燃料乙醇
燃料乙醇，又叫生物乙醇，是指通过生物处理过程得到的乙醇。如今乙醇已有95%是生物乙醇，只有5%是由原油、天然气或煤炭生产的。目前，乙醇生产主要以淀粉类（粮食作物为主，如玉米、木薯等）和糖类（如甘蔗、甜菜等）作为发酵原料，采用微生物法发酵生产乙醇技术已成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮或与粮争地等弊端，因此寻找新的原料势在必行。
纤维素（cellulose）是地球上最丰富的可再生资源，据测算年总产量高达1500×108t，其中蕴储着巨大的生物质能。我国每年作物秸秆（如稻草、麦秆等）的产量可达7×108t左右（相当于5×108t标煤）。纤维素是一种多糖物质，每个纤维素大分子是由n个葡萄糖残基（葡萄糖酐），彼此以1-4甙键（氧桥）联结而形成的。如图16.1所示。
图16.1 纤维素结构示意
纤维素在常温下不发生水解，高温下水解也很缓慢。只有在催化剂的作用下，纤维素的水解反应才显著进行，常用的催化剂是无机酸或纤维素酶。纤维素酶在生物乙醇转化过程中起着非常重要的作用，可将纤维素、半纤维素水解成葡萄糖，为转化为乙醇提供丰富的底物；自然界中的酵母和少数细菌能够在厌氧条件下发酵葡萄糖生成乙醇。其中，纤维素酶水解方程式如下（牟晓红，2009）：
木霉生物学
利用纤维素酶将天然纤维素降解成葡萄糖的过程中，必须依靠纤维素酶的3种组分协同作用完成，即纤维素大分子首先在内切型-β-葡聚糖酶（EC3.2.1.4，也称Cx酶、CMC酶、EG）和外切型-β-葡聚糖酶（EC3.2.1.91，也称Cl酶、纤维二糖水解酶或CBH）的作用下降解成纤维二糖，再进一步在纤维二糖酶（EC3.2.1.21，也称β-葡萄糖苷酶或CB）作用下生成葡萄糖。
目前，国内外以植物纤维素为原料生产燃料乙醇的各种工艺中，主要有四种糖化发酵工艺，分别是分段糖化与发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和联合生物加工工艺（CBP）。SSCF工艺可以在同一发酵罐中同时进行纤维素酶水解和C5糖和C6糖的发酵，该工艺不仅有利于缓解葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用，节省设备投资，还有利于发酵液中乙醇的积累，提高发酵液中最终的乙醇浓度，降低乙醇回收单元中乙醇蒸馏的能耗，大幅度降低生产成本。利用纤维素生产生物乙醇的同步糖化共发酵过程图如图16.2（Carlos Sáez，2000）。
许多微生物都会产生纤维素酶，但最适合于水解纤维素的酶来自于木霉。T.reesei是世界上研究和应用最广泛的纤维素酶工业微生物，它的优点在于它的酶系纤维素酶活性高并且能生产大量的胞外蛋白，它的酶系中60%以上的蛋白是外切酶（CBH），对于结晶性纤维素有很强的降解能力。
图16.2 纤维素原料生产乙醇示意
1998年，南京林业大学在黑龙江建成了完整的植物纤维生产燃料乙醇中试生产线，该生产线日处理农林植物纤维5t（日产乙醇0.8t）。风干植物纤维经蒸汽爆破预处理，纤维素酶制备所用菌株是T.reesei和酵母菌NL05，纤维素酶的制备在20m3的生物反应器中进行，T.reesei以汽喷料为碳源，在一定的搅拌速度和通风量下合成纤维素酶，完成一个产酶周期后酶液用于剩余汽喷料的水解。植物纤维的酶水解在2台32m3的反应器中进行，每天取汽喷料的10%用于纤维素酶的制备，产生的纤维素酶酶解剩余90%的汽喷料。酶解温度（50±1）℃、酶解初始 pH 值4.80。戊糖己糖同步乙醇发酵菌株是毕赤酵母NL02，酶水解液的乙醇发酵在一台5m3的发酵罐中进行。植物纤维汽喷料在纤维素酶的作用下降解成单糖后，经过压滤和洗涤得到一定浓度的水解糖液，水解糖液中的戊糖和己糖被酵母在限制性供氧条件下同步发酵成乙醇。
美国能源部与诺维信合作，投资3000万美元进行纤维素水解酶的开发，研究将玉米秸酶解成糖，再发酵制乙醇；还与DOE合作建设年处理玉米秸200t、生产燃料乙醇6900gal的中试装置，其生产技术分以下几步：先将玉米秸粉碎，用1.1%硫酸预处理；然后加木霉纤维素酶糖化36 h，使纤维素90%转化成葡萄糖；将糖浆冷却至41℃，连续发酵得到浓度为7.5%的乙醇；经蒸馏分子筛吸附脱水，生成99.5%乙醇，废渣经干燥用作燃料。
另外，Stevenson等（2002）报道了利用木霉直接发酵纤维素生产乙醇的方法，这更扩展了木霉发酵生产乙醇的途径。他们从牛粪中分离到一株木霉菌A10，该菌株在厌氧条件下可以将纤维素或者糖类物质直接转化为乙醇，在纤维素含量为50g/L的MM培养基中厌氧培养，乙醇产量为0.4mg/L，通过优化培养条件，采取分阶段预培养和深层厌氧培养后乙醇产量可达2g/L，以葡萄糖作为碳源乙醇产量最高可达5g/L，但以木糖作为碳源，乙醇产量最低。
燃料乙醇会是生物质能的翻身战吗？
2017-05-01 20:00
新型生物质能一般是指对应化石燃料的甲烷、乙醇和生物柴油及其类似燃料，应用方向主要有发动机燃料替代、生物质能发电以及化工替代原料。有一些热词“秸秆制沼气”、“地沟油制柴油” 一个个跌下神坛，人们看重生物质能的地方是，它既是燃料替代品，也是生活废料的处理站，但人们不断希望着，也不断失望着。
曾经风靡一时的沼气循环
地沟油是流向了工厂还是餐桌？
但是，燃料乙醇给生物质能的应用带来了希望。乙醇首次得到广泛的工业应用，就是作为汽油添加剂出现。乙醇汽油抗爆性、含氧量和环保型上比普通汽油优异，在燃烧值，动力性和耐腐蚀性上有诸多不足。因为国家强制性的尾气排放标准，尽管遭到车主“减量不减价”的吐槽，E10的乙醇汽油还是在全国范围内得到了推广。
乙醇与烃类的氧化燃烧反应
与质量接近的烃类相比，乙醇的氧化反应，需要氧气少，燃烧更完全，尾气少，发动机积炭也会少；但是碳源就会减少，单位能量少，还要考虑到醇类燃烧的热值不足，加上汽化吸热量大，所以导致乙醇相对烃类动力不足。关于中国汽油“减量不减价”的说法，必须要解释一下，事实上乙醇汽油成本比过去的93#系列更高，涨价应该也是可以理解的。但为什么会引发大家吐槽呢？我认为，这源于“几桶油”的价格不透明、盈利不公开，存在贪污腐败以及吃空饷的现象。这是民众对于国资垄断行业的基本不信任，这属于人民内部矛盾，不应该当作乙醇汽油产业的污点，更不该用来否定乙醇汽油的推广政策。
让人爱恨交加的三桶油
乙醇汽油推广政策施行10年后，到2016年，中国已成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国。但中国的燃料乙醇年产量仅为250万吨（来源中国国家能源局），调合汽油2500万吨，但仅占当年全国汽油总消费量的20%，中国乙醇产业规模只占全球的3%，远远落后于美国和巴西。市场需求表明，中国燃料乙醇是供不应求的，如何提高乙醇产能是近期整个行业的主要任务。
另一个方面，中国陈化粮库存的近年来一直居高不下，而前些年中国科技界对淀粉类粮食转化乙醇的技术研究也基本成熟，这样市场需求、社会需要和技术支撑完美的结合在一起，催生燃料乙醇产业的高速发展，同时也带动上线产业—农业耕地的合理利用。
燃料乙醇产业会改进农业抛荒问题吗？
乙醇产业能否让陈化粮远离餐桌？
但是市场讯息万变，未来几年内，当陈化粮库存耗尽，E10、E15、E20，甚至是E85逐步推广全国，乙醇产业一定会侵吞更多的食用粮食，并且刺激非农粮业的不合理耕种，导致粮食生产单一化、食品工业危机甚至粮食危机的提前爆发。
农业产业与油企的矛盾
所以粮食制乙醇的产业机制应该不提倡，产量也必须限制，政策补贴应该适当减少或者取消。相比之下，另一条路——纤维素制乙醇是更合理的循环经济模式。
纤维素生物质的碳循环经济
植物废料，如秸秆、草杆的主要成分——纤维素，一直以来都是以焚烧肥地的方式参加到农业循环中，造成了严重的大气污染。而现在的技术可以让它摇身一变，成为生产能源的原材料，其他的的副产物也可以回到农业循环中。这种生态循环是最健康的循环机制。
这是反应式的简化，事实纤维素转化乙醇的工业方式单一、产能有限、效率低下、能耗和水消耗量非常大，高效纤维素酶未能工业化，微生物降解更是在实验室阶段。这一系列导致燃料乙醇无法得到量产，我们国家也面临这样的抉择——到底是大力发展现在低效模式还是减缓推广力度？
纤维素乙醇的技术整合
美国的经验是可以借鉴了，但是美国人均可耕地面积、粮食产量和淡水资源都是远超中国的，一定程度上，他可以一边发展粮食制乙醇，一边研究纤维素制乙醇，将汽油中的乙醇含量逐步提高。中国更加恶劣的资源环境条件，要求我们更合理更科学地完善乙醇产业，一边限定粮食制乙醇的产量，一边研究纤维素制乙醇，将E10汽油缓慢推广。
产粮大国-美国有更多的乙醇原料
这方面的科技水平，中美差距并不是很大，但中国的环境更迫切地要求纤维素乙醇技术的进步。只有技术革新，带动市场推广，带动粮食合理生产，推进产业的生态循环，才是燃料乙醇的根本出路，而不是单靠政府补贴和强制性的推广。
农业物联网技术将合理化燃料乙醇的产业结构
尽管诸多技术难题亟待解决，市场规范也需要完善，但是瑕不掩瑜。燃料乙醇将是清洁能源的代表——退，可以立足于乙醇汽油的现状；进，可以展望未来汽油的完全替代。在它的带领下，不久的将来，生物质能的开发一定可以与风能太阳能的利用平分秋色。
清洁能源-燃料乙醇
生物质能的主要利用形式包括直接燃烧和发电、生物质裂解与干馏、生物质致密成型、生物质气化及发电、生物质热解液化、燃料乙醇、生物柴油 、能源作物。
1、直接燃烧和发电：直接燃烧大致可分炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧和致密成型燃料燃烧四种情况。我国小型生物质燃烧发电也已商业化，南方地区的许多糖厂利用甘蔗渣发电。广东、广西两地共有小型发电机组380台，总装机容量达800兆瓦，云南省也有一些此类电厂。
2、生物柴油：目前我国生物柴油研究开发尚处于起步阶段。先后有上海内燃机研究所和贵州山地农机所、中国农业工程研究设计院、辽宁省能源研究所、中国科技大学、河南科学院化学所、华东理工大学、云南师范大学农村能源工程重点实验室等单位都对生物柴油作了不同程度的研究，并取得可喜的成绩。
3、生物质致密成型：致密成型燃料燃烧是把生物质固化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，主要优点是将分散和疏松的生物燃料进行集中和加密，以便于储存和运输，使之成为便捷和清洁高效的能源。主要缺点是生产成本偏高。
4、生物质气化及发电：我国已开发出多种固定床和流化床小型气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝等为原料生产燃气，热值为4～10兆焦／立方米。
目前用于木材和农副产品烘干的有800多台，村镇级秸秆气化集中供气系统近600处。兆瓦级生物质气化发电系统已推广应用20多套。“十五”期间，按照国家高科技发展计划（863计划）已建成4兆瓦规模生物质气化发电的示范工程。
5、能源作物：能源作物种植是近期发展起来的新型产业，是随着生物质能开发与利用的不断深入和扩大逐步形成的。能源作物是指各种用以提供能源的植物，通常包括速生薪炭林、能榨油或产油的植物、可供厌氧发酵用的藻类和其它植物等。
许多能源作物是自然生长的，收集比较困难。现在人们有意识地培育一些能源作物，经过嫁接、驯化、繁殖，不断提高产量，以满足对能源不断增长的需要。甜高粱就是一种很好的能源作物。
所谓生物质能（biomass energy），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。但目前的利用率不到3%。目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。
加拿大亚伯达可再生柴油示范基地（ARDD）发布的一份研究称油菜子可作为寒冷天气用可再生柴油的生产原料。“ARDD的研究表明油菜子生物柴油及相关混合物尤其适合在寒冷的冬天使用”，研究中油菜子可再生柴油的混合比例为冬季月份2%，春季和夏季月份5%，而油菜子可再生柴油则由75%的菜子油和25%的动物脂组成。混合柴油在低温下没有表现出任何异常。
而诺维信公司、中粮集团日前与中国石化集团合作的开发利用农作物废料玉米秸秆生产第二代燃料乙醇的项目则把我国生物质能的开发推向了规模化商业生产的流程。与石油燃料相比，第二代燃料乙醇能将温室气体排放量至少降低90%。纤维素燃料乙醇只需耗用极少或者根本无需使用矿物燃料，并能够向电网供电，这对于降低空气污染、缓解能源压力有重大意义。
随着城市规模的扩大和城市化进程的加速，世界城镇垃圾的产生量和堆积量逐年增加。1991年和1995年，仅我国工业固体废物产生量分别为5.88亿吨和6.45亿吨，同期城镇生活垃圾量以每年10%左右的速度递增。1995年中国城市总数达640座，垃圾清运量10750万吨。而且这些垃圾的构成已呈现向现代化城市过渡的趋势，有以下特点：一是垃圾中有机物含量接近1/3甚至更高；二是食品类废弃物是有机物的主要组成部分；三是易降解有机物含量高。这些特点给我们留下了很大的研究和开发利用的空间，技术成熟后，不仅可以有效缓解城市能源危机，还可以解决城市垃圾问题，保护环境。
我国重庆一座垃圾发电厂装备了国产的焚烧炉。焚烧炉是垃圾发电核心设备，国产焚烧炉更适合国情——发达国家早已实现了垃圾分类，而我国的垃圾中，菜叶剩饭和废布料、纸片等混在一起，国产的焚烧炉就是为混合垃圾量身打造。
该垃圾发电厂负责人称，电厂现在每天可“吃掉”1500吨垃圾——这是主城日产生垃圾总量的近五成，一年发电超8000万千瓦时，年利润达到4000万元左右，可满足近5万户居民的用电需求。
世界各国在垃圾发电方面的投入越来越大，技术也慢慢成熟，这在未来的城市生活中，不仅解决了垃圾处理的难题，更为人们提供了新的能源来源！
