燃料乙醇的研究进展

司晶星　赵文甲　金　晶

[摘要]由于能源、环境的潜在危机，燃料乙醇已经成为世界各国重点研究和推广的能源课题之一，在我国以乙醇代替能源也势在必行。对燃料乙醇的国内外研究现状以及生产工艺进行归纳总结，简要说明其发展前景。

[关键词]燃料乙醇研究现状生产工艺

中图分类号：TEO文献标识码：A文章编号：1671-7597(2009)0610005-01

一、前言

随着世界化石能源的日趋匮乏，石油类产品价格日益攀升，开发种绿色可持续的能源已经变得相当急迫。乙醇作为一种生产工艺成，生产原料来源广泛的替代能源越来越受到人们的关注。乙醇俗称酒精，它以玉米、小麦、薯类、糖蜜等为原料经发酵、蒸馏而制成，所谓燃料乙醇是指对浓度为95％左右的乙醇进一步脱水，再加上5％体积分散(一般为无铅汽油或无铅的烃类)的变性剂使之成为水分小于0.8％，且不可食用的变性无水乙醇。燃料乙醇既是一种清洁能源，又是一种良好的汽油增氧剂和辛烷值调和组分，用以代替四乙基铅和甲基叔丁基醚(MXBE)或乙基叔丁基醚(ETBE)，乙醇调入汽油对降低汽车尾气中的一氧化碳含量很有效，起到净化空气的效果；同时，乙醇用粮食制造，是一种生物转化的太阳能，是一种取之不尽，用之不竭的可再生资源，在汽油中加入一定比例的乙醇作燃料，能节约石油，净化空气，转化多余粮食，为人类社会的可持续发展提供一条简单有效的途径。燃料乙醇作为21世纪车用燃料的替代产品，可使我国的车用燃料结构呈现多元化的特征，其使用将对节约石油资源、减少环境污染、农业和其他相关产业的发展具有重大意义。

二、国内外燃料乙醇的研究现状

目前，燃料乙醇研究可分为3大类：菌种筛选及育种研究、发酵工艺研究、特殊需要的基因工程菌构建及发酵研究。为了实现发酵工业生产的低成本、高转化率和高产率，菌种是整个生产流程的核心。因此，菌种的选育也必须以降低生产耗资与高产出为原则。燃料乙醇发酵就需要菌种具备耐高酒精度、耐高底物浓度、耐高温、高转化率及具备絮凝性能等特点。农业和森林废弃物是可用于燃料乙醇生产的主要木质纤维素类原料。但微生物不能直接利用纤维素类物质发酵产生乙醇，必须把纤维素类物质用酸、碱或酶水解为微生物可以利用的单糖，或者运用基因操作技术构建可以利用纤维素或半纤维素类物质及其水解产物的基因重组菌。

三、燃料乙醇生产原料

世界上乙醇的生产来源有两种，第一种是发酵法，占总产量的90％，第二种是化学合成法，占总产量的10％。生产乙醇的原料来源有：小麦，玉米，甘蔗，木素纤维素，木薯，植物的秸秆、枝叶、废弃纸张和草类等纤维物质，红薯，以及利用现代生物技术、现代工程技术等对淀粉质和糖蜜原料的现有酒精发酵过程进行革新，提高工艺技术水平，降低物耗和能耗，实现源头减废和清洁生产，降低生产成本，可进一步增强燃料乙醇产业的经济性和抗风险能力。从长时期来看，粮食、经济作物只是生产燃料乙醇的过渡性原料，还不足以改变中国整个能源结构。承担改变中国能源结构重任的是在全国比比皆是的以秸秆为代表的植物纤维。纤维素是地球上贮量最丰富的有机物，我国每年农作物秸秆约7亿吨左右，若能有效的被利用来生产乙醇，中国能源问题就能得到根本解决。一旦技术获得突破进展，实现工业化生产，则对突破我国资源瓶颈将起到重要的作用。以发展的眼光看。解决燃料乙醇大量使用时所需原料问题的途径将最终转向纤维，依靠生物技术、基因技术等高新技术的发展，通过筛选种植高能、高产生物资源，利用我国大量农业废弃资源和工业废弃物资源，开发和实现利用纤维素生产酒精技术的产业化，可为燃料乙醇生产提供取之不尽的可再生植物原料。

四、生产工艺研究

目前，世界上燃料乙醇的生产方法有合成法(即乙烯水合法)和生物法两种。由于近年来受原油资源问题及乙烯价格上涨的制约，合成法被生物法所取代。生物法生产燃料乙醇大部分是以甘蔗、玉米、薯干和植物秸秆等农产品或农林废弃物为原料酶解糖化发酵制造的。其生产工艺有酶解法、酸水解法及一步酶工艺法等。这段工艺与食用乙醇的生产工艺基本相同，所不同的是需要增加浓缩脱水后处理工艺，使其水的体积分数降到1％以下。由于乙醇生产过程中水的存在，使得乙醇与水形成二元共沸物，而采用普通精馏方法所得乙醇中水的体积分数约5％，要想控制燃料乙醇水的体积分数达到1％以下，就必须采用较新的脱水工艺。目前开发的脱水新工艺主要有：渗透汽化、吸附蒸馏、特殊蒸馏、加盐萃取蒸馏、变压吸附和超临界萃取分离等。脱水后制成的燃料乙醇再加人少量的变性剂就成为变性燃料乙醇，和汽油按一定比例调合就成为车用乙醇汽油。由于考虑到经济因素以及未来燃料乙醇发展的方向，本文着重介绍纤维素发酵生产乙醇工艺：纤维素发酵生产乙醇现行方法有固态发酵等方法。

固态发酵(SolidSubstrateFermentation)是培养基呈固态、虽然含水丰富，但没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵过程，底物(基质)是不溶于水的聚合物，它不仅可以提供微生物所需的碳源、氮源、无机盐、水及其它营养物质，还是微生物生长的场所。在固态乙醇发酵工艺中木质纤维素材料的利用可以得到充分的发挥。木质纤维素是地球上数量最大的一种再生资源。纤维素被酸完全水解时，能得到96％-98％的D-葡萄糖，生物酶法水解纤维素类物质近几年取得了较大的进展。纤维素同时糖化发酵工艺-纤维素酶对纤维素的水解和发酵产生乙醇在同一装置内连续进行。这样酶水解产物葡萄糖由菌体不断发酵而被利用，消除了葡萄糖因浓度过高对纤维素酶的反馈抑制。在工艺方面采用一步发酵，简化设备，节约能源，缩短了总生产时间，提高了生产效率，但木糖的抑制作用和糖化发酵温度不协调是该工艺的不足。一般在纤维素酶糖化过程中，纤维素酶的最适温度为50℃左右，而酵母的发酵温度为37-40℃，采用耐热酵母(如假丝酵母、克劳林比酵母)是解决这一问题的有效途径。

五、结束语

我国虽然是资源大国，但人均资源占有量远落后于世界人均水平，虽是农业大国，但无论农产品的产量或质量，或相关加工工业的技术水平都落后于发达国家。作为推动农业产业化的战略产业，必须依靠科技进步，在吸收国外成果和经验的基础上，加强燃料乙醇生产新技术的研究、开发和副产物深度加工研究工作，重点围绕副产物进行综合利用研究。同时研究扩大燃料乙醇应用范围和市场，开发新的原料来源。随着化石资源渐趋枯竭，油价进一步高涨，国际原油价格也有上涨的趋势，这给燃料乙醇的价格带来了一定的升值空间，同时也给燃料乙醇的展带来了历史性的机遇。另外，随着国内石油需求的进一步提高，以乙醇等替代能源为代表的国家能源供应多元化战略已成为国家能源政策的一个方向。