乙醇——尚待开发的生物能源

谭玉龙

20世纪70年代后，两次石油危机相继出现，给全球的经济造成巨大损失，能源问题成为全世界共同面临的难题。对我国来说，据统计，空气中的CO₂、硫化物和颗粒悬浮物约70％来自化工石油燃料燃烧的排放物。近年来，我国大量消耗化工石油燃料，使大气中硫化物和颗粒悬浮物含量急剧增加，给我国造成的经济损失每年达1000亿元以上。

生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源，生物能源主要包括生物电能和生物燃料两大类。生物电能主要是利用各种植物秸杆进行发电，而生物燃料则是通过发酵产生甲醇和乙醇燃料等。生物能源既是可再生能源，又是无污染或低污染的绿色能源。

生物能源不含硫，其碳循环是动态的，能源植物通过光合作用固定二氧化碳和水，将太阳能以化学能形式储藏在植物中，是一种可再生的环保型新能源。因此，开发生物能源是解决能源危机和保护生态环境的有效途径。

各国已广泛开始关注用生物能源来代替化石燃料，并制定了相应的计划，如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等。

生物燃料乙醇

生物燃料乙醇也称燃料酒精、乙醇汽油和乙醇柴油。燃料乙醇可以单独作为一种燃料或作为改进型混合燃料。生物燃料乙醇是一种燃烧充分、可再生的燃料，近年来备受青睐。

在1979年，美国便开始制定酒精发展计划，同年，日本工业技术研究院开始对稻草、废木材等进行能源化研究，时至今日酒精发酵技术已基本完善。1980年，美国和加拿大两位华裔教授几乎同时宣布已经解决木糖酒精发酵的问题，这一研究成功使半纤维素利用进入一个崭新阶段。1998年9月由美国第一家商业化以纤维质(蔗渣和稻草壳)为原料生产酒精的工厂破土动工。

目前生物燃料乙醇的制备有2种，一种是直接由淀粉、蜜糖等物质通过各种转化，最后分离出乙醇：一般的方法是首先使用淀粉酶，经水解成为醛，然后把剩余化学键折断，经葡萄糖酶催化，生成葡萄糖，最后用酵母发酵法，把葡萄糖转化成乙醇。另一种是由木质纤维通过发酵作用生产乙醇：纤维素制备乙醇主要有酸水解和酶水解乙醇生产工艺两大类。目前对酸水解研究较少，因其较酶水解工艺来说，研究和发展潜力较弱；纤维素酶水解乙醇生产工艺可以分为分步水解发酵工艺、同步糖化发酵工艺以及复合水解发酵工艺。

从原材料来看，各国的乙醇主要以玉米、小麦、薯干等粮食为原料经过发酵生产而成。美国是世界上最大的以谷物为原料生产生物燃料乙醇的国家。2004年，美国生产乙醇消耗的玉米约占其产量的11％。

面临重重问题

目前，生物燃料乙醇主要存在如下问题：①使用粮食作为发酵原料生产乙醇；②从植物中提炼乙醇需要耗费大量能源；③酒精废液带来环境污染；④燃料乙醇价格没有优势。

而其中最严峻的问题是使用粮食作为发酵原料生产乙醇。这不仅大大提高了燃料乙醇的生产成本，还导致了能源与粮食的矛盾，必将引发粮食安全、争用农地等问题。越来越多地使用粮食生产生物燃料可能给世界范围内已经高度开发的土地和水资源造成更大的压力。如果在2015年前将生物燃料占全球燃料总需求的比例提高到5％，那么，世界耕地面积就必须比目前扩大15％。

我国已经于2007年5月份叫停了用玉米提炼生物乙醇的新项目，而改用甜高粱、红薯和木薯。现有的以玉米为原料的生物乙醇项目也计划在未来五年内全部转化为甜高粱，红薯和木薯。另外，在我国，来自农田及森林、的废弃物如玉米秆、稻麦秆等相当多，若利用这些纤维原料替代淀粉类原料，则能够有效地降低成本，解决能源与粮食的矛盾。目前由于缺乏有效的原料预处理和发酵方式，纤维类原料生产生物燃料乙醇未被广泛推广使用，因此对这两项关键技术的研究将成为今后的重点。而纤维素原料生产燃料乙醇的实用性关键在于木糖发酵，因此找出发酵的优良菌种成了必须首先解决的问题。日本生物能公司在日本神户和京都等大学研究人员的帮助下，使用生物工程设计的酵母，可直接把淀粉发酵成乙醇。公司用此法获得约92％的理论乙醇产率，由此大大降低了生产成本。中国科学院化工冶金研究所生化工程国家重点实验室筛选出发酵乙醇的优良菌种，并优化了利用纯木糖培养的条件。

同时，我们也需要进一步进行生物燃料乙醇生产过程的优化研究。综合利用生产原料，根据原料的不同特性，筛选经济可行的生物能源生产路线，加大副产品加工利用，从而降低生物能源生产成本。

发展生物能源和种植油料作物可绿化荒山、滩涂、盐碱地。我国南方约有2千万平方米荒山荒坡，北方有1亿平方米盐碱地，利用荒山荒坡和盐碱地、荒滩、沙地种植能源植物既不占宝贵的耕地资源，又可提供大量的生产原料。

在我国，生物能源的研究起步较晚，但经过近年来的发展，生物能源已经得到长足发展。随着科研的深化，政府配套政策的不断完善以及宣传力度的不断增加，相信未来生物能源产业在我国将得到蓬勃发展。

责任编辑赵柠