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木质纤维素生产燃料乙醇的研究现状

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    木质纤维素生产燃料乙醇的研究现状摘要:介绍了近年来国内外木质纤维素生产燃料乙醇的技术现状。评述了纤维素原料生产乙醇的预处理及水解为葡萄糖和发酵成酒精的各生产工艺。分析了各工艺的技术特点和经济性。提出应进一步加强纤维素生产燃料乙醇的研究。经济社会的发展以能源为重要动力,经济越发展,能源消耗越多。到2059年,也就是世界上***口油井开钻200周年之际,世界石油资源大概所剩无几[1]。而生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能,***有可能成为21世纪主要的新能源之一。据估计,植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍;而作为能源的利用量还不到其总量的1%。专家预测,生物质能源将成为未来持续能源重要部分,到2015年,全球总能耗将有40%来自生物质能源。然而燃料乙醇的生产如均以糖类或粮食为原料,其产量受到粮食资源的***,难以长期满足能源需求。从长远考虑必须进行科技创新,扩大原料来源。含木质纤维素的生物质废弃物是生产燃料乙醇的另一原料来源,它包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质等[2]。国内外专家对木质纤维素原料转化为乙醇燃料进行了大量的研究。木质纤维素转化为乙醇的步骤主要分为两步:纤维素水解成糖,糖发酵成醇。由于木质纤维素结构复杂,纤维素、半纤维素不但被木质素包裹,而且半纤维素部分共价和木质素结合,纤维素具有高度有序晶体结构.因此必须经过预处理,使得纤维素、半纤维素、木质素分离开,切断它们的氢键,破坏晶体结构,降低聚合度,以提高水解效率。表1列出了几种木质纤维素中纤维素、半纤维素和木质素的含量[3]。1燃料乙醇的生产现状2001年世界乙醇年产量达314亿升,其中近200亿升为燃料乙醇,约占乙醇总量的63%。各大洲的产量分别为:美洲205.7亿升,欧洲41.5亿升,亚洲5.3亿升,非洲5.3亿升,大洋洲1.8亿升[4]。不难看出,美洲在乙醇的生产上仍然是世界乙醇生产的领头羊,同样在将纤维质转化为燃料酒精的研究、生产和应用方面,巴西和美国也走在了世界的前列。在美国,政府积极鼓励燃料酒精的生产和使用。在政府的大力倡导下,酒精燃料在美国的燃料市场上的份额已达到8%。1998年10月***家商业性转化纤维质为酒精的工厂由BCInternational在路易斯安那Jennings开始破土动工,该厂以蔗渣和稻壳为原料,年产酒精20×106加仑。1998年的12月,美国路易斯安那州的一家名为国际生物燃料的公司,宣布他们将利用申报了的专利技术,以纤维质为原料大规模生产酒精,预计年产量为2500kt。除此之外,加利福尼亚和纽约用城市垃圾生产酒精的建厂计划亦在进行中[5];在巴西,酒精工业是国民经济的支柱,他们利用榨汁后的蔗渣发酵燃料酒精。到目前为止,巴西所产汽车90%采用酒精燃料发动机,全国一半多的交通工具使用的是酒精燃料。日本的研究者对纤维素的酒精发酵也作了大量的研究,日本通产省从1980年起制定了生物质燃料化的七年研究开发计划,并设置了生物质研究委员会,经费预算总额为260亿日元,其中技术开发费用达124亿日元。日本工业技术研究院微生物工业研究所从1979年起,开始进行稻草、废木材能源化的研究,目的是降低成本、进行工业化生产,***今酒精发酵技术已基本完善。英、法、印度等国也都在计划生产燃料酒精。综上所述,在国外,以纤维质为原料生产酒精费正逐步走向一个技术成熟的阶段[6,7]。与美国等国家相比,我国的燃料乙醇生产只是在近几年才受到政府高度重视,起步较晚,但是自2000年以来,我国推广使用车用乙醇汽油工作取得了很大进展。目前,我国推广使用车用乙醇汽油工作已取得阶段性成果[8,9]。2001年4月,河南天冠集团公司和黑龙江华润金玉实业有限公司老厂变性燃料乙醇改扩建项目已相继投产[10],吉林省新建60万吨燃料乙醇项目在2001年9月22日正式开工建设。但对以纤维素为原料生产酒精的工艺条件的研究还不成熟。虽然中国科学院早在1980年就在广州召开了“全国纤维素化学学术会议”,把开发利用纤维素资源作为动力燃料提到议事日程上来,但是到目前为止,仍没有取得重大突破,天然纤维素转化为酒精的新型开发技术在工业上尚未大规模实施,其工艺技术的改进和基础理论的研究仍在进行之中。因此在我国以纤维质废物为原料生产酒精仍需进一步的深入研究。