第二代燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景探討

姜 麗，吳曉菊，楊志江

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品分院，新疆烏魯木齊 830021）

0 引言

能源是物質(zhì)生產(chǎn)資料的原動(dòng)力，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)能源安全關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性。能源多樣化是能源安全的一個(gè)良好對(duì)策，燃料乙醇作為“替代能源”的戰(zhàn)略意義已經(jīng)凸顯，我國主要的第一代乙醇燃料原料以糧食作物玉米、小麥為主，在國際糧食危機(jī)和全球糧食價(jià)格飆升的情況下，第一代燃料乙醇的開發(fā)面臨著巨大的瓶頸，運(yùn)用植物纖維生產(chǎn)的第二代燃料乙醇的推廣使用意義重大。

1 燃料乙醇概況

燃料乙醇是指以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)的體積分?jǐn)?shù)99%以上、辛烷值高達(dá)115的綠色燃料[1]。燃料乙醇作為一種替代或部分替代石油、天然氣的可再生生物質(zhì)能源，可以在一定程度上緩解能源及環(huán)境壓力，同時(shí)也具有相對(duì)清潔、綠色、可再生的特性，從而引起了很多國家的關(guān)注及重視，產(chǎn)量連年增加（見圖1）。全球共有66個(gè)國家和地區(qū)推廣使用乙醇汽油，美國和巴西燃料乙醇的年產(chǎn)量和消費(fèi)量位列世界前2位，占世界總量的80%以上，中國占比約3%[2]（見圖2）。

世界燃料乙醇產(chǎn)量見圖1，2019年燃料乙醇全球產(chǎn)量分布圖見圖2。

圖1 世界燃料乙醇產(chǎn)量

圖2 2019年燃料乙醇全球產(chǎn)量分布圖

燃料乙醇共分4代（見表1），第1代燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)以糧食為原料，面臨著“與人爭(zhēng)糧，與糧爭(zhēng)地”的爭(zhēng)議與原料供應(yīng)不穩(wěn)定的爭(zhēng)議；第1.5代燃料乙醇原料主要靠進(jìn)口，發(fā)展受制約；第3代燃料乙醇還處于研發(fā)階段；第2代燃料乙醇又稱纖維素乙醇，利用農(nóng)林廢棄物為原料生產(chǎn)燃料乙醇，雖然第2代燃料乙醇受酶技術(shù)及其生產(chǎn)成本的制約，目前以技術(shù)穩(wěn)定成熟的第1代技術(shù)路線為主，但從燃料乙醇的全生命周期分析和全球節(jié)能減排大趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，作為非糧生物燃料之一的第2代技術(shù)纖維素乙醇才是戰(zhàn)略目標(biāo)[3]。

燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)見表1。

表1 燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)

2 國外第2代燃料乙醇的發(fā)展

2.1 美國燃料乙醇

美國燃料乙醇興起于20世紀(jì)70年代，稍晚于巴西，但由于轉(zhuǎn)基因玉米技術(shù)和相關(guān)政策的扶持，在2006年燃料乙醇的總產(chǎn)量已超過巴西，躍居世界第一。近年來，在纖維素乙醇的政策、投入、研發(fā)方面的力度都很大，自2013年起，先后建立3個(gè)大型纖維素乙醇廠，分別是愛荷華州Dupont公司，年產(chǎn)9萬t/a；愛荷華州POET-DSM先進(jìn)生物燃料公司，年產(chǎn)7.5萬t/a；堪薩斯州Abengoa公司，年產(chǎn)7.5萬t/a，均采用玉米秸稈和玉米芯等作主要原料，由于國際原油價(jià)格暴跌和經(jīng)濟(jì)效益等因素，目前只有DMS公司處于運(yùn)行狀態(tài)[4]。

2.2 巴西燃料乙醇

巴西燃料乙醇起源于1973年，由于2次石油危機(jī)嚴(yán)重打擊了巴西的經(jīng)濟(jì)、龐大的甘蔗產(chǎn)業(yè)為其提供原料、車用乙醇汽油全覆蓋及相關(guān)政策和稅收上的引導(dǎo)和支持，使巴西成為世界第一個(gè)發(fā)展乙醇汽油和最早推行燃料乙醇應(yīng)用的國家。目前，巴西也成為第二大燃料乙醇生產(chǎn)國和第一大燃料乙醇出口國。在第2代燃料乙醇的研究上傾向于以本地特產(chǎn)甘蔗渣和葉為原料，已具規(guī)模的纖維素乙醇企業(yè)有巴西Petrobras公司；位于阿拉戈斯州GranBio公司，產(chǎn)量6.5萬t/a；圣保羅州Raizen公司，產(chǎn)量3萬t/a，目前只有Raizen公司運(yùn)行良好[5]。

2.3 燃料乙醇的使用

目前，幾乎遍布?xì)W盟的28個(gè)成員國，全球產(chǎn)量占比5%。2018年，歐盟修訂《可再生能源指令》，提出到2030年歐盟可再生能源使用占比的目標(biāo)為32%[2]。歐盟中德國和意大利發(fā)展纖維素乙醇成效顯著。世界上第一套植物廢渣生產(chǎn)乙醇設(shè)備是由德國人于1898年制造，目前德國Clariant公司植物廢渣千噸級(jí)中試工廠運(yùn)行順利，并于2017年在斯洛伐克建立5萬噸級(jí)纖維素乙醇示范工廠、2018年在羅馬尼亞建立產(chǎn)能5萬t/a的工廠[6]。意大利是歐洲第一個(gè)使用纖維素乙醇的國家，主要以秸稈和蘆竹為原料，目前意大利油氣公司Eni集團(tuán)的Versalis公司在第2代燃料乙醇生產(chǎn)中發(fā)展迅速[7]。

2.4 亞洲

在亞洲，泰國是第一個(gè)由政府開展全國生物燃料的國家，目前開展的燃料乙醇的項(xiàng)目主要是使用木薯為原料[8]。日本十分重視第2代燃料乙醇的研發(fā)和生產(chǎn)，日本糧食公司從2003年起就用廢木屑生產(chǎn)乙醇，2009年日本東麗工業(yè)公司、日本煉油商新日本石油公司、豐田汽車公司、三菱重工、鹿島建設(shè)和Sapporo工程公司建立纖維素乙醇聯(lián)盟發(fā)展纖維素乙醇[9]。

3 國內(nèi)第2代燃料乙醇的發(fā)展

3.1 我國第2代燃料乙醇現(xiàn)狀

我國是世界第三大燃料乙醇生產(chǎn)國，但在產(chǎn)量、生產(chǎn)效率上與美國、巴西兩國仍有顯著差距。我國纖維素乙醇的起步較晚，1980年召開了“全國纖維素化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議”，提出開發(fā)利用纖維素資源作為動(dòng)力。目前，我國燃料乙醇的生產(chǎn)主要采取第1代技術(shù)，第2代燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化過程艱難，雖已有多個(gè)項(xiàng)目在建或建成，但運(yùn)行情況并不理想[10]。

中國植物廢渣生產(chǎn)乙醇項(xiàng)目見表2。

近10年，國家出臺(tái)了一系列政策大力發(fā)展可再生能源，纖維素乙醇確立為我國“十三五”期間燃料乙醇產(chǎn)業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)，預(yù)計(jì)到2020年，纖維素燃料乙醇5萬t級(jí)裝置實(shí)現(xiàn)示范運(yùn)行；到2025年，力爭(zhēng)纖維素燃料乙醇實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。政策的大力支持、第二代燃料乙醇技術(shù)持續(xù)優(yōu)化、乙醇汽油的使用日趨推進(jìn)，為第二代燃料乙醇的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化提供推動(dòng)力[11]。

3.2 制約我國纖維素乙醇工業(yè)化原因

3.2.1 纖維素乙醇生產(chǎn)用酶自主專利少

利用纖維素酶進(jìn)行糖化反應(yīng)是第2代燃料乙醇生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟，也是影響生產(chǎn)成本的主要因素。通過世界權(quán)威專利數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)，擁有纖維素乙醇生產(chǎn)用酶專利的公司主要是丹麥的諾維信有限責(zé)任公司和美國杜邦公司，我國在纖維素乙醇領(lǐng)域掌握的技術(shù)有限，核心的酶和工業(yè)化菌株仍需進(jìn)口，酶成本高[12]。

3.2.2 原料貯運(yùn)體系不健全

我國纖維素乙醇主要原料是農(nóng)作物秸稈，秸稈種類多樣、性狀不一、分布較散，大規(guī)模能源化利用植物纖維材料面臨長(zhǎng)期做好防雨、防潮、防雷、防火的措施[13]，在收、儲(chǔ)、運(yùn)環(huán)節(jié)的管理和成本上存在瓶頸。

3.2.3 預(yù)處理效率低、能耗大

預(yù)處理處于生產(chǎn)鏈上游，預(yù)處理水平的高低直接影響昂貴酶制劑的用量和活性，但生產(chǎn)所需的纖維素常常被具有強(qiáng)抗降解性的木質(zhì)素緊密包裹，用單一的化學(xué)法、物理法和生物法成本高效果差，僅有物理化學(xué)法中的蒸汽爆破法效果較好，但處理過程復(fù)雜、耗能巨大是目前亟待解決的問題[14]。

3.2.4 投資門檻高

例如，年產(chǎn)7萬t級(jí)的纖維素乙醇裝置固定投資高達(dá)4億～7億元，加之產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和設(shè)備成熟度較低，一部分工藝和裝備需從頭研發(fā)[15]，纖維素酶生產(chǎn)裝置雖然可以降低生產(chǎn)成本，但需要巨大的前期投資，這些需要國家政策扶持和金融投資界的資金支持。

4 我國纖維素乙醇未來的發(fā)展的探討

4.1 加大酶制劑的研發(fā)力度

與第一代燃料乙醇使用的淀粉酶相比，纖維素酶比活力低、用量大、價(jià)格高，是第2代燃料乙醇工業(yè)化主要瓶頸之一。國際上先進(jìn)酶菌株專利大部分在國外，可通過基因工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù)在提高酶產(chǎn)量和比活力等方面構(gòu)建高效的產(chǎn)酶工程菌株。

4.2 建立廠內(nèi)在位生產(chǎn)纖維素酶系統(tǒng)

酶精制過程、運(yùn)輸、貯藏和使用前的稀釋都會(huì)影響酶的效能和提升生產(chǎn)成本，有效途徑之一就是改善酶制劑的生產(chǎn)模式，將酶制劑生產(chǎn)單元直接整合到乙醇生產(chǎn)裝置中，直接用酶解效率更高的粗酶液酶解底物，可以減少不必要的分離純化過程及運(yùn)輸和貯藏的成本，從而整體降低酶劑成本。

表2 中國植物廢渣生產(chǎn)乙醇項(xiàng)目

4.3 協(xié)同開發(fā)預(yù)處理和酶解工藝

預(yù)處理工藝直接對(duì)后期反應(yīng)中酶活力和用量產(chǎn)生影響，而纖維素酶是第2代燃料乙醇產(chǎn)業(yè)是否能盈利的關(guān)鍵因素之一，找到二者的平衡點(diǎn)至關(guān)重要，發(fā)展趨勢(shì)是降低預(yù)處理的強(qiáng)度，通過高效專一的酶來提高生產(chǎn)效率。

4.4 開發(fā)纖維素乙醇的成套裝備

纖維素乙醇裝備的基礎(chǔ)是現(xiàn)代化制漿造紙和工業(yè)乙醇發(fā)酵行業(yè)的設(shè)備制造經(jīng)驗(yàn)，需在生產(chǎn)過程中依據(jù)不同工段物料特性、降低糖損失，提高酶解和發(fā)酵效率等方面不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，完善裝置。

4.5 副產(chǎn)品的開發(fā)

纖維素乙醇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的固體殘余物和廢水，可產(chǎn)生沼氣，這些生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能可轉(zhuǎn)化成電力，作為商品電出售，實(shí)現(xiàn)醇電聯(lián)產(chǎn)；木質(zhì)素原料的分級(jí)利用上產(chǎn)副產(chǎn)品目前研究尚淺，是以后研究的重要方向。