关注生物炼制发展

wangshuisx

　　最近，美国生物工程学会（Society of Biological Engineering）在《化学工程进展》（CEP）上发表了一篇斯坦福研究所关于生物炼制的文章，该文从工艺过程经济学（Process Economics）的角度，较深入地对生物炼制的内涵以及相关技术和经济问题进行了探讨，颇有参考价值。现将其主要内容简介于下。



　　高级生物炼制已被设想作为新型生物产业的基础。通过开发新的化学、生物和机械技术，生物炼制大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段。

　　生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料。美国国家再生能源实验室（U.S. National Renewable Energy Laboratory, NREL）将生物炼制定义为以生物质为原料，将生物质转化工艺和设备相结合，用来生产燃料、电热能和化学产品集成的装置。

　　随着原油及天然气价格地不断上扬，生物基原料的竞争优势愈发显现。据统计，1995年美国玉米价格约为2美元/bu（蒲式耳） (1bu=35.24L, 下同)、原油为2.8美元/ft3（1ft3=28.3L,下同）、天然气为2.8美元/kft3，而2005年则分别为2美元、6.8美元和7美元。从价格比较看，玉米将成为重要的生物基原料。多数专家分析认为，矿物基原材料价格将长期居高不下。



生物炼制研究情况

　　未来的生物炼制将是生物转化技术和化学裂解技术的组合，包括改进的木质纤维素分级和预处理方法、可再生原料转化的反应器优化设计、合成、生物催化剂及催化工艺的改进。由木质素纤维制工业乙醇的生物炼厂正在开发上述技术，乙醇将成为高级生物炼制的主产品。

　　根据近来研究开发的不同情况，生物炼制分为3种系列：①木质纤维素炼制：用自然界中干的原材料如含纤维素的生物质和废弃物作原料；②全谷物炼制：用谷类或玉米作原料；③绿色炼制：用自然界中湿的生物质如青草、苜蓿、三叶草和未成熟谷类作原料。根据美国生物质规划，能源部将在2010年建成第一座基于农业废弃物的大规模综合性生物炼厂。

　　1999年成立的生物质加工应用联合体（CAFI）是政府投资的合作研究计划，重点是纤维素生物质的预处理技术开发，如Auburn大学的氨水循环预处理技术、达特茅斯学院 (Dartmouth College)的水和稀酸水解逆流和直流系统、密歇根大学的氨纤维裂解预处理技术、普渡大学（Purdue University）的可控制pH预处理技术及德克萨斯农业机械大学 (Texas A&M University)的石灰预处理技术等。

　　在生物质（如玉米秸杆）转化为生物基产品如乙醇的过程中，纤维素酶的费用占据重要位置。90年代后期，生产每加仑（1加仑=3.785L）乙醇所用纤维素分解酶的费用为5美元，而2003～2004年酶转化费用仅为原来的1/10，生产每加仑乙醇所需酶的费用降低到50美分。

　　高级炼制技术已成为学术界、政府部门和产业界的研究重点，美国能源部和农业部从2000年起共同投资支持创新性高级生物炼制项目如：

　　*综合玉米生物炼制：用玉米（包括秸杆、外皮、叶和玉米芯）作原料，生产燃料和增值化学品。2005年7月已制得所需要的酶，性能达到计划目标。

　　*以木质纤维素生物质为基本原料生产糖，进一步转化为燃料（如乙醇）和化学品（乳酸）。

　　*美国玉米种植者协会正在组织一个生物炼制项目，将玉米纤维进行分离，生产燃料和化学品。

　　*建立1座新型生物质转化中试工厂，开发新型淀粉和生物质加工工艺技术，提高乙醇收率。

　　当前欧洲也在开发生物炼制技术，奥地利、丹麦、德国、冰岛和瑞士等国都在进行基础性生物炼制技术的研究开发。荷兰于2003年开始一项4年的研发计划，内容是开发木质纤维素原料向乙醇、乳酸以及电力和热能转化的技术，该项目是由产业部门和研究机构合作进行的。欧盟委员会于2003年投资BREW计划，研究用可再生原料生产大宗化学品和化学中间体的应用生物技术。此项研究提出了一个有关技术建议的整体方案，涉及环境、经济效益及相关风险，由化学工业和研究机构的专家组成的工作组研究并提出未来10～20年甚至更长时期的发展建议。



生物质原料问题

　　生物质将为未来世界不断地提供可再生能源和材料。美国能源部提出到2030年生物质要为美国提供5%的电力、20%的运输燃料和25%的化学品，相当于当前石油消耗量的30%，每年需要用10亿t干生物质原料，是当前消耗量的5倍。要达到此目标，廉价原料的持续供应是关键。农作物废弃物生物质可作为近期生产燃料和化学品的纤维素原料。但是，必须要开发一个综合的原料供应系统，以合理的价格提供原料。

　　当前，玉米是工业应用的主要生物原料。2003年美国玉米生产量101亿bu，玉米炼制产品量约560亿lb。其中17亿bu玉米(相当于玉米作物的17%)用于生产淀粉、甜味剂、乙醇、饲料添加剂、植物油、有机酸、氨基酸和多元醇。在2004/2005年度，美国用14亿bu（12%）玉米生产乙醇34亿加仑，是2000年产量的2倍多。随着美国乙醇生产装置地不断增扩建，用作乙醇的玉米量将不断增加。

　　在美国，秸杆是最大量的生物质废弃物，每年约有2.2亿t，其中30%～60%(0.8亿～1.2亿t)可以利用。其组分是70%纤维素和半纤维素，15%～20%木质素。

　　美国为农业生物质原料供应而开发的实施计划的总体目标是能以30美元/t的价格售与生物炼制。当前生物质原料的售价大约为50～55美元/t。



工艺过程经济学问题

　　斯坦福国际研究所（SRI）的《Process Economics Program, PEP报告》对新型生物炼制的工艺过程经济学进行了估算。

　　全玉米生物炼制（whole corn biorefinery）的结构框图（见图1）。

　　从整体概念看，上述框图代表的全玉米生物炼制生产工艺是充分利用原料，生产高附加值的产品。玉米作物在收获时即进行分离，将秸杆与玉米分别送至炼厂，秸杆用稀酸预处理，使大部分半纤维素水解成糖，水解物料再进行纤维素糖化成葡萄糖，与其他糖一起进行发酵成乙醇，用蒸馏和分子筛吸附将乙醇纯度提高到99.5%。玉米棒及芯进行干磨，在生物炼制的另一部分进行糖化，所得水解玉米淀粉进行有氧发酵生成1,3-丙二醇(PDO)，再经回收和加氢精馏进行纯化，而干酒糟回收后作为副产品销售。

　　全玉米生物炼制界区内投资组成：回收及纯化27%、预处理和调节系统26%、蒸馏和脱水17%、有氧发酵14%、糖化及发酵11%、干磨及糖化3%、干酒糟回收2%。

　　此类炼厂与同规模的玉米湿法加工厂相比属于投资集约型装置，日处理2000t玉米秸杆和2000t玉米的全玉米生物炼制投资约4.5亿美元，60%是界区内投资，玉米秸杆预处理和调节系统投资大，因为用稀酸预水解，同时用过量石灰处理水解产物进行解毒，由于过程中的腐蚀性，需要用特殊结构材料（如Incoloy 825钢），PDO的回收和纯化过程投资较大。该过程类似于杜邦和AE Staley公司专利申请中所进行过程。

　　界区外投资约占总投资的40%，包括冷却水、蒸汽装置、洁净水、包装和废物处理等公用工程，还应有用作焚烧固体木质素副产物的焚烧炉，用透平发电机生产蒸汽和电力。过剩的电力可以销售。

　　在PEP报告中，PDO设定是玉米生物炼制的主要产品，乙醇和干酒糟为重要的联产物，按当前价格计，可从中取得13美分/lb的回报。木质素产量虽大，但价值很低，只能用它发电和生产蒸汽以取得相当补偿。

　　CO2是发酵的副产品，而这里所讨论的经济模式中并未提及CO2。

　　在全玉米生物炼制未经进一步优化的情况下，乙醇规模显得尤为重要，当前每加仑乙醇约1.07美元，能源部已将其作为2010年的目标售价。乙醇的价格受很多因素影响，包括税率减免、动力燃料对乙醇需求以及汽油价格。

   PDO是由葡萄糖发酵制备，葡萄糖是湿法玉米加工厂产品，而全玉米炼厂中则用部分水解玉米淀粉发酵生产，原料较便宜又省去了葡萄糖纯化工序，如果生物炼制与相关的公用工程和废料处理系统协调同步建设，生物炼制将展现其经济上的优势。据估算，在生物炼厂中1座2.4亿lb/a的PDO装置投资只相当于用葡萄糖作原料的3/4。

   由于全玉米生物炼制投资大，迄今为止尚未建成1座工业化装置，可能会在现在玉米加工厂扩改建时进行考虑，尽量利用现有乙醇加工设备和公用设施，这对玉米加工厂的产品多样化十分有益，这类装置生产的利润率与乙醇和饲料等大宗产品的市场和价格浮动影响不大，重点应是新产品如PDO的市场开发。

   玉米加工厂转为全玉米生物炼制的主要技术变化在于增加加工木质纤维素材料的可能性。但迄今为止，哪种技术比较适用尚不明朗。现在的生物炼制模型是用稀酸预处理，再用过量石灰解毒，此工艺产生大量废渣，最近美国NREL有中试厂改进了此工艺过程，还有一些工艺极具工业化应用潜力，其中欧洲和加拿大的蒸汽裂解原来是用于纸浆厂，现在看来有可能扩大利用到其他工业上。还有一些玉米转化技术可望组合到这类全玉米生物炼制模式中，其中有些技术已在工业规模上实施，处于不同的技术阶段，相关技术大致有以下几种：

   *糖平台技术：从木质纤维素生物质分离出糖。用稀酸水解半木质素纤维生成5碳糖和6碳糖，但其副产品对发酵微生物有毒。

   *发酵技术：将糖或混合糖转化生成燃料和化学品，已开发了转化混合糖为乙醇的酶，用基因组合方法可以有效地转化水解玉米淀粉在有氧条件下生成PDO。

   *研磨技术可以粉碎玉米芯，生成糖，同时开发了淀粉液化和糖化技术。

   该文是从可再生资源工业应用的角度讨论生物炼制问题，虽是应用了工艺过程经济学观点进行评估分析，但是炼厂是以化学品为主产品，其中生产乙醇亦只作为主产品的副产物，因此，在炼厂效益评估中，只做了经济效益的评测，以及副产品回收对主产品成本的影响。可以明显地看出，该文作者着眼点是在可再生资源作为工业原材料的综合利用。如果要从能源的层次上考虑，可再生能源替代不可再生的矿物能源，则必须要考虑将可再生资源转换成替代能源时，需要投入多少矿物能源，即可再生资源转换成能源材料的能源效益、投入能源与产出能源的能效比。(朱曾惠  编译）



化石资源日渐匮乏 生物炼制浮出水面--生物质资源利用备受关注

   石油价格持续高位，一次性能源日渐枯竭，环境恶化带来的生存危机，使得人们的目光再一次聚焦到可再生资源，而生物质资源以其现代技术的高效利用成为备受关注的亮点。早在20世纪70年代的全球能源危机中，美国和巴西以玉米和甘蔗为原料生产的燃料乙醇崭露头角，欧洲以菜籽油生产生物柴油。而今，从欧洲大陆到美洲再到中国，生物炼制技术正旭日东升，人们在煤、石油等化石资源之外看到了化学品、燃料和聚合材料新的源头，并从中窥视到一片生机盎然的绚丽前景。本刊在“聚焦生物质资源的化工利用”专题的开篇，采访了中国工程院院士、南京工业大学校长欧阳平凯教授以及北京化工大学生命科学与技术学院院长谭天伟教授，请他们就国内外生物质资源利用引发的热潮进行了详细的阐述。