燃料乙醇木質纖維素原料潛力分析

董春麗 彭霞 魏擁輝

【摘 要】乙醇作為新能源，最大的優勢在于其屬于可再生能源。目前世界上利用發酵法生產乙醇的主要原料有谷物、薯類、糖料作物和植物纖維質原料。由于植物纖維質原料生產乙醇的工藝前景廣闊，并擁有巨大的資源優勢，近年來規模化生產技術研究進展迅速，文中主要介紹以玉米秸稈、玉米芯、麥稈、稻稈、板皮、紅麻、蘆葦、牧草等多種原料生產燃料乙醇進展及潛力分析。

【關鍵詞】纖維素；燃料乙醇；原料

纖維素原料在地球上含量極為豐富，是最具潛力的燃料乙醇生產原料之一。目前，木質纖維素原料主要有農作物秸稈、森林采伐和木材加工剩余物料、柴草、造紙和制糖過程中使用的原料或產生的富含纖維素的下腳料、城市生活垃圾的一部分等[1]。本文主要介紹以玉米秸稈、玉米芯、板皮、紅麻、牧草、麥稈、蘆葦、稻稈等多種原料生產燃料乙醇的技術進展及潛力分析。

一、木質纖維素原料燃料乙醇發展現狀

隨著社會經濟的快速發展和科學技術的不斷進步，能源供需矛盾日益突出，使得燃料乙醇的生產和技術研發工作日益受到人們的關注[2]。與糧食原料相比，木質纖維素原料具有更大的資源優勢和更深的開發潛力。以纖維質為原料生產乙醇不僅可以緩解當前世界的能源危機，推動農業的發展，又有利于減少霧霾、減少溫室效應等環境污染，因此，從可持續發展戰略角度考慮，大力發展燃料乙醇的生產對國民生產生活具有重要意義[3-4]。目前，燃料乙醇作為清潔能源得到了世界廣泛認可，隨著各國的重視和資金的投入，燃料乙醇得到了較快的發展。

二、木質纖維素原料燃料乙醇技術進展

1.幾種纖維素原料的組成成分

木質纖維素的結構比較復雜，其主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，以玉米秸稈為例，纖維素含量約為35～38%，半纖維素含量約為19～22%。纖維素與半纖維素被木質素包裹，分子內內含有大量的氫鍵，并具有高度聚合及結晶性，這些因素直接導致木質纖維素不易被分解，因此必須通過預處理技術將纖維素、半纖維素以及木質素分開，切斷它們之間的氫鍵，破壞晶體結構，降低聚合度，增大可及度，以提高水解效率[5]。

2.木質纖維素原料生產燃料乙醇技術進展

目前，纖維素乙醇的生產工藝按照預處理的方式目前主要有Beta-Renewables（意大利）公司的中性汽爆法，Dupont（美國）公司的氨爆法，稀酸汽爆法等工藝路線比較成熟。蒸汽爆破即將含有一定水分的原料通過蒸汽的作用在高溫高壓下處理一定時間后，突然降至常溫常壓，使纖維結構打開，增加纖維素酶水解的接觸面，同時纖維內部發生一定程度的機械斷裂。蒸汽爆破技術與傳統中性汽爆、氨爆等預處理技術相比，具有預處理后物料纖維素含量高、各組分結構斷裂程度大，反應條件更加溫和。表1列出了幾種木質纖維素原料經過預處理前后的纖維素（Cellulose）、半纖維素（Hemi-cellulose）、木質素（Lignin）的含量。

從木質纖維素的水解糖化方面來說，目前的采用的方法主要有酸解和酶解兩種，其中酸解對設備的材質要求較高，同時水解的效率不高，酸液回收困難和毒性物質較多。相比較而言，酶解的方法應用更廣一些，主要是酶對底物更為專一，產生的副產物更少，但對酶制劑的要求也相應更高，這是實現纖維素乙醇產業化的難點，所以酶制劑的開發和利用是降低生產成本的，同時如何更好的利用纖維素原料中的半纖維素也是技術研發的重點。表2列出了幾種木質纖維素的纖維素轉化率對比情況，纖維素轉化率以20%干物水解體系中10%加酶量所能達到的數值為依據。

3.木質纖維素原料生產燃料乙醇經濟分析

木質纖維素生產燃料乙醇的優勢在于原料資源廣且價格低廉，但同時種植規模不固定，加上地域原料差異導致運輸和收集成本上升，導致產業化生產燃料乙醇的成本較高。表3主要列出了不同原料每噸乙醇的單耗情況，從原料本身分析其經濟價值。

根據計算結果看，玉米芯單耗最低；秸稈、稻稈作為纖維素乙醇生產原料具有很高的成本優勢。

三、結論

通過分析結果表明，玉米芯單耗最低；秸稈、稻稈作為纖維素乙醇生產原料具有很高的成本優勢。但由于木質纖維素原料地域分布不同，其運輸成本及收集難度也大不相同，對大規模能源化利用造成制約。目前關于秸稈生產燃料乙醇的技術已逐步趨于成熟，但在降低成本方面還有待突破，建議繼續調研，尋找優質工藝來源，壓縮生產成本。

【參考文獻】

[1] 章克昌編著.酒精與蒸餾酒工藝學[M].中國輕工業出版社，北京，1995，1：21-23

[2] 宋佳鳴.生物質能源技術與經濟政策研究[D].安徽：合肥工業大學，2009：1-7

[3] 李彬. 乙醇燃料：汽油的真正終結者[J].科學（中文版），上海，2006（5）： 52-54.

[4] 高鳳芹等.木質纖維素乙醇的研究進展[D].農業科技與信息，甘肅，2009，8（4）：54-55.

[5] 馬現剛等.木質纖維素生產燃料乙醇的研究進展[J].天然氣化工，四川，2008，4（33）