第二代生物燃料中纤维素乙醇的现状与发展
第二代生物燃料中纤维素乙醇的现状与发展
摘要:文章综述了第二代生物燃料中纤维素乙醇生物燃料的现状,而中国是纤维素资源大国,利用木质纤维素生产燃料乙醇可改善能源保障,实现能源供应的可持续发展,阐述了发展纤维素乙醇对环境有利方面,以及对纤维素乙醇的未来展望。
关键词:第二代生物燃料;纤维素乙醇;木质纤维素;燃料乙醇
21世纪工业迅猛发展,日渐富裕的人们对生活质量的要求越来越高。汽车的数量逐日增长,对石油过分需求,使得石油价格不断攀升,对石油过分依赖,让国家安全、经济安全及环境安全遭受威胁。
生物燃料是人们寻求替代能源的重要方向。第一代生物燃料是以玉米、小麦等粮食作物作为生产原料的技术,日趋严峻的世界粮食形势,使之渐失优势,遵循不“与粮争地”,不“与人争食”方针路线的第二代生物燃料正成为未来生物能源产业发展的方向。第二代生物燃料是以麦秆、草和木材等农林废弃物为主要原料,采用生物纤维素转化为生物燃料的模式,主要发展纤维素乙醇即乙醇燃料。当世界面临环境与发展的挑战,为避免交通给城市带来污染,乙醇被视为代替和节约汽
油的最佳燃料,具有廉价、清洁、环保、可再生等诸多优点。目前,世界上许多国家都注重生产乙醇的生物技术的开发。自然界中,废弃木质原料如农林废弃物、草、锯末和木片等都是潜在的生产乙醇的可再生性资源。自然界每年大约形成8 666亿吨植物有机物,这些可再生性资源如果能够合理利用,将其转化为可替代石油的燃料是一种颇有前途的能源技术,缓解全球面临的资源危机、食物短缺、环境污染等问题。
1第二代生物燃料
第二代生物燃料是指摆脱利用粮食作物为原料转化为生物燃料的应用模式,继而以麦秆、草和木材等农林废弃物为主要原料,其原料多来自植物秸秆等废料,不会产生与人争粮的情况,利用降解材料作能源,有利于发展循环经济。由于第二代生物燃料的技术成本太高一直未能大规模使用。自2008年以来,传统石化燃料价格飞扬,使用大量粮食转化生物燃料导致全球范围的粮荒,第一代生物燃料饱受诟病,原料价格不断高涨,世界对能源的需求呈现不断上升的趋势。所以第二代生物燃料的优点显现,其技术成本与传统石化燃料以及第一代生物燃料成本持平,大规模的利用即将成为现实。
目前,中国的燃料乙醇主要是利用糖和淀粉发酵来制取,技术比较成熟,但被誉为“第二代燃料乙
醇技术”的纤维素发酵制乙醇技术进展缓慢,与国外差距较大。当今,生物燃料的生产属于高新技术和新兴产业,其技术研发和市场培育需要大量资金投入。
2第二代生物燃料中的纤维素生产乙醇的前景
纤维素是地球上最丰富的可再生资源,是各国可再生资源的重点。纤维素乙醇因此被当作最佳液体替代燃料并具有生态效益而成为工业生物技术的研究热点。中国发展纤维素乙醇兼具资源和人力两大优势。中国目前的粮食产量大约1万亿斤,而地上茎秆和地下部分至少还有1万亿斤。同时,还有地上的草,山上的林,都为发展纤维素乙醇提供方便。玉米燃料乙醇只是中国燃料乙醇产业发展的开端,以纤维素为原料的第二代生物燃料乙醇才是未来大规模替代石油的关键。国家对纤维素乙醇的发展也很支持:根据国务院对外公布的《可再生能源中长期发展规划》,国家在2020年前将投资2万亿元,并且政府将采取五大措施力保《规划》任务的实现,国内企业近年来纷纷上马了纤维素乙醇项目。
3纤维素乙醇的研究现状与应用现状
3.1国外纤维素乙醇的研究与应用现状
随着现代工业的迅速发展,大规模开发利用作为清洁能源的可再生资源显得日益重要。许多国家都制定了相应的开发研究计划,并形成了各具特的生物质能源研究与开发体系,拥有各自的技术优势。
自1973年世界石油危机后,巴西就实施了“国家乙醇生产计划”,主要依靠本国丰富的甘蔗资源,积极发展燃料乙醇产业,目前已经发展320多家燃料乙醇生产企业,1400万吨/年的乙醇生产规模。大部分企业实行燃料乙醇和糖联产;美国在燃料乙醇的生产上仍然是世界乙醇生产的领头羊,在将纤维素转化为燃料酒精的研究、生产和应用方面走在世界的前列。尤其是在纤维素转化成乙醇方面:美国加州大学Berkeley分校采用的流程是纤维素水解与发酵同步进行的研究;美国维吉尼亚洲立大学利用80 %的浓磷酸循环使用进行木质纤维素“溶解性分离”的研究。
随着纤维乙醇技术的快速发展,一些大公司开始计划建造较大规模的试验性工厂。美国建成了可处理1 t/d纤维废料的中试车间,年产纯乙醇2亿升,乙醇产率为27.7 %;加拿大的生物技术公司,在渥太华开设了以麦秸为原料的3.2万加仑/年纤维素乙醇厂,采用稀酸结合蒸汽气爆预处理半纤维素,随后用纤维素酶水解,分离后的液体进行木糖和葡萄糖联合发酵,经评估,其生产成本比谷物乙醇高出30%～50%。
3.2国内纤维素乙醇研究与应用现状
在中国,燃料乙醇的主要原料是玉米和小麦。原料问题日益突出,成为制约燃料乙醇发展的瓶颈,中国发展纤维素乙醇有更大的优势。中国可利用的农林业废弃物、工业废弃物和城市废弃物等丰富而廉价的自然资源每年在生物能源7亿吨左右,纤维素乙醇是未来发展的必然方向。
近年来,我国在纤维素乙醇技术开发上也取得了一些重要进展。浙江大学主持的“利用农业纤维废弃物代替粮食生产酒精”的项目已在河北完成中试生产;华东理工大学于2005年已建成了纤维乙醇600 t/年的示范性工厂;山东大学微生物技术国家重点实验室主要开展“纤维素原料转化乙醇关键技术”研究,对纤维素酶高产菌的筛选和诱变育种、用基因手段提高产酶量或改进酶系组成、纤维素酶生产技术等研究。目前,河南天冠集团将建成300 t/年的乙醇中试生产线,原料转化率超过了16 %。中粮集团于2006年在黑龙江肇东启动建设500 t/年纤维素乙醇实验装置。吉林九新实业集团建立了3 000 t/年的玉米秸秆生产纤维乙醇示范性工厂。
4发展纤维素原料生产乙醇的重要意义
发展纤维素原料生产燃料乙醇的工艺有显著的经济意义和社会意义:生物质资源在地理上比化
石燃料分布均匀,故作为能源更有安全保证;木质纤维素生产液体燃料可减少食物和饲料生产对土地的需求和燃料生产对土地需求之间的潜在矛盾;生产木质纤维素原料在肥料、农药和能量方面的投入较低;生产生物质燃料时所造成的净温室气体排放较少,对环境影响小;生产生物质燃料可为农村地区提供就业机会。
中国是一个人口大国,又是一个经济迅速发展的国家,21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此,改变能源生产和消费方式,开发利用生物质能等可再生的洁净能源资源对建立可持续发展的能源系统,促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。
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