年产500t燃料乙醇中试工厂的设计开题报告

1. 研究目的与意义

燃料乙醇拥有清洁、可再生等特点，可以降低汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放，据悉，加入10%乙醇的汽油，在燃烧时产生的一氧化碳和二氧化碳的排量，分别比传统汽油减少20%和10%以上。燃料乙醇的生产为能源的可持续利用做出了很大的贡献。燃料乙醇的生产如均以糖类或粮食为原料，其产量收到粮食自愿的限制，难以长期满座能源需要。从长远考虑进行科技创新，扩大原料来源，它包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质等。十五期间我国已在北方地区建设了一定规模的以玉米为原料的燃料乙醇示范项目。我国人多地少，耕地资源紧缺，粮食生产压力巨大，单一以玉米为原料的燃料乙醇发展空间受到极大的限制，恐难长久支撑我国燃料乙醇产业的持续发展，原料多元化在所难免。我国地域广阔，自然条件和农业生产地域性差异比较大，要发展燃料乙醇产业，对不同类型燃料乙醇原料的比选就显得异常重要，因为燃料乙醇的原料成本占燃料乙醇生产成本的70%～80%，它直接关系到企业的生产效益，也关系到我国十一五期间燃料乙醇产业发展的走向。为避免消耗过多粮食，国家限制以粮食或糖作原料生产燃料乙醇的措施陆续出台，非粮物质生产燃料乙醇技术成为国内各企业发展的重点。有关资料显示，我国仅农林废弃物每年就有15亿吨左右，具有生产乙醇近4亿吨的潜力^[14].

2. 国内外研究现状分析

(一) 研究背景

近年来，随着我国乙醇汽油的推广和应用，国内市场对燃料乙醇的需求大幅提升。然而，为避免消耗过多粮食，国家限制以粮食或糖作原料生产燃料乙醇的措施陆续出台，非粮物质生产燃料乙醇技术成为国内各企业发展的重点。有关资料显示，我国仅农林废弃物每年就有15亿吨左右，具有生产乙醇近4亿吨的潜力。

生物质作为惟一可转化为液体的可再生资源，正在成为人们对新能源关注的焦点。近年来，随着我国乙醇汽油的推广和应用，随着国家限制以粮食或糖作原料生产燃料乙醇措施的陆续出台，非粮物质生产燃料乙醇技术成为国内各企业发展的重点。据了解，我国燃料乙醇产业起步较晚，但发展迅速，我国已成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和应用国。

(二)应用与前景

燃料乙醇拥有清洁、可再生等特点，可以降低汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放，据悉，加入10%乙醇的汽油，在燃烧时产生的一氧化碳和二氧化碳的排量，分别比传统汽油减少20%和10%以上。十二五期间，随着非粮燃料乙醇技术趋于成熟，我国燃料乙醇产业有望加速，国内乙醇汽油消费量占全国汽油消费量的比例将大幅上升，中国燃料乙醇的产能和产量将会有一个质的飞跃。

为加深燃料乙醇的开发与利用，专家认为技术的引进，一方面可以通过与先进国家、先进公司的合作来实现。另一方面，国家应该加大科研投入，尽量实现成果和生产力的转化。在试验阶段，可以多人多个方向的大胆假设研究，在优选求证后，应该把分散的科研力量都集中起来，进行重点攻关，这样就较容易出好的成果。当前科研项目立项多，科研分散厉害，较严重影响了科研的效果和深度。现在以燃料乙醇为代表的可再生能源是一个发展方向，在这个前提下我们可以进行更大胆地投入和尝试，但在推广和规模化应用的时候，则要很小心，进行全面考量和论证。对于全生命周期的监测，要看能量投入和产出是否平衡。要特别强调对技术、经济、生态环境，包括水资源等统一考虑，这样我们才能够做到科学、可持续发展。

燃料乙醇虽然存在热值较低的缺点，但优势较为明显，比如辛烷值高、燃烧充分，属于可再生能源，所以还是得到消费者认可的。从目前燃料乙醇产量和消费量来看，每年的消费量均大于产量，说明不用过多担心生产出的燃料乙醇没有经销商、消费者不认可的问题。另一方面目前还存在甲醇仿冒乙醇等一些漏洞，损害了消费者利益。从生产者角度来说，我国对国内4家指定的燃料乙醇生产企业免征5%的消费税，对生产燃料乙醇的增值税实行先征后返，对生产所需的陈化粮实行补贴，对陈化粮的供应价格实行优惠等，现在优惠措施还是较大的。在这方面可以借鉴发展较好的美国和巴西的经验，不仅是简单的政府补贴，而且有相关税收优惠、法律和标准完善等相关产业服务支持的及时跟进。

目前，经济发达国家都建立了比较完善的可再生能源技术研究开发机构，形成了比较完善的产业服务体系。如美国的可再生能源实验室，欧盟的联合研究中心，都是政府专门负责可再生能源研究和开发的机构。我国在可再生能源方面还没有专门的研究机构，也没有一所大学培养可再生能源的专业人才，设计、咨询等产业服务体系很不健全，这不能适应我国目前可再生能源发展的需要。

此外，在燃料乙醇专用发动机研发方面，中国还是比较欠缺的。国内推广使用车用乙醇汽油，初始加入量是从体积分数10%起步的。对于使用乙醇含量更高的汽油所采用的发动机及相关材料，应组织有关单位和企业开展研发工作，新燃料与新发动机的研发工作应同步进行，才能实现和谐发展。随着推广使用乙醇汽油工作的逐步深入，应在充分试验的基础上，研究在汽油中添加更高比例的燃料乙醇，并及时制订相应的标准。

(三) 玉米秸秆简介

玉米秸秆是由纤维素、半纤维素、木质素、浸提物及灰分等组成。其中纤维素是脱水葡萄糖的均聚体，由β-1,4葡萄糖苷连接，几乎是纤维二塘（β-1,4葡萄糖基-D-葡萄糖）的立体化学单元的重复。半纤维素由失水中性糖像木聚糖、阿拉伯糖、葡聚糖和甘露糖加上糖醛酸组成，是易于水解的不均一的带分支的短链多糖，D-木糖和L-阿拉伯糖是主要的戊糖（聚木糖），D-葡萄糖、D-半乳糖和D-甘露糖是主要的己糖（甘露聚糖）。木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物，分子量可以达到110⁵Da（1Da=1.6710^-27kg）或更大，对水解纤维素起到屏障作用。到目前为止，还未发现能利用木质素的单聚体来生产乙醇的微生物。半纤维素较易水解为五碳糖，纤维素较困难水解为六碳糖，而木质素一般作为燃料。^[8]

表1 玉米秸秆化学组成

注：来自美国再生能源实验室

(四)玉米秸秆的预处理

在玉米秸秆的植物细胞中，纤维素分子聚集成束，包埋在半纤维素和木质素中，形成网状结构。由于纤维素分子本身的致密结构以及由半纤维素和木质素形成的保护层，直接对其进行水解，水效率较低。因此，玉米秸秆在水解前必须进行预处理。

玉米秸秆预处理必须满足一下几个必要条件：（1）有利于提高水解效率；（2）避免碳水化合物的降解损失；（3）性价比高。植物纤维预处理的方法很多，包括物理法、物理化学法、化学法和生物法。

(1) 物理预处理法

机械粉碎是纤维原料预处理的常用方法，通过切、碾和磨等工艺使纤维原料的粒度变小，增加底物和酶接触的表面积，降低纤维素的结晶度。机械粉碎包括干法粉碎、湿法粉碎、振动球磨碾磨以及压缩碾磨粉碎。预处理的物理方法还包括高温处理、微波辐射和超声波预处理等。

(2)化学预处理法

采用酸、碱、臭氧、双氧水、有机溶剂等对木质纤维原料进行预处理，其中以稀酸和碱预处理的研究较多。

稀酸预处理通常采用0.3- 3%的H₂SO₄于110- 220℃下处理一定时间。由于半纤维素被酸水解成单糖，纤维残渣形成多孔或溶胀型结构，从而促进了酶解效果。但稀酸预处理对纤维原料中木质素的脱除效果不佳，这在一定程度上也限制了纤维原料的酶解效率。^[20]

碱法预处理是利用木质素能够溶于碱性溶液的特点，脱除木质素，引起木质纤维原料润胀，导致纤维内部表面积增加，聚合度降低，结晶度下降，从而促进酶水解的进行。碱法预处理的机理在于OH^- 能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢键及皂化半纤维素和木质素分子之间的酯键。常用的碱包括NaOH、KOH、Ca(OH)₂和氨水等。

(3) 生物预处理法

许多白腐真菌具有分解木质素的能力，利用这类真菌可以降解纤维原料中的木质素，从而提高纤维素的酶解效率。由白腐真菌产生的木质素分解酶类主要有木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。生物法预处理条件温和，能耗低，无污染，但通常处理的时间较长，而且许多白腐真菌在分解木质素的同时也消耗部分纤维素和半纤维素。^[11]

(4)蒸汽爆破原理

蒸汽爆破主要是利用高温高压水蒸汽处理纤维原料,并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化。中科院过程研究所的陈洪章等认为,在爆破过程中,可分成两个阶段,首先是具有细胞结构的植物纤维原料在高压、高温介质下气相蒸煮,半纤维素和木质素产生一些酸性物质,使半纤维素降解成可溶性糖,同时复合胞间层的木质素软化和部分降解,从而削弱了纤维间的粘结,为爆破过程提供选择性的机械分离。其次是爆破过程,突然减压,介质和物料共同完成物理的能量释放过程。物料内的汽相介质喷出,瞬间急速膨胀,同时物料内的高压液态水迅速暴沸形成闪蒸,对外做功,使物料从胞间层解离成单个纤维细胞。在爆破过程中,膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料,使物料在软化条件下产生剪切力变形运动。由于物料变形速度较冲击波速度小得多,使之多次产生剪切^{[13 ]} ,使纤维有目的的分离。Goth等认为可以用一个4 步模型描述蒸汽爆破过程,即:第一步蒸汽扩散到物料中,第二步组分的降解,第三步爆破过程中物料的纤维解离,第四步伴随着以上步骤的纤维素降解。

蒸汽爆破后，将发生一下变化：细胞结构破坏；纤维素结晶度和聚合度下降；半纤维素通过自水解作用转变成单糖和寡糖；纤维素半纤维素木质素的结构破坏；部分木质素的β-芳醚键断裂且木质素发生部分缩合作用。

(五) 水解工艺

(1) 稀酸水解

一般采用稀硫酸(0.2- 0.5％)，在较温和条件下进行。此时水解一般分2 个阶段：第1 阶段为低温操作，从半纤维素获得最大糖产量：第2 阶段采用高温操作使纤维素水解为六碳糖，糖的转化率一般为50％左右。但稀酸水解容易产生大量副产物。

(2)浓酸水解

用浓度70％的硫酸50℃下在反应器中反应2- 6h，半纤维素首先被降解，溶解在水里的物质经过几次浓缩沥干后得到糖。半纤维素水解后的固体残渣经过脱水后，在30％- 40％的硫酸中浸泡1- 4h。溶液经脱水和干燥后，再在浓度70％的硫酸下反应1- 4h，回收的糖和酸溶液经过离子交换，分离出的酸在高效蒸发器中重新浓缩，剩余的固体残渣则再循环利用到下一次的水解中。浓酸水解过程的主要优点是糖的回收率高，大约有90％的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。^[7]

浓酸水解糖的回收率高，副产物较少，从经济方面考虑必须回收浓硫酸。但硫酸的分离和再浓缩增加了工艺的复杂程度，另外浓硫酸腐蚀性强，处理较为困难。

(3)酶水解

从现有的水平来看，采用温和的酶水解技术可能更为合适。酶水解是生化反应，与酸水解相比，它可在常压下进行，这样减少了能量的消耗，并且由于酶具有较高选择性，可形成单一产物，产率较高(＞95％)。匈牙利Eniko等人采用NovoYm188 等水解经湿氧化处理的玉米秸秆，酶解纤维素转化率(ECC)高达85％左右。尽管研究很多年，纤维素酶的成本仍然很高。丹麦诺维信(Novozymes)公司曾经宣布其纤维素酶生产成本相当于原来的1/12，生产1 加仑燃料级酒精所需纤维素酶的成本已从最初的超过5 美元的水平大幅减少到50 美分，极大地推进了燃料酒精的商业化进程。现在该公司又取得了重大进展，纤维素酶生产成本相当于原来的二十分之一，生产1加仑燃料级酒精所需纤维素酶的成本已低于30美分^[15]。

(六)发酵工艺

从葡萄糖转化成乙醇的生化过程是简单的，通过传统的酒精酵母，使反应在30℃条件下进行。但半纤维素构成了玉米秸秆的相当部分，其水解产物为以木糖为主的五碳糖,木糖是木质纤维原料水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖，由半纤维素水解生成，含量可达植物纤维水解糖类的35%以上。研究表明，充分利用木质纤维原料中的木糖发酵生成乙醇，能使木质纤维原料乙醇发酵的产量在原有基础上增加25%。因此，木糖的乙醇发酵一直被人们视为木质纤维原料生物转化生产乙醇是否经济可行的关键环节。

(1)分步水解糖化发酵法（SHF 法）

纤维素酶法水解与乙醇发酵分步进行，其优点是酶解和发酵都可在各自最适条件下进行，45- 50℃酶解，30- 35℃乙醇发酵，缺点是不能消除酶解过程中生成的葡萄糖和纤维二糖对纤维素酶的反馈抑制作用。

(2)同步糖化发酵法（SSF 法）

纤维素酶解与葡萄糖的乙醇发酵在同一个反应器中进行，酶解过程中产生的葡萄糖被微生物所迅速利用，解除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用，提高了酶解效率，但此工艺存在的主要问题是酶解与乙醇发酵的最适温度不一致，为了两者兼顾， SSF 法采用的温度一般为37- 38℃。^[10]

目前发酵法生产燃料乙醇普遍存在着成本较高,耗能过大的问题,解决这个问题已成为今后发酵法生产技术的发展方向.高浓度酒精发酵为生产企业提高经济效益,节约能源,保护环境起到积极的促进作用,在浓醪发酵工艺基础上,采取同步糖化工艺措施能够进一步降低原料消耗及综合能耗,符合燃料乙醇生产技术发展方向,具有重要的推广价值.充分探讨同步糖化发酵过程的影响因素,在工业装置上摸索出同步糖化浓醪发酵过程的控制手段,在传统发酵酒精浓度12%vol的基础上,发酵酒精浓度增加到14%vol.

(3) 同步糖化共发酵法（SSCF 法）

纤维原料酶解、己糖发酵和戊糖发酵同时进行，可采用混菌发酵或木糖代谢工程菌进行。

(4)直接微生物转化法（DMC 法）

将纤维素酶的生产、纤维素酶解糖化、葡萄糖乙醇发酵三个过程耦合成一步，这样减少了反应容器，降低了设备费用，但该工艺菌种耐乙醇浓度低，并有数种副产物产生，乙醇浓度和乙醇得率低，研究较多的微生物包括热纤维端孢菌、热硫化氢梭菌和产乙醇热厌氧杆菌等。

(5)固定化细胞发酵

固定化细胞发酵能使发酵罐内细胞浓度提高，细胞可连续使用，使最终发酵液酒精浓度得以提高。常用的固定化载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。固定化细胞的新动向是混合固定细胞发酵，如酵母与纤维二糖酶一起固定化。将纤维二糖基质转化成乙醇，被看作是玉米秸秆生产乙醇的重要方法。^[13]

(六) 问题与展望

利用丰富而廉价的玉米秸秆资源代替玉米生产燃料乙醇，对我国经济和社会的可持续发展具有十分重大的意义。但是，利用玉米秸秆生产乙醇是利用再生资源解决液体燃料的一个国际性重大难题，不少国家在多年以前就开展此项工作，目前还没有实现大规模工业化生产；而且到目前为止，还没有一种经济、高效的预处理技术可应用于玉米秸秆的预处理上。

因此，今后应开发预处理新技术，培育价廉高活力的新型纤维素酶及五碳糖六碳糖同步发酵的新菌种，研发出流程短、效率高、能耗低的玉米秸秆生产乙醇新工艺，从而降低乙醇生产成本。同时应注重秸秆中副产物的开发，例如气化木质素可以较低的成本转化为电厂的固体燃料，糠醛和醋酸也是潜在的副产品，有很大的市场潜力，这些产品的研发都有利于早日实现秸秆生产燃料乙醇的产业化。

利用玉米秸秆生产燃料乙醇是生物质产品商业化的重要目标，燃料乙醇是一种巨大的再生能源，以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇具有其他淀粉质原料不可比拟的优势。因此，利用玉米秸秆生产乙醇是利用再生资源解决液体燃料的一个国际性大问题，不少国家在多年以前就开展此项工作，目前还没有实现大规模工业化生产;而且到目前为止，还没有一种经济、高效的预处理技术可应用于玉米秸秆的预处理上。因此，今后应开发预处理新技术，培育价廉高活力的新型纤维素酶及五碳糖六碳糖同步发酵的新菌种，研发出流程短、效率高、能耗低的玉米秸秆生产乙醇新工艺，从而降低乙醇生产成本。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容

以玉米秸秆为原料，采用蒸汽爆破预处理、纤维素酶水解、戊糖己糖同步发酵（间歇发酵）和二塔酒精蒸馏工艺。

（1）原料： 玉米秸秆

4. 研究创新点

优化玉米秸秆蒸汽爆破的条件。