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生物炼制:突破纤维素利用瓶颈


来源:http://www.chinasepa.com | 2007-6-22
    最近,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。在6月17日举行的首届中国生物产业大会生物能源与生物制造论坛上,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主任曲音波教授指出,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。
    纤维质原料是自然界最丰富的可再生资源,尚未得到充分利用,利用纤维质原料生产乙醇工艺的研究和开发,目前是被国内外业界寄予厚望的重点。目前,纤维资源生物炼制的核心技术是纤维素酶的生产和纤维素水解,而妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的主要障碍,就是纤维素酶的生产效率低和成本高。
    据曲音波介绍,在目前的产酶技术条件下,生产1加仑乙醇需用纤维素酶的生产费用约为30~50美分,这就影响了纤维素资源的工业使用。当前的研究目标,是将纤维素酶成本减少到低于每加仑乙醇5美分,这需要酶的比活性或生产效率增高约10倍。据了解,虽然国内许多科研机构致力于纤维素酶的开发,也取得了一些进展,但仍未能解决纤维素酶法生物转化的根本问题。在这种情况下,纤维素乙醇生产的突破口必须瞄向生物炼制,充分利用纤维素资源的多原料组分,采用多技术集成,生产多种产品,以实现资源价值的最大化。
    我国的生物炼制工业具有良好基础,河南天冠集团的小麦精炼就是一个很好的模式。此外,还有国家环保总局曾推荐的以作物秸秆生产纸、酒精、饲料的综合加工工艺。不久前,山东大学微生物国家重点实验室在国际上首创的“木糖—酒精联产”生物炼制模式,引起了许多业内人士的关注。
    此前,有关单位在山东禹城已经建立了以玉米芯为原料的产业集群,形成了玉米芯—低聚木糖、木糖醇、糠醛—纤维残渣发电的产业链条,并初具规模,年产木糖相关产品能力达5万吨。然而,这些生产工艺只利用了原料中的部分半纤维素,7~10吨原料才能生产1吨产品。而同时产生的数吨木糖渣,只能低价卖给电厂烧掉。这些已经集中起来的木糖渣的纤维素含量高达55%~60%,由于已经经过深度预处理,比较容易被纤维素酶水解生成葡萄糖,进而发酵生成燃料乙醇。废渣的乙醇得率可以达20%以上。
    在此基础上,山东大学开发出新的生物炼制工艺,从原料玉米芯生产出了低聚木糖、木糖醇、燃料乙醇及木素产品。据估计,“木糖—酒精联产”工艺的酒精生产成本低于粮食酒精成本,初步的技术经济分析显示,该项目有良好的经济和社会效益。据悉,该课题组目前已经建立起了年产3000吨乙醇的试验装置,正在完善木糖相关产品—酒精联产工艺,争取尽快建立起万吨级的纤维素酒精示范工厂。 
    曲音波介绍了该生物炼制模式的远景:在完善万吨级木糖相关产品—纤维素酒精联产示范工厂的基础上,科研人员将扩大原料品种,如玉米秸和麦秸等,同时扩大联产产品,如化学品、饲料、纸浆、沼气、二氧化碳等,建立植物全株综合炼制技术示范企业。在原料丰富的农村地区建立生物炼制中心,使农作物全株收获,经过分级分离和精细加工,最终实现全部利用。
    对于50年后生物质生物炼制技术的发展状况,曲教授作了这样的展望:届时将实现淀粉、糖类、纤维素、木素等生物质原料的全部利用,产品多元化,形成生物质炼制巨型行业,部分替代不可再生的一次性矿产资源,初步实现以碳水化合物为基础的经济与社会可持续发展。

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