木質(zhì)纖維素制乙醇生產(chǎn)工藝及經(jīng)濟(jì)性

乙醇是重要的有機(jī)溶劑，廣泛用于醫(yī)藥、涂料、衛(wèi)生用品、化妝品、油脂等制備過程。乙醇是重要的基本化工原料，用于制備乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等，并衍生出醫(yī)藥、染料、涂料、香料、合成橡膠、洗滌劑、農(nóng)藥等產(chǎn)品的許多中間體。75%的乙醇水溶液是常用的消毒劑。此外，乙醇還可以作為車用燃料使用。

生物質(zhì)制乙醇主要分為兩種技術(shù)，第一種是普遍采用的一代技術(shù)，以糧食作物如玉米、甘蔗、木薯等發(fā)酵生產(chǎn)，存在的主要問題是“與人爭(zhēng)糧”。第二代技術(shù)是采用農(nóng)、林業(yè)廢棄物，如秸稈和木屑等木質(zhì)纖維素為原料，經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。

目前由木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的研究非?；钴S，這一領(lǐng)域已取得許多新的進(jìn)展。API公司采用木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)乙醇的工藝路線主要包括原料預(yù)處理、纖維素水解、發(fā)酵、乙醇分離等工序。(1)原料預(yù)處理。在生物質(zhì)鍋爐中，生物質(zhì)和SO2、乙醇水溶液經(jīng)加熱，分離為：半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。半纖維素和木質(zhì)素部分溶解，纖維素不溶，經(jīng)洗滌過濾后，纖維素進(jìn)入水解發(fā)酵區(qū)；濾液進(jìn)入汽提塔，塔頂物流SO2和乙醇經(jīng)冷凝后循環(huán)利用，塔底物流可用來產(chǎn)生蒸汽。(2)纖維素水解和發(fā)酵。在酶催化水解反應(yīng)器中，纖維素經(jīng)酶促反應(yīng)水解生成葡萄糖；不溶性的木質(zhì)素經(jīng)分離，進(jìn)入半纖維素水解發(fā)酵區(qū)。葡萄糖再經(jīng)發(fā)酵生成乙醇。發(fā)酵液經(jīng)離心分離后進(jìn)入濃縮塔，分離出的細(xì)胞進(jìn)行硫酸處理，再返至發(fā)酵罐循環(huán)利用。(3)半纖維素水解和發(fā)酵。在纖維素水解發(fā)酵區(qū)中分離出的不溶性木質(zhì)素和生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)出的蒸汽一起進(jìn)入自水解反應(yīng)器，半纖維素水解生成單糖，如木糖。水解產(chǎn)物經(jīng)石灰中和處理，木質(zhì)素送入能量利用系統(tǒng)(發(fā)電)，單糖則送入發(fā)酵罐發(fā)酵生成乙醇，再進(jìn)入濃縮塔。(4)精餾。纖維素和半纖維素的發(fā)酵液經(jīng)混合后，進(jìn)入濃縮塔，塔頂?shù)玫胶?0%乙醇的蒸汽。塔底物流用于纖維素洗滌，側(cè)線出料進(jìn)入精餾塔，塔頂?shù)玫胶?3%乙醇的蒸汽。乙醇經(jīng)分子篩脫水后，產(chǎn)品純度達(dá)99.5%。

與采用酶催化纖維素及半纖維素水解工藝相比，該工藝僅催化纖維素水解，減少了酶用量，降低了成本，同時(shí)將低熱值的半纖維素轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的乙醇，提高了整體效益；此外，該工藝還能夠高效回收利用反應(yīng)放出的熱能，降低能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。

加拿大Intratec Solutions公司對(duì)木質(zhì)纖維素生產(chǎn)生物基乙醇生產(chǎn)工藝進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，基于以下幾項(xiàng)假定：(1)在美國(guó)海灣地區(qū)建立一套2.2×108L/a無水乙醇裝置；(2)產(chǎn)品儲(chǔ)量相當(dāng)于30 d運(yùn)行產(chǎn)量，無原料貯存。預(yù)測(cè)包括總固定投資、營(yíng)運(yùn)資金、其他資金耗費(fèi)等在內(nèi)的資金投入約為7億美元。

發(fā)展纖維素乙醇對(duì)于解決當(dāng)前石油資源短缺、增加農(nóng)民收入以及減少環(huán)境污染等方面具有十分重要的意義。在《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中，預(yù)計(jì)到2020年實(shí)現(xiàn)生物燃料乙醇利用量達(dá)10 Mt/a。建議該工藝與紙漿和造紙企業(yè)結(jié)合起來，以使木材的每一組分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)得到最充分的利用。纖維素用于生產(chǎn)紙漿和造紙，半纖維素用于發(fā)酵制乙醇，木質(zhì)素用于能源供給。