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廖興華，夏延斌，周傳云
(湖南農業大學食品科學技術學院，長沙410128)
摘要：闡述了燃料酒精在國內外發展進程，分析了燃料酒精快速發展的原因。并介紹了目前燃料酒精生產中需要解決的問題及對策。
0引言
由于石油、煤炭等礦物燃料的使用增加大氣中二氧化碳的含量，引發所謂溫室效應，成為眾所周知的嚴重的環境問題。因此為解決傳統能源的枯竭和環境問題，保證經濟以可持續的方式發展，世界上許多國家都在積極研究和開發新的能源，以減少礦物燃料的用量，從而減少溫室氣體在大氣中的積累量，有效緩解溫室效應。特別是自20世紀60年代第一次能源危機以后，許多發達國家和部分發展中國家即根據各國具體資源情況著手燃料酒精的開發和應用[1]。
1國內外生物燃料酒精發展慨況
1.1國外生物燃料酒精發展慨況
1.1.1巴西生物燃料酒精發展慨況
巴西是世界上燃料酒精發展先驅，它在世界上第一個推出國家燃料酒精計劃，并第一個大規模生產酒精動力汽車。巴西政府為了保持蔗糖的市場平衡，當蔗糖價格過低時，加大酒精產量，以保持甘蔗生產的穩定和均衡。同時，為了實現能源自給，巴西政府于1974年在全國推行了《燃料酒精計劃》[1]。上世經80年代政府給予燃料酒精生產和酒精燃料汽車以很多優惠政策，酒精及特種汽車的生產上升很快。但到上世紀90年代，政府發現硬性地把純酒精作為汽油的替代品，已經成為政府及酒精工業界的沉重負擔。據當時統計：巴西政府每年補貼大約15億里拉爾(1里拉爾=0.52美元)[1]。由于酒精工業的高度計劃性和政府的大量補貼，造成酒精價格居高不下，產品積壓。1997/1998年度普通酒精積壓18億立升[1]。為解決這些問題，政府出面采購緩解酒精積壓并打擊非官方銷售渠道來規范酒精的市場。政府首先規定1997年5月1日起無水酒精的銷售價格必需低于410里拉爾/千升(66美元/噸)[1]；普通酒精在一年后執行此價格。
巴西的酒精以糖蜜或甘蔗汁為原料，產品分為普通酒精(含水5%)和無水酒精兩種[1]。普通酒精可以單獨作為汽車燃料，但是需要特別設計的發動機。無水酒精則作為添加劑加到汽油中，最高混人量可達24%，而不用改變目前發動機和汽化器的結構[1]。目前巴西的酒精產品中普通酒精占2/3，無水酒精占1/3，全巴西每年消耗160億升A級汽油，115億升酒精(包括含水酒精或無水酒精)，在加油站零售中，巴西已經形成完整的燃料酒精供應系統，酒精和汽油都通過管道輸送與鐵路、公路相連接，供應31979個加油站[2]。目前，巴西全國使用乙醇汽油(汽油中添加一定比例的無水酒精)的汽車有1550萬輛，完全用含水酒精作燃料的酒精汽車達220萬輛[2]。巴西已成為世界上唯一不供應純汽油的國家，也是世界上使用以酒精為汽車燃料最為成功的國家之一。
1.1.2美國生物燃料酒精乙醇發展慨況
美國燃料酒精發展比較晚，主要以玉米為原料。美國政府發展燃料酒精主要是為了解決對于進口石油的依賴，減少空氣污染，提高農民的收人。美國生物燃料酒精工業近年來得到發展，其中一個重要的政策基礎是淘汰甲基叔丁基醚(MTBE，一種汽油抗爆成份，污染地下水)，美國已有18個州禁止使用MTBE，生物燃料酒精理所當然成為最環保的替代品[2]。1998年克林頓政府簽署了“21世紀交通效率法案”，明確了到2007年燃料酒精的免稅額度[1]。1991年以來ElO(含酒精10%的汽油)的免稅額為5.4美分/加侖，相當于54美分/加侖酒精(178美元/噸酒精)[1]。根據1998年克林頓政府簽署的最新法律規定2001年為53美分，2003年52分，2005年51美分[1]。
另一個市場因素是石油價格暴漲，世界原油價格今年每桶最高達到了70.85美元[3]，添加生物燃料酒精的經濟及社會意義日益顯著。2004年，美國生物燃料酒精產量達到了34億加侖，比2003年的28.1億加侖增加了21%[3]。到2005年底，生物燃料酒精產量將達到40億加侖，增漲勢頭非常強勁。
2005年，美國通過了能源安全法案，這部法令為生物燃料酒精工業進一步發展提供了更為廣闊的空間[3]。
美國是世界上最大的以谷物為原料生產生物燃料酒精的國家，2004年，美國生產乙醇消耗了3200萬噸玉米，占產量的11%[3]。目前，美國百分之九十以上的生物燃料酒精生產廠位于玉米產地，近一半企業屬于農民合作社，2005年內正新建的20多家企業也是由農民和當地其他資本投資的[3]。有人這樣來描述美國生物燃料酒精工業發展過程，年產量突破10億加侖用了十年時間，突破20億加侖又用了十年時間，而突破30億加侖只用了兩年時間[3]。
2005年8月，美國總統布什簽署了新的能源安全法案，其中有關再生能源標準(RFS)的政策要求，機動車燃料必需使用一定比例的再生能源，這將使生物燃料酒精的年需求量大幅增長。預計到2012年，每年至少消耗75億加侖生物燃料酒精，是目前產量的2倍[3]。這個標準對美國生物燃料酒精乙醇工業的發展將產生深遠的影響，也會吸引大量資金投入到農產品深加工，創造約20萬個就業機會[3]。從2005年至2012年，再生能源標準將促使美國對生物燃料酒精新增擴大生產投資近60億美元；用于原料和勞動力投資700億美元，其中430億美元用于購買玉米[3]。另外，再生能源標準對美國能源平衡也會產生積極影響，到2012年，由于生物燃料酒精的使用，可以使美國少進口21.3億桶的原油，減少641億美元的外匯支出[3]。使美國原油進口的依存度從67.4%下降至62.3%[3]。
1.1.3歐盟各國生物燃料酒精發展慨況
歐盟每年約生產176萬噸酒精1997年只有5.6%用于燃料[1]。1994年歐盟通過決議，給予生物燃料酒精的中試工廠以免稅。并在2010年使燃料酒精的比例達到12%[1]。因此一些后續的國家如荷蘭、瑞典和西班牙也出臺了生物能源計劃。
法國：法國年產酒精60萬噸，在歐盟國家內名列第一，并在燃料酒精計劃上取得了最大的進展[1]。早在1987年法國通過法律要求特種汽油中加入3%~15%的生物燃料(3%酒精或15%的ElBE)[1]。在五年后的1992年政府同意免除汽油醇的消費稅。1996年法國議會通過了在2000年強制使用含醇復配汽油的法案。法國農業組織希望在汽油中加人2%的酒精，如果實現的話，則燃料酒精的產量將從目前的10萬噸提高到40萬噸/年[1]。法國的酒精生產主要原料是甜菜，約占總產量的50%。法國有7家酒精廠，16個糖廠附屬車間和1個大的合成酒精廠。
德國：德國是歐盟第二大酒精生產國，年產酒精31.2萬噸。德國主要為合成酒精，約占總產量的2/3。發酵法生產10～14萬噸，其中谷物40%，馬鈴薯占35%[1]。
英國：英國在歐盟中名列第三。年產達4.3億立升。其中97%是由BritishPetmlemn一家公司生產的合成酒精[1]。
意大利、西班牙：這兩個國家的酒精年產量在14.4～28萬噸中間波動[1]。產量波動如此巨大的原因是根據歐盟葡萄酒發展戰略的要求。每年多余的葡萄酒要蒸餾成酒精，作為食用酒精向第三國出口，以保證葡萄酒工業的發展。現在歐盟正在試圖減少葡萄酒的生產，來降低這種高成本的酒精產量[1]。
1.1.4其它國家生物燃料酒精發展慨況
獨聯體：獨聯體年產酒精25億立升(約200萬噸)以谷物、水果、乳清、葡萄酒和糖蜜為原料其中60%供飲用[1]。獨聯體在解體之前酒精工業的稅收占總稅收的30%隨著政治體制的改革，酒精工業一度陷入混亂，私酒盛行。1996的國營酒廠的開工率不足30%，稅收也降到了2%。1997年盡管政府采取了嚴厲措施，酒精的生產仍下降4%[1]。因此1998年11月1日獨聯體政府對酒精的生產實行專控，產品實行專賣，并考慮停止進口。因此酒精的生產量有所提高，私酒的生產得到抑制[1]。
加拿大：加拿大每年產酒精4.5萬噸其中30%用于燃料。
其它主要用于香水、化妝品和外用藥等[1]。
印度：印度是僅次于中國的亞洲第二大酒精生產國。設計的生產能力約為200萬噸，實際開工率為50%左右[1]。主要原料糖蜜每年用量為500萬噸。印度的酒精50%用于著名的印度香料和各種有機合成。政府對不同用途的酒精課以不同的稅率[1]。政府一度停止食用酒精的生產，導致了酒精產量的下滑。盡管印度的糖蜜資源不夠，但是印度政府還是準備效法巴西推出“酒精汽油計劃”[1]。
日本和韓國：日本和韓國是亞洲最大的酒精進口國。日本每年從美國、巴西、泰國和中國進口14～17萬噸的酒精[1]。
1.2國內生物燃料酒精發展慨況
中國是亞洲第一大酒精生產國，使用酒精替代汽油也有很久的歷史，最初始于20世紀30、40年代，抗戰期間因日軍封鎖，汽油奇缺，軍用民用燃料多求助于酒精，建國初期至五十年代末曾有所發展，后因大慶油田開發成功，緩解了汽油的供應危機，燃料酒精的應用終止[2]。直到1993年中國成為石油凈進口國，且隨著中國加入WTO，油價與國際市場接軌，從1994年4月至今，國際市場原油價格平均上漲幅度達180%，隨著中國能源消費量的不斷增長，不得不重新考慮利用可再生的生物燃料[4]。中國科學院、清華大學、北京大學、無錫輕工業大學、第二汽車制造廠、第一汽車制造廠等單位對加醇汽油的使用及其對環境的影響，做過大量的試驗研究，直到2001年9月國務院正式批準了在國內發展燃料酒精試點，并于2001年在長春、洛陽、鄭州等地啟動燃料酒精試點工作。
目前，我國將燃料酒精開發列為國策。我國制定的《國民經濟和社會發展“十五”計劃綱要》中指出，開發燃料酒精等石油替代產品，采取措施節約石油資源。“十五”期間國家改造和新建一些規模大，設備先進燃料酒精生產項目，包括[4]：吉林燃料酒精有限責任公司(30萬噸/年)(一期)、河南天冠集團(30萬噸/年)、安徽豐原生物化學股份有限公司(32萬噸/年)和黑龍江華潤酒精有限公司(10萬噸/年)[4]。2003年11月18日零點，吉林省全境200多座加油站，停止銷售普通汽油，取而代之的是清潔環保車用酒精汽油[4]。2005年年底吉林燃料酒精有限責任公司60萬噸/年工程建設全部完工，當年我國燃料酒精將達到132萬噸/年生產量[4]。目前，我國多家企業和研究機構在開發纖維素乙醇方面也取得了可喜進展。近幾年，天冠集團先后與山東大學、清華大學、華中科技大學、浙江大學、河南農業大學等院校進行交流合作，擁有了多項利用秸稈生產乙醇的關鍵技術[4]。2006年8月中國中央電視臺報道，河南天冠集團利用玉米和小麥秸桿生產燃料酒精達到了每6t秸桿生產1t燃料酒精的目前全球最高記錄，其年產3000噸的纖維乙醇項目已于8月底在鎮平縣奠基，這是國內首條千噸級纖維乙醇產業化試驗生產線。2006年10月中國政府決定在安徽豐原建立研發秸桿燃料酒精國家級實驗室。同時，秸桿燃料酒精的研發已列為了國家重大科技專項，許多科研院所已投入到秸桿燃料酒精的研發工作中。
2燃料酒精研究方向
燃料酒精的價格比汽油貴約1000元/t，且傳統的酒精生產方法對環境的污染都較大。因此如何采用高科技技術以降低生產成本、減少生產過程中對環境的污染是今后燃料酒精的研究方向。目前許多國家已致力于這方面的研究，并取得不少進展。
2.1改進原有技術，降低成本，減少污染
酒精產品是微利產品，降低公用工程消耗是降低成本、提高效益的重要措施。而通過采用熱耦合精餾技術，通過調整各蒸餾塔的操作條件，盡可能最大地利用各流股之潛在熱能的多效利用，從而最大程度地降低了精餾過程中的蒸汽及冷卻水耗量是節能降耗的關鍵。
2.2尋找廉價原料，研究新生產工藝
目前，全球生產酒精的原料中：谷物及淀粉類占33%，蔗糖及甜菜占60%，合成酒精占7%[6]。但是，糧食是人類賴以生存的重要戰略資源，面對世界和我國人口的急劇膨脹和總體上的糧食短缺，用糧食生產乙醇的發展規模將受到限制。近年來，直接生物轉化植物纖維素特別是秸桿纖維素生成乙醇的工藝因其原料來源廣，不與人爭糧，不與人爭地而引起了人們的濃厚興趣，被認為具有良好的發展前景，并引起了各國政府的關注。
美國以纖維素制乙醇的技術開發較早。美國能源部1999年提出計劃，到2015年把燃料乙醇的成本降低36%，并擬定了開發方向[5]：研發轉基因技術，使產纖維素酶酵母的活性比現有水平提高10倍以上；完善同步糖化發酵法(SSF)和并行糖化共發酵法(SSCF，即糖化和五碳糖、六碳糖共發酵)的技術；選育纖維素直接發酵菌菌種，用以開發直接發酵法(DMC)[5]。1999年，美國可再生能源研究所和有關開發企業的關鍵的發酵技術已達到相當高的水平，但尚存在一些問題。當時，用玉米秸桿降解的糖化液中糖的濃度可達12%～20%[5]。發酵液中乙醇的濃度可達6%～10%，其中用酵母對糖蜜發酵，間歇式工藝所產的乙醇的濃度為12%～13%，而連續式工藝僅8%～11%[5]。美國政府曾規劃在2001～2003年期間利用稻殼、甘蔗渣、生活有機垃圾、林業廢物等以纖維素為主的生物質為原料，建設6個年產50000～76000KL的燃料乙醇工廠[5]。但以纖維素制乙醇的工業規模技術一直未達到成熟，而以玉米生產燃料乙醇的技術已充分成熟、原料充裕，增產較容易，故美國有關纖維素發酵生產燃料乙醇的工藝研發有所停頓[5]。
日本政府積極促進秸桿纖維素制乙醇技術的發展，通過新能源產業技術綜合開發機構(NEDC)委托[5]，以日本酒精協會為主的各有關企業進行為期5年的開發，經費全部由政府補助，采取以企業為主，有關大學積極參與的方針，日本建立了較完善的與秸桿纖維素燃料乙醇相關的研發體系[5]：日本酒精協會負責項目的綜合調整和工藝系統的最優化研究；日揮公司負責前處理糖化和發酵技術開發，其中有關發酵技術和纖維素酶育種委托大阪府大學、長岡科技大學、京都大學、神戶大學工學院、熊本大學工學院和鳥取大學等大學進行專題研究；關西油漆公司進行凝集性酵母滴蟲的技術開發[5]；NRI公司開發乙醇膜脫水技術，由靜岡大學評價脫水膜的特性；由德國產業技術綜合研究所進行發酵液中乙醇的膜分離技術的開發[5]。
3結束語
綜上所述，由于燃料酒精的應用可以帶來巨大的經濟、社會和環境效應，所以世界各國對它已有了不同程度的研究和應用。隨著現代生物技術與工程技術的不斷發展，高產菌株的獲取越來越簡單，發酵工藝也得到不斷改進，這些都為燃料酒精的大規模生產提供了技術保證。隨著燃料酒精的研究領域和應用范圍不斷擴展，燃料酒精在可再生燃料市場中將占主要地位。
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