全 文 ：秸秆分层多级转化液体燃料新工艺的研究进展
陈洪章，徐 建，姚建中，李佐虎!
（中国科学院 过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京!"""#"）
摘 要：目前，秸秆主要作为性质单一组分的纤维素原料而采用生物转化法或快速热解法加以利用。生物转化法主
要利用纤维素，而利用木质素和半纤维素较困难；快速热解生物质又使部分组分低值利用，而且得到的生物油品质
低。为解决单一的生物或热转化方式存在的问题，提出秸秆分层多级转化液体燃料的新构思，即以秸秆“组分分离、
分级定向转化”为核心，将生物转化和热转化有机结合多级转化生产燃料酒精与生物油。研究结果表明，秸秆经过
汽爆处理后，采用高浓度发酵$分离乙醇耦合系统，可降低纤维素酶用量，提高了纤维素酶解效率，而且简化操作过 程，使蒸馏前乙醇浓度达到%"&以上。发酵乙醇剩余物再经热解后，不但热解温度较原秸秆明显降低，而且所得生 物油品质有了明显改观。 关键词：秸秆；组分分离；分级转化；生物转化；快速热解；酒精；生物油 中图分类号：’#!( 文献标识码：) 文章编号：!%*+,-%*#（+"".）"!,"""(,". !"#$%&’()*#+"%,+&-&+.()-&/’%()(0+%1#%$0#&+2%"3’"/42 /0120345$67845，9:;<84，=)>;<84$67345，?@AB3$7B
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7&82(/$’：ODN8S；LBMD<$MEVEMK34VENO<34；H<3M35我国能源短缺，随着经济的迅速发展和对环保
标准要求的逐步提高，迫切需要开发新的、清洁的可
替代能源。在众多可能替代化石燃料的能源中，生
物质以其可再生、产量巨大、可储存等优点而引人注
目。而且生物质能是惟一可以转换为清洁燃料的可
再生能源，其利用技术和化石燃料的利用方式具有
很大的兼容性，因此以生物质作为原料不但可以弥
补化石燃料的不足，缓解过分依赖大量进口石油的
被动局面，实现我国能源安全战略，而且达到保护生
态环境的目的［!］。
! 收稿日期：+"".$"!$!"
基金项目：国家重点基础研究发展规划（(*-计划）项目23W+""\/J*!(*""；国家高技术研究发展计划（#%-计划）23W+""!)).!\"+-；中国
科学院知识工程创新重要方向性项目23WF;/9A$C]$+"%+
作者简介：陈洪章（!(%!$），男，研究员，博士，博士生导师，研究方向为纤维素生物技术。 第-卷第!期 +"".年+月 生 物 加 工 过 程 /7<4EOE;3BN48M3IJ<3TN3KEOO145<4EEN<45 ZEHW+"". ·(· 万方数据 对于我国这样一个幅员辽阔的农业大国来说， 单就农作物秸秆而言，年产量高达!亿多"，相当于 #$%亿"标准煤。但目前，如此巨大的秸秆资源非但
没有得到有效利用，反而由于就地焚烧已成为我国
一大社会公害［&］。因此，在我国开发利用秸秆生产
燃料乙醇和裂解油既具有现实意义，又可推动我国
甚至世界范围内以秸秆等农作物、废弃物为代表的
生物质生产液体燃料更上一层楼。
虽然秸秆和木材同属于木质纤维素，都有纤维
素、半纤维素和木质素组成（’(#(#），然而结构和化
学组成却有较大的差异，因而秸秆与木材的转化特
性不同。在秸秆中各种组分的转化特性也不同，其
转化反应特性和转化产品也随着秸秆组分结构的不
同而变化。例如，秸秆生物转化过程主要利用的是
秸秆中的纤维素，对木质素和半纤维素生物转化效
率低，难于适应工业化的要求。而秸秆快速热解得
到的液体产物中含有大量的酸类（如乙酸）产品，木
材热解则以醇类和酮类产品为主。这表明，秸秆中
纤维素、半纤维素和灰分影响了热解过程产生液体
产物的品位。为解决在秸秆转化过程中采用单一的
生物或热转化方式存在的问题，应将生物转化技术
与快速热解技术有机结合起来，避免在秸秆原料转
化液体燃料研究上，套用或沿用木材的技术，传统的
生物转化、热化学转化过程把秸秆作为性质“单一组
分”的原料，致使其转化的技术经济关久攻不破，因
此，为秸秆高效转化的根本出路在于其生物量的全
利用，新的高效转化过程应该建立在秸秆组分分离
后的分级定向转化以及转化过程间的集成优化原则
之上。必须开发出具有秸秆特色的高效转化液体燃
料的技术集成。为了开发出符合秸秆本质的转化液
体燃料技术体系，实现秸秆经济生产高品位液体燃
料这一总体目标，提出了秸秆组分分离、纤维素酶固
态发酵、秸秆纤维素高浓度发酵分离乙醇耦合过程
和发酵渣快速热解过程等四个关键过程进行研究。
通过上述关键技术的突破，形成秸秆多级转化生产
燃料乙醇和裂解油的联产优化技术集成，最终建立
具有技术经济竞争力的秸秆发酵燃料酒精和裂解油
示范工程。
! 秸秆组分分离的研究进展
基于秸秆与木材在化学组成和结构差异，提出
对秸秆不加任何化学药品的低压汽爆技术。在)*#
汽爆罐上，考察了添加化学药品或不添加、秸秆物料
不同大小、物料不同含水量、不同蒸汽压力和维压时
间等对秸秆组分分离和纤维素酶解率的影响。研究
结果表明对于秸秆只需控制含水量，不必添加化学
药品，既可以分离出+,-以上的半纤维素（木聚糖）
（经分离纯化制备低聚木糖），且使秸秆纤维素的酶
解率达到.,-以上（结果见表)）；该技术于&,,#年
获得中国发明专利授权［#］。
表) 汽爆压力和维压时间的旋转回归设计及分析结果
/0123) /4356"0"78953953::768;3:7986<:"30*3=>26:76808;
0802?"7@0253:A2":
实验号
罐压／
BC0
维压时间／
*78
处理强度
269!
半纤维素回
收率／-
纤维素酶
解率／-
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269!F"·3=>（#G),,／)’$!%）；"E*78、#EH 为了进一步提高汽爆生产效率，对于)*#汽爆 罐进行了改造。首先将装料球阀改为快开门式装料 方式，减低了装料时间（由&,*78降到%*78）；其 次，配置工业控制机自动控制汽爆罐的压力、维压时 间，提高了汽爆罐的操作稳定性。 该技术是不添加任何化学药品的秸秆低压爆破 新技术，从根本上消除了污染源，是秸秆生物量全利 用的基础［’］。该项技术的发明虽然是以秸秆转化液 体燃料为目的，但以此建立的原料组分分离理论体 系和整套高效清洁工艺方法，必将拓宽到诸如粮食、 果蔬加工、烟草、中草药等自然物料加工领域。 " 纤维素酶新型固态发酵 纤维素酶在生物质转过程中的重要作用与地位 无庸置疑。但纤维素酶制剂的使用成本却占据了生 物转化总成本的%,-!D,-，是秸秆原料的五十倍 左右。目前普遍采用液体深层发酵工艺生产纤维素 ·),· 生物加工过程 第#卷第)期 万方数据 酶，但由于液体发酵培养通常采用纯的纤维素粉、无 机盐等，致使生产成本居高不下，使得液体深层发酵 生产纤维素酶距实际应用于纤维素酶解糖化，在经 济上尚有一定距离。在这种条件下，固态发酵以其 对培养物料要求简单、操作费用低等特点，近年来在 纤维素酶的生产方面已经引起了广泛的重视。但传 统的固态发酵存在着易染杂菌、生产不稳定和难以 规模放大等问题。由此，开发新型、符合现代发酵工 业要求的固态发酵新技术势在必行。 根据多年来对固态发酵反应器的潜心研究，我 们设计出了纤维素酶气相双动态（气体内循环及气 体压力脉冲）固态发酵（动态培养）反应装置［!］。该 装置用气相双动态及循环风机强化传质与传热，从 而减少代谢产物的反馈抑制，缩短发酵周期、提高原 料转化率；由于无固体翻动机械传动，反应器结构简 单容易密封，便于工业放大；反应器为一受压容器， 可用压力蒸汽进行严格的空罐或实罐灭菌，无死角， 便于清扫；采用无菌压缩空气供氧，发酵过程中反应 器为正压状态，故能严格达到纯种固态培养的要求； 反应器的环形结构与循环鼓风机，使反应器内的温 度、湿度均匀一致。 目前，已经研制出!"#$气相双动态固态发酵反
应器以及发酵过程的尾气在线测控系统（见图%），已
成功用于纤维素酶的生产，使酶活较传统固态发酵
提高近&倍，成本也只有液体发酵法的三分之一（图
&）。此外，通过采用连续固态发酵与酶分离耦合技
术，使纤维素酶成本进一步下降。这就为秸秆纤维
素酶解发酵乙醇提供经济的纤维素酶制剂打下了基
础。
图% ’(&浓度实时变化曲线
)*+,% -./01*#.23/4+.56’(&2542.417/1*54
!：一般静止固态发酵’8’/9.；"：一般静止固态发酵):;；
#：周期固态发酵’8’/9.；$：周期固态发酵):; 图& 气相双动态固态发酵反应器固态发酵与传统固态发酵 过程的比较 )*+,& <3.’5#=/7*95456:75>?21*5456’.0?0/9.@AB/9>?/0C >A4/#*2950*>91/1.6.7#.41/1*54/4>17/>*1*54/0950*> 91/1.6.7#.41/1*54 ! 秸秆纤维素固相酶解C液体发酵乙醇耦合 技术的提出 利用葡萄糖直接发酵乙醇是粮食发酵工业一个 比较成熟的工艺，而在纤维素发酵乙醇过程中，套用 该工艺是纤维素发酵乙醇至今未能走出技术经济关 的重要因素之一。纤维素发酵酒精技术已有大量前 人工作积累，关键是要研究出更经济的新技术。目 前，比较流行的纤维素液体同步糖化发酵分离的方 法。但该方法存在着糖浓度低，乙醇浓度低，纤维素 酶用量大，发酵剩余物含水量大，难以综合利用等问 题。研究具有固相复杂物料发酵乙醇特有的、新的 发酵过程是提高纤维素酶效率和乙醇发酵效率，降 低纤维素发酵乙醇成本的有效途径。纤维素固相酶 解C液体发酵乙醇分离耦合系统的建立，不仅降低了 液体中多余流离纤维素酶，降低纤维素酶用量和费 用，而且减少发酵剩余物中的废水量。 首先，对同步糖化发酵与分步糖化发酵进行了 比较研究，结果表明由于同步糖化发酵时可消除葡 萄糖、纤维二糖对纤维素酶反馈抑制作用，使葡萄糖 的产生与代谢速度几乎相同，使乙醇浓度提高了一 倍，乙醇生产率提高了二倍，并且节省了糖化时间， 减少了染菌的机会。进一步优化出了预处理原料、 固液比、变温操作和补料方式等条件。添加一定量 的麸皮，可使间歇发酵酒精浓度在DE以上。另外， 采用固态发酵利于发酵剩余物的综合利用。 本发明所提出了纤维素固相酶解C液体发酵乙 &""!年&月 陈洪章等：秸秆分层多级转化液体燃料新工艺的研究进展 ·%%· 万方数据 醇偶合技术体系，申请了中国发明专利［!］。本发明 的目的之一是克服传统的纤维素液体同步糖化发酵 分离方法的缺点。本技术提出的气提式高强度酒精 发酵分离耦合新技术是综合气升双环流塔式发酵 罐，真空回流，"#$气提、循环和混合和活性炭吸附技
术的组合体，以期同时满足上述问题的强化目标，降
低酒精发酵工业的生产成本%&’以上。新型气提式
高强度酒精发酵分离耦合系统，可克服真空发酵、
"#$气提耦合发酵的不足。本技术所提出的生物反 应器设计新原理，丰富了生物反应工程学科的新内 容。新型气提式高强度酒精发酵分离耦合系统具有 以下优势：（(）真空出气回流发酵罐后，真空泵的能 量充分利用；（$）设计气升式结构代替混合搅拌；（%）
回流利于酒精和"#$的散出，降低酒精浓度，提高细 胞活性；（)）可形成一级蒸馏（!*’+,$’）；（-）便于
高浓度补料或连续发酵（混合均匀）；（!）不要求!.*
/01高真空度，即不必保持真空度；（,）由于罐内有
真空区，可微量供氧，不必空压机供氧；（2）冷凝冷凝
效率低，回流需加热控湿，改用活性碳或树脂吸附
（表$）。 表$ 酒精发酵分离耦合技术比较
31456$37689:;1<=>9?9@;<9AB8C=9?9@6C71?954D@6<:6?C1+ C=9?89B;5=?EF=C7>6;1<1C=9? 反应器内酒精 体积分数／’ 蒸馏体积 分数／’ 生产率／ （E／G·7） 特点 间歇发酵 -!(! -!(!$.)!-.& 能耗高 成本高
传统连续
发酵 %.&!-.- %.&!-.-).(!((
能耗高成本高
原料利用率低
真空发酵 小于( (!!$& 2$
能耗高、"#$积累 易染杂菌 萃取发酵 (.)$ (&!(, (.%*
能耗低、操作简单、
萃取剂／发酵醪
H-!)%／(、有毒
膜循环
发酵 $.&!,.- (,!)&)2!(%& 膜阻力大、效率低 易堵塞、膜成本高 "#$气提
发酵 -.- %$!-%(.&!-.& 能耗低、"#$夹带效
率低每分钟一体积
发酵醪需-!$&"#$体积
本技术 %!) !*!,$(& 集真空、气提、循环、 吸附和气升式技术 优势于一体 研制出%&&G的高浓度酒精发酵分离耦合试验 系统装置（图%），完成了酒精分离耦合系统的工艺条 件研究，酒精得率达到&.(-以上，活性炭吸附解吸 酒精浓度在!*.2’以上，秸秆纤维素转化率,&’以 上（试验结果见表%、)）。 图% 固相酶解+液体发酵耦合装置 I=E.% "9B;5=?E9@>95=A+>C1C66?JD:1C=87DA<95D>=>1?A>95=A+ >C1C6@6<:6?C1C=9? 表% 不同原料同步糖化乙醇发酵的比较 31456% "9:;1<=>9?9@>=:B5C1?69B>>18871<=@=81C=9?@6<:6?C1+ C=9?9@6C71?95B>=?EA=@6<6?C:1C6<=15> 原料 原料乙醇得率 ／’ 纤维素转化率 ／’ 汽爆麦草 (*.(& ,(.$
羧甲基纤维素 %&.$* 2-.( 细小纤维 (2.*! !*.2 微晶纤维素 (*.2) !).- 表) 在活性炭吸附解吸装置中酒精解吸提取 31456) 3766C71?95>6;1<1C=9?4D18C=K681<49?>6;1<1C9< 酶解发酵反应器 中酒精体积分数／’ 吸附 时间／7 解吸时间／7 （(%&!(-&L） 解吸酒精 体积分数／’ 解吸酒精 体积／:G % ).! ) !*.2 (,& - %.* ) ,$.% (,)
2 %.( ) ,(.2 (,)
! 发酵剩余物快速热解
对秸秆而言，若将其直接热解，产生的液体油一
般含水$-’!)&’、含酸(&’!(-’（主要为乙 酸）、含氧量也较高。这种液体油的品质低、稳定性 差。在影响秸秆热解最终产品质量及成分的众多因 素中，生物质的化学组成最为显著。如纤维素经热 解可产生糠醛、呋喃等物质；半纤维素由于含羧基基 团等在经热分解后，产生乙酸、甲酸、丙酸等化合物； 秸秆本身含有的灰分物质热化学转化利用过程中会 导致结渣、积灰，既影响产率，又增加了设备的维护 费用。可见，将秸秆直接热解很不经济。 若用上述的汽爆技术处理秸秆，脱除半纤维素， 然后进行纤维素发酵酒精过程，最后对发酵剩余物 进行裂解，这样也许就会解决秸秆直接热解所产生 的上述问题。在对汽爆秸秆发酵乙醇后的残渣进行 ·($· 生物加工过程 第%卷第(期
万方数据
热解实验后，我们得到了不错的结果。与原秸秆相
比，发酵后的残渣经热解后，干气量减少近!"#!
!$#，易挥发性酸的产率减少近$"#。可见，汽爆麦
秸在经过发酵处理后不仅实现生物质的全利用，提
高液体燃料的产率，更重要的是提高了液体产品的
品质和降低了酸度。表$为汽爆秸秆发酵剩余物在 热解温度为%&"’时所得各产物的收率以及热解油 的元素组成［(］。 表$ 汽爆秸秆发酵剩余物的热解数据
)*+,-$./01,/2324*5*166-07-85-40-2349-1625-*7:-;<,14-4250*= 热解收率 半焦 热解油 气 理论收率／# !(>?$@>? ?">&
实际收率／# !$>" %$>? ?">&
热解油的元素分析／# 热解油的热值（AB／AC）
D $!>@E @F!"&G?"( H (>%! I !(>!@ J ?>KK 通常情况下，发酵残渣需要脱出E"#的水分，这 就增加了热解过程中的能耗。而经过我们以上所述 的纤维素固相酶解后，所得残渣无需脱水即可作为 热解原料。初步实验和计算表明，利用循环流化床 热解、燃烧工艺，只要增加少量发酵渣用于燃烧，即 可满足秸秆多级转化生产燃料乙醇和裂解油系统能 量需要，并且至少生产与乙醇等量的裂解油，具体见 表E。 ! 研究展望 以农作物秸秆为原料的液体燃料生产非常适合 中国的现有国情，具有广阔的发展前景。而采用生 物转化与热解有机结合起来的路线则为其提供了切 实的技术保障。把秸秆组分分离、纤维素酶固态发 酵、秸秆纤维素高浓度发酵分离乙醇耦合过程和发 酵渣快速热解过程等四个关键过程作为一个有机整 体来研究，每个过程的研究都在前一个过程的基础 上开展，并为后一个过程提供依据，形成一个有机的 链条，最终实现秸秆分层多级经济转化液体燃料这 一目标。 表E 秸秆多级转化生产燃料乙醇和裂解油系统质量、能量 转化估算表 )*+,-E L*22*84-8-0C/M18N-0231816,3O93469-,2<0149M5318 6017250*= 质量转化（#） 能量转化（AB／AC干基原料） 秸秆入口量 秸秆 ?"" 能量支出 汽爆处理 需要蒸汽量／（AC／AC） （?>$L.*饱和蒸汽）
">$需要热量／（AB／AC） ?!K$
半纤维素
低聚木糖 $损耗$
发酵过程 酒精 ?$残渣含水量／# E" DI@ ?$ 干燥后含水量／# ?"
发酵残渣 E" 残渣（含水）总量／（AC／AC） ?>$残渣（干燥）总量／（AC／AC） ">E( 干燥水量／（AC／AC） ">&! 干燥需要热量／（AB／AC） @@!" 热解需要热量／（AB／AC） ??$(
能量支出合计／（AB／AC） %&&@
能量输入／（AB／AC）
热解过程 热解油 !" 生物质低位热值 ?$""" 半焦和煤气 !" 半纤维素 ?$""
乙醇 !"""
残渣总热量 K"""
热解油 %&""
半焦和煤气
（可供系统热量使用） %@""
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万方数据