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行业动态燃料乙醇产业发展现状仉 磊，李纪红，李十中（清华大学核能与新能源技术研究院，北京 1 行业动态 燃料乙醇产业发展现状 仉 磊，李纪红，李十中 （清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084） 近年来，世界范围内对先进生物能源领域的关 注与投入达到了前所未有的高度，然而由于缺乏高 效的生物质转化及下游加工技术，使获得先进生物 能源的商业化产品仍然需要很长的路要走[1-2]。相对 于沼气、藻类生物柴油及其它种类繁多的概念性先 进生物能源，燃料乙醇具有生物发酵工艺成熟、生 产周期短、生产成本相对低廉的优势，因此其仍然 是目前最为现实可行的生物能源形式。以美国为例， 2011 年因其国内 139 亿加仑燃料乙醇的使用，使美 国减少了 4.8 亿桶石油的进口[3]。正因如此，美国 环保署（EPA）于 2012 年 4 月通过一项计划，进一 步提高汽油中乙醇调合比例，使先前的 10%（E10） 提高到 15%（E15），以供 2001 年及以后生产的汽 车和卡车使用[4]。此举意味着美国接近三分之二的 汽车都能够使用 E15，这足以证明乙醇汽油的安全 和效率。 结构复杂、稳定，使获得其可发酵糖的预处理工艺 相对复杂、成本高、效果有限，因此，截止 2011 年 底世界范围内仍未得到商业化纤维素乙醇产品[3，5]。 2 纤维素乙醇相关技术现状 转化木质纤维素中的纤维素及半纤维素成为 可发酵糖，如葡萄糖、木糖等，是纤维素乙醇技术 的关键步骤。木质纤维素具有结构复杂、稳定及抗 微生物降解的特性，目前已知的预处理工艺对其的 糖转化效率难以达到理想效果，使后续糖化步骤中 投入大量纤维素酶以维持较高糖化效率，纤维素酶 的大量使用使纤维素乙醇生产成本大幅提升[6]。此 外，除了六碳糖外，高效利用五碳糖才能使纤维素 乙醇在商业化大规模生产层面上具有实际意义[7]。 然而，自然界中高效乙醇发酵菌株几乎都无法利用 木糖，目前利用基因工程技术获得的微生物菌株的 五六碳糖共代谢效率仍然较低，距离工业化应用还 相去甚远[8]。目前纤维素乙醇生产工艺的复杂导致 高成本投入。2011 年美国能源部可再生能源实验室 NREL 发表了对 6 种不同预处理工艺生产纤维素乙 醇的评价结果，乙醇生产成本为 2.74～4.07 美元/ 加仑，其中原料成本在总成本的 45%～53%；除了 原料成本，固定资本投入每加仑 0.59～0.94 美元/加 仑，酶及化学品的成本在每加仑 0.3～0.5 美元[9]，与 美国能源部预期的 1.1 美元/加仑目标[10]相去甚远。 可见，缺乏具有高成本效率（cost-effective）的 木质纤维素预处理方法及高效共代谢五六碳糖的微 生物菌株，是目前纤维素乙醇技术无法商业化应用 的根本原因。 1 燃料乙醇生产技术 工业上，乙醇主要由酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）以可发酵糖（如葡萄糖、果糖及蔗糖） 为底物发酵生产。根据可发酵糖获得来源，可将燃 料乙醇生产技术分为：第一代常规生物燃料——“糖 -淀粉”乙醇；第二代纤维素乙醇。前者主要是以糖 （如甘蔗）或淀粉（如玉米）为原料。后者对农业 废弃物（如秸秆、玉米芯）及能源作物（柳枝稷） 中的木质纤维素进行预处理以获得葡萄糖、木糖等 可发酵糖，以其作为底物发酵生产乙醇。目前“糖- 淀粉”乙醇生产工艺相对成熟，在世界燃料乙醇供应 中起到举足轻重的作用，2011 年，世界燃料乙醇生 产大国——美国和巴西的几乎全部燃料乙醇皆以 玉米淀粉及甘蔗中的可发酵糖为原料生产而来，两 者乙醇产量之和为 5900 万吨占世界总产量 6700 万 吨的 88%[3]。第二代纤维素乙醇由于其原料——木 质纤维素是地球上已知的蕴藏量最为巨大的可利用 自然资源，且“不争粮，不争地”，成为当今世界投 入资源最多的生物燃料发展方向。然而木质纤维素 3 纤维素乙醇商业化探索 “A funny thing happened on the road to energy security via cellulosic biofuels...it didnt happen”[5]， 2011 年美国化学会旗下的环境领域的顶级期刊 Environmental Science and Technolog（EST）主编 Schnoor 在他的文章中表达了对纤维素乙醇的失望 ·1722·化工进展2013 年第 32 卷之情。这也是纤维素乙醇商 ·1722· 化 工 进 展 2013 年第 32 卷 之情。这也是纤维素乙醇商业化发展的现状。 2012 年 3 月一条新闻引人注目，尽管美国环保 署 EPA 已将 2012 年纤维素乙醇生产目标由 150 万 吨下调到 2.6 万吨，但是美国石油研究所 API （A