黃日波，陳東，王青艷，申乃坤，韋宇拓，杜麗琴

廣西科學(xué)院 國家非糧生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心，南寧 530007

木薯原料生產(chǎn)燃料乙醇

黃日波，陳東，王青艷，申乃坤，韋宇拓，杜麗琴

廣西科學(xué)院 國家非糧生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心，南寧 530007

以下介紹了我國木薯原料生產(chǎn)燃料乙醇的最新進(jìn)展，并對我國的木薯資源分布作了分析，特別強(qiáng)調(diào)了木薯資源占全國總產(chǎn)量的65%以上的廣西壯族自治區(qū)在我國發(fā)展木薯原料燃料乙醇過程中所起的重要作用，在此基礎(chǔ)上對我國發(fā)展木薯原料燃料乙醇所遇到的困難和挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析，并根據(jù)國內(nèi)外的科技進(jìn)展對如何克服這些困難提出了幾個(gè)可能的解決方案。

木薯，燃料乙醇，轉(zhuǎn)基因木薯，廢糟液處理

Abstract:The regions suitable for growing cassava include five provinces in Southern China, with Guangxi alone accounting for over 65% of the total cassava production in the country.In this article, the state-of-the-art development of fuel ethanol production from cassava in China is illustrated by the construction of the cassava fuel ethanol plant with its annual production capacity of 200 000 metric tons.And in the meantime, problems and challenges encountered in the development of China’s cassava fuel ethanol are highlighted and the strategies to address them are proposed.

Keywords:cassava, fuel ethanol, transgenic cassava, stillage treatment

自從國家規(guī)定生物能源生產(chǎn)須以非糧原料為主以來，地處中國熱區(qū)(我國熱帶、南亞熱帶地區(qū)簡稱熱區(qū))的廣西壯族自治區(qū)就一直受到關(guān)注。嚴(yán)格意義上的熱區(qū)面積在我國約為29萬平方公里，其中廣西占的比例最大[1]，達(dá) 38.9%，是發(fā)展生物質(zhì)原料的理想地區(qū)。木薯是國家指定的非糧作物之一，是生物質(zhì)能源生產(chǎn)的很好原料，在這方面廣西具備獨(dú)特優(yōu)勢。2009年廣西木薯種植面積已達(dá)30萬hm2，產(chǎn)量達(dá)600萬t，無論種植面積與產(chǎn)量均占全國總量的65%以上。根據(jù)廣西土地開發(fā)利用的中長期規(guī)劃，廣西可開發(fā)利用的荒山荒地達(dá)3 000萬畝[2]。如果用其中的 2/3種植木薯，并采用優(yōu)良品種、灌溉、施肥等集約型種植方式，鮮薯最高產(chǎn)量可達(dá)4 t/畝。平均畝產(chǎn)可達(dá)2.5 t，可收鮮薯約5 000萬t，按7 t鮮薯產(chǎn)1 t乙醇計(jì)算，可生產(chǎn)燃料乙醇700多萬t，形成一個(gè)較大的生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)。

國家重視廣西木薯資源的利用，2008年在廣西北海建成的廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司“年產(chǎn)20萬t木薯燃料乙醇示范裝置”是目前國際上唯一的一套木薯原料燃料乙醇生產(chǎn)裝置。從2008年4月15日起，廣西全面封閉銷售使用添加乙醇 10%(V/V)的車用乙醇汽油E10，成為我國首個(gè)推廣使用非糧原料乙醇汽油的省區(qū)。

按照國家發(fā)改委給廣西制定的生物燃料乙醇發(fā)展計(jì)劃，廣西在3年內(nèi)燃料乙醇要達(dá)到100萬t，5年內(nèi)達(dá)到 200萬 t，到 2020年可以擴(kuò)大到 500萬 t以上。根據(jù)行業(yè)估計(jì)，在生物基新型液體燃料商業(yè)化生產(chǎn)之前，即從現(xiàn)在起到2030年的約20年內(nèi)，乙醇仍然是首選的生物燃料，原因有以下幾點(diǎn)[3]：一是生產(chǎn)技術(shù)非常成熟；二是可以利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，減少了投資；三是在10%添加量的情況下毋須對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，這又節(jié)省了費(fèi)用；四是與其他潛在的液體燃料如丁醇、異丁醇等相比，其發(fā)酵濃度可達(dá)到 15%～18%(廣西科學(xué)院已改造培育出新的酵母菌種，在 42 h之內(nèi)產(chǎn)乙醇量達(dá)到 18%(V/V))，是目前丁醇(約 1.5%～2.0%)的 9～12倍，因此燃料乙醇的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于丁醇等其他生物燃料。

然而，目前以非糧作物木薯為原料生產(chǎn)燃料乙醇開始遇到一些問題，最突出的就是原料供應(yīng)。本文將從技術(shù)原理、存在問題和解決方案展望3部分來介紹木薯燃料乙醇。

1 木薯燃料乙醇的技術(shù)原理

在分析木薯燃料乙醇的技術(shù)原理時(shí)，我們只需用傳統(tǒng)的乙醇制備技術(shù)與之相比較，找出木薯原料本身的特殊性，燃料乙醇與普遍乙醇生產(chǎn)技術(shù)的不同，以及節(jié)能降耗的要求[4-5]，就很容易找到發(fā)展木薯燃料乙醇的關(guān)鍵技術(shù)。

天津大學(xué)與中糧集團(tuán)合作建設(shè)的廣西中糧公司“年產(chǎn)20萬t木薯燃料乙醇示范裝置”針對以上3大內(nèi)容進(jìn)行了全面創(chuàng)新，形成了木薯燃料乙醇生產(chǎn)的獨(dú)特技術(shù)[6]，成果已通過省部級鑒定，并于 2010年獲廣西科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。該成套技術(shù)擁有12項(xiàng)專利，是目前我國乃至世界上技術(shù)最完備的木薯燃料乙醇成套生產(chǎn)工藝之一，其技術(shù)內(nèi)容涉及生物學(xué)與工程學(xué)兩個(gè)基本層面。涉及工程學(xué)的有以下技術(shù)：“濃酸除砂技術(shù)”(因利用的是木薯根莖塊作為原料，故比其他原料如玉米等含砂泥較多)、“鮮木薯濃漿制備技術(shù)”、“高溫噴射與低能階換熱集成技術(shù)”、“CIP高效清洗技術(shù)”、“高效精密精餾技術(shù)”、“變溫變壓分子篩脫水技術(shù)”；而涉及生物學(xué)的有以下技術(shù)：“低溫雙酶法完全液化技術(shù)”、“同步糖化濃醪發(fā)酵技術(shù)”、“廢水廢渣綜合利用技術(shù)”(見圖1，旁邊的白色小圓圈代表涉及生物學(xué)并正在被不斷改進(jìn)的步驟)。由此可見，木薯燃料乙醇的成功產(chǎn)業(yè)化，須依賴工程學(xué)與生物學(xué)(酶學(xué)、微生物學(xué))的有機(jī)結(jié)合方可實(shí)現(xiàn)[7]。

圖1 木薯燃料乙醇生產(chǎn)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of fuel ethanol production from cassava feedstock(the circles on the right indicate the potentials for production cost reduction possibly brought about through the breakthrough or progress in biotechnology).

盡管如此，由于原料的大幅漲價(jià)，今后還須不斷依靠科學(xué)技術(shù)進(jìn)步才能在困境中前行。目前，如何通過進(jìn)一步優(yōu)化工程學(xué)內(nèi)容和提高生物學(xué)方面的轉(zhuǎn)化效率已成當(dāng)務(wù)之急。位于廣西科學(xué)院的國家非糧生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心已于近期推出了生物學(xué)相關(guān)的兩個(gè)成果，在降低生產(chǎn)成本上具有廣泛的應(yīng)用潛力：一是效率比目前國內(nèi)外高出 3倍以上的淀粉酶，此酶為基因工程酶，有 5個(gè)重要位點(diǎn)發(fā)生了突變，結(jié)果使木薯淀粉液化能耗降低25%以上，而酶用量只相當(dāng)于國外的 1/3左右；二是構(gòu)建了一個(gè)專用于木薯淀粉+甘蔗汁混合發(fā)酵的優(yōu)良酵母菌株，它可以在發(fā)酵 42 h左右使乙醇濃度達(dá)到 18%(V/V)，高效淀粉酶的使用和高濃度發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展可望進(jìn)一步降低木薯燃料乙醇的生產(chǎn)成本。

2 木薯燃料乙醇存在的問題

幾年前，當(dāng)我國開始發(fā)展木薯為原料的燃料乙醇時(shí)，原料價(jià)格還處在一個(gè)較為平穩(wěn)的范圍，但最近兩年，由于世界范圍發(fā)展生物質(zhì)能源的步伐加快，致使木薯原料價(jià)格迅速上漲，目前木薯干片(約2.7～2.9 t木薯干片產(chǎn)1 t乙醇)已超過1 400元/t，是3年前的 4倍多。因此，原料的低價(jià)格穩(wěn)定供應(yīng)是木薯燃料乙醇面臨的頭等重要問題。此外，木薯燃料乙醇廢液的綠色化處理也是這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌谟衩缀托←湹燃Z食類淀粉質(zhì)原料，其廢糟液可以采用全蒸發(fā)濃縮技術(shù)(DDGS)處理，基本上沒有污染物向環(huán)境排放，DDGS技術(shù)雖然設(shè)備投資大，運(yùn)行能耗高，但副產(chǎn)品飼料的附加值可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，而木薯生產(chǎn)燃料乙醇的廢糟液則不同，其作為飼料的營養(yǎng)價(jià)值較低。與眾多其他工業(yè)化過程一樣，在不顯著增加處理成本的前提下，實(shí)現(xiàn)低排放甚至零排放是今后不變的發(fā)展方向，短期內(nèi)達(dá)到低排放、長期要達(dá)到零排放是任何工業(yè)過程的始終目標(biāo)。

3 木薯燃料乙醇問題解決方案展望

乙醇是一種人類認(rèn)識最早的化合物之一，原因是它與人類日常生活密切相關(guān)。古代波斯帝國的先人們即開始學(xué)會(huì)釀制啤酒，自那時(shí)起人類開始從自身味蕾上感覺到這個(gè)化合物的“味道”。而人類開始知道乙醇既可在人體內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的同時(shí)，又可在內(nèi)燃機(jī)中“燃燒”作動(dòng)力的年代是1908年，那時(shí)美國人Henry Ford設(shè)計(jì)制造了世界上第一輛使用燃料乙醇的汽車。我們簡短地追憶一下歷史其目的就是想向人們傳達(dá)一個(gè)自然界中經(jīng)常出現(xiàn)的規(guī)律：偶然性常常被時(shí)間進(jìn)程固定為必然性。換句話說，如果不是釀酒酵母即Saccharomyces cerevisiae比較容易生長，到處都可以繁殖存活，人類就不可能從波斯人喝剩的麥芽汁中發(fā)現(xiàn)帶有泡沫的啤酒；如果人類沒把酒類當(dāng)作食品和飲料天天食用，乙醇的來源也不會(huì)那么容易，當(dāng)年Henry Ford也就不會(huì)想到利用乙醇來驅(qū)動(dòng)汽車，而是會(huì)尋求其他物質(zhì)來替代，人類這方面的科技積累又有可能體現(xiàn)在另外一些化合物而非乙醇分子上。我們強(qiáng)調(diào)這些歷史，目的無非就是要說明這樣一個(gè)事實(shí)：由于歷史的形成，乙醇是人類利用微生物不斷制造出來的可再生物質(zhì)，它一直伴隨著人類走過了漫長的歲月。盡管它的能量密度只有汽油的78%，并且容易腐蝕輸油管道甚至汽車部件，但人類對它已經(jīng)習(xí)慣了，在比它更優(yōu)越、成本更低的替代化合物面世之前的一段相當(dāng)長的時(shí)間里，它將與生物柴油一道成為生物質(zhì)能源的重要組成部分，而生物質(zhì)能源也必將作為當(dāng)代新能源的一個(gè)組成部分而向未來不間斷地延伸。

針對木薯燃料乙醇當(dāng)前存在的問題，我們認(rèn)為應(yīng)從以下幾方面著手解決：

1)采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育高產(chǎn)木薯新品種：美國于 2006年成功地利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使木薯產(chǎn)量提高了2.6倍[8]，這表明應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高木薯產(chǎn)量是可行的。美國能源部已在去年完成了對木薯的全基因組測序，為該作物的轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。

2)采用創(chuàng)新性耕作法：最近廣西科技工作者成功地采用新型壟栽技術(shù)使木薯產(chǎn)量提高了 50%～150%，而且是機(jī)械化操作，增產(chǎn)效果顯著，此技術(shù)是國家科技支撐項(xiàng)目《燃料乙醇高效生產(chǎn)共性關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研究》子課題的成果，已申請了國家專利。

3)以微藻為原料生產(chǎn)乙醇：微藻的細(xì)胞壁含60%以上的可發(fā)酵糖，如果與微藻制備生物柴油相耦聯(lián)，利用生物柴油的廢棄物經(jīng)酸解后發(fā)酵和產(chǎn)生物乙醇，將會(huì)是個(gè)很好的解決問題的方案。

4)利用類似于美國Coskata公司的原型半商業(yè)化設(shè)計(jì)：利用眾多類型的非糧原料如秸桿、林業(yè)廢棄物、城市有機(jī)垃圾乃至乙醇廢糟液作為出發(fā)原料，經(jīng)高溫氣化后產(chǎn)生合成氣(Syngas，即由 CO和 H2組成的混合氣)，然后在固定有能利用CO和H2直接合成乙醇的特殊細(xì)菌的膜反應(yīng)器上，利用生物反應(yīng)合成乙醇[9]。利用該工藝每加侖乙醇(1加侖=3.7升)的生產(chǎn)成本不足1美元，折合人民幣每升1.9元，是非常有前途的技術(shù)。該工藝的核心技術(shù)在于其專利菌種和專利膜反應(yīng)器上(圖2)。膜的一邊是固定化微生物，而膜另一邊讓乙醇透過，邊合成邊分離，非常有效。Coskata公司因此獲得2009年MIT全球技術(shù)綜評“最具創(chuàng)新性的 50個(gè)公司之一”的光榮稱號。

圖2 美國 CosKata公司提出的利用微生物及膜技術(shù)從合成氣生產(chǎn)乙醇的原理圖[9]Fig.2 Diagram of CosKata process to produce fuel ethanol from syngas(www.coskata.com), also see reference[9].

5)從長遠(yuǎn)看，生物質(zhì)能源開發(fā)的成功與否，在很大程度上將取決于生物學(xué)領(lǐng)域的研究是否取得關(guān)鍵性突破[10]。眾所周知，任何能源的形成和使用均需要從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而部分能量恰恰就損失于各個(gè)轉(zhuǎn)化步驟中。生物質(zhì)能源更是如此。生物質(zhì)能源的根本來源是生物體對光能的捕獲。因此，生物質(zhì)能源的基本問題之一就是轉(zhuǎn)化效率[10]。生物質(zhì)能源的最終原料可能就是木質(zhì)纖維素，而生物學(xué)手段在實(shí)現(xiàn)其生物能源轉(zhuǎn)化方面將起非常關(guān)鍵的作用：首先是對各種能源植物的全基因組分析；其次是可通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高植物碳水化合物的產(chǎn)量，尤其是提高纖維素含量的同時(shí)降低木質(zhì)素含量[11]；此外，改進(jìn)纖維素酶使水解更高效，從而大幅度降低這一降解步驟的能耗[11]，也是極為關(guān)鍵。根據(jù)計(jì)算，如果對涉及生物學(xué)的每一個(gè)步驟均進(jìn)行優(yōu)化，尤其是通過某種能源植物作為一個(gè)整合的平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)這些生物學(xué)環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新，則生物能源的產(chǎn)出量可以比現(xiàn)有水平提高6倍之多[12]。

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Fuel ethanol production from cassava feedstock

Ribo Huang, Dong Chen, Qingyan Wang, Naikun Shen, Yutuo Wei, and Liqin Du
National Engineering Research Center for Non-food Biorefinery, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China

Received:June 8, 2010;Accepted:June 28, 2010

Supported by:Key Projects in the National Science and Technology Pillar Program during the Eleventh Five-Year Plan Period(Nos.2007BAD75B05,2007BAD75B07).

Corresponding author:Ribo Huang.E-mail: rbhuang@gxas.ac.cn“十一五”國家科技支撐計(jì)劃(Nos.2007BAD75B05, 2007BAD75B07)資助。