖維素乙醇面臨的技術難題

    (一)原料來源不穩(wěn)定

    目前用于纖維素乙醇生產(chǎn)的木質(zhì)纖維素主要是農(nóng)作物秸稈，但秸稈種類繁多、分布分散，收獲具有季節(jié)性，因此秸稈的收集、儲存和運輸費用約占乙醇生產(chǎn)成本的1/3。且秸稈易燃易潮易發(fā)霉，長期儲存還需要做好防雨、防潮、防火和防雷等設施建設，因此秸稈的穩(wěn)定供應是秸稈大規(guī)模能源化利用的一大瓶頸。

    (二)預處理工藝復雜、收率低

    木質(zhì)纖維素生物結(jié)構(gòu)緊密復雜，具有強烈的抗降解性，需要經(jīng)過特殊物理化學方法處理來將木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)打開，降低聚合度和結(jié)晶度，增加物料的比表面積。預處理水平的高低決定了下游工藝的效率和成本，高效的預處理能夠降低纖維素酶的用量和使用成本，減少酶抑制物和酵母抑制物的生成，提高酶解速率和發(fā)酵水平。目前主要的預處理方式分為物理預處理方式、化學預處理方式、生物預處理方式、物理化學結(jié)合預處理方式等，但從工業(yè)應用的角度來分析，僅有稀酸蒸爆預處理、中性蒸爆預處理及氨爆預處理等少數(shù)方法具有商業(yè)化的可行性，且現(xiàn)有方法收率普遍偏低。

    (三)酶解成本高

    木質(zhì)纖維素固體基質(zhì)物性引起的組分基質(zhì)效應、纖維素酶吸附效應等，造成體系傳質(zhì)、傳熱和反應特性改變、能耗增加、反應效率降低，使得纖維素乙醇酶解和發(fā)酵過程的控制和放大存在很大難度。同時酶制劑在整個纖維乙醇生產(chǎn)成本中占40%~50%，遠高于糧食乙醇5%~10%的水平。酶制劑已成為纖維素乙醇技術取得最終突破的關鍵，控制了酶制劑環(huán)節(jié)，就等于控制了未來產(chǎn)業(yè)鏈的上游高端。

    (四)高效工程酵母選育難

    利用釀酒酵母進行乙醇發(fā)酵主要有4個問題：①釀酒酵母生長和厭氧發(fā)酵受預處理副產(chǎn)物抑制；②酒酵母不能很好的利用半纖維素水解產(chǎn)生的五碳糖；③釀酒酵母在高溫條件下發(fā)酵性能不好；④釀酒酵母的活性受產(chǎn)物乙醇抑制。

    纖維素乙醇發(fā)展建議

    (一)農(nóng)業(yè)綜合服務模式

    通過為訂單關系的農(nóng)業(yè)種植者提供農(nóng)資和技術服務，與農(nóng)業(yè)種植者建立更緊密的合作關系，將訂單區(qū)域耕地產(chǎn)出的玉米及秸稈全部納入訂單范圍，使企業(yè)獲得產(chǎn)量有保障的玉米及秸稈原料，用于生產(chǎn)生物燃料乙醇。

    (二)醇電聯(lián)產(chǎn)

    由于纖維素乙醇生產(chǎn)過程需要將纖維素進行高強度預處理來破壞纖維素結(jié)構(gòu)，導致生產(chǎn)過程中的電耗較高。同時也是由于木質(zhì)纖維素的特殊性，纖維素乙醇生產(chǎn)過程中會有大量的固體殘余物，廢水處理過程也會產(chǎn)生可燃燒的生物質(zhì)氣體和淤泥。這些生物質(zhì)燃燒釋放出大量的熱可以利用發(fā)電機轉(zhuǎn)化成蒸汽和電力，相當于每噸纖維素乙醇發(fā)電700~800KWh，遠超出纖維素乙醇本身的需要，可以有大量盈余電量向電網(wǎng)出售。

    (三)建立纖維素酶就地生產(chǎn)系統(tǒng)

    把纖維素酶生產(chǎn)過程整合進纖維素乙醇工廠中去，利用工廠內(nèi)預處理的生物質(zhì)材料配制廉價的產(chǎn)酶培養(yǎng)基，并去掉酶制劑生產(chǎn)中的很多非必需的加工純化過程和濃縮、運輸費用，將產(chǎn)酶發(fā)酵液直接作為粗酶液用于纖維素酶解，這種集成模式可大幅度降低用酶成本，把用酶成本從總成本的約25%降低到10%左右，并不再過分依賴于外部的酶制劑供應商。亞硫酸銨法制漿造紙過程中產(chǎn)生的制漿黑液中含有豐富的氮源、磷源等營養(yǎng)物質(zhì)，用制漿黑液流加補料發(fā)酵技術，可以提高菌株在廢料培養(yǎng)基中的產(chǎn)酶水平，大幅度地降低產(chǎn)酶成本。

    (四)一代二代乙醇工廠組合共建，提高經(jīng)濟效益

    把一代(糧食乙醇)和二代(纖維素乙醇)工廠組合起來，可以改進纖維素乙醇生產(chǎn)的經(jīng)濟可行性。美國目前唯一一家還在堅持纖維素乙醇試生產(chǎn)的POET-DSM先進燃料公司，就是把纖維素乙醇生產(chǎn)線與玉米乙醇企業(yè)建在一起，通過同時收集玉米籽粒和秸稈兩類原料，分享部分公用基礎設施和管理、營銷系統(tǒng)，用秸稈發(fā)酵的木素殘渣燃燒發(fā)電，同時為玉米乙醇和纖維素乙醇兩套生產(chǎn)裝置供應熱、汽、電等方式，有效地減少了纖維素乙醇生產(chǎn)的資本投入和運營成本。部分淀粉糖液還可以加入到纖維素水解液中共發(fā)酵，既可以提高秸稈的乙醇得率，又顯著提升發(fā)酵液的乙醇終濃度，進一步改進工藝的經(jīng)濟可行性。

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