司晶星　趙文甲　金　晶

[摘要]由于能源、環(huán)境的潛在危機，燃料乙醇已經(jīng)成為世界各國重點研究和推廣的能源課題之一，在我國以乙醇代替能源也勢在必行。對燃料乙醇的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及生產(chǎn)工藝進行歸納總結(jié)，簡要說明其發(fā)展前景。

[關鍵詞]燃料乙醇研究現(xiàn)狀生產(chǎn)工藝

中圖分類號：TEO文獻標識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0610005-01

一、前言

隨著世界化石能源的日趨匱乏，石油類產(chǎn)品價格日益攀升，開發(fā)種綠色可持續(xù)的能源已經(jīng)變得相當急迫。乙醇作為一種生產(chǎn)工藝成，生產(chǎn)原料來源廣泛的替代能源越來越受到人們的關注。乙醇俗稱酒精，它以玉米、小麥、薯類、糖蜜等為原料經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而制成，所謂燃料乙醇是指對濃度為95％左右的乙醇進一步脫水，再加上5％體積分散(一般為無鉛汽油或無鉛的烴類)的變性劑使之成為水分小于0.8％，且不可食用的變性無水乙醇。燃料乙醇既是一種清潔能源，又是一種良好的汽油增氧劑和辛烷值調(diào)和組分，用以代替四乙基鉛和甲基叔丁基醚(MXBE)或乙基叔丁基醚(ETBE)，乙醇調(diào)入汽油對降低汽車尾氣中的一氧化碳含量很有效，起到凈化空氣的效果；同時，乙醇用糧食制造，是一種生物轉(zhuǎn)化的太陽能，是一種取之不盡，用之不竭的可再生資源，在汽油中加入一定比例的乙醇作燃料，能節(jié)約石油，凈化空氣，轉(zhuǎn)化多余糧食，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展提供一條簡單有效的途徑。燃料乙醇作為21世紀車用燃料的替代產(chǎn)品，可使我國的車用燃料結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化的特征，其使用將對節(jié)約石油資源、減少環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)和其他相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

二、國內(nèi)外燃料乙醇的研究現(xiàn)狀

目前，燃料乙醇研究可分為3大類：菌種篩選及育種研究、發(fā)酵工藝研究、特殊需要的基因工程菌構(gòu)建及發(fā)酵研究。為了實現(xiàn)發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的低成本、高轉(zhuǎn)化率和高產(chǎn)率，菌種是整個生產(chǎn)流程的核心。因此，菌種的選育也必須以降低生產(chǎn)耗資與高產(chǎn)出為原則。燃料乙醇發(fā)酵就需要菌種具備耐高酒精度、耐高底物濃度、耐高溫、高轉(zhuǎn)化率及具備絮凝性能等特點。農(nóng)業(yè)和森林廢棄物是可用于燃料乙醇生產(chǎn)的主要木質(zhì)纖維素類原料。但微生物不能直接利用纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，必須把纖維素類物質(zhì)用酸、堿或酶水解為微生物可以利用的單糖，或者運用基因操作技術構(gòu)建可以利用纖維素或半纖維素類物質(zhì)及其水解產(chǎn)物的基因重組菌。

三、燃料乙醇生產(chǎn)原料

世界上乙醇的生產(chǎn)來源有兩種，第一種是發(fā)酵法，占總產(chǎn)量的90％，第二種是化學合成法，占總產(chǎn)量的10％。生產(chǎn)乙醇的原料來源有：小麥，玉米，甘蔗，木素纖維素，木薯，植物的秸稈、枝葉、廢棄紙張和草類等纖維物質(zhì)，紅薯，以及利用現(xiàn)代生物技術、現(xiàn)代工程技術等對淀粉質(zhì)和糖蜜原料的現(xiàn)有酒精發(fā)酵過程進行革新，提高工藝技術水平，降低物耗和能耗，實現(xiàn)源頭減廢和清潔生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，可進一步增強燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟性和抗風險能力。從長時期來看，糧食、經(jīng)濟作物只是生產(chǎn)燃料乙醇的過渡性原料，還不足以改變中國整個能源結(jié)構(gòu)。承擔改變中國能源結(jié)構(gòu)重任的是在全國比比皆是的以秸稈為代表的植物纖維。纖維素是地球上貯量最豐富的有機物，我國每年農(nóng)作物秸稈約7億噸左右，若能有效的被利用來生產(chǎn)乙醇，中國能源問題就能得到根本解決。一旦技術獲得突破進展，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，則對突破我國資源瓶頸將起到重要的作用。以發(fā)展的眼光看。解決燃料乙醇大量使用時所需原料問題的途徑將最終轉(zhuǎn)向纖維，依靠生物技術、基因技術等高新技術的發(fā)展，通過篩選種植高能、高產(chǎn)生物資源，利用我國大量農(nóng)業(yè)廢棄資源和工業(yè)廢棄物資源，開發(fā)和實現(xiàn)利用纖維素生產(chǎn)酒精技術的產(chǎn)業(yè)化，可為燃料乙醇生產(chǎn)提供取之不盡的可再生植物原料。

四、生產(chǎn)工藝研究

目前，世界上燃料乙醇的生產(chǎn)方法有合成法(即乙烯水合法)和生物法兩種。由于近年來受原油資源問題及乙烯價格上漲的制約，合成法被生物法所取代。生物法生產(chǎn)燃料乙醇大部分是以甘蔗、玉米、薯干和植物秸稈等農(nóng)產(chǎn)品或農(nóng)林廢棄物為原料酶解糖化發(fā)酵制造的。其生產(chǎn)工藝有酶解法、酸水解法及一步酶工藝法等。這段工藝與食用乙醇的生產(chǎn)工藝基本相同，所不同的是需要增加濃縮脫水后處理工藝，使其水的體積分數(shù)降到1％以下。由于乙醇生產(chǎn)過程中水的存在，使得乙醇與水形成二元共沸物，而采用普通精餾方法所得乙醇中水的體積分數(shù)約5％，要想控制燃料乙醇水的體積分數(shù)達到1％以下，就必須采用較新的脫水工藝。目前開發(fā)的脫水新工藝主要有：滲透汽化、吸附蒸餾、特殊蒸餾、加鹽萃取蒸餾、變壓吸附和超臨界萃取分離等。脫水后制成的燃料乙醇再加人少量的變性劑就成為變性燃料乙醇，和汽油按一定比例調(diào)合就成為車用乙醇汽油。由于考慮到經(jīng)濟因素以及未來燃料乙醇發(fā)展的方向，本文著重介紹纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝：纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇現(xiàn)行方法有固態(tài)發(fā)酵等方法。

固態(tài)發(fā)酵(SolidSubstrateFermentation)是培養(yǎng)基呈固態(tài)、雖然含水豐富，但沒有或幾乎沒有自由流動水的狀態(tài)下進行的一種或多種微生物發(fā)酵過程，底物(基質(zhì))是不溶于水的聚合物，它不僅可以提供微生物所需的碳源、氮源、無機鹽、水及其它營養(yǎng)物質(zhì)，還是微生物生長的場所。在固態(tài)乙醇發(fā)酵工藝中木質(zhì)纖維素材料的利用可以得到充分的發(fā)揮。木質(zhì)纖維素是地球上數(shù)量最大的一種再生資源。纖維素被酸完全水解時，能得到96％-98％的D-葡萄糖，生物酶法水解纖維素類物質(zhì)近幾年取得了較大的進展。纖維素同時糖化發(fā)酵工藝-纖維素酶對纖維素的水解和發(fā)酵產(chǎn)生乙醇在同一裝置內(nèi)連續(xù)進行。這樣酶水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體不斷發(fā)酵而被利用，消除了葡萄糖因濃度過高對纖維素酶的反饋抑制。在工藝方面采用一步發(fā)酵，簡化設備，節(jié)約能源，縮短了總生產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率，但木糖的抑制作用和糖化發(fā)酵溫度不協(xié)調(diào)是該工藝的不足。一般在纖維素酶糖化過程中，纖維素酶的最適溫度為50℃左右，而酵母的發(fā)酵溫度為37-40℃，采用耐熱酵母(如假絲酵母、克勞林比酵母)是解決這一問題的有效途徑。

五、結(jié)束語

我國雖然是資源大國，但人均資源占有量遠落后于世界人均水平，雖是農(nóng)業(yè)大國，但無論農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量或質(zhì)量，或相關加工工業(yè)的技術水平都落后于發(fā)達國家。作為推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，必須依靠科技進步，在吸收國外成果和經(jīng)驗的基礎上，加強燃料乙醇生產(chǎn)新技術的研究、開發(fā)和副產(chǎn)物深度加工研究工作，重點圍繞副產(chǎn)物進行綜合利用研究。同時研究擴大燃料乙醇應用范圍和市場，開發(fā)新的原料來源。隨著化石資源漸趨枯竭，油價進一步高漲，國際原油價格也有上漲的趨勢，這給燃料乙醇的價格帶來了一定的升值空間，同時也給燃料乙醇的展帶來了歷史性的機遇。另外，隨著國內(nèi)石油需求的進一步提高，以乙醇等替代能源為代表的國家能源供應多元化戰(zhàn)略已成為國家能源政策的一個方向。