燃料乙醇产业发展现状.docx

行业动态燃料乙醇产业发展现状仉 磊，李纪红，李十中（清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084）近年来，世界范围内对先进生物能源领域的关注与投入达到了前所未有的高度，然而由于缺乏高 效的生物质转化及下游加工技术，使获得先进生物 能源的商业化产品仍然需要很长的路要走1-2。相对 于沼气、藻类生物柴油及其它种类繁多的概念性先 进生物能源，燃料乙醇具有生物发酵工艺成熟、生 产周期短、生产成本相对低廉的优势，因此其仍然 是目前最为现实可行的生物能源形式。以美国为例，2011 年因其国内 139 亿加仑燃料乙醇的使用，使美 国减少了 4.8 亿桶石油的进口3。正因如此，美国 环保署（EPA）于 2012 年 4 月通过一项计划，进一 步提高汽油中乙醇调合比例，使先前的 10%（E10） 提高到 15%（E15），以供 2001 年及以后生产的汽 车和卡车使用4。此举意味着美国接近三分之二的 汽车都能够使用 E15，这足以证明乙醇汽油的安全 和效率。结构复杂、稳定，使获得其可发酵糖的预处理工艺相对复杂、成本高、效果有限，因此，截止 2011 年 底世界范围内仍未得到商业化纤维素乙醇产品3，5。2纤维素乙醇相关技术现状转化木质纤维素中的纤维素及半纤维素成为可发酵糖，如葡萄糖、木糖等，是纤维素乙醇技术的关键步骤。木质纤维素具有结构复杂、稳定及抗 微生物降解的特性，目前已知的预处理工艺对其的 糖转化效率难以达到理想效果，使后续糖化步骤中 投入大量纤维素酶以维持较高糖化效率，纤维素酶 的大量使用使纤维素乙醇生产成本大幅提升6。此 外，除了六碳糖外，高效利用五碳糖才能使纤维素 乙醇在商业化大规模生产层面上具有实际意义7。 然而，自然界中高效乙醇发酵菌株几乎都无法利用 木糖，目前利用基因工程技术获得的微生物菌株的 五六碳糖共代谢效率仍然较低，距离工业化应用还 相去甚远8。目前纤维素乙醇生产工艺的复杂导致 高成本投入。2011 年美国能源部可再生能源实验室 NREL 发表了对 6 种不同预处理工艺生产纤维素乙 醇的评价结果，乙醇生产成本为 2.744.07 美元/ 加仑，其中原料成本在总成本的 45%53%；除了 原料成本，固定资本投入每加仑 0.590.94 美元/加 仑，酶及化学品的成本在每加仑 0.30.5 美元9，与 美国能源部预期的 1.1 美元/加仑目标10相去甚远。 可见，缺乏具有高成本效率（cost-effective）的 木质纤维素预处理方法及高效共代谢五六碳糖的微 生物菌株，是目前纤维素乙醇技术无法商业化应用的根本原因。1燃料乙醇生产技术工业上，乙醇主要由酵母菌（Saccharomycescerevisiae）以可发酵糖（如葡萄糖、果糖及蔗糖）为底物发酵生产。根据可发酵糖获得来源，可将燃 料乙醇生产技术分为：第一代常规生物燃料“糖-淀粉”乙醇；第二代纤维素乙醇。前者主要是以糖（如甘蔗）或淀粉（如玉米）为原料。后者对农业 废弃物（如秸秆、玉米芯）及能源作物（柳枝稷）中的木质纤维素进行预处理以获得葡萄糖、木糖等 可发酵糖，以其作为底物发酵生产乙醇。目前“糖-淀粉”乙醇生产工艺相对成熟，在世界燃料乙醇供应 中起到举足轻重的作用，2011 年，世界燃料乙醇生产大国美国和巴西的几乎全部燃料乙醇皆以 玉米淀粉及甘蔗中的可发酵糖为原料生产而来，两者乙醇产量之和为 5900 万吨占世界总产量 6700 万 吨的 88%3。第二代纤维素乙醇由于其原料木质纤维素是地球上已知的蕴藏量最为巨大的可利用 自然资源，且“不争粮，不争地”，成为当今世界投入资源最多的生物燃料发展方向。然而木质纤维素3纤维素乙醇商业化探索“A funny thing happened on the road to energysecurity via cellulosic biofuels.it didnt happen”5，2011 年美国化学会旗下的环境领域的顶级期刊Environmental Science and Technolog（ES&T）主编Schnoor 在他的文章中表达了对纤维素乙醇的失望1722化工进展2013 年第 32 卷之情。这也是纤维素乙醇商业化发展的现状。2012 年 3 月一条新闻引人注目，尽管美国环保 署 EPA 已将 2012 年纤维素乙醇生产目标由 150 万 吨下调到 2.6 万吨，但是美国石油研究所 API（American Petroleum Institute）代表 500 家油气公 司仍将 EPA 告至华盛顿特区巡回法庭，认为 EPA 制订的纤维素乙醇使用目标增加了石油公司的税负，并最终加重消费者负担和浪费纳税人的钱财5。 美国国家研究理事会（NRC）于 2011 年 10 月 10 日质询政府生物燃料产量目标执行情况显示，纤维 素乙醇产量远远落后于常规谷物为原料的乙醇生 产，并且不可能达到 2022 年美国可再生燃料标准（RFS）目标 11。2013 年 1 月 11 日，美国 PR 新 闻专线 （PRNewswire）报道12，美国燃料与石油制造者协会（AFPM）援引美国环保署 EPA 发布的 数据显示，截止 2012 年 10 月美国共生产了 20069加仑纤维素乙醇，与 1045 万加仑目标相去甚远。 只要稍加留意，近几年来媒体上到处充斥着世界知名化石能源公司、先进酶制剂制造商、大型乙 醇生产公司联合运行纤维素乙醇中试、示范工程，甚至是商业化生产工厂的消息。作为各自领域的领 袖企业，杜邦、BP、壳牌、中石油、中粮、诺维信、杰能科、POET、Abengoa 等在纤维素乙醇领域投 入巨大资源，目的就是实现纤维素乙醇的商业化。然而由于纤维素乙醇的技术瓶颈尚未解决，目前其 大规模商业化运作并不现实的。针对此情况，美国环保署 2011 年不得不将当年的纤维素乙醇产量由 原规划的 30 万吨下调到 1.98 万吨。2012 年 1 月，2012 年 1 月，RangeFuel 关闭了在美国乔治亚州的 纤维素乙醇厂，能源部资助 6400 万美元，州政府支持 600 万美元，以 500 万美元出售13。同时，壳牌 石油于 2012 年 4 月退出了与加拿大 Iogen 公司合作的年产 2300 万加仑纤维素乙醇项目，并且对该公司 的研究资助也于 2012 年底终止14；2012 年 10 月，BP 宣布关闭在美国佛罗里达的年产 9 万吨纤维素 乙醇厂15。另一方面，美国国家可再生能源实验室（NREL），作为世界可再生能源领域研发的领军科 研机构，长期从事纤维素乙醇的产业化研究，开发出利用稀酸水解辅以脱除乙酰的预处理工艺16，使 整个纤维素乙醇成本有所下降，然而其成本距商业化标准仍有巨大差距。2012 年是 NREL 纤维素乙醇 项目结题年份，美国能源部（DOE）已决定关闭纤维素乙醇项目，众多科学家无奈地开始转移到其它 生物能源领域以寻求经费支持。可见目前纤维素乙醇仍然停留中试阶段，大规模生产只是在酝酿之中。纤维素乙醇技术走向大规模商业化运作还有相当长 的路要走。4甜高粱秆乙醇尽管从当前的情况来看，纤维素乙醇实现大规模的生产是不现实的，或可通过其它途径实现这一目标，包括利用当前已经可以获取、但还未广泛开 发的糖基或淀粉质丰富的作物为原料来生产乙醇，以此作为迈向纤维素乙醇的商业化过渡，以缓解能源危机及粮食安全问题。 事实上，相对美国的玉米乙醇 1.3 的能量平衡（能量产出/能量投入），巴西的 2.1 的甘蔗乙醇以 被认为是目前最为成功的生物能源经济模式17 。2012 年，美国大面积干旱，玉米减产严重致使其价 格上扬，因此美国从巴西进口大量被EPA 鉴定为“先进生物燃料”的甘蔗乙醇，以致国际糖价上涨18， 足见甘蔗乙醇的优越性。然而，巴西大量的剩余耕地及特殊的地理气候，使得甘蔗乙醇的成功很难被 世界上其它国家、地区复制，并且进口巴西乙醇的欧盟已经就甘蔗乙醇的可持续性提出质疑，认为目 前榨汁生产甘蔗乙醇工艺会造成土壤的有机质大量流失。 另一方面，与甘蔗相比，甜高粱具有更高的 光合效率，适合多种气候类型，耐干旱、水涝、盐碱19，因此甜高粱具有更广的种植范围（图 1）。实 际上，美国农业部已经于 2010 年把甜高粱列入生物燃料原料20，加大甜高粱乙醇研发和示范的投入力 度；巴西也开始意识到这一点，近日巴西 UsinaCerradinho 公司采用著名植物育种公司孟山都（Monsanto）的最新杂交育种甜高粱生产乙醇，冀 此解决甘蔗存在收获季的空档期21。此外，印度、南非、菲律宾等国家逐渐注意到甜高粱作为能源作物的优势，纷纷在甜高粱育种方面和乙醇示范工厂 建设方面增加投入。继中国成功进行了甜高粱秆乙图 1 甜高粱、甘蔗种植区域分布图第 7 期1723efficient anaerobic xylose fermentation ： Reflections andperspectivesJ. 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Shell，Iogen，and Cancellation in Manitoba：Answers to your醇先进固体发酵（ASSF）技术工业化示范（f3.655 m 连续固体发酵罐、f2.412m 连续固体蒸馏塔） 后22，菲律宾的 San Carlos Bioenergy Inc.公司已经用 30 公顷的甜高粱秆生产了 15231 升乙醇，每吨糖浆可生产 247 升乙醇23 。孟山都、Chromatin 、NexSteppe（与杜邦联合）等公司都在积极研发出具 有高蔗糖含量的甜高粱变种21，24。2012 年 5 月 30 日美国 Biofuel Digest 发表题为“Sorghum goes epic，or is that EPEC?”的文章，认为 高粱进入了生物燃料的史诗年代，美国环保署把高粱列入先进生物燃料的原料名单；EPEC、CERES、Chromatin 等公司的甜高粱产品已经可以为生物燃 料产业和生物质发电产业提供可持续的原料25。除了用于生产乙醇外，甜高粱被 Amyris 公司用于生产航空生物燃料26。高粱原产于非洲，目前全球有99 个国家种植甜高粱，面积达 4300 万公顷，只需更 换品种，即可实现在生产粮食的同时联产 1.29 亿吨 燃料乙醇和 0.8 亿吨牛羊饲料，解决好粮食、饲料与 能源安全问题。目前，我国可种植耐盐碱、干旱作 物甜高粱的边际土地约有 2 亿亩27，具年产 5000 万 吨燃料乙醇生产潜力，可替代 5000 万吨原油。如将 京、津、冀、东三省、内蒙现有的 2200 万亩青贮玉 米地改种甜高粱，即满足牛饲料需求，又额外生产700 万吨乙醇、300 万吨高粱米，显著提高土地利用 率和农民收入；将全国 900 万亩普通高梁改种甜高 粱，在保证酿酒用高梁米供应的同时，还能生产 300 万吨燃料乙醇。可以预见，无论是否彻底实现纤维 素乙醇商业化，甜高粱在燃料乙醇甚至更广阔的先 进生物燃料领域都将发挥举足轻重的作用。91011121314http ： //questions EB/OL. 2012.bdigest/2012/05/01/shell-iogen-and-cancellation-in-manitoba-answers-to-your-questions/.BP. 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