纖維素乙醇的發(fā)展前景

胡良豪¹，甄文娟^1，2，單志華¹

(1.四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065；2.成都體育大學(xué)醫(yī)學(xué)系，四川成都610041)

　　摘要：林業(yè)生物質(zhì)中所儲(chǔ)存生物質(zhì)能的利用與轉(zhuǎn)化對(duì)于解決世界性的環(huán)境污染和能源危機(jī)等問(wèn)題具有十分重要的意義。針對(duì)木質(zhì)纖維素的特性，分析了國(guó)內(nèi)外纖維素乙醇的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景，指出纖維素乙醇工業(yè)目前存在的主要問(wèn)題。雖然由于受工藝和纖維素自身特點(diǎn)的限制，纖維素乙醇還沒(méi)能真正工業(yè)化生產(chǎn)，但生物燃料無(wú)異是解決未來(lái)能源危機(jī)的答案之一。

　　對(duì)人類(lèi)而言，捕捉和利用太陽(yáng)能一直有著浪漫、強(qiáng)烈的吸引力。生物質(zhì)(包括所有的動(dòng)植物和微生物)通過(guò)光合作用，能夠把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成的化學(xué)態(tài)能量，即生物質(zhì)能，是太陽(yáng)能的一種表現(xiàn)形式，是唯一一種可再生的碳源，包括生物柴油、生物乙醇、生物顆粒燃料、生物基化工產(chǎn)品等。生物質(zhì)能的原始能量來(lái)源于太陽(yáng)，生物質(zhì)能夠像化石能源一樣生產(chǎn)塑料、液體燃料和化工原料等產(chǎn)品，這是其他能源無(wú)法比擬的。近一二十年來(lái)，不論是在實(shí)驗(yàn)室，還是在股票市場(chǎng)，生物燃料異常炙手可熱。

　　石油資源的有限和溫室效應(yīng)的壓力讓人們對(duì)它寄予厚望。和其他能源原料相比，植物生長(zhǎng)迅速，消耗大氣中的二氧化碳，把碳和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的碳?xì)浠衔铮型糠痔娲Y源的傳統(tǒng)燃料和化學(xué)品，從而實(shí)現(xiàn)能源的再生和可持續(xù)發(fā)展。但和太陽(yáng)能電池相比，它們儲(chǔ)存太陽(yáng)能的能力很低，即使是密集種植的植物，僅能到達(dá)1~2W/m²(在大氣層頂，太陽(yáng)光在其垂直方向的功率大約是1500W/m²)。盡管植物不太可能成為全球能源問(wèn)題的完全答案，但生物燃料的再生性不會(huì)額外排放二氧化碳，在能源緊缺、原油價(jià)格高漲的情況下，具有著實(shí)質(zhì)性的潛力。燃料乙醇即在這種背景之下成為各國(guó)爭(zhēng)相研發(fā)的焦點(diǎn)領(lǐng)域。

　　1燃料乙醇的現(xiàn)狀

　　近年來(lái)，世界各國(guó)發(fā)展生物燃料雄心勃勃，在生物能源領(lǐng)域發(fā)展力度最強(qiáng)的品種是谷物基乙醇，但是其代價(jià)則是全球糧價(jià)飆升，而大豆、玉米和小麥將首當(dāng)其沖。在吃不飽或吃不好的情況下，把糧食轉(zhuǎn)化為燃料在倫理上是進(jìn)退兩難的選擇。生產(chǎn)燃料乙醇消耗的玉米數(shù)量在2006年已占玉米總產(chǎn)量的12%。近年來(lái)玉米價(jià)格的不斷攀升，使以玉米作為主要飼料的美國(guó)畜牧業(yè)農(nóng)戶(hù)大為不滿(mǎn)。高漲的玉米價(jià)格也使以玉米為主糧的國(guó)家(墨西哥等)出現(xiàn)了社會(huì)動(dòng)蕩不安。有反對(duì)者認(rèn)為大量使用乙醇燃料就是以“餓死窮人”的代價(jià)去“喂飽汽車(chē)”，將造成世界8億機(jī)動(dòng)車(chē)主與20億貧困人口大規(guī)模地爭(zhēng)奪糧食。不過(guò)，現(xiàn)在所有重大的投資都投向谷物基乙醇市場(chǎng)，以玉米為原材料生產(chǎn)乙醇目前受到政府的政策支持和投資資本支持，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年全球燃料乙醇產(chǎn)量已達(dá)4500萬(wàn)t，預(yù)計(jì)2020年前后將發(fā)展到2億t，相當(dāng)于現(xiàn)在世界石油生產(chǎn)量的5%。乙醇產(chǎn)品生產(chǎn)將繼續(xù)看好。盡管如此，谷物基乙醇本身存在一些問(wèn)題：其一，發(fā)展能源不可能走犧牲糧食的道路，但谷物基乙醇的原料直接與食品來(lái)源相競(jìng)爭(zhēng)；其二，谷物基乙醇的生命循環(huán)周期的碳排；其三，能源投資的能源償還(EROEI)比所需求的要少得多，這意味著產(chǎn)生的凈能量很難高于生產(chǎn)它所使用的能量。

　　不同的生物質(zhì)資源利用的方法，決定了其項(xiàng)目是否具有可持續(xù)發(fā)展前途。在生物質(zhì)能源利用領(lǐng)域，其判定的方法是依據(jù)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化前后，其凈熱值是高、是低、是負(fù)；以及轉(zhuǎn)化前后的貨幣價(jià)值是增值、是保值、是負(fù)值；是否是具備市場(chǎng)價(jià)值與科學(xué)價(jià)值；轉(zhuǎn)化前后凈熱值高、貨幣價(jià)值高及環(huán)保污染少的可放大項(xiàng)目進(jìn)入工業(yè)化。

　　否則說(shuō)明目前的轉(zhuǎn)化技術(shù)方向存在誤區(qū)，應(yīng)繼續(xù)研究。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，植物纖維也就是以秸稈等纖維素為原料的燃料乙醇，才是今后行業(yè)的發(fā)展方向，而薯類(lèi)和甜高粱只是燃料乙醇的過(guò)渡原料。因此，盡管現(xiàn)在技術(shù)上還存在障礙，但大部分人仍相信利用纖維素生產(chǎn)燃料乙醇代表了未來(lái)生物燃料發(fā)展的方向。林業(yè)生物質(zhì)能源只占用林地和邊際性土地，不與人爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地，對(duì)環(huán)境友好，符合我國(guó)的基本國(guó)情和開(kāi)發(fā)非糧替代能源的要求，發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)能源將大有可為。

　　我國(guó)相關(guān)政策規(guī)定，目前作為絕對(duì)主流的糧食生產(chǎn)燃料乙醇產(chǎn)量，在2020年之前被限制在150萬(wàn)千L以下，只占到那時(shí)燃料乙醇規(guī)劃總產(chǎn)量的很少一部分。近年來(lái)以農(nóng)作物秸稈為代表的各類(lèi)纖維類(lèi)生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)，被認(rèn)為是未來(lái)解決燃料乙醇原料成本高、原料有限的根本出路。

　　2纖維素乙醇的特點(diǎn)

　　木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，也是當(dāng)前利用率最低的資源，是各國(guó)新資源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。每年全球生物質(zhì)產(chǎn)量約為200億t，其中90%是木質(zhì)纖維素。木質(zhì)生物質(zhì)指的是由植物通過(guò)光合作用合成的有機(jī)資源，主要由纖維素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%~50%)、半纖維素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%~35%)和木質(zhì)素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%~20%)3種高分子物質(zhì)構(gòu)成，還含有少量的礦物質(zhì)、植物油等其他成分。我國(guó)可利用的木質(zhì)纖維素每年在7億t左右，這些豐富而廉價(jià)的自然資源主要來(lái)源于農(nóng)林業(yè)廢棄物、工業(yè)廢棄物和城市廢棄物。纖維素與半纖維素都能被水解為單糖，單糖再經(jīng)發(fā)酵生成乙醇，而木質(zhì)素不能被水解，且在纖維素周?chē)纬杀Ｗo(hù)層，影響纖維素水解。在植物體內(nèi)，木質(zhì)素與半纖維素經(jīng)共價(jià)鍵結(jié)合，將纖維素分子包埋其中，增加細(xì)胞壁的強(qiáng)度，保護(hù)細(xì)胞壁上多糖成分，使之不易被降解。

　　乙醇每加侖含有的能量不如汽油多，因此它對(duì)能源供應(yīng)的貢獻(xiàn)常以能量含量來(lái)度量，而不是以體積量來(lái)衡量。纖維素乙醇的未來(lái)目標(biāo)是與玉米乙醇相比形成競(jìng)爭(zhēng)力，目前纖維素乙醇生產(chǎn)成本相對(duì)較高，但纖維素乙醇具有自身的優(yōu)勢(shì)，例如能量平衡，即生產(chǎn)過(guò)程消耗能量與實(shí)際產(chǎn)生能量的比例，植物科學(xué)家KenVogel的研究發(fā)現(xiàn)，纖維素乙醇實(shí)際上產(chǎn)生正向的凈能量，生產(chǎn)纖維素乙醇的全部用能，包括生產(chǎn)拖拉機(jī)使用的能量、制取農(nóng)田植物種子使用的能量、生產(chǎn)除草劑使用的能量、生產(chǎn)化肥使用的能量和收獲過(guò)程使用的能量。纖維素原料生長(zhǎng)使用一個(gè)單位的能量，可得到近5.5個(gè)單位價(jià)值的乙醇，而玉米乙醇為1.5，在同等原料條件下纖維素乙醇產(chǎn)能更多。此外，纖維素乙醇較玉米乙醇燃料后釋放二氧化碳量更少，同生產(chǎn)每加侖汽油相比，用玉米生產(chǎn)乙醇可減少18%的溫室氣體排放，用其他纖維素材料生產(chǎn)乙醇則將減少50%~75%的溫室氣體排放。所以，用纖維素生產(chǎn)乙醇更符合低碳生物油政策。

　　并且從森林或農(nóng)業(yè)廢料中提煉乙醇并不像玉米那樣需要較多的水和勞動(dòng)力。在不增加耕地面積和不改變?nèi)藗兊纳攀辰Y(jié)構(gòu)的條件下，利用纖維素作為主要原料所生產(chǎn)的乙醇是一種極具潛力的新能源。在生物乙醇燃料應(yīng)用領(lǐng)域，巴西處于絕對(duì)領(lǐng)先的地位，它的廣泛應(yīng)用不僅使巴西不再需要進(jìn)口石油，甚至改變了巴西的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，盡管巴西模式取得了迄今最大的成功，但卻不是未來(lái)世界生物燃料業(yè)發(fā)展的方向，更不適合地處溫帶、缺少耕地的中國(guó)。

　　3纖維素乙醇的生產(chǎn)工藝

　　將植物纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇實(shí)際是一個(gè)煉制過(guò)程，基本步驟包括分離纖維素、再轉(zhuǎn)化成糖以及糖轉(zhuǎn)化為乙醇3步；基本生產(chǎn)工藝可以分為預(yù)處理、水解、發(fā)酵和純化4部分。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)利用木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)化乙醇進(jìn)行了大量研究，工藝路線(xiàn)已經(jīng)打通，但當(dāng)前要想實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在原料收集、預(yù)處理、糖化、發(fā)酵和精餾各工藝過(guò)程中還存在制約纖維素乙醇生產(chǎn)的問(wèn)題：一是可利用的生物質(zhì)原料不足，木質(zhì)纖維素原料分散，季節(jié)性強(qiáng)，尤其是農(nóng)作物秸稈，生物質(zhì)原料質(zhì)量不均勻，收割運(yùn)輸費(fèi)用高；二是預(yù)處理過(guò)程是生物質(zhì)制備乙醇商業(yè)化的關(guān)鍵步驟，是整個(gè)制備過(guò)程中最昂貴的步驟之一，木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化和提高，缺乏高效的纖維酶菌株、缺乏能夠同時(shí)高效利用戊糖和己糖的發(fā)酵菌株；三是生產(chǎn)成本高，沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)性，盡管木質(zhì)纖維素原料本身非常廉價(jià)，但是將其轉(zhuǎn)化成乙醇的工藝過(guò)程非常復(fù)雜，需要大量的能耗。

　　這是由木質(zhì)纖維素自身的結(jié)構(gòu)特性決定的，而得到的目標(biāo)產(chǎn)物是經(jīng)濟(jì)附加值并不很高的乙醇，致使單位乙醇的經(jīng)濟(jì)效益并不具備較強(qiáng)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。總之，最大的技術(shù)障礙是預(yù)處理環(huán)節(jié)的費(fèi)用過(guò)于昂貴。要想用纖維素生產(chǎn)乙醇，預(yù)處理環(huán)節(jié)無(wú)法回避。盡管在酶的預(yù)處理技術(shù)方面有很大進(jìn)展，纖維素乙醇的關(guān)鍵技術(shù)還沒(méi)有突破，也沒(méi)有一套大家公認(rèn)的可行技術(shù)。纖維素乙醇必須解決生產(chǎn)過(guò)程中遺留的固體殘?jiān)?0%~40%的植物生物質(zhì)最終會(huì)殘留下來(lái)，認(rèn)為可以用來(lái)發(fā)電。纖維素技術(shù)上的不確定性，迫使制造乙醇的大部分投資仍集中在傳統(tǒng)的工藝——通過(guò)玉米、蔗糖生產(chǎn)乙醇，但這些辦法無(wú)法從根本上解決當(dāng)前各國(guó)面臨的能源危機(jī)。

　　4纖維素乙醇的發(fā)展前景

　　突破纖維素水解技術(shù)難題，通過(guò)水解林木纖維素、木質(zhì)素來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇，是個(gè)世界性的難題，世界各國(guó)都在尋求突破。如果哪一個(gè)國(guó)家突破這一技術(shù)難題，就可以占領(lǐng)林業(yè)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)。目前，研究人員應(yīng)用基因工程的方法創(chuàng)造了戊糖、己糖利用的菌株，在發(fā)酵混合糖產(chǎn)乙醇的重組細(xì)菌研究中，使用最多的是Z.mobilis和E.coli。對(duì)于預(yù)處理部分則主要通過(guò)減少酶的用量以降低纖維素乙醇成本。而嘗試將生物煉制與熱化學(xué)過(guò)程結(jié)合也可充分利用全部能量，使整個(gè)過(guò)程更節(jié)能，實(shí)現(xiàn)原料充分利用和產(chǎn)品價(jià)值最大化。正如目前的糧食生產(chǎn)乙醇一樣，同時(shí)生產(chǎn)玉米油、蛋***、高果糖漿、蛋白飼料和其他系列產(chǎn)品，這樣提升了整個(gè)工藝產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)附加值，同時(shí)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同樣利用木質(zhì)纖維素的三大類(lèi)組分也可以衍生出多種產(chǎn)品。雖然由于工藝和纖維素自身特點(diǎn)的限制，纖維素乙醇離工業(yè)化生產(chǎn)還有一定距離，但生物燃料無(wú)異是解決未來(lái)能源危機(jī)的答案之一。