康泰斯“釀酒”秘方

任何一項研究成果的推廣，都離不開技術上的突破，但同時必須要承受經(jīng)濟性的考量。“科研也好，商業(yè)也好，最終是為社會、為人類服務，因此把科研和商業(yè)化有效結合是非常重要的。對于實現(xiàn)將纖維素質原材料向纖維素乙醇的順利轉化，所有開發(fā)者的目標也都是如何以盡可能少的代價實現(xiàn)商業(yè)化的生產(chǎn)。”Chemtex康泰斯中國區(qū)副總裁何翌告訴記者。

技術是纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化首先要邁過的一道檻。何翌告訴記者，“在天然木質纖維素材料中，纖維素被木質素、半纖維素、膠質和蛋白質等組分包圍。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)乙醇的糖質和淀粉質原材料相比，木質纖維素結構更致密，抵抗化學、酶和生物降解等外界作用的能力更強。因此，將木質纖維素原料中的纖維素、半纖維素轉化為可發(fā)酵性糖，再轉化為乙醇的過程中，預處理、酶解發(fā)酵、木質素分離等幾個關鍵步驟都非常具有挑戰(zhàn)性。”他補充說，“同時，雖然纖維素是大自然中存在最廣泛的材料，但如何能夠使用在不同地域生長的不同種類不同特性的纖維素質材料，也是纖維素乙醇技術商業(yè)化必須要突破的課題。”

而經(jīng)濟性的評價尤為關鍵。“正如人類社會要追求可持續(xù)發(fā)展，纖維素乙醇的生產(chǎn)和應用也需要可持續(xù)，那么經(jīng)濟可行則是可持續(xù)的纖維素乙醇生產(chǎn)技術的必然前提。縱觀人類科學技術的發(fā)展歷史，有不計其數(shù)的技術只能在實驗室里束之高閣，沒有得到推廣，都是因為經(jīng)濟性和實用性無法實現(xiàn)。”何翌說。

值得欣慰的是，這些都沒有成為纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的阻礙。而通過多年的反復研究試驗，Chemtex和其母公司MG已經(jīng)實現(xiàn)了木質纖維素轉化的技術的突破，并將其工程化，基于這一技術的商業(yè)化纖維素乙醇項目正在順利建設之中。在燃料乙醇行業(yè)浸淫了近10年的何翌彷佛已經(jīng)看到纖維素乙醇行業(yè)的發(fā)展高潮。

兼顧產(chǎn)業(yè)鏈

2003年，Chemtex康泰斯開始參與第一代乙醇工廠的設計和建設，三年后Chemtex果斷地將纖維素乙醇生產(chǎn)技術的開發(fā)作為一個戰(zhàn)略。與眾多其他公司只重視纖維素生產(chǎn)鏈條中的個別關鍵環(huán)節(jié)不同的是，康泰斯一開始就定位在要研發(fā)可工程化的一整套工藝過程技術。而這被何翌看作是康泰斯區(qū)別于其他纖維素乙醇技術研究者的關鍵。

據(jù)了解，2007年，康泰斯針對纖維素乙醇的技術開發(fā)專門建立了一個實驗室，這個研發(fā)中心有50多個科學家和工程師。在研發(fā)方面，康泰斯已投入近兩億美元。

在研發(fā)初始階段，根據(jù)幾十年的工業(yè)裝置的設計、建設和運行經(jīng)驗，康泰斯就已經(jīng)考慮到日后的工程化。“我們發(fā)現(xiàn)，過去圍繞纖維素轉化以及生產(chǎn)乙醇所做的大量研發(fā)工作忽略了工程化的需要，而工程化的技術是產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的前提。”何翌說。“我們的目的是為了商業(yè)化而研究，所以研發(fā)的每個階段，技術的每個環(huán)節(jié)，都和工程化緊密結合。”

何翌打了一個比方：“一棟房子，可能畫得很漂亮，但最終不一定能建起來，因為工程上可能無法實現(xiàn)。現(xiàn)實生活中的每一座漂亮的建筑物的設計，比如說鳥巢，一定是建筑師和結構師共同完成的。在纖維素乙醇技術的開發(fā)過程中，Chemtex既是建筑師也是結構師，從確定研究計劃，篩選技術路線，選擇工藝過程和設備的形式，都充分評估工程化和商業(yè)化的風險。將研發(fā)和工程化科學地結合起來，才能少走彎路，盡快取得商業(yè)化的突破。”

為此，康泰斯在2006年制定了一套完整的纖維素轉化技術（Pro.E.Sa）開發(fā)的五年計劃（2007～2011年）：第一，通過基礎研究，確定工藝路線；第二，建設一個連續(xù)生產(chǎn)的中試裝置，驗證并改進工藝，同時為進一步放大做準備；第三，建設一個4萬噸/年的商業(yè)示范工廠。

目前，Chemtex已經(jīng)完成了Pro.E.Sa技術的工藝包的開發(fā)，并從2010年開始設計、建設每年生產(chǎn)4萬噸纖維素乙醇的示范裝置，該裝置位于意大利的Crescentino，將使用當?shù)氐闹饕r(nóng)業(yè)廢棄物（麥草）和一種叫蘆竹的能源作物作為原料，建成后將成為世界上最大的纖維素乙醇商業(yè)化的示范工程項目，生產(chǎn)的乙醇的成本將顯著低于第一代乙醇。目前，這個屬于歐盟FP7下的項目已經(jīng)完成了大部分設計和設備采購，即將開始安裝，預計將在2012年一季度投產(chǎn)。

惡補農(nóng)藝學

“為什么第一代的生物燃料有問題，就是因為使用的主要原材料是糧和油，和人類賴以生存的食物體系形成了競爭關系。以纖維素乙醇為代表的第二代生物燃料要持續(xù)，就必須要克服這一問題。”何翌說，“就是業(yè)內常說的不與人爭糧，不與糧爭地。”

康泰斯認為，纖維素乙醇生產(chǎn)的推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要因地制宜，從原料方面，要能充分利用現(xiàn)有的農(nóng)林資源和作業(yè)體系，以降低建立和運營整個產(chǎn)業(yè)鏈條的成本，這樣就要求纖維素乙醇的生產(chǎn)工藝能夠適應廣泛的來自不同地域的原料，不論是農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物還是能源作物。纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)要能夠與現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)體系匹配。“原來農(nóng)業(yè)體系中已有的玉米秸稈、稻草、高粱桿等要能夠用上，而新種的能源作物要能融入現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)體系，并利用上現(xiàn)有的收割、種植方法。”何翌告訴記者，“我們可以利用種不了糧食的地方——邊際土地來種植能源作物。”

事實上，原有農(nóng)業(yè)體系中的廢棄物也亟需找到利用的途徑。在國內，不論是東北、華北、華東、西南還是華南，農(nóng)業(yè)廢棄物的不合理焚燒早已是公認的事實，不僅造成環(huán)境污染，嚴重時甚至影響到民航的正常起落。盡管國家三令五申，一些地方政府還出臺補貼政策，阻止焚燒農(nóng)業(yè)廢棄物。“如果能把這部分農(nóng)業(yè)廢棄物利用起來，這不僅對國家是非常好的一件事，也能夠有利于農(nóng)民增收。”何翌說。“如何利用？只有通過商業(yè)化。”

除了農(nóng)林廢棄物，康泰斯還展開了對能源作物的研究。“生物燃料產(chǎn)量的最優(yōu)效率依賴于從單位生物量中最大化燃料產(chǎn)量和最小化能量輸入。”何翌說，“與農(nóng)業(yè)廢棄物相比，能源作物有一些明顯的優(yōu)勢。首先，能源作物具有更高的能量密度，并能有效地把邊際土地利用起來，甚至可以改量土地。同時，選擇合適的能源作物可有效減輕農(nóng)業(yè)廢棄物所面臨的存儲問題。”

“比如在中國北方農(nóng)作物一年耕種一季，使用農(nóng)作物廢棄物生產(chǎn)乙醇就需要把廢棄物收集儲存起來。”何翌認為，“原材料的來源會逐漸從農(nóng)業(yè)廢棄物逐步過渡到農(nóng)業(yè)廢棄物和能源作物并舉。”

據(jù)了解，康泰斯在意大利有60公頃的土地專門用來進行農(nóng)藝學的研究，包括對已有的農(nóng)作物和潛在的能源作物的篩選。比如對纖維高粱、蘆竹、柳枝稷等能源作物品種的選擇、種植、改良和收獲進行整套的研究。同時，康泰斯還積極在北美、中美和南美開展農(nóng)藝學研究，積極尋找當?shù)刈钸m合的能源作物。目前，康泰斯也計劃在中國展開類似的工作。

在世界各地尋找適于生產(chǎn)纖維素乙醇的能源作物意義重大。種植能源作物具有諸多優(yōu)點。第一，可以減少土壤流失，有利于保護生態(tài)環(huán)境。第二，通過形成可持續(xù)循環(huán)的能源利用方式，減少溫室效應。能源作物通過光合作用可以吸收大氣中的CO2，將其轉化為能量儲藏，并進一步被開發(fā)利用，從而良性消耗了社會經(jīng)濟發(fā)展與生活中產(chǎn)生的溫室氣體。第三，能源作物可以作為動物的飼料，而它們的生長區(qū)又可以作為動物的棲息地。第四，能源作物的種植又會帶動其他相關產(chǎn)業(yè)，如運輸業(yè)、服務業(yè)等，促進產(chǎn)業(yè)結構的調整，加速農(nóng)村城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程。

何翌告訴記者，“到目前為止，很多技術開發(fā)者都是針對某一種已有的原材料進行研究，比如有的專門針對玉米秸稈，有的專門針對玉米芯，有的專門針對木材。康泰斯的定位不同，我們的想法是，為全世界提供纖維素轉化的技術解決方案，那么開發(fā)出的技術要能夠在全世界開花結果，就要能夠適應全世界的資源。”

神奇預處理

纖維素質原材料進入工廠后，第一步就是預處理。不要小看這一過程，它卻是纖維素乙醇生產(chǎn)過程中影響投資成本和運行成本最關鍵的環(huán)節(jié)。“預處理過程把纖維素、半纖維素從木質素中游離出來，同時減少木質纖維素的結晶度，提高酶制劑的接及性。如果預處理效果不好，會直接影響后面的工序。首先，如果各組分分離得不好，在后面的酶解工序消耗的酶制劑就多，而目前酶制劑的成本仍然是纖維素乙醇生產(chǎn)成本的一個較重的組成部分。”何翌說。

他補充說，“同時，預處理過程還要兼顧到纖維素和半纖維素的利用率，以及抑制物的產(chǎn)生。纖維素和半纖維素的收率不高，就意味著后面可發(fā)酵性糖的收率不高，最終原料消耗大，而生產(chǎn)出的乙醇少。，而抑制物是對后面的工藝流程中加入的酶制劑和酵母是有毒的。”

在何翌看來，理想的預處理技術應該具備如下特點：

第一，對原材料的要求要盡可能低（種類、大小）。秸稈之類的纖維素質生物原材料要先粉碎到一定程度，才能進到設備里，比如有的技術需要把秸稈或者玉米芯切到幾個毫米，就要有磨的過程。對粉碎的粒度要求越細，投入的設備和能量就越多。

第二，理想的預處理過程應不需要額外的化學手段。許多技術在預處理過程中必須要借助酸、堿等來促進預處理過程，而所加入的酸、堿，在后續(xù)生產(chǎn)過程中又是不需要的，這就面臨要將這些酸、堿等物質分離出來、重復利用，而酸、堿又會造成對設備材料的要求也更高，增加技術的復雜性和投資成本。此外，酸、堿的加入也增加了三廢處理的難度。

第三，理想的預處理過程，產(chǎn)生的抑制物要盡可能少。抑制物產(chǎn)生得越多，后面需要的酶制劑和酵母就越多，生產(chǎn)成本就越大。

第四，理想的預處理過程，要能適應多種不同的原料。

康泰斯開發(fā)了自己的一種獨特的預處理工藝。“我們對原材料的要求粉碎到10～15公分就可以進行預處理，而且預處理過程不需要添加任何化學品，只需要蒸汽，這還可以循環(huán)利用，同時，我們的技術在預處理過程中抑制物產(chǎn)生水平非常低。”

經(jīng)過大量的研究和試驗，康泰斯已經(jīng)開發(fā)出一套工藝軟件模型，根據(jù)要處理的不同原材料的成分和特性，預測最合適的預處理操作條件。

“和很多同行不同，我們的研究不是針對某一種特定原料，而是希望所開發(fā)的技術能夠適應世界各地的廣泛的生物質原料。使用Pro.E.Sa技術，通過調整預處理的操作參數(shù)，不同的纖維素質原材料可以得到非常接近的預處理效果。”何翌認為，預處理技術的掌握，源于Chemtex和其母公司MG幾十年研發(fā)、工程和設計經(jīng)驗的積累。“我們借鑒了很多我們過去在纖維素、石油化工和聚合物領域的知識和經(jīng)驗。”

正是預處理技術具備的優(yōu)點——不添加任何化學品，使預處理過程中產(chǎn)生的抑制物水平低，得到的纖維素（六碳糖）、半纖維素（五碳糖）和木質素更加純凈，這就等于打開了另一扇門：將這些物質進一步深化加工成其他化學品。而康泰斯的下一步的目標就是，通過進一步開發(fā)研究，利用這一纖維素轉化技術轉化平臺，進一步開發(fā)出更有價值的可再生的化學品，用來替代許多來自石油的材料。

在預處理后的酶解環(huán)節(jié)，康泰斯也開發(fā)出具有競爭力的工藝和設備。“我們的酶解反應器中干物質濃度可以達到40%以上，酶的添加量也不需要增加。”何翌說，“高濃度酶解是實現(xiàn)高濃度發(fā)酵的前提，實現(xiàn)了高濃度酶解和發(fā)酵，即可以降低生產(chǎn)成本，同時可以使用尺寸更小的設備，節(jié)約一次性投資。”

據(jù)了解，第一代乙醇技術的發(fā)酵過程就是利用糧食中的淀粉，將淀粉轉化成六碳糖，而第二代乙醇技術預處理后出來的半纖維素是五碳糖，用傳統(tǒng)的技術無法發(fā)酵。而康泰斯的技術能夠同時利用六碳糖和五碳糖。何翌告訴記者，“即使有了合適的微生物同時發(fā)酵五碳糖和六碳糖，在盡可能短的時間完成濃度盡可能高的發(fā)酵仍然是個挑戰(zhàn)。”

“目前我們的發(fā)酵時間和第一代乙醇生產(chǎn)接近，發(fā)酵液中乙醇濃度已經(jīng)能達到8%以上，而且這一指標將很快隨著生物制劑的改進而提高。拿綜合收率說，現(xiàn)在只要4到5噸原材料如秸稈就可以生產(chǎn)一噸乙醇。”何翌掩飾不住驕傲，“原料消耗低，生物制劑消耗也低，設備投資也更低，意味著更好的OPEX和CAPEX。”