生物乙醇综述

生物乙醇（Bioethanol）

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，在我国以乙醇代替汽油或部分代替汽油驱动机动车辆，农用机械也势在必行。国内外对生物质燃料乙醇进行了100多年的生产、应用和推广工作，但至今依然存在着许多关键的制约因素。研究表明，严重制约着生物质燃料乙醇规模化生产的关键瓶颈问题有两个：一是原料的预处理造成严重的环境污染或处理成本偏高；二是发酵阶段中糖的利用率低造成燃料乙醇产率偏低。本篇文章主要是对国内外各类燃料乙醇加工制取工艺进行大致介绍，并分析当今世界生物燃料乙醇生产的发展趋势。

关键词：生物质，燃料乙醇，发酵，工艺，能源。

ABSTRACT:Ethanol is through the microbial fermentation will all kinds of biomass into fuel alcohol. Energy Safty Problem is becoming more and more outstanding day after day, all or part the gasoline is replaced by fuel-ethanol will be imperative under the situation for driving motor vehicles and farming machines in China. Production,application and extension along with many others of fuel ethanol have been made over 100 years.However,there are many key obstacle factors especially two sides in it today.One is serious environmental pollution and high cost caused by pretreatment of materials,the other is the lower conversional rate of fuel ethanol during sugar fermentation. This article is mainly to the fuel ethanol processing all kinds of domestic and foreign production technology introduced roughly, and analysis of the current world biofuel ethanol production development trend.

Keywords: biomass,fuel ethanol,fermentation,technics,energy.

引言：生物乙醇以其可再生，燃烧不增加大气中二氧化碳量的关系，作为燃料的前途被社会所期待。生产燃料乙醇的生物质原料资源可以分为三类：糖类、淀粉类、纤维素类。但是生物乙醇的制取至今依然存在着许多关键的制约因素。生物乙醇主要应用在两个方面，分别为作为车用燃料和燃料电池燃料。世界经合组织于2004年9月6日公布的最新研究报告建议：各国政府应大力支持和鼓励生物质能源领域的技术创新，减小它与传统原油及天然气产品的价格差距，以最终达到替代的结果。

生物乙醇是以富含淀粉，糖分的生物质为原料通过发酵和蒸馏提纯制得的乙醇，属于可再生资源。目前生物乙醇主要来自于谷物粮食发酵，该工艺生产技术已经相当成熟，但生产成本较高，且受到粮食安全等社会因素的制约。生物乙醇最廉价的智取途径是废弃的农作物秸秆发酵。生物乙醇可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。

1. 燃料乙醇的制取工艺

生物质生产燃料乙醇的主要过程是：先将生物质转化成糖，再将糖发酵得到乙醇。不同的生物质原料，糖化步骤不同。【1】生产燃料乙醇的生物质原料资源可以分为三类：糖类，包括甘蔗、甜高粱、甜菜等；淀粉类，包括玉米、小麦、甘薯、木薯等；纤维素类，包括秸秆、麻类、农作物壳皮、树枝、落叶、林业边角余料等。

1.1糖类生物质原料生产燃料乙醇的工艺

目前工业上利用糖类原料生产乙醇的菌种多为酿酒酵母，酿酒酵母进入糖液的发酵体系后，体系中的糖分（主要是单糖和多糖）通过酵母的营养运输机制进入细胞内，在糖—乙醇

转化酶系统的作用下，最终生成乙醇、CO2和热量。【2】

在糖类生物质原料中，利用甜高粱汁液生产燃料电池具有更为广阔的前景。甜高粱收获时，每公顷除可收获高粱籽6t外，还可收获秸秆75~300t，且耐盐碱、抗倒伏。【3】大致步骤为：获取汁液，再进入酒精发酵过程，适当调节pH值，之后再进行酒精蒸馏。发酵后的残渣可以综合利用，其BOD含量更高。

1.2淀粉类生物质原料生产燃料乙醇的工艺

淀粉类生物质发酵法制取乙醇要求原料富含碳水化合物，含蛋白质适量，少含或不含影响发酵的组分。其原理为：在热水里淀粉颗粒会膨胀，有一部分淀粉溶解在水里，另一部分悬浮在水里，形成胶状淀粉糊。进而在糖化酶作用下水解为被酵母利用的糖。酵母菌利用这些糖进行发酵，在各种酶的催化下转化为乙醇。【4】

1.3纤维素类生物质原料生产燃料乙醇的工艺

其主要步骤为：纤维素预处理、纤维素酶解、酵母发酵及乙醇分离。由于纤维素生物质转换不能仅仅只使用酿酒酵母菌株，科学家利用重组酵母进行发酵，并采用同步糖化发酵工艺【5】，大大提高了乙醇产量。发酵中，我们根据纤维素与半纤维素的性质采用不同的发酵方法相结合，如中科院生化工程国家重点实验室的陈洪章【6】等提出的秸秆分层多级转化液体燃料构思，将产量提高了60%。

2. 生物燃料乙醇未解决的问题

生物乙醇作为一个极具发展前景的燃料，解决了能源危机问题，但是，密歇根州立大学研究人员的研究结果表明，生物乙醇的能源利用率较低。【7】此外，尽管生物乙醇燃料能够减少温室气体的排放量，但是，研究者称，过去大部分研究中，在计算温室气体净效果的影响时，错误地忽略或是系统地低估了土地利用变化对环境的影响，而这将会间接地释放巨大的碳储存。【8】

而在我们国家，还存在着原料不足，成本较高，缺乏市场竞争力，资源评价、技术标准、产品检测和认证等体系不完善，以及市场环境和保障机制不够完善等问题。【9】

3. 生物乙醇的应用

生物乙醇主要应用在两个方面，分别为作为车用燃料和燃料电池燃料。这里主要介绍乙醇汽油。汽油掺乙醇后，会有如下的性能的变化。第一，乙醇可提高汽油的辛烷值；第二，燃料乙醇的加入，可提高汽油含氧量，改善燃烧，减少一氧化碳等不完全燃烧污染物排放；第三，可有效地防止积碳的形成，减少故障。【10】同体积的生物乙醇汽油和汽油相比，燃烧热值低30％左右，但因为只掺入10％，热值减少不显著，而且不需要改造发动机就可以使用。【11】美国新配方汽油可以有效降低汽车尾气排放．使用乙醇体积分数为6％的加州新配方汽油．与常规汽油相比，碳氢化合物排放降低10％屹7％。C0排放减少210／o,-128％．氮氧化合物排放减少7n／o,--160／o，有毒气体排放降低90／旷32％。使用乙醇体积分数为85％、汽油体积分数为15％的混合燃料(E15)，而不改变其他条件，与常规汽油相比，碳氢化合物排放降低5％，氮氧化合物排放减少400,4，CO增加约7％。我国研究结果表明，燃用E15和E25(乙醇体积分数为25％、汽油体积分数为75％的混合燃料)时．碳氢化合物含量比燃用汽油分别下降16．2％和300,4．CO排放分别减少300,6和47％。【12】全球现在使用生物乙醇做成ETBE（乙基叔丁基醚--一种性能优良的高辛烷值汽油调和组分）替代MTBE（甲基叔丁基醚），通常以5~15%的混合量在不需要修改/替换现有汽车引擎的状况下加入；有些时候ETBE也以替代铅的方式加入汽油中，以提高辛烷值而得到较洁净的汽油；也可以完全替代汽油使用为输送燃料。目前世界上使用乙醇汽油的国家主要是美国、巴西等国。在美国使用的是E85乙醇汽油，即85%的乙醇和15%的汽油混合作为燃料，

而美国是用甘蔗和玉米来生产乙醇的，这种E85汽油的价格与性能与常规汽油相似。

4.生物燃料乙醇的研究现状及发展前景

近两年来，各大能源消费国竞先寻求替代石油的新能源。美国和欧洲不约而同地都选择生物燃料乙醇作为主要的替代运输燃料，并制订了雄心勃勃的开发计划。2007年1月，美国总统布什在《国情咨文》中宣称，美国计划在今后10年中将其国内的汽油消费量减少20%，其中15%通过使用替代燃料实现，计划到2017年燃料乙醇的年使用量达到1325亿升，是目前年使用量的7倍。2007年3月，欧盟27国出台了新的共同能源政策，计划到2020年实现生物燃料乙醇使用量占车用燃料的10%。中国开发生物燃料乙醇的热潮也在近两年骤然升温。2005年，中国生产燃料乙醇125万吨，2006年增长到133万吨。中国燃料乙醇的消费量已占汽油消费量的20%左右。目前，我国生物燃料乙醇生产技术已经日趋成熟，部分地区出现车用乙醇汽油替代普通无铅汽油，成为继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和消费国。【13】

国务院常务会议审议并原则通过《可再生能源中长期发展规划》，我国将停止在建粮食乙醇燃料项目，在不得占用耕地，不得消耗粮食，不得破坏生态环境的原则下，坚持发展非粮燃料乙醇。可以说，这一决定的主旨是让燃料乙醇项目紧急“刹车”。此举意味着，各地一哄而上的粮食燃料乙醇项目将受阻。市场化是趋势国家对于企业还采取了利润补贴、税收支持等多种方式，来支持燃料产业的发展。目前我国燃料乙醇行业，还处在“以产定销、计划供应”阶段，离市场化竞争和运作尚存在较大的距离。而且，相关企业缺乏相应的市场操作经验和思想准备。未来几年国家对于燃料乙醇的支持方式将进行转变，从成本加利润，到定额补贴，再到2008年底取消补贴，意味着国家将逐步放开，实现燃料乙醇完全市场化。【14】进入门槛将提高.针对部分地区产业过热倾向，国家发改委、财政部将联手加强生物燃料乙醇项目建设管理，除试点工程外，任何地区的燃料乙醇项目核准和建设一律要报国家审定。同时，政策技术门槛也将提高。比如，从水耗来说，将来１吨料乙醇水耗要控制在５吨以下，目前这个数字至少是10吨；产１吨乙醇煤耗要降低到500公斤以下，与国际同步；COD（化学耗氧化物）排放也有较高标准。

结语：由于燃料乙醇的应用可以带来巨大的经济、社会和环境效应，所以世界各国对它已有了不同程度的研究和应用。随着现代生物技术与工程技术的不断发展，高产菌株的获取将变得相对容易，发酵工艺及精一馏技术也得到不断改进，这些都为燃料乙醇的大规模生产提供了技术保证。发展燃料乙醇可解决我国的石油资源短缺和环境污染等问题，有利于保证国家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主要地位，发展前景广阔。

参考文献：

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【2】王凡强，许平．产乙醇工程菌研究进展[J].微生物学.2006,46(4):673-675

【3】黎大爵．甜高粱可持续农业生态系统研究[J]中国农业科学,2002,3(58):1021-1024

【4】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 【5】kadar Zs,Szengyel,Reczey K．SSF of industrial wastes for the production of

ethanol[J].Industrial Crops and Products，2004,20（1）：103-110

【6】陈洪章，徐建，姚建中，等．秸秆分层多级液体燃料新工艺的研究进展[J].生物加工过程2005,3(1):9-13

【7】Study finds using food grain to make ethanol is energy-inefficient[J].Environmental Science

& Technology，2010，May 15:3648

【8】Mark O.Barnett．Biofuels and Greenhouse Gas Emissions:Green or Red?[J].Environmental Science & Technology，2010，May 1:5330-5331

【9】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China Biotechnology，2008,28(7)：139-142.

【10】冯亦立．乙醇汽油与普通汽油的环保性比较[A].环境科技[C].2009,6:124-127

【11】江芳．论乙醇汽油的发展及其推广[J].能源与环境，2006,(3):70-71

【12】孙孝仁．2l世纪世界能源发展前景[J]．中国能源。2001(2)：19-20．

【13】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China Biotechnology，2008,28(7)：139-142.

【14】刘铁男．中国燃料乙醇产业发展［J].中国能源，2002，(3):6－10．