生物乙醇产品设计与开发.docx

生物乙醇的产品设计与开发1 产品研发背景化石资源的短缺使得生物基化学品成为各国竞相研发的热点，而能源、环保和资源的压力更使生物柴油、生物乙醇、生物制氢等成为我国生物基化学品发展的重中之中。鉴于世界石油需求增长和油价暴涨，各国不得不加速发展替代能源，其中生物乙醇需求和发展尤为显著。但生产生物乙醇的原料，目前主要是粮食和糖料，存在成本高、与民争粮( 争地) 等问题。将来生产生物乙醇的根本出路，在于用农作物秸秆、木屑等纤维素为原料的方法。目前世界车用汽油需求内，乙醇的混合比率平均2.6%。去年11 月国际能源机构发表预测，至2030 年世界运输燃料年平均增长9%。欧洲消费量预计到2010年将超过巴西，到2030 年将超过美国。2005 年世界乙醇产量1710 万吨( 换算成石油计)。乙醇原料美国主要用玉米，巴西用甘蔗。欧洲主要用植物油生产生物柴油。2005年欧洲生物柴油产量290 万吨( 换算成石油计)。2005年世界生物燃料产量2000 万吨( 换算成石油计) ，基准情况下2030 年达到9200 万吨，年平均增长7%；替代能源对策情况下年平均增长9%, 2030 年世界产量14700 万吨。运输用燃料内，生物燃料所占比率由现在的1%提高至2030 年的7%。1.1 技术发展生产乙醇的大问题在于原料甘蔗、玉米等与人、畜争夺食料、饲料。最近，玉米、糖价格上涨。芝加哥市场玉米期货，去年1 月每蒲式耳2.13 美元，今年2 月达到4.11 美元，上涨近1 倍。由生物能源的纤维素、半纤维素生产乙醇的效率比甘蔗、玉米等高。单位能源投入的能源产出比，玉米为1.3、甘蔗为8.5、纤维素乙醇16。纤维素乙醇比甘蔗高1 倍。但是, 其涉及技术与成本。巴西甘蔗乙醇成本为每升22 美分，比汽油便宜。玉米乙醇成本为每升30 美分。由农作物秸秆、木屑等纤维素生产乙醇，必须破坏植物细胞壁, 切断纤维素链, 释放糖分，再转化为醇。发酵、蒸馏、精制等过程，前后需要56 种酵素。目前, 这种有效酵素很贵。二十一世纪是生物的世纪，随着人类对生物认识的不断提高，生物技术解决了诸如农业、医学等领域的许多问题，越来越多的人类问题也诉诸于生命科学，氢能源也不例外。所以生物制氢受到越来越多人的关注，生物制氢具有原料来源广泛，不污染环境等突出的优点。1.2行业发展生物乙醇/纤维素乙醇正在迅速崛起。尽管生物柴油名声大噪，但是绿色燃料技术对世界的最大冲击恐怕还是生物乙醇成为汽油的替代品。据美国能源部专家预计，2007 年美国乙醇汽油产能将达到2 000万t2 200 万t，目前美国乙醇汽油消费量占全美汽油消费总量的30%。2007 年布什表示，美国到2012年法定的可再生和替代性能源的总量目标是要达到0.28 亿t ( 75 亿加仑)，到2017 年达到1.3 亿t (350亿加仑) ，而当前的替代能源每年产量是0.15 亿t( 40 亿加仑) 。美国从20 世纪70 年代开始利用其耕地多、玉米产量大的优势，发展燃料乙醇，以玉米为原料生产燃料乙醇的生产工艺已经基本成熟。目前，美国生物乙醇的产量约为1 514 万ta- 1，大部分是采用玉米为原料。美国将根据“生物燃料行动计划”的安排，设立基金支持以各种生物质为原料的乙醇汽油生产技术的开发，尤其是将更多地关注除玉米之外的其他生物质原料，如碎木块、秸秆和草本植物等，扩大原料资源，降低成本。根据美国生物技术工业组织的统计,美国每年利用农作物副产品( 如玉米秸秆、甘蔗渣、麦秸和稻草等) 可生产2 650 万t 纤维素乙醇，通过采用纤维素生物质原料，降低乙醇成本。目前全球乙醇的生产仍以发酵方法为主，发酵酒精占乙醇生产总能力的85% 以上。与石油化工路线相比，微生物发酵工艺生产的乙醇具有较强的竞争力，特别是以可再生的农副产品为原料，不存在资源枯竭的问题，是缓解石油供应紧张的办法之一。以木质纤维素为原料生产生物乙醇是技术开发的焦点。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，可以来源于农业废弃物( 如麦草、玉米秸秆和玉米芯等) 、工业废弃物( 如制浆和造纸厂的纤维渣) 、林业废弃物和城市废弃物( 如废纸、包装纸等) ,由木质纤维素生物转化成的燃料乙醇越来越引起世界各国的广泛关注。目前世界各国研究利用木质纤维素发酵生产乙醇的科研机构都围绕着几大关键技术进行攻关,现有的生物技术是利用酶催化剂将生物质转变为可发酵葡萄糖，但是目前世界上还没有一家工业规模利用纤维质原料生产燃料乙醇的企业，主要障碍为酶解成本过高、缺乏经济可行的发酵技术。因此，技术路线的优化组合问题、生产过程中成本降低的问题以及乙醇废糟的综合利用等问题需要解决。据美国能源部门预测，2015 年由木质纤维素制燃料乙醇有望在技术和经济上过关，实现工业化生产。1.3技术特点1.3.1技术创新性这是一株填补我国生物乙醇研究领域空白的高效产氢菌种，它的产生乙醇的能力在国际上处于前列，将大大加快我国从海藻中采用发酵法生产生物乙醇产业化的步伐。1.3.2技术可行性利用等离子辐射、电子打孔和分子生物学技术，诱变和选育高效产氢菌种，对其进行优化及代谢功能和活性表达的研究。采用基因工程技术对优势产生物乙醇菌种进行改造，提高其产生物乙醇的效率、扩大其可利用底物范围，保证高效产生物乙醇的性能的稳定遗传，并通过实际运行形成与所开发的高效产生物乙醇菌种相配套的生物反应器技术，在分子生物学水平上阐明生物产生物乙醇系统中微生物种群结构及其功能、种群结构变化规律，建立相应的调控方法。1.3.3技术路线鉴定了一株野生型脉孢菌并研究了使用玉米芯为原料时的纤维素乙醇发酵潜力，对其形态特征和生理生化特性研究表明，该菌与脉孢菌属菌株的特征一致；对其18S-28S rDNA的ITS区段进行序列分析，通过构建系统进化树和分析系统发育关系，确定该菌为脉孢菌属的间型脉孢菌。该脉孢菌能在以玉米芯粉和葡萄糖为碳源的液体培养基中快速生长，从按入孢子到形成有乙醇发酵能力的菌丝只需48 h的时间。以10 gL-1的玉米芯配成培养基，分别进行脉胞菌、酿酒酵母直接乙醇发酵和脉孢苗与酿酒酵母共发酵试验。结果表明脉孢菌对玉米芯进行直接乙醇发酵时，乙醇产量为4.37 gL-1(产醇底物还包括培养菌丝时未用完的部分碳源)，用酵母菌进行直接乙醇发酵时，乙醇产量仅为0.18 gL-1。而当培养脉孢菌菌丝后接入酿酒酵母同时糖化发酵时，得到的乙醇浓度提高到5.53 gL-1，因而，使用脉胞菌与酿酒酵母的同时糖化发酵更有利于玉米芯的纤维素乙醇发酵。2 市场分析2.1需求分析美国能源部的数据表明，美国年产450 万吨生物乙醇，创造了2 0多万个就业机会,每年为国民经济贡献约8 0 亿美元，大大超过国家为扶植产业发展所提供的8 亿美元财政补贴，产业发展提供了新的就业机会，带动了区域经济社会发展。生物乙醇是以生物质为原料制造，可以单独或与汽油混配作为汽车燃料。巴西和美国是世界上最大的生物乙醇燃料生产和消费国家，分别以甘蔗和玉米为主要原料，每年各消费约1200万t 和500万t。近年来，我国政府为解决消化多余粮食，减少石油进口和保护环境三大问题，高度重视发展生物乙醇燃料发展生物乙醇产业和推广使用乙醇汽油在我国是一项新的事业，是关系到我国中长期经济发展的重大战略决策。根据以上的分析，并考虑我国的国情，我们提出以下产业发展政策建议。1 、生物乙醇目前生产成本高，市场竞争力不敌汽油。美国政府目前每升生物乙醇补贴约0.1 4 美元。我国政府可参照美国的成功经验，提供终端销售补贴，使E 1 0 汽油价格低于一般汽油，鼓励消费，扩大市场。随着产业发展，补贴逐步减少，直至取消。2 、产业发展最大威胁是粮食安全，而今后20多年中我国居民食物结构升级会使饲料粮需求大幅上升，如决策失误，将严重危及我国粮食安全。因此，政府对以粮食为原料的生物乙醇产业应确保稳健的发展步伐，同时支持多元化原料生物乙醇技术的研究开发和产业化，以保证产业的长期可持续发展。3 、生物乙醇产业是竞争性产业，应当实行政府支持和市场机制相结合的发展方针。一方面由政府支持利用现有的几百万吨生产能力，进行技术改造，减少投资成本，另一方面应促进企业竞争，激励以企业为主体的技术创新，降低消耗，提高效益，择优淘劣，优化产业资源配置。4 、鼓励多元发展模式，在原料( 玉米、甘蔗、木薯、甜高粱等) 充裕集中的地区，可以建立大规模的乙醇工厂。另一方面，在原料分散的地区，大力推进订单农业! 等产业化发展模式，建立生产企业和原料农户间稳定的经济合同关系，由农民个人或集体企业就地生产粗酒精，然后由技术先进的大型企业收购并进一步提纯生产出最终产品的模式，进一步增加农民收入，促进乡镇企业和农村经济发展。5 、鉴于生物乙醇原料和成品的运输成本高，应在粮食原料充裕的地区建立现代化生产企业，并在周边地区消费，而在粮食供应不充裕的地区，或因地制宜地利用其它原料生产，或暂时不使用生物乙醇。6 、加强部门之间的协调，避免重复建设。乙醇工业耗能较大的部分为精馏提纯，精馏技术在石油、石化行业是非常成熟的工艺，建议乙醇行业和石油石化行业配合，不必重复研制开发精馏设备与工艺；另一方面，乙醇汽油中乙醇含量与汽油轻组分( 碳四碳五) 的含量需要乙醇行业和石油石化行业配合，选择合适的混合比例，以保证车辆的使用安全。2.2 主要竞争主要竞争是国内外同样研究生物乙醇的科研单位，例如英国正在建造世界最大的生物乙醇制造工厂。英国Ensus集团已宣布, 它投资在这个“世界级绿色燃料”工厂的资金已接近2.5 亿英镑。工厂预计在2009 年初建成，将使用来自英国和欧洲大陆的小麦作为原料，初步计划该工厂的年生产能力为4 亿L，可供一辆普通的车一年跑480 万km， 或者是30 万辆车在路上跑一年。于他们的科研实力较强，故此竞争较为严重。欧盟和英国承诺要减少对化石燃料的使用，以减少温室气体的排放，降低对石油的依赖，从而加强能源供应的安全性。2003 年，欧盟发布指示，到2010 年， 运输燃料能含量的5.75%都要来自生物燃料。另外，使用小麦生产生物乙醇时所产生的一种副产品富含蛋白质，可用作动物饲料，被称作DDGS(可溶解的干燥蒸馏粒)，欧盟对这种饲料的需要存在着巨大的缺口。可以肯定欧盟在生物乙醇的开发方面存在巨大潜力