文/佟毅

2017 年9 月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局、財(cái)政部等十五部門聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》，提出了到2020 年在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用車用乙醇汽油，基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋的宏大目標(biāo)。為了保證充足的原料供應(yīng)、解決秸稈焚燒污染等問(wèn)題，方案還提出了到2020年纖維素乙醇5 萬(wàn)噸級(jí)裝置實(shí)現(xiàn)示范運(yùn)行，到2025 年力爭(zhēng)纖維素乙醇實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，先進(jìn)生物液體燃料技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)整體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的明確要求。因此國(guó)內(nèi)各界對(duì)纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)注再次高漲起來(lái)，如果纖維素燃料乙醇能在技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(lái)新機(jī)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(guó)家政策落地實(shí)施的重要保障

按照國(guó)家將要實(shí)現(xiàn)燃料乙醇全覆蓋的目標(biāo)，預(yù)計(jì)到2020 年全國(guó)燃料乙醇總需求將達(dá)到1200 萬(wàn)噸，假設(shè)燃料乙醇全部通過(guò)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(wàn)噸，對(duì)應(yīng)消耗玉米原料4250 萬(wàn)噸。而目前國(guó)內(nèi)的玉米庫(kù)存逐漸回落，使用玉米淀粉生產(chǎn)酒精來(lái)滿足未來(lái)國(guó)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(guó)家政策落地實(shí)施的重要保障。

（二）減少秸稈焚燒污染，增加農(nóng)民收入

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，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(shí)越來(lái)越強(qiáng)，大力發(fā)展纖維素燃料乙醇則可變危為機(jī)、一舉多得。

我國(guó)每年產(chǎn)生9 億多噸的秸稈，利用其中的五分之一來(lái)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(jì)算，則可生產(chǎn)超過(guò)3000 萬(wàn)噸乙醇，完全可以滿足目前我國(guó)全面推廣E10 車用乙醇汽油的需求。按照一套年產(chǎn)5 萬(wàn)噸纖維素乙醇裝置1 年需要處理30 萬(wàn)噸玉米秸稈計(jì)算，則可提供200～300 個(gè)直接就業(yè)機(jī)會(huì)，秸稈的收集、打包、運(yùn)輸貯存又可提供約1500 個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，帶動(dòng)周邊農(nóng)戶年增收可達(dá)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(wù)我國(guó)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(guó)是世界領(lǐng)先的纖維素乙醇生產(chǎn)與使用國(guó)，對(duì)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(guó)著手建立了3 個(gè)大型纖維素乙醇廠，其生產(chǎn)規(guī)模均達(dá)到7 萬(wàn)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(guó)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(dá)9 萬(wàn)噸/年，但遺憾的是該裝置自建成以來(lái)一直沒(méi)有達(dá)到其預(yù)期經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。2017 年11 月，該項(xiàng)目停產(chǎn)，杜邦公司同時(shí)也宣布出售該項(xiàng)目。實(shí)質(zhì)上受到2014 年國(guó)際原油價(jià)格暴跌的影響，美國(guó)纖維素乙醇大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程受到了嚴(yán)重打擊，大部分工廠目前都處于停產(chǎn)狀態(tài)，2016 年美國(guó)預(yù)計(jì)自己的纖維素乙醇產(chǎn)能目標(biāo)將達(dá)到85 萬(wàn)噸/年，實(shí)際上到年底總生產(chǎn)能力僅為35 萬(wàn)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(yùn)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(yù)處理和五碳糖/六碳糖共發(fā)酵技術(shù)。

世界范圍內(nèi)建成或建設(shè)中的商業(yè)規(guī)模纖維素乙醇項(xiàng)目

巴西也是燃料乙醇生產(chǎn)大國(guó)，其對(duì)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(gè)纖維素乙醇廠，但受到原油價(jià)格的影響，目前并沒(méi)有新建項(xiàng)目投產(chǎn)。巴西GranBio 公司在2014 年建成并投產(chǎn)了一座年產(chǎn)6.5 萬(wàn)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(bào)道稱，巴西Raizen 公司2018 年投產(chǎn)了3 萬(wàn)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(zhǎng)期戰(zhàn)略，到2024年該公司要再建7～8 個(gè)與一代甘蔗酒精相配套的纖維素乙醇廠，新的設(shè)計(jì)要利用更高效的酶，通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗?？偟膩?lái)說(shuō)，由于原料的優(yōu)勢(shì)，巴西纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展相對(duì)順利。

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

首先從技術(shù)方面來(lái)看，盡管我國(guó)已經(jīng)過(guò)了10 多年的探索，但技術(shù)與國(guó)外的差距還是很明顯，目前專利申請(qǐng)數(shù)量排在前幾位的都不是國(guó)內(nèi)的公司，申請(qǐng)專利數(shù)最多的是丹麥諾維信公司。國(guó)內(nèi)公司與科研院所申請(qǐng)專利較多的有中糧集團(tuán)、中科院過(guò)程所與天津大學(xué)等。這也從一方面反映了我國(guó)在纖維素乙醇領(lǐng)域掌握的技術(shù)有限，核心的酶與工程化菌株還是主要依靠進(jìn)口。

其次從產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度和規(guī)模來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)有6 個(gè)建成或計(jì)劃建設(shè)的大型纖維素燃料乙醇項(xiàng)目，如表1 所示，受到國(guó)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(tuán)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(shù)，經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)，中糧集團(tuán)已經(jīng)擁有整套的先進(jìn)纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)。山東龍力生物是目前唯一獲得國(guó)家批復(fù)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(dāng)時(shí)中國(guó)最大的纖維素乙醇廠，最多可年產(chǎn)5 萬(wàn)噸酒精，但遺憾的是該裝置目前處于停運(yùn)狀態(tài)。其余國(guó)內(nèi)在建或已經(jīng)建立的纖維素乙醇項(xiàng)目也都處于停產(chǎn)狀態(tài)或者從未開工，河南天冠集團(tuán)在南陽(yáng)建立的3 萬(wàn)噸/年醇電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目自建成以來(lái)從未運(yùn)行，其他幾家與國(guó)外公司合資建立的工廠也基本沒(méi)有開工。

纖維素乙醇面臨的技術(shù)難題

（一）原料來(lái)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(chǔ)存和運(yùn)輸費(fèi)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(zhǎng)期儲(chǔ)存還需要做好防雨、防潮、防火和防雷等設(shè)施建設(shè)，因此秸稈的穩(wěn)定供應(yīng)是秸稈大規(guī)模能源化利用的一大瓶頸。

（二）預(yù)處理工藝復(fù)雜、收率低

木質(zhì)纖維素生物結(jié)構(gòu)緊密復(fù)雜，具有強(qiáng)烈的抗降解性，需要經(jīng)過(guò)特殊物理化學(xué)方法處理來(lái)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(yù)處理水平的高低決定了下游工藝的效率和成本，高效的預(yù)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(yù)處理方式分為物理預(yù)處理方式、化學(xué)預(yù)處理方式、生物預(yù)處理方式、物理化學(xué)結(jié)合預(yù)處理方式等，但從工業(yè)應(yīng)用的角度來(lái)分析，僅有稀酸蒸爆預(yù)處理、中性蒸爆預(yù)處理及氨爆預(yù)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(yīng)、纖維素酶吸附效應(yīng)等，造成體系傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)特性改變、能耗增加、反應(yīng)效率降低，使得纖維素乙醇酶解和發(fā)酵過(guò)程的控制和放大存在很大難度。同時(shí)酶制劑在整個(gè)纖維乙醇生產(chǎn)成本中占40%～50%，遠(yuǎn)高于糧食乙醇5%～10%的水平。酶制劑已成為纖維素乙醇技術(shù)取得最終突破的關(guān)鍵，控制了酶制劑環(huán)節(jié)，就等于控制了未來(lái)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(jìn)行乙醇發(fā)酵主要有4 個(gè)問(wèn)題：①釀酒酵母生長(zhǎng)和厭氧發(fā)酵受預(yù)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(wù)模式

通過(guò)為訂單關(guān)系的農(nóng)業(yè)種植者提供農(nóng)資和技術(shù)服務(wù)，與農(nóng)業(yè)種植者建立更緊密的合作關(guān)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(guò)程需要將纖維素進(jìn)行高強(qiáng)度預(yù)處理來(lái)破壞纖維素結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中的電耗較高。同時(shí)也是由于木質(zhì)纖維素的特殊性，纖維素乙醇生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有大量的固體殘余物，廢水處理過(guò)程也會(huì)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(jī)轉(zhuǎn)化成蒸汽和電力，相當(dāng)于每噸纖維素乙醇發(fā)電700～800KWh，遠(yuǎn)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(guò)程整合進(jìn)纖維素乙醇工廠中去，利用工廠內(nèi)預(yù)處理的生物質(zhì)材料配制廉價(jià)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(guò)程和濃縮、運(yùn)輸費(fèi)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(guò)分依賴于外部的酶制劑供應(yīng)商。亞硫酸銨法制漿造紙過(guò)程中產(chǎn)生的制漿黑液中含有豐富的氮源、磷源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，用制漿黑液流加補(bǔ)料發(fā)酵技術(shù)，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。

在中國(guó)公開纖維素燃料乙醇相關(guān)專利的研發(fā)機(jī)構(gòu)分布情況

（四）一代二代乙醇工廠組合共建，提高經(jīng)濟(jì)效益

把一代（糧食乙醇）和二代（纖維素乙醇）工廠組合起來(lái)，可以改進(jìn)纖維素乙醇生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性。美國(guó)目前唯一一家還在堅(jiān)持纖維素乙醇試生產(chǎn)的POET-DSM 先進(jìn)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(guò)同時(shí)收集玉米籽粒和秸稈兩類原料，分享部分公用基礎(chǔ)設(shè)施和管理、營(yíng)銷系統(tǒng)，用秸稈發(fā)酵的木素殘?jiān)紵l(fā)電，同時(shí)為玉米乙醇和纖維素乙醇兩套生產(chǎn)裝置供應(yīng)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(yùn)營(yíng)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(jìn)一步改進(jìn)工藝的經(jīng)濟(jì)可行性。