生物乙醇產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1、生物乙醇產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)生物乙醇的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)1產(chǎn)品研發(fā)背景化石資源的短缺使得生物基化學(xué)品成為各國(guó)競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn)，而能源、環(huán)保和 資源的壓力更使生物柴油、生物乙醇、生物制氫等成為我國(guó)生物基化學(xué)品發(fā) 展的重 中之中。鑒于世界石油需求增長(zhǎng)和油價(jià)暴漲，各國(guó)不得不加速發(fā)展替代能源，其中 生物乙醇需求和發(fā)展尤為顯著。但生產(chǎn)生物乙醇的原料，目前主要是糧食和糖料， 存在成本高、與民爭(zhēng)糧（爭(zhēng)地）等問(wèn)題。將來(lái)生產(chǎn)生物乙醇的根本出路，在于用農(nóng) 作物秸稈、木屑等纖維素為原料的方法。目前世界車(chē)用汽油需求內(nèi)，乙醇的混合比率平均2.6%。去年11月國(guó)際能源機(jī)構(gòu) 發(fā)表預(yù)測(cè)，至2030年世界運(yùn)輸燃料年平均增長(zhǎng)9%。歐洲消費(fèi)量

2、預(yù)計(jì)到2010年將超 過(guò)巴西，到2030年將超過(guò)美國(guó)。2005年世界乙醇產(chǎn)量1710萬(wàn)噸（換算 成石油 計(jì)）。乙醇原料美國(guó)主要用玉米，巴西用甘蔗。歐洲主要用植物油生產(chǎn)生物柴油。 2005年歐洲生物柴油產(chǎn)量290萬(wàn)噸（換算成石油計(jì)）。2005年世界生物 燃料產(chǎn)量 2000萬(wàn)噸（換算成石油計(jì)），基準(zhǔn)情況下2030年達(dá)到9200萬(wàn)噸，年 平均增長(zhǎng) 7%;替代能源對(duì)策情況下年平均增長(zhǎng)9%, 2030年世界產(chǎn)量14700萬(wàn) 噸。運(yùn)輸用燃 料內(nèi)，生物燃料所占比率由現(xiàn)在的1%提高至2030年的7%。1.1 技術(shù)發(fā)展生產(chǎn)乙醇的大問(wèn)題在于原料甘蔗、玉米等與人、畜爭(zhēng)奪食料、飼料。最近，玉 米、糖價(jià)格上漲。芝加哥市

3、場(chǎng)玉米期貨，去年1月每蒲式耳2.13美元，今年2月達(dá) 到4.11美元，上漲近1倍。由生物能源的纖維素、半纖維素生產(chǎn)乙醇的效 率比甘 蔗、玉米等高。單位能源投入的能源產(chǎn)出比，玉米為1 3、甘蔗為8.5、纖維素乙 醇16。纖維素乙醇比甘蔗高1倍。但是，其涉及技術(shù)與成本。巴西甘蔗乙醇成本為 每升22美分，比汽油便宜。玉米乙醇成本為每升30美分。由農(nóng)作物秸稈、木屑等 纖維素生產(chǎn)乙醇，必須破壞植物細(xì)胞壁，切斷纖維素鏈，釋放糖分，再轉(zhuǎn)化為醇。 發(fā)酵、蒸館、精制等過(guò)程，前后需要56種酵素。目前，這種有效酵素很貴。二十一世紀(jì)是生物的世紀(jì)，隨著人類(lèi)對(duì)生物認(rèn)識(shí)的不斷提高，生物技術(shù)解決了 諸如農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的許多

4、問(wèn)題，越來(lái)越多的人類(lèi)問(wèn)題也訴諸于生命科學(xué)，氫能 源也不例外。所以生物制氫受到越來(lái)越多人的關(guān)注，生物制氫具有原料來(lái)源廣泛， 不污染環(huán)境等突出的優(yōu)點(diǎn)。1.2 行業(yè)發(fā)展生物乙醇/纖維素乙醇正在迅速崛起。盡管生物柴油名聲大噪，但是綠色燃料技 術(shù)對(duì)世界的最大沖擊恐怕還是生物乙醇成為汽油的替代品。據(jù)美國(guó)能源部專(zhuān)家預(yù) 計(jì)，2007年美國(guó)乙醇汽油產(chǎn)能將達(dá)到2000萬(wàn)t2200萬(wàn)t,目前美國(guó)乙醇 汽油消費(fèi) 量占全美汽油消費(fèi)總量的30%。2007年布什表示，美國(guó)到2012年法定 的可再生和 替代性能源的總量目標(biāo)是要達(dá)到0.28億t （75億加侖），到2017年達(dá) 到1.3億t（350億加侖），而當(dāng)前的替代能源每年

5、產(chǎn)量是015億1 （40億加侖）。美國(guó)從 20世紀(jì)70年代開(kāi)始利用其耕地多、玉米產(chǎn)量大的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展燃料乙醇，以玉米為原 料生產(chǎn)燃料乙醇的生產(chǎn)工藝已經(jīng)基本成熟。目前，美國(guó)生物乙醇的產(chǎn)量約為1514 萬(wàn)tab大部分是采用玉米為原料。美國(guó)將根據(jù)“生物燃料行動(dòng)計(jì)劃”的安排，設(shè)立 基金支持以各種生物質(zhì)為原料的乙醇汽油生產(chǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，尤其是將更多地關(guān)注除 玉米之外的其他生物質(zhì)原料，如碎木塊、秸稈和草本植物等，擴(kuò)大原料資源，降低 成本。根據(jù)美國(guó)生物技術(shù)工業(yè)組織的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年利用農(nóng)作物副產(chǎn)品（如玉米秸 稈、甘蔗渣、麥秸和稻草等）可生產(chǎn)2 650萬(wàn)f纖維素乙醇，通過(guò)采用纖維素生物 質(zhì)原料，降低乙醇成本。目前全

6、球乙醇的生產(chǎn)仍以發(fā)酵方法為主，發(fā)酵酒精占乙醇 生產(chǎn)總能力的85%以上。與石油化工路線相比，微生物發(fā)酵工藝生產(chǎn)的乙醇具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，特 別是 以可再生的農(nóng)副產(chǎn)品為原料，不存在資源枯竭的問(wèn)題，是緩解石油供應(yīng)緊張的辦法 之一。以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)生物乙醇是技術(shù)開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)。木質(zhì)纖維素是地球上 最豐富的可再生資源，可以來(lái)源于農(nóng)業(yè)廢棄物（如麥草、玉米秸稈和玉米芯等）、 工業(yè)廢棄物（如制漿和造紙廠的纖維渣）、林業(yè)廢棄物和城市廢 棄物（如廢紙、包 裝紙等），由木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化成的燃料乙醇越來(lái)越引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。 目前世界各國(guó)研究利用木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的科研機(jī)構(gòu)都圍繞著幾大關(guān)鍵技術(shù) 進(jìn)行攻關(guān)，現(xiàn)

7、有的生物技術(shù)是利用酶催化劑將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭砂l(fā)酵葡萄糖，但是目 前世界上還沒(méi)有一家工業(yè)規(guī)模利用纖維質(zhì)原料生產(chǎn)燃 料乙醇的企業(yè)，主要障礙為酶 解成本過(guò)高、缺乏經(jīng)濟(jì)可行的發(fā)酵技術(shù)。因此，技術(shù)路線的優(yōu)化組合問(wèn)題、生產(chǎn)過(guò) 程中成本降低的問(wèn)題以及乙醇廢糟的綜合利用等問(wèn)題需要解決。據(jù)美國(guó)能源部門(mén)預(yù) 測(cè)，2015年由木質(zhì)纖維素制燃料乙醇有望在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上過(guò)關(guān)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 13技術(shù)特點(diǎn)13.1 技術(shù)創(chuàng)新性這是一株填補(bǔ)我國(guó)生物乙醇研究領(lǐng)域空白的高效產(chǎn)氫菌種，它的產(chǎn)生乙醇 的能 力在國(guó)際上處于前列，將大大加快我國(guó)從海藻中采用發(fā)酵法生產(chǎn)生物乙醇 產(chǎn)業(yè)化的 步伐。13.2 技術(shù)可行性利用等離子輻射、電子打孔和分子

8、生物學(xué)技術(shù)，誘變和選育高效產(chǎn)氫菌種，對(duì)其 進(jìn)行優(yōu)化及代謝功能和活性表達(dá)的研究。采用基因工程技術(shù)對(duì)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生物 乙醇菌種 進(jìn)行改造，提高其產(chǎn)生物乙醇的效率、擴(kuò)大其可利用底物范圍，保證高效產(chǎn)生物乙醇 的性能的穩(wěn)定遺傳，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行形成與所開(kāi)發(fā)的高效產(chǎn)生物乙醇菌種相配套的 生物反應(yīng)器技術(shù)，在分子生物學(xué)水平上闡明生物產(chǎn)生物乙 醇系統(tǒng)中微生物種群結(jié)構(gòu) 及其功能、種群結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，建立相應(yīng)的調(diào)控方法。L3.3技術(shù)路線鑒定了一株野生型脈抱菌并研究了使用玉米芯為原料時(shí)的纖維素乙醇發(fā) 酵潛 力，對(duì)其形態(tài)特征和生理生化特性研究表明，該菌與脈抱菌屬菌株的特征一致；對(duì)其 18S.28S rDNA的ITS區(qū)段進(jìn)行序列分

9、析，通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)和分析系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系， 確定該菌為脈抱菌屬的間型脈抱菌。該脈抱菌能在以玉米芯粉和葡萄糖為碳源的液 體培養(yǎng)基中快速生長(zhǎng)，從按人抱子到形成有乙醇發(fā)酵能 力的菌絲只需48 h的時(shí)間。 以10g.L 1的玉米芯配成培養(yǎng)基，分別進(jìn)行脈胞菌、釀酒酵母直接乙醇發(fā)酵和脈抱 苗與釀酒酵母共發(fā)酵試驗(yàn)。結(jié)果表明脈抱菌對(duì)玉米芯進(jìn)行直接乙醇發(fā)酵時(shí)，乙醇產(chǎn)量 為437gL（產(chǎn)醇底物還包括培養(yǎng)菌絲時(shí)未用完的部分碳源），用酵母菌進(jìn)行直 接乙醇發(fā)酵時(shí)，乙醇產(chǎn)量?jī)H為0.18 g.L八而當(dāng)培養(yǎng)脈革包菌菌絲后接入釀酒酵母同時(shí)糖 化發(fā)酵時(shí)，得到的乙醇濃度提高到553g.D,因而，使用脈胞菌與釀酒酵母的同時(shí)糖化 發(fā)酵

10、更有利于玉米芯的纖維素乙醇發(fā)酵。2市場(chǎng)分析21需求分析美國(guó)能源部的數(shù)據(jù)表明，美國(guó)年產(chǎn)450萬(wàn)噸生物乙醇，創(chuàng)造了 2 0多萬(wàn)個(gè)就業(yè) 機(jī) 會(huì)，每年為國(guó)民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)約8 0億美元，大大超過(guò)國(guó)家為扶植產(chǎn)業(yè)發(fā)展所提供的8億 美元財(cái)政補(bǔ)貼，產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新的就業(yè)機(jī)會(huì)，帶動(dòng)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。生物乙醇是以生物質(zhì)為原料制造，可以單獨(dú)或與汽油混配作為汽車(chē)燃料。巴西 和美國(guó)是世界上最大的生物乙醇燃料生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)家，分別以甘蔗和玉米為主要原 料，每年各消費(fèi)約1200萬(wàn)t和500萬(wàn)仁近年來(lái)，我國(guó)政府為解決消化多余糧食，減 少石油進(jìn)口和保護(hù)環(huán)境三大問(wèn)題，高度重視發(fā)展生物乙醇燃料發(fā)展生物乙醇產(chǎn)業(yè)和 推廣使用乙醇汽油在我國(guó)是

11、一項(xiàng)新的事業(yè)，是關(guān)系到我國(guó)中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn) 略決策。根據(jù)以上的分析，并考慮我國(guó)的國(guó)情，我們提出以下產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策建議。 1、生物乙醇目前生產(chǎn)成本高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不敵汽油。美國(guó)政府目前每升生物乙醇 補(bǔ)貼約01 4美元。我國(guó)政府可參照美國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)，提供終端銷(xiāo)售補(bǔ)貼，使E10 汽油價(jià)格低于一般汽油，鼓勵(lì)消費(fèi)，擴(kuò)大市場(chǎng)。隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，補(bǔ)貼逐步減少，直 至取消。2、產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大威脅是糧食安全，而今后20多年中我國(guó)居民食物結(jié)構(gòu)升級(jí)會(huì)使 飼料糧需求大幅上升，如決策失誤，將嚴(yán)重危及我國(guó)糧食安全。因此，政府對(duì)以糧 食為原料的生物乙醇產(chǎn)業(yè)應(yīng)確保穩(wěn)健的發(fā)展步伐，同時(shí)支持多元化原料生物乙醇技 術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化

12、，以保證產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。3、生物乙醇產(chǎn)業(yè)是競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)業(yè)，應(yīng)當(dāng)實(shí)行政府支持和市場(chǎng)機(jī)制相結(jié)合的發(fā)展 方 針。一方面由政府支持利用現(xiàn)有的幾百萬(wàn)噸生產(chǎn)能力，進(jìn)行技術(shù)改造，減少投資成 本，另一方面應(yīng)促進(jìn)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，激勵(lì)以企業(yè)為主體的技術(shù)創(chuàng)新，降低消 耗，提高效 益，擇優(yōu)淘劣，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)資源配置。4、鼓勵(lì)多元發(fā)展模式，在原料（玉米、甘蔗、木薯、甜高粱等）充裕集中的地 區(qū)，可以建立大規(guī)模的乙醇工廠。另一方面，在原料分散的地區(qū)，大力推進(jìn)訂單農(nóng) 業(yè)！等產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，建立生產(chǎn)企業(yè)和原料農(nóng)戶(hù)間穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)合同關(guān)系，由農(nóng)民 個(gè)人或集體企業(yè)就地生產(chǎn)粗酒精，然后由技術(shù)先進(jìn)的大型企業(yè)收購(gòu)并進(jìn)一步提純生 產(chǎn)出最終產(chǎn)品的模式，

13、進(jìn)一步增加農(nóng)民收入，促進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。5、鑒于生物乙醇原料和成品的運(yùn)輸成本高，應(yīng)在糧食原料充裕的地區(qū)建立現(xiàn) 代化 生產(chǎn)企業(yè)，并在周邊地區(qū)消費(fèi)，而在糧食供應(yīng)不充裕的地區(qū)，或因地制宜地利用其它 原料生產(chǎn)，或暫時(shí)不使用生物乙醇。6、加強(qiáng)部門(mén)之間的協(xié)調(diào)，避免重復(fù)建設(shè)。乙醇工業(yè)耗能較大的部分為精憾提純， 精館技術(shù)在石油、石化行業(yè)是非常成熟的工藝，建議乙醇行業(yè)和石油石化行業(yè)配 合，不必重復(fù)研制開(kāi)發(fā)精館設(shè)備與工藝；另一方面，乙醇汽油中乙醇含量與汽油輕 組分（碳四碳五）的含量需要乙醇行業(yè)和石油石化行業(yè)配合，選擇合 適的混合比例， 以保證車(chē)輛的使用安全。22主要競(jìng)爭(zhēng)主要競(jìng)爭(zhēng)是國(guó)內(nèi)外同樣研究生物乙醇的科

14、研單位，例如英國(guó)正在建造世界最大 的生物乙醇制造工廠。英國(guó)Ensus集團(tuán)已宜布，它投資在這個(gè)“世界級(jí)綠色燃料” 工廠的資金已接近2 5億英鎊。工廠預(yù)計(jì)在2009年初建成，將使用來(lái)自英國(guó)和歐 洲大陸的小麥作為原料，初步計(jì)劃該工廠的年生產(chǎn)能力為4億L,可供一輛普通的車(chē) 一年跑480萬(wàn)km,或者是30萬(wàn)輛車(chē)在路上跑一年。于他們的科研實(shí)力較強(qiáng)，故此競(jìng) 爭(zhēng)較為嚴(yán)重。歐盟和英國(guó)承諾要減少對(duì)化石燃料的使用，以減少溫室氣體的排放，降低對(duì)石 油的依賴(lài)，從而加強(qiáng)能源供應(yīng)的安全性。2003年，歐盟發(fā)布指示，到2010年，運(yùn)輸 燃料能含量的5.75%都要來(lái)自生物燃料。另外，使用小麥生產(chǎn)生物乙醇時(shí)所產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品富含蛋白質(zhì)，可用作動(dòng)物 飼料，被稱(chēng)作DDGS（可溶解的干燥蒸館粒），歐盟對(duì)這種飼料的需要存在著巨大的 缺口?？梢钥隙W盟在生物乙醇的開(kāi)發(fā)方面存在巨大潛力。3生產(chǎn)流程生產(chǎn)中利用已培養(yǎng)出來(lái)的新型產(chǎn)生物乙醇的細(xì)菌，進(jìn)行馴化并利用分子生物 學(xué) 的手