全 文 ：第6卷第1期
2008年1月
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Jan．2008
． 7 ·
燃料乙醇非粮化——我国发展纤维乙醇的挑战与对策
刘洪斌
(中国石油化工股份有限公司科技开发部 北京100029)
摘要：在分析国内外燃料乙醇发展状况的基础上阐述了以非粮原料木质纤维素生产燃料乙醇的重要性，着重论
述了发展纤维素燃料乙醇所面临的发展机遇和技术挑战，同时对我国纤维乙醇的产业化发展提出了建议。
关键词：生物质；纤维质；酒精；石油；非粮化
中图分类号：$826．5 文献标识码：A 文章编号：1672-3678(2008)01—0007一05
Developingofcellulosicethanolproductionfr mnonfood—basedbiomass
inChina：challengesandstrategies
·LIUHong-bin
4。
(ScienceandTechnologyDevelopmentDepartment，ChinaPetro—ChemicalCorporation，
Beijing100029，China)
Abstract：OnthebasisofsummarizingthedevelopingsituationoffuelethanolinChinaandaroundthe
world，theimportanceofproducingfuelethanolfromnonfoodbiomass，lignocellulosiematerialsw intro—
ducedandtheopportunitiesandtechnologychallengesford velopingcellulosicethanolwereemphasized．
Meanwhile，thestrategiesforindustrializationdevel pmentofc llulosicethanolinChinawerealsopro—
posed．
Keywords：biomass；cellulosics；ethand；non—fuel；nonfood
随着全球社会和经济的高速发展，能源的消费
量日益攀升，能源消费总量将从目前的100多亿t
油增加到2025年的162亿t油，增长率超过50％，
CO：的排放量也将随之激增。另一方面，据最新的
数据表明，全世界己探明的可开采石油、煤炭和天
然气的储量分别为1770亿t,9827亿t和1．8X106
亿m3。以目前的开采和消耗速度估算，石油仅能维
持生产40a，天然气和煤炭分别可以供应65a和
162a。因此，资源和环境方面的压力迫使人类越来
越多地关注自然和社会的可持续性发展，发展新型
的可再生材料、原料和能源已成为全球的共识，可
再生能源应运而生，成为各国主要的发展措施⋯。
国际能源署预计到2020年新的可再生能源
(不包括传统生物质能和大水电)将增长2倍以上，
可再生能源将占全球能源消费总量的30％。在众
多可再生形式的可再生能源中，生物质能源凭借其
巨大的资源、分布和开发使用等独特优势成为发展
的热点口]。地球上每年经光合作用固定在绿色植
物中的总碳就达2×1011t，能量达3×1021J，生物量
为1700亿t，其能量约相当于世界主要燃料消费的
收稿日期：2007-07-21
基金项目：国家863计划课题资助项目(2006AA020103)
作者简介：刘洪斌(1965一)，男。山东安邱人，高级工程师，研究方向：合成纤维聚合物及其单体技术开发和技术。E·mail：liuhongbin@si—
nopec·com·cn
万方数据
· 8 · 生物加工过程 第6卷第1期
10倍拉’；同时，生物质能源也是唯一可转化成常规
的固态、液态和气态燃料的可再生碳源，是解决现
实和未来能源危机和环境污染最有潜力的途径之
一。当前生物质能源的主要形式有燃料乙醇、生物
柴油、沼气和生物制氢等，其中燃料乙醇是世界上
生产和使用规模最大的生物质能源¨。21。
1 国内外燃料乙醇的发展状况
燃料乙醇作为一种最重要的生物质能源受到
世界各国的广泛重视，乙醇汽油在全球范围内呈现
出迅猛的发展势头L3J。预计2007年全世界乙醇的
总产量可望达到500亿L左右，较上年增长近
27％，其中巴西和美国占全球乙醇产量的70％，是
乙醇燃料主要生产和消费国(表1)。
表1 世界各国燃料乙醇生产能力比较
TableI Comparisononthefuelethanolproductivitiesof
di饪brentcountriesinthewodd
美国现已替代巴西成为世界上最大的燃料乙
醇生产国，已拥有114家乙醇精炼厂，另有80家在
建，但仍然不能满足其国内的需要，不足部分从巴
西和中美洲国家进口。巴西是世界上燃料乙醇生
产和使用最领先的国家之一，现有320余家乙醇生
产厂，5a内还将增加50余家。巴西的乙醇出口量
超过23亿L，其国内汽车燃料中乙醇消耗量超过
15％，居全球首位。欧盟计划到2020年，将可再生
能源占欧盟能源消耗总量的比重提高到20％，并计
划到2010年将燃料乙醇的比例提高至5．75％。其
中，法国、瑞典、德国和英国等国是欧洲燃料乙醇发
展的领军人物【3刮。加拿大计划到2010年，35％的
汽油中将添加lO％乙醇，并投入约10亿多加元分
别在安大略省和艾尔伯塔省等地进行乙醇工厂的
新建或扩建工作，以满足其快速增长的燃料乙醇需
求。另外，近年来其他国家和地区如南非、澳大利
亚、日本、印度、菲律宾和泰国等也都已经制定并且
开始实施本国的燃料乙醇生产和推广使用规划。
我国从2001年开始正式启动了车用乙醇汽油
的生产和试点推广工作，先后颁布实施了
(GBl8356--2001)《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽
油》(GBl8315--2001)两项国家标准，批准建设了吉
林燃料乙醇、黑龙江华润酒精、河南天冠燃料乙醇
和安徽丰原燃料乙醇等4家粮食乙醇的定点生产
厂，设计生产能力为1．02×106t，并在黑龙江、吉
林、辽宁、河南、安徽5省全境和江苏、山东、河北、湖
北等4省的27个地市进行车用乙醇汽油试点推广
工作。根据《可再生能源中长期发展规划》，至2020
年，可再生能源开发量在能源供应结构中的比重将
提高到15％左右，其中生物质燃料乙醇的产能将达
到1．0×107 t，我国燃料乙醇的发展空间十分
巨大‘51。
2燃料乙醇生产的非粮化发展
燃料乙醇的生产原料主要有3类：第一类是含糖
作物，如甘蔗、甜菜、甜高梁等；第二类是淀粉质作物，
如玉米、小麦、高梁、木薯、红薯、马铃薯及菊芋等；第
三类是纤维质原料，如秸秆、木屑、农作物壳皮及城乡
固体垃圾等。目前用于生产燃料乙醇的原料基本上
属于第一、二类，如巴西的主要原料为甘蔗，美国95％
的原料来自玉米，欧洲以小麦、甜菜为原料，我国生产
燃料乙醇的原料主要有玉米、小麦、薯干及糖蜜等。
生产燃料乙醇的第一、二类原料要受到耕地和原料成
本的限制，以玉米为例，全美国12％以上的玉米产量
被用于生产燃料乙醇，燃料乙醇的生产对玉米的巨大
消耗使美国玉米价格在两年内就上涨近一倍。因此，
美国总统布什在其2007年财政年预算案中，新增了
60％的资金(5900万美元)用于生物燃料的研究和发
展，主要是提高非粮生物质原料在生物燃料生产中的
比重，目标之一就是加速纤维质乙醇的研发，力争到
2012年使他的生产成本具有市场竞争力，到2030年
纤维质乙醇可替代全美目前燃料消耗量的30％【l-3]。
我国的燃料乙醇生产也面临着同样的困境，2005年
生产燃料乙醇1．02×106t，消费玉米3．3×106t。约占
玉米产量的2．3％。根据“十一五”规划，2010年燃料
乙醇的产销量要达到5．0×106t，则需消耗玉米1．65
×107万t，占目前玉米产量的12％，而到2020年燃
料乙醇则需要消耗24％的玉米产量(图1)。对玉米
需求的增加必将导致价格的波动，2006年底国内玉
米的平均价格达到了l441Yr_／t，比年初上涨了近
23％，直接导致燃料乙醇生产企业成本的急剧上升，
万方数据
2008年1月 刘洪斌：燃料乙醇非粮化——我国发展纤维乙醇的挑战与对策 ·9·
同时我国的粮食工业及其相关的转化、加工和养殖等
产业均受到了显著冲击，并引起了整个市场的连锁波
动。因此，石油安全和粮食安全是两个重大的基础问
题，需要统筹兼顾，发展燃料乙醇必须寻求非粮原料
之路，必须坚持“不与民争粮，不与粮争地”的基本原
则。2007年6月7日，国务院可再生能源会议明确指
出，中国将停止在建的煤化工项目和粮食乙醇燃料项
目，在不得占用耕地，不得消耗粮食，不得破坏生态环
境的原则下，坚持发展非粮燃料乙醇。
毒
丑
图1燃料乙醇消费玉米量占玉米生产总量的发展趋势
Fig．1Thegrowingtrendoftheratioofcornconsumption
forfuelethanoltotomproduction
3纤维素燃料乙醇的发展与挑战
廉价易得的非粮原料，富含纤维素和半纤维素类聚
糖物质，均可以转化成乙醇怛’6-73。在植物纤维质
原料中，农林废弃物就占有相当大的比例，仅农作
物秸秆一项，全球年产量就超过20亿t，其中中国年
产量达到7亿t左右，相当于3．5亿t标准煤，可转
化为1亿t燃料乙醇，即相当于3个大庆的产油量。
目前，加拿大Iogen公司在纤维乙醇技术开发，
尤其是纤维素酶技术开发方面居世界领先地位，荷
兰的皇家壳牌公司(RoyalDutchS ell)是其主要战
略合作者一J。该公司计划投资约3．25亿美元，到
2008年建成世界第一座工业规模纤维乙醇综合厂，
其秸秆纤维年加工能力约7．0×105t，可生产燃料
乙醇约1．6×105t。除此之外，美国(NREL、Muscel、
Shoals、Alabama)、瑞典EtekEtanol eknikAB、法国
(Souston)、奥地利(Linz)和日本(TSK，Tokyo)等地
均已建立了中试生产线。美国通用汽车公司(GE)、
德国大众公司(Volkswagen)和日本丰田公司(Toyo—
ta)也正在建设纤维素乙醇装置。我国有关秸秆生
产乙醇(纤维乙醇)的科研报道较多，能够形成中试
生产线的较少，目前主要有河南天冠集团、安徽丰
原集团以及黑龙江肇东的中粮集团等，其整体水平
与国外技术有一定的距离，乙醇成本高达6000元
左右，且均未形成工业化生产规模(表2)。
在燃料乙醇的生产原料中，植物纤维质是一种 表2国内外主要纤维素乙醇生产厂家技术J指标比较
Table2 Comparisononthetechnologyitemsofcellulosicethanolindifferentcorporations
注：掌表示每吨秸秆产多少吨乙醇。
万方数据
· lO· 生物加工过程 第6卷第1期
当前，纤维素燃料乙醇的生产在技术上已经可
以实现，但他在全世界范围内却仍然未能进行大规
模的工业化生产，主要是其商业化生产还存在着几
个关键的技术经济障碍，即原料预处理、纤维素酶
水解和木糖的高效乙醇发酵L2’。7。0I。
(1)原料预处理与富含淀粉质的原料相比，植
物纤维原料具有木质纤维复合物结构，难以直接水
解和发酵，因此在水解之前对天然的植物纤维原料
进行适当的预处理，目的是为了破坏植物纤维原料
的天然木质纤维复合体结构，降低纤维的结晶度或
直接去除原料中的木质素，以分离出结构疏松或游
离的纤维素、半纤维素及其降解物，从而增加纤维
的可及度。研发过的预处理方法主要有：高温高压
水蒸气爆破法、sO：蒸汽爆破法、低温氨爆破法、CO：
爆破法、球磨、纤维溶剂法、稀酸水解法、温烤和微
生物预处理等，其中蒸汽爆破技术占主导地位，但
目前仍然缺乏简单廉价的预处理手段。
(2)纤维素水解无机酸和(半)纤维素酶均可
用于纤维素和半纤维素水解，其中纤维素酶水解法
是当前的发展趋势。纤维素酶是一类能够水解纤
维素(和半纤维素)生成己糖(和戊糖)的酶系，其主
要的天然生产菌株有里氏木霉(Trichode砷口reesei)
和拟康氏木霉(Trichodermaviries)等，可利用他们通
过液体深层发酵技术生产出纤维素酶制剂，再水解
经预处理后的纤维素(和半纤维素)原料生成可发
酵性的己糖和戊糖类物质(主要为葡萄糖和木糖)，
然后进入下游的发酵工序。目前，纤维素酶水解的
成本仍然居高不下，约占纤维质燃料乙醇总成本
的40％。
(3)木糖的高效乙醇发酵在植物纤维原料中，
木糖是第二大糖类物质，含量可高达原料干质量的
35％以上。据专家测算，如果能够将木糖高效发酵
成乙醇则可以降低整个工艺成本的25％。但是，自
然界仅有极少数几个天然菌株能够在精确的限制
性供氧条件下发酵木糖产乙醇，工业生产控制难度
很大，同时他们也不能耐受植物纤维质水解液中的
抑制物和较高浓度的乙醇，或者发酵副产物较多。
为了克服这一技术障碍，在过去的数十年内，各国
相继在微生物木糖代谢工程及基因工程菌株构建
方面开展了大量的研究和试验工作，但是迄今为止
他们的生产性能仍然不能满足商业化生产的
要求‘¨州】。
上述3个环节造成植物纤维原料的利用率和转
化率较低，使纤维素燃料乙醇的生产成本居高不
下。为了解决这些障碍，在过去的20多年里，全世
界为此投入了大量的人力和物力，但只是在某些环
节上有了一些进展，总体上并未能取得明显的突
破，他们仍然是世界性的难点和重点。
4我国非粮燃料乙醇的发展策略
经过几年来的研究和探索，政府、企业和专家
学者等各界对于我国燃料乙醇产业的发展已经取
得了广泛的共识，即必须坚持非粮基本原则，大力
开发纤维素乙醇¨’16J。结合我国的国情和实际，笔
者认为发展我国非粮燃料乙醇的策略是要充分利
用农作物秸秆等植物纤维废弃物资源，不仅可以变
废为宝以缓解我国的能源压力，而且可以增加农民
的收入，并改善农村的环境，提供更多的就业机会，
更为重要的是通过纤维素燃料乙醇形成一个新型
的资源——能源的产业链以拉动农业经济和林业
经济，真正实现循环经济和可持续性发展。
根据当前的实际形势，在纤维素燃料乙醇的研
究和发展过程中，要重点做好以下几个方面工作：
一是在国家和政府层面上，要制定出更加详细
明确的中、长期燃料乙醇发展规划；在产业规划设
计过程中，要充分做好纤维素资源区域性分布的调
研工作，精心规划燃料乙醇的产业布局。尽管农作
物秸秆以及林业加工废弃物等纤维素资源的总体
数量很大，但其实分布零散，当实际应用于工业生
产时，此类原料的供应、收集、贮存和运输都存在一
定的问题，会直接影响到燃料乙醇的生产成本。因
此，要充分结合这些纤维素资源的区域性分布情
况，通过严密的技术经济论证，精心规划燃料乙醇
生产的企业布局和企业生产规模。
二是要进一步加强对燃料乙醇产业的宏观调
控，加大政策支持力度，重点扶持纤维素乙醇，从教
育、立法、财政和税收等多方面强力支持以引导和
培育纤维素燃料乙醇的市场，然后分阶段组织和实
施其产业化。
三是在技术研发层面上，国家要进一步加大对
该领域的科研支持力度，鼓励以企业为主体，组织
由多个企业、科研单位和资产管理公司所组成的跨
多行业大型研发团队，集中国内外先进的智力资
源，大力引进资金、技术和设备，构建出先进的试验
平台，着眼于本领域的重大技术问题进行协作攻
万方数据
2008年1月 刘洪斌：燃料乙醇非粮化——我国发展纤维乙醇的挑战与对策
关，以解决其关键的技术和设备障碍，在此基础上
建设示范生产线，引导和带动我国纤维素燃料乙醇
产业的发展。
发展我国纤维素燃料乙醇的任务已经十分明
确，这对于实现国家的长治久安和可持续性发展具
有重要的意义，真可谓任重而道远。面对这样一个
世界性的挑战，通过产、学、研和社会各方面团结协
作和长期艰苦卓绝的努力，相信这个目标一定能够
达到。
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