乙醇技术突破——康泰斯纤维素乙醇技术

纤维素生物酒精生产关键技术简要分析李 明　姚 珺　翁 伟　吴 彬　吴 畏湖南农业大学工学院摘　要：全球气候变暖和自然资源的枯竭，纤维素生物酒精研究是热点之一。

纤维素生物质作为生产生物酒 精的原料，转化技术难度大，尚不成熟。

该文主要对纤维素生物质生物酒精生产过程进行了分析， 提出有待解决的问题，并讨论关键技术。

得出生物质机械化收集方式能有效保证生物质原料的数量 和减少原料成本；通过基因工程途径构建生产纤维素酶提高酶适应性和活性，加快水解效率和增强 耐热性能；开发节能精馏装置和注重转化后废物利用。

农业工程、生物化学、基因工程等多学科的 综合发展将实现纤维素生物酒精工业化。

关键词：生物能源，生物酒精，生物质，纤维素，生产过程 0　引　言 由于温室气温排放导致全球气温变暖，自然石化资源短缺，生物能源成为世界上研究热点。

中国是世界上消耗石油第二的国家，大约占全世界总量的6%[1]。

国际能源中心（IEA）估计中国到2030年每天消耗1.4×107桶汽油；随着汽车工业的发展和普及，2020年，汽车的使用量从2004年大约2.4×107台增加到90-140×107台，运输所需的能源从现在比例约33%发展到57%左右，每天的所需量从目前的1.6×107桶到5.0×107桶。

因此，到2030年，温室排放气体将增长至7.14Gt/年[2]。

对石油的需求导致中国更加依赖进口石油，2030年，75%的石油将依靠进口[2]。

因此，中国面临能源需求、国家能源安全和环境污染的挑战。

中国作为发展中发展最快，世界上人口最多的国家，在经济快速发展和国际地位大幅提升的基础，应该发挥其主导作用，制定研究政策和目标，开发利用可持续“中性碳”能源，其中包括生物酒精的生产和使用[3]。

纤维素生物质转化成生物酒精是世界上生物能源发展的热点研究之一[4-8]。

纤维素生物质主要包括农业残渣（水稻、玉米等秸秆）、森林残渣（树枝、锯末）、废弃物（废纸）、草本植物（芦竹）和木质植物（麻疯树、杨树），资源非常丰富，中国仅秸秆一年约有8.4 亿吨[9]，林木废弃物约2亿吨[10]；到2030年，每年农作物残渣量达5.53EJ；森林残渣达0.9EJ（3/4来自木材加工，1/4来自森林残枝残叶）；加上生物质能源种植（每公顷平均产量15吨干，10%的土地可以作为种植面积[10]），统计计算，每年可以提供约23EJ的能源，相当于6000亿升的石油。

新能源与生物能源技术突破——康泰斯纤维素乙醇技术关键字：纤维素乙醇，生物乙醇，乙醇，新能源，康泰斯，生物能源康泰斯纤维素乙醇技术是新能源与生物能源技术的新突破，给传统的乙醇和生物乙醇技术注入了新的活力。

纤维素生物质是由纤维素（30-50%），半纤维素（20-40%），和木质素（15-30%）组成的复杂材料。

纤维质生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。

纤维素中的六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。

而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇每一种植物的确切成分都不尽相同。

纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。

一直以来，将纤维质生物质转化成乙醇是科学家们面对的巨大挑战。

酸、高温等苛刻的条件都曾经被用来尝试将纤维素分子打断、水解成单一的糖。

随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。

纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。

作为纤维素乙醇领域研发的领头羊之一，M&G (Gruppo Mossi and Ghisolfi)集团在过去几年中，对包括生物质原材料的收集和运输，能源作物的选择和种植、预处理，水解或酶解，混合糖的发酵等纤维素乙醇生产的各主要技术环节进行了广泛而且深入的研究，取得了巨大的进展，已经开发了专有的一体化纤维素乙醇生产技术PROESATM，并于去年开始在欧洲建设年产四万吨的纤维素制乙醇的工业化示范装置。

与其它现有和正在开发中的工艺相比，M&G技术的独特的预处理工艺和酶解工艺，可以显著降低投资和生产成本，同时可以适用包括农业废弃物、林业废弃物、糖业废弃物以及能源作物等等来源广泛的多种生物质原料，应用地域没有限制，具有非常好的经济性和地域适应性。

纤维素乙醇生产技术的技术风险、环保风险和经营风险
1. 原料选择和处理：生产纤维素乙醇需要大量的生物质原料，包括秸秆、木材、甘蔗渣等，如何选择和处理原料是影响纤维素乙醇产量和质量的关键因素。

2. 发酵过程：纤维素乙醇的生产需要通过微生物发酵，不同的微生物对生产效率和酒精含量有重要影响，如何选择和调控微生物的生长条件是技术难点。

3. 能源消耗：纤维素乙醇的生产需要大量的能源供应，如何降低生产过程中的能源消耗是一个重要的经济和环境问题。

纤维素乙醇生产的环保风险主要包括以下几个方面：
1. 水资源：纤维素乙醇生产的过程中需要大量的清洗、冷却和蒸发水，对当地水资源的压力比较大，如何合理利用和回收水资源是环保问题亟需解决的。

2. 气体排放：纤维素乙醇生产过程中会产生大量的二氧化碳和其他有害气体的排放，对大气环境和附近居民的健康造成影响，如何减少排放量是环保问题的重要方面。

3. 废物处理：纤维素乙醇生产过程中会产生大量的废物，在经济效益和环保之间需要平衡，如何合理利用和处理废物是环保问题亟待解决的。

纤维素乙醇生产的经营风险主要包括以下几个方面：
1. 市场需求：纤维素乙醇是新兴的生物能源产业，市场需求和价格不够稳定，需要与政策和技术不断调整和适应。

2. 产品质量：纤维素乙醇的产量和质量与生产技术的稳定性和成熟度密切相关，产品质量一旦出现问题会对生产企业的信誉和经济效益造成严重影响。

3. 资金投入：纤维素乙醇生产需要大量的资金投入，如何平衡生产和经济效益是企业面临的挑战。

纤维素乙醇酶解工艺流程项目技术的环保风险纤维素乙醇是一种可再生的生物燃料，其制备过程主要包括纤维素的酶解和发酵。

纤维素酶解工艺是将纤维素水解为糖分，再经过发酵转化为乙醇。

该工艺具有很多环保风险与挑战，在项目实施过程中需要采取一系列措施来降低其环境影响。

首先，纤维素酶解工艺生产乙醇的过程中会产生大量的废水。

这些废水含有酶剂、糖、酒精和其他有机物。

废水中的酶剂和有机物对水体的生物多样性和生态系统产生负面影响，可能引起水体富营养化，导致水中氧气的缺氧。

因此，在项目中需要建立废水处理系统，有效去除有机物和酶剂，确保废水的排放符合环保标准。

其次，纤维素酶解生产过程中还会产生大量的废弃物，如纤维素的残渣和废酒精。

这些废弃物需要进行处理和处置，以防止对土壤和环境造成污染。

废弃物处理应遵循相关的环保法规，采用有效的处理方法，如焚烧、堆肥或资源化利用等。

另外，纤维素酶解过程中使用的酶剂也会对环境产生潜在的风险。

一些常用的酶剂对水体中生物有毒性，在酶解工艺中可能会释放到废水中。

因此，在工艺设计和生产实施中应该选择环境友好型的酶剂，减少对环境的不良影响。

此外，在可持续发展的理念下，纤维素乙醇的生产过程应考虑能源利用和二氧化碳排放的问题。

传统的纤维素酶解工艺使用大量的能源和水资源，同时也会产生大量的二氧化碳。

为了降低环境风险，可以采取节能降耗的措施，如优化工艺参数，提高酶的利用效率、重复使用废水和净化废弃物来节约资源。

最后，项目实施过程中需要遵守当地的环保法规和标准，确保纤维素乙醇生产过程不对环境造成不可逆转的损害。

此外，还应根据具体情况进行环境影响评估，制定相应的应急预案和环保监测措施，及时发现和解决潜在的环境风险。

综上所述，纤维素乙醇的酶解工艺流程项目在环保方面存在一定的风险，主要包括废水处理、废弃物处理、酶剂的选择和能源利用等方面。

为了降低环境风险，项目实施过程中应采取有效的措施，并遵守相关法规和标准，确保生产过程对环境的影响最小化。

吉林化工学院生物与食品工程学院文献综述以纤维素为原料生产燃料乙醇学生学号：学生姓名：朱晨阳专业班级：生物技术1101指导教师: 葛雅琨吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology摘要：介绍了纤维素的基本特征，重点阐述了纤维素发酵生产酒精工艺中的发酵工艺的技术特点，综述了美国、加拿大、日本、瑞典、巴西、中国在利用纤维素原料生产乙醇方面的发展现状，并且对纤维素发酵生产酒精的前景进行了展望。

关键词:纤维素；酒精；水解；发酵1引言酒精被誉为可再生绿色能源燃料，由于其燃烧污染小、容易运输和贮藏，在价格上酒精也可与汽油相竞争。

因此，酒精成为最有可能取代石油的新能源,具有巨大的开发前景［1].目前生产燃料酒精是以玉米为原料，但原料成本占总成本的70％~80％.纤维素是地球上最丰富、最廉价可再生资源。

据资料表明，植物通过光合作用使光能以生物能形式固定下来，其生成量每年高达50×109t干物质,这些能量相当于目前为止世界能耗总量的10倍,且这些生物能年复一年通过自然界物质循环生成，是永远不会枯竭可再生资源。

它们主要来源于农业废弃物，如麦草、玉米秸秆、甘蔗渣等;工业废弃物，如制浆和造纸厂的纤维渣、锯末等；林业废弃物;城市废弃物，如废纸、包装纸等。

这些资源中有大部分是以纤维素、半纤维素形式存在,因此研究开发纤维素转化技术，将秸秆、蔗渣、废纸、垃圾纤维等纤维素类物质高效转化为糖，进一步发酵成酒精，对开发新能源，保护环境，具有非常重要现实意义［2～4]。

2 国内外研究现状2。

1 国内研究现状中国科学院早在1980年就在广州召开了“全国纤维素化学学术会议”，把开发利用纤维素资源作为动力燃料提上了议事日程。

我国在“十五"规划中制定了发展燃料乙醇的规划，规划中分三步走，其中的第三步就是利用植物秸秆、稻壳等纤维素生产燃料乙醇，并全面推广。

《变性燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划》专门对代表燃料乙醇发展方向的纤维素燃料乙醇技术做出规划，“十一五”期间要投入几十亿元财政资金扶持纤维素乙醇工业化生产的发展，并在税费方面实行减免.2006年9月，河南天冠年产3000t的纤维乙醇项目在河南镇平县奠基,天冠称这是国内首条千吨级纤维乙醇产业化试验生产线。

PROESA纤维素乙醇技术――生物能源的重大突破康泰斯建设世界最大规模的纤维素乙醇工业示范装置随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。

生物乙醇是一种可再生的能源，燃烧过程所排放的CO2和含硫化合物均低于汽油燃烧所排放的CO2和含硫化合物，而且乙醇燃烧产生的CO2和作为原料的生物生长所消耗的CO2在数量上基本持平，这对减少大气污染和抑止“温室效应”意义重大。

乙醇汽油燃烧比普通汽油更完全，汽车尾气中CO2含量可降低30%左右，燃料乙醇也因此被称为“清洁燃料”，而推广使用乙醇汽油已经成为世界各国减小对化石燃料依赖和温室气体排放的重要举措。

美国在20多年前即推广车用乙醇汽油，2008年，乙醇产量达到90亿加仑，是世界上最大的燃料乙醇生产和消费国。

美国发展灵活燃料汽车（FFV）和中至高含量乙醇汽油调合基础设施，截至2009年2月中旬，已有700万辆燃用乙醇汽油的汽车在美国上路；巴西自1975年开始实施“乙醇替代计划”，目前已使温室气体排放量减少了20%，巴西是世界上第二大的燃料乙醇生产和消费国，也是唯一不使用纯汽油作为汽车燃料的国家，2008年乙醇生产量为64亿加仑。

日本和欧盟也一直在积极发展车用乙醇汽油。

由于原油进口的依存度逐年上升。

环境问题日益严重，中国政府也非常清楚地认识到，生物乙醇是一种可再生资源，使用车用乙醇汽油代替部分汽油，有利于环境改善、并且可有效解决农产品的转化、促进农业生产的良性循环境，其意义重大。

因此《国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要》中提出，要开发燃料乙醇等石油替代品。

“十五”期间即批准在吉林、河南及安徽等省分别建设年产数十万吨乙醇项目，作为国家新兴能源试点示范的重点工程，已取得了良好的社会效益。

根据2007年制订的《可再生能源中长期发展规划》，到2010年，中国的燃料乙醇年利用量为200万吨，到2020年，生物燃料乙醇年利用量将达到1000万吨。

目前，我国在经济快速发展的同时，能源短缺和能源消费所引起的问题也成为人们所担忧的问题。

如何能够获得无污染的可再生能源是重中之重。

用生物法制取纤维素乙醇技术，不仅有广泛的原料来源，而且制作过程环保无污染，是最有前景的制作乙醇的方法。

1 纤维素的水解发酵工艺(1)浓酸水解工艺 浓酸水解的原理是将结晶纤维素在较低温度下可以在浓硫酸溶液完全溶解为低聚糖。

然后再在此基础上加水加热并稀释，经过一定的时间就可以水解为单个的葡萄糖了。

浓酸水解有很大的优点，它可以溶解不同的的原料，回收率非常高，溶解速度也非常快。

但是浓酸水解往往条件苛刻，对设备的要求极高，因此造成了成本高。

而且浓酸用完之后一定要做好残余物的回收工作，不然极其容易造成严重的环境污染。

(2)稀酸水解工艺 稀酸水解主要是利用化学反应，它的原理是稀酸溶液中的氢离子是自由的，它可以与纤维素反应，从而破坏纤维素的稳定性，使其与水反应，从而实现纤维素长链的连续解聚，直到纤维素最终分解成为一个一个的葡萄糖单元。

稀酸水解的优点是时间短，比较适合工业化生产，但是由于稀酸水解的产物不彻底，产生的糖会继续分解，影响糖收率。

因此为了减少单糖的分解，一般稀酸水解工艺不可以直接进行，要分为两个步骤。

首先是分解半纤维素，分解条件为低温，产物以木糖为主。

第二个步骤是分解纤维素，分解条件为高温，产物主要是葡萄糖。

这一步的高温条件对设备的要求极高，因此稀酸溶解也不适合大产量的工业化生产。

(3)酶水解工艺 在化学反应中，酶是一种能促进反应进行的活性物质。

在纤维素的酶水解工艺中最不可或缺的物质就是纤维素酶。

纤维素酶并不是单一的一种酶，它是促进纤维素分解为单糖的一类酶的统称。

主要包括内切葡萄糖酶、外切葡萄糖酶和纤维素二糖酶。

在纤维素的水解过程中，这三种酶在不同的阶段发挥着不同的作用。

纤维素的水解需要这三种酶的共同协同作用来完成。

酶水解工艺相对于浓酸水解和稀酸水解工艺而言，因为它所需要的条件(如酸碱度和温度)都比较温和，因此对设备的要求不是很高。

1.3 第2代燃料乙醇据统计我国目前农作物秸秆总产量约为7亿t ，其中可收集量约为4.5亿t ，但秸秆利用效率不高，如安徽省常年粮食播种面积约1亿亩，农作物秸秆常年可收集总量达4 800万t ，综合利用率81.45%，但产业化利用量仅占利用总量的21%。

以小麦秸秆、玉米秸秆等原料为主的第2代生物燃料乙醇技术越来越受到人们的重视。

第2代燃料乙醇具有“不与人争粮，不与粮争地”等优点，将会是我国燃料乙醇产业化的主要方向[4-5]，木质纤维素乙醇的生产工艺如图2所示。

1.4 第3代燃料乙醇技术第3代生物乙醇主要利用藻类生产，技术尚不成熟，还远未达到工业化生产水平。

该技术路线是利用藻类等高效光生物反应器为原料生产燃料乙醇，具有生产周期短、光合效率高、吸收大气中CO 2等优点，目前正处于研发起步阶段。

在工程藻株开发、有害生物污染控制、低能耗微藻收集、高抗逆性的菌种培育等技术有待突破[6]。

0 引言生物燃料乙醇已发展成为全球可再生能源领域的战略性新兴产业，具有循环经济、环境友好等优点。

2019年9月，我国有关国家部门联合发布的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》(以下简称《方案》)提出：到2020年，乙醇汽油在全国实现全覆盖。

同时《方案》提出：到2020年建成我国第一座5万t/a 的纤维素乙醇示范工厂，到2025年实现纤维素乙醇技术全面工业化[1]。

1 我国燃料乙醇发展应用现状目前，生物燃料乙醇生产技术按原料来源可分为３代，分别为以玉米、小麦等、甘蔗、甜菜等原料的第1代燃料乙醇；使用木薯、甘蔗等非粮经济作物作为原料的第1.5代燃料乙醇；以农、林废弃物(秸秆等)为主要原料的第2代燃料乙醇和以微藻为主要原料的第3代燃料乙醇技术。

1.1 第１代燃料乙醇第1代燃料乙醇技术已比较成熟，在世界各国广泛使用。

随着国内储备陈粮减少，国家补贴和税收优惠政策已取消，且存在与民争粮等问题，尤其是近日与美国的贸易战加剧，国内玉米一度达到2400～2500元/t ，中国玉米供需情况及价格走势如图1所示，造成其经济效益受到严重影响甚至亏损的局面[2]。

纤维素乙醇技术及研究进展摘要：本文综述了纤维素制取燃料乙醇的工艺过程，包括纤维素预处理工艺、纤维素水解糖化工艺以及酒精发酵工艺，重点讨论了纤维素各种预处理工艺，分析了各种工艺的技术特点，并概述了近几年纤维素制乙醇工艺的研究进展。

关键词：纤维素；乙醇；预处理；水解中图分类号:文献标识码：文章编号：Cellulosic ethanol technology and The advanceAbstract：This review summarizes the technological processes of fuel-ethanol production fr om cellulose,including cellulose pretreatment process,cellulose hydrolysis saccharification pr ocess and alcohol fermentation process.Variety of cellulose pretreatment process are present ed, and their technical characteristics are analysized. The status of cellulose ethanol produc tion in recent years was summarized.Keywords：cellulose; ethanol; pretreatment process;hydrolysis纤维素乙醇工艺是以纤维素为原料采用生物化学或热化学转化技术生产燃料乙的工艺。

常用的纤维素原料有农业废弃物（如棉花秸秆、稻草、高粱秸秆、木薯秸秆、麦秆或玉米秸秆等）、工业废弃物（如木薯淀粉、糠醛渣、木薯乙醇废渣）以及城市垃圾（如含纤维素成分的废纸）等。

我国是农业大国，每年都有大量的生物质废弃物，这些资源未能得到充分利用，并且由于农业秸秆的焚烧会造成大气污染、温室效应等一系列问题；另一方面，我国石油资源有限，工业和运输业对燃料油的需求也在不断增加。