纤维素乙醇以非粮作物为原料，解决了生物燃料与粮食争地，与人争食的问题，被称之为第二代生物燃料，但从生产成本上看仍属高风险投资。预计至2030年具有竞争性。文章介绍了我国的科技支撑计划及纤维素乙醇项目的发展概况。

　　与使用粮食作物为原料的第一代生物燃料不同，第二代生物燃料以秸秆、草和碎木等农业废弃物或非粮作物为主要原料，故又被称为纤维素乙醇，或非粮生物燃料。

　　与第一代生物燃料相比，第二代生物燃料具有非常大的优势。首先，汽车发动机不需要改造就可以直接使用掺人了生物乙醇的汽油或柴油；其次，生产第二代生物乙醇的催化酶技术未来几年成本还将快速下降，大规模工业生产的可行性很强；第三，秸秆等纤维素类农业废弃物大量存在，譬如我国每年农业生产大约产生7亿t秸秆，供给非常充足。而且从长期来看，其生产废弃物还可能用来生产生物高分子新材料。

　　1 第一代与第二代生物燃料的经济性比较

　　植物纤维转化为液体燃料可以通过两条途径——热裂解和生物转化。

　　科学家曾通过强酸、高温来分解纤维素成单糖。然而由于经济问题，该工艺一直没被传统化工业所采用。过去的35年间，科学家们开展了大量的以纤维素类资源酶法生物转化生产乙醇或其它化学品的技术研究，已经掌握了如何将这些生物系统和酶转化成为非常有用的工业手段，用以代替低效、有毒的化学处理工艺。与传统化学工艺相比，基于天然酶系的处理工艺，可在更低的温度下产生更少的有毒废物和能量消耗。但从整体来看，目前纤维素乙醇生产技术尚未完全成熟，生产成本还比粮食乙醇高。纤维素乙醇生产成本较高的部分原因是，目前研究中的木质纤维素类物质转化为燃料和化工原料的加工过程复杂，而目标产物单一。

　　最近的谷物价格上涨使第一代谷物乙醇生产成本与第二代生物燃料相接近。美国化学工业学会于2007年8月出版的《生物燃料、生物产品和生物炼制》一书作出了如此判断。爱荷华州立大学机械工程系的研究人员对从淀粉和纤维素材料生产液体燃料的投资和操作成本进行比较。研究表明，对于1.5x108USRal(5.68x108L)汽油当量规模装置的投资费用，常规谷物乙醇装置为1.11亿美元，先进费—托法合成装置为8.54亿美元。然而，其最终燃料成本的差别不是很大，当谷物成本为3.00美元／bu(1bu=35.238L)时，谷物乙醇成本为1.74美元／L。而生物质成本为50美元／t时，纤维素生物燃料成本为1.80美元／L。

　　研究表明，虽然谷物乙醇与纤维素生物燃料的生产成本可以相对比较，但纤维素生物燃料工厂的投资成本要高出许多，目前仍会影响到商业化。

　　应当看到，乙醇的体积热值不如汽油大，因此它常以能量含量来度量，而不是以体积量来衡量。但是，植物科学家KenVogel的研究发现，纤维素乙醇实际上产生正向的净能量。在美国内布拉斯州农业研究服务中心所作的研究中，KenVogel计算出生产纤维素乙醇的全部用能。这一研究包括生产拖拉机使用的能量、制取农田植物种子使用的能量、生产除草剂使用的能量、生产化肥使用的能量和收获过程使用的能量。研究表明，纤维素原料生长使用1个单位的能量，可得到近5.5个单位价值的乙醇。它比从谷物生产乙醇的效率甚至更高。纤维素乙醇排放的温室气体二氧化碳比谷物基乙醇少得多。纤维素乙醇排放二氧化碳比一般的汽油要少80%，而谷物基乙醇仅少20%。从诸多效益可以见到投资纤维素乙醇的发展机遇。

　　从转化途径看，从木质纤维素原料生产生物燃料至少可通过2种已处验证阶段的加工途径：

　　(1)生物化学途径——将酶和另一种微生物用于将原料中纤维素和半纤维素成分转化成糖类，再发酵用以生产乙醇；

　　(2)热—化学途径——采用热解／气化技术生产合成气(CO+H2)，从合成气再转化生产宽范围的长碳链生物燃料，如合成柴油或航空燃料。

　　并不是只有这2种第二代生物燃料途径，另外几种替代方案也在实验室和中试阶段，其中包括生产二甲醚、甲醇或合成天然气等。

　　根据一些公司开发第二代生物燃料装置的计划，如果验证成功，第一批商业化规模投运可望最早在2012年前。然而，考虑到技术和经济上的挑战，第一批商业化规模装置大量发展很可能推迟到2020年前。

　　生物燃料生产成本因不同路径而变。据美国能源部估算，第二代生物燃料商业化规模生产成本为：生产1L汽油当量乙醇时为0.80—1.00美元，以及生产1l柴油当量合成柴油时至少为1.00美元。汽油或柴油价格随原油价格而异，原油价格若按100-130美元／bbl计，第二代生物燃料投资仍属高风险投资。

　　将2006年第二代生物燃料生产成本范围用石油燃料价格与原油价格进行关联，同时做2030年预测。如果2020年后第二代生物燃料商业化能快速发展，则到2030年乙醇和合成柴油的成本可望降低至2.08-2.27美元／USgal(0.55-0.60美元/L)。乙醇成本将可望在70美元／bbl(2008年美元基准)，合成柴油和航空燃料可望在80美元／bbl，而具有竞争性。

　　美国Novozymes公司在2007年3月下旬召开的第四届世界工业生物技术与生物加工年会上，提出纤维素乙醇经济性生产的5条策略，包括：(1)继续资助研发(尤其在生物质转化和商业化工艺技术开发领域)；(2)建立灵活的试验和开发中心，按地域分布，应用多种类型生物质原料，并将各种工艺(预处理、水解和发酶)加以组合；(3)通过改进农业实践(生物质的选样和收获)及预处理方法，以科学地推进成本的降低；(4)科学地改进生物技术(包括酶技术、新陈代谢工程和新的分离方法)；(5)通过国家政策机制持续支持生产实践(包括资金资助、鼓励政策和税收优惠减免)。

　　2 我国纤维素乙醇开发进展和前景

　　我国《可再生能源中长期发展规划》指出，今后将不再增加以粮食为原料的燃料乙醇生产能力，积极发展非粮生物液体燃料。从长远考虑，要积极发展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。到2010年，非粮原料燃料乙醇利用量达200万t／a；到2020年，达1000万t／a。

　　秸秆发酵生产燃料乙醇与用粮食转化乙醇相比，能节约大量粮食，有利于国家粮食安全。目前，每生产1t乙醇要消耗玉米3-4t。而我国目前大约年产生农作物秸秆逾6亿t，除少量用作青储饲料和燃料外，大量秸秆成为农业废弃物。

　　有关研究指出，随着以基因技术为代表的现代科技的推广应用，纤维质生产乙醇在未来10年内有望完成工业化进程。纤维质是地球上资源量最丰富的可再生资源，主要包括草、甘蔗、红薯等不与口粮争地、争水的高产、高糖或耐早、耐碱经济作物，还包括秸秆、农作物壳皮、树枝、落叶、林业边脚余料和城乡固体垃圾。据测算，我国每年秸秆资源若有一半转化为乙醇，其数量就可以超过我国汽油消费量的1.2倍以上。

　　国家出台不再批准新建粮食乙醇项目的规定后，业界发展纤维素乙醇的热情骤然升温。但目前纤维素酶的高成本、低效率成为妨碍纤维素酶法生物转化技术实用化的主要障碍。曾经首创“木糖—酒精联产”生物炼制模式的山东大学微生物国家重点实验室指出，构建纤维素资源的生物炼制模式，必须学习石化工业的发展经验，打破用生物质单纯生产单一产品的传统观念，充分利用纤维原料中的每一组分，将其分别转化为不同产品，以此解决纤维素转化技术经济效益不过关的问题。

　　2.1 纤维素乙醇开发进展

　　我国多家企业和研究机构在开发纤维素乙醇方面取得了可喜进展。表1列出了我国秸秆制乙醇中试和生产装置。

　　河南天冠集团承担的河南省重大科技专项3000t／a秸秆纤维乙醇关键技术研究及产业化示范项目于2009年6月底通过专家验收。这是国内首条秸秆纤维乙醇工业化生产示范线，现已投入运行。其产出的秸秆纤维乙醇，产品质量合格率达到100%，项目整体技术水平处于国内领先地位。专家认为，该项目在纤维素酶和糖化设备研制开发等方面取得了重大突破，具备了产业化生产条件。该项目在以下方面取得进展：一是开发了原料预处理新工艺，秸秆预处理后发酵单糖的得率提高到44.5%；二是选育出了纤维素酶生产菌株和半纤维素酶生产菌株，建立了酶生产车间，进行了工业化生产；三是开发了适宜规模化生产秸秆纤维乙醇的关键工艺及糖化设备，乙醇糖化用酶量已降低至原来工艺的1／3；四是成功选育驯化了可同化木糖生产乙醇的菌株，其发酵性能得到大幅度提高，糖醇转化率已提高到45%以上，耐乙醇能力已提高到12%以上；五是申请发明专利4项，并得到国家知识产权局的受理，完成研究成果论文6篇，培养了一支近100人的专业技术人员团队。

　　天冠集团1万t／a纤维乙醇一期产业化示范项目已累计完成投资6600多万元，首批纤维乙醇产品于2008年6月中旬产出，进入试运行阶段。自1997年以来，天冠集团与多所高校联合攻关，致力于纤维乙醇生产关键技术和产业化示范，先后完成了小试及中试工艺研究，建成了300t／a中试生产线并保持连续运行，多项纤维乙醇关键技术取得突破性进展。通过十多年的研究开发，天冠集团已经掌握并拥有了具有多项自主知识产权的成套纤维乙醇生产技术。如今，纤维乙醇生产的经济性有了较大提高，纤维素酶的生产成本降低，农作物秸秆原料预处理工艺也已基本成熟。在2007年10月份由国家发改委、财政部组织的全国纤维乙醇项目示范评估中，高居全国第一名。

　　2.2 国家科技支撑计划

　　秸秆乙醇关键技术研究及产业化示范项目已于2008年6月上旬获得科技部批复，列入“十一五”国家科技支撑计划组织实施。该项目旨在通过对纤维乙醇原料的预处理、综合用酶的生产、共酵菌株的构建、发酵液的治理、原料的收购储运等关键技术的突破性研究，降低秸秆乙醇生产成本，实现生物质能源的“非粮替代”，深入推进我国生物质能源产业的发展。该项目包括秸秆乙醇产业化示范关键技术开发、秸秆降解微生物的构建及发酵工艺优化、秸秆乙醇酶解发酵关键技术研发、秸秆乙醇工程放大及关键设备开发等4个课题，分别由天冠集团、浙江大学、上海天之冠可再生能源公司、郑州大学4个单位承担。该项目已于2007年6月启动，预计将于2010年12月前完成。

　　为发展可再生能源，保障我国能源安全和粮食安全，中国科学院于2007年12月中旬启动“纤维素乙醇的高温发酵和生物炼制”重大项目。该项目实施年限为2008—2011年，将针对由木质纤维素生产燃料乙醇的技术瓶颈，开发具有自主知识产权与市场竞争力的重大创新技术。该项目的部署也为纤维素乙醇生物炼制指明了研发重点。为集中优势力量重点攻关，该项目将分成4个子课题由中国科学院系统的科研单位分别承担，项目经费达2500万元。4个子课题分别是：木质纤维素预处理技术研究，新型木质纤维素降解酶系的发现、改造与应用，高温乙醇菌的系统生物技术改造，纤维素乙醇发酵过程优化与控制。其中，木质纤维素预处理技术研究项目将选择具有代表性的秸秆类农业废弃物、草本能源植物等木质纤维素原料，提出一套完整的木质纤维素高效、低成本预处理方法，中试规模实现原料预处理成本低于200元／t乙醇。新型木质纤维素降解酶系的发现、改造与应用项目将采用元基因组学等手段，从环境样品中筛选新型木质纤维素降解基因及基因簇。通过对其降解酶的应用特性研究，开发高效的木质纤维素降解酶系，最终获得一二个高效表达木质纤维素酶的工程菌。高温乙醇菌的系统生物技术改造项目则通过高通量筛选，获得直接利用纤维素和半纤维素发酵生产乙醇的高温菌株。通过对乙醇工业生产酵母的耐热性能改造，显著提高酵母发酵阶段的耐温性能，使乙醇工业生产酵母的耐热浓度达到40℃以上，单位乙醇消耗原料控制在5t/t(干基)。纤维素乙醇发酵过程优化与控制项目将通过对乙醇高温发酵系统的模型化和系统优化，设计一套高温纤维素乙醇生产中试示范装置。此外，还将建立纤维素乙醇技术经济分析的数学模型，分析纤维素乙醇高温发酵在不同设计方案、操作条件及生产规模下的经济性，并与国内外其他主要技术系统进行比较。该课题还将开展纤维素乙醇技术发展战略分析与预测研究，完成万吨级纤维素乙醇技术经济可行性研究报告。

　　上海交通大学的研究人员于2008年12月底对外宣布，开发了甜高粱秸秆碎料采用活性干酶母固态发酵(SSF)方法可生产乙醇。这项研究成果已发表在美国化学学会(ACS)12月23日出版的《能源与燃料》杂志上。该项研究描述了甜高梁秸秆以干碎料形式贮存8个月可生产乙醇的有效方法，采用活性干酶母固态发酵(SSF)判定了不同参数，包括温度、碎料尺寸、酶母接种速率和水含量对酶母生长、C02和乙醇生成以及糖类使用的影响。

　　固态发酵涉及微生物在含水固体碎料上的生长。上海交通大学的研究人员发现，温度和碎料尺寸对酶母生长与乙醇产率的影响是重要的。此外，酶母接种速率和水含量与酶母生长也大有相关，即使它们对乙醇产率影响不大。

　　国家发改委委托中国国际工程咨询公司对重点省份进行燃料乙醇专项规划评估，中国国际工程咨询公司对湖北、河北、江苏、江西、重庆5省市的专题评估报告认为，利用薯类等非粮作物作为原料生产燃料乙醇略具经济性，建议在上述5省市优先推进燃料乙醇产业发展。至此，非粮燃料乙醇将迎来了黄金期。国家发改委要求适时推进项目核准，成熟一个，建设一个，加快燃料乙醇产业发展。我国非粮燃料乙醇项目即将进入大规模产业化阶段。

　　可以预见，在不远的未来，纤维素乙醇生产将会取得更大突破而快速发展。（来源：《化学工业》2009年第10期 作者：钱伯章 朱建芳）