纖維素燃料

生物質(zhì)經(jīng)高溫裂解生成合成氣(syngas)，是目前技術(shù)上最有發(fā)展前途的研究熱點(diǎn)。合成氣是一氧化碳和氫氣組成的混合氣體，可以由任何含碳的物質(zhì)制得。通過德國科學(xué)家于20世紀(jì)20年代發(fā)明的費(fèi)托合成(Fischer-Tropsch synthesis, FTS)，合成氣通常可以轉(zhuǎn)化成柴油、汽油或者乙醇。第二次世界大戰(zhàn)期間，德意志第三帝國(Third Reich)就利用FTS將德國的煤礦石轉(zhuǎn)化為液體燃油。目前多數(shù)傳統(tǒng)化石能源公司都擁有合成氣轉(zhuǎn)化技術(shù)，準(zhǔn)備在汽油價格過高時將這種熱油轉(zhuǎn)化技術(shù)引入市場。

氣化是生產(chǎn)合成氣過程的第一步反應(yīng)。生物質(zhì)被裝入反應(yīng)器中加熱到700℃以上，通入蒸汽或者氧氣，產(chǎn)生一氧化碳、氫氣和焦油的混合物。清除焦油后，將混合氣體壓縮到20~70個大氣壓，使它們通過一種專門設(shè)計的固體催化劑反應(yīng)器生成液體燃料 (這種固體催化劑可以捕獲單獨(dú)的反應(yīng)物分子，優(yōu)先催化特定的化學(xué)反應(yīng))。合成氣轉(zhuǎn)化催化劑最初是為把天然氣及煤礦石轉(zhuǎn)化成燃油而開發(fā)的，但它也同樣適用于處理生物質(zhì)。

美國奧克拉大學(xué)的科研人員正試圖開發(fā)利用柳枝稷制造乙醇的方法，具體說就是把柳枝稷切碎，加熱后把產(chǎn)生出來的一氧化碳、二氧化碳和氫氣噴入一個生物反應(yīng)器，反應(yīng)器里的微生物使這些氣體變成乙醇。另一種方法是從柳枝稷的纖維素中提煉糖，然后把糖制成燃料，目前面臨的問題主要是成本費(fèi)用過高。

奧克拉大學(xué)已經(jīng)培養(yǎng)出幾種高產(chǎn)量的柳枝稷。該校教授泰利亞費(fèi)洛說:"柳枝稷的種子對野生動物特別是鳥類是有價值的，所以對環(huán)境也有好處。柳枝稷比其他的多年生草更容易種植，在無法種植玉米和其他作物的荒地上，柳枝稷能夠生長，只需要最低限度的肥料和水，柳枝稷就可以有很高的產(chǎn)量。"

美國有廣袤的土地供柳枝稷生長。如果柳枝稷能成為可替代燃料的來源，那么這種新燃料將是取之不盡的。

德國大眾公司等歐洲汽車制造商就與德國佛萊堡科倫工業(yè)集團(tuán)開展合作，共同開發(fā)取自稻草或秸稈的第二代生物燃料，該工業(yè)集團(tuán)年產(chǎn)2萬噸的"第二代生物柴油"項目已于2008年啟動。美國能源部通過資金支持國家可再生能源實驗室與企業(yè)合作，對纖維素催化酶進(jìn)行優(yōu)化，大大地降低其成本，使第二代生物燃料技術(shù)有望于2010年投入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，UOP公司等許多新能源企業(yè)紛紛組建第二代生物燃料生產(chǎn)廠。巴西石油公司則研究從秸稈、稻殼等農(nóng)業(yè)廢棄物中提煉乙醇，并加緊生產(chǎn)廠的建設(shè)。從去年開始，許多國家對第二代生物燃料的投入呈幾何數(shù)字增長。

目前的關(guān)鍵技術(shù)是催化酶技術(shù)，酶是一種生物催化劑，可使生物化學(xué)反應(yīng)在溫和的環(huán)境下進(jìn)行得更加迅速、效率更高。新型酶制劑能將植物中的纖維素分解成可發(fā)酵糖，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙醇。就在幾年前，該技術(shù)的成本還比較高，這兩年來，隨著生物技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其成本已經(jīng)下降數(shù)倍，從而使第二代生物燃料越來越具有競爭力。目前的新型酶制劑非常適合用秸稈這種大量存在的農(nóng)業(yè)廢棄物來生產(chǎn)乙醇。

"生物燃料的使用對改變美國依賴石油進(jìn)口的局面帶來了巨大的機(jī)會。"美國能源部能源效率與可再生能源部副部長亞歷山大﹒卡斯納(Alexander Karsner)先生表示。

?生物燃料是指通過生物資源生產(chǎn)的燃料乙醇和生物柴油，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源開發(fā)利用的重要方向。受世界石油資源、價格、環(huán)保和全球氣候變化的影響，20世紀(jì)70年代以來，許多國家日益重視生物燃料的發(fā)展，并取得了顯著的成效。中國的生物燃料發(fā)展也取得了很大的成績，特別是以糧食為原料的燃料乙醇生產(chǎn)，已初步形成規(guī)模。

自然界把纖維素賦予植物作為主要骨架結(jié)構(gòu)，這種由葡萄糖分子緊密咬合并層層疊加的"腳手架"，為植物提供了抵抗重力和生物降解的支撐性架構(gòu)。為了釋放纖維素里的能量，科學(xué)家必須先破壞進(jìn)化賦予植物的這種異常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

一般來說，這種"解封"過程先要將固體生物質(zhì)解構(gòu)成聚合度更低的小分子物質(zhì)，隨后將它們轉(zhuǎn)化成燃料。工程師一般采用控溫方式進(jìn)行這種操作。低溫(50℃~200℃)情況下，生物質(zhì)裂解產(chǎn)生的單糖可以被發(fā)酵成乙醇或其他形式的燃料，玉米及糖類作物(如甘蔗)采用的就是這種轉(zhuǎn)化方式。生物質(zhì)在高溫(400℃~600℃)下會直接轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)原油(Biocrude)，再經(jīng)過提煉就可以成為汽油或者柴油。極端高溫(高于700℃)下，生物質(zhì)會直接變成氣體并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料。

到目前為止，還沒人知道到底哪種方法能夠以最低的成本獲得最高的能量。或許不同生物質(zhì)材料需要不同的處理方法。比如說木材廢棄物需要高溫處理，而低溫方式對草本植物更為適合。

盡管該技術(shù)已經(jīng)比較成熟，反應(yīng)器的成本卻非常昂貴。2006年在卡塔爾建立的、用FTS將天然氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃油的工廠耗資16億美元，平均每天生產(chǎn)34,000桶液態(tài)油。如果一個生物質(zhì)煉制工廠的投資達(dá)到這種規(guī)模，該煉制廠必須每天轉(zhuǎn)化5,000噸生物質(zhì)，持續(xù)15到30年，才能生產(chǎn)足夠的燃料以收回投資。將這么多生物質(zhì)集中到一個地點(diǎn)完成生產(chǎn)存在嚴(yán)峻的后勤和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)，所以合成氣技術(shù)的研究主要集中在如何降低投資成本方面。

按照能源部的新研究計劃，科學(xué)家們將關(guān)注如何使生物質(zhì)的產(chǎn)出最大化，以及優(yōu)化生產(chǎn)的過程--纖維材料降解到糖之后，優(yōu)化發(fā)酵過程使糖轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖?。能源部研究計劃的核心是利用生物技術(shù)發(fā)展一個新能源工業(yè):新能源產(chǎn)品能夠儲存和傳輸;能夠分配給現(xiàn)有的加油站等基礎(chǔ)設(shè)施;現(xiàn)有設(shè)施只需作適度的調(diào)整;能夠供給目前的大部分汽車使用。

本書介紹了以農(nóng)林廢棄物為代表的木質(zhì)纖維素作為原料，結(jié)合生物工程和現(xiàn)代化學(xué)工程技術(shù)，在工業(yè)規(guī)模通過一系列加工工藝生產(chǎn)燃料乙醇，提高凈能量的全過程。內(nèi)容包括纖維素燃料乙醇的原料工程、預(yù)處理工程、酶解工程、發(fā)酵工程、精制工程、環(huán)保工程，以及纖維素燃料乙醇的產(chǎn)品和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價。

本書涵蓋了全流程各主要工序先進(jìn)的科技成果，體現(xiàn)國內(nèi)外纖維素乙醇工程領(lǐng)域最新技術(shù)進(jìn)展，可供燃料乙醇及相關(guān)領(lǐng)域從事科研、設(shè)計、生產(chǎn)、教學(xué)的中、高級技術(shù)人員及管理人員參考。