作者:房树芬 黄辛 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2014/11/6 14:34:12
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干法木质纤维素生物炼制技术研发获重大进展

 

科学网上海11月6日讯(通讯员房树芬 记者黄辛)用秸秆制乙醇,代替汽油跑汽车,这当然不是异想天开,但几十年来始终是一块“画饼”——让人垂涎欲滴却不能入口充饥。不过,由华东理工大学鲍杰教授领衔研发、首次亮相于正在举行的第十六届中国国际工业博览会(上海工博会)的“干法木质纤维素生物炼制技术”告诉我们,让我国每年7亿吨秸秆物尽其用的一天,可能真的已经不远了。

生物炼制乙醇难在哪儿?

在中国这样的农业大国,用玉米秸秆、麦秆、稻草等可再生原料,生产液体燃料和化工产品,无论从哪方面说,都是一个造福国计民生而且深具潜力的发展方向。表面看来,秸秆制乙醇的生物炼制方法——纤维素经微生物分解成葡萄糖再发酵成乙醇,似乎也不是特别高深。那么,为什么从上世纪70年代第一次石油危机发生到现在,历经40年的探索,这座宝山依然可望不可即呢?

在华东理工教授鲍杰看来,“关键是成本”。生物炼制成本如果不能大幅度降低,达到让工业生产赢利的程度,秸秆制乙醇就只能是画饼难充饥。而高成本主要体现在纤维素水解酶价格昂贵、产品得率低、过程能耗高以及大量废水处理所导致的环境成本等方面。

例如,考虑到运输半径的限制(50公里),中国的生物炼制工厂生产规模都较小,而且基本都位于生物质资源丰富但基础设施落后的农村地区,能源供给设施和废水处理系统的完善程度都比不上先进的化工大企业,控制得不好,就会出现上世纪90年代在我国曾经遍地开花后又全面关闭的小造纸厂那样的负面范例。所以,节能减排对产业的正常运作和可持续发展特别重要。

“华理智造”有什么牌?

为大幅降低秸秆制乙醇的成本,鲍杰教授的生物炼制科研团队提出了“干法木质纤维素生物炼制技术”,以节能减排为突破口,打出了3张王牌。

第一张是干式稀酸预处理技术。

根据团队成员张建老师介绍,秸秆制乙醇是个“粗粮细做”的活,首先要通过预处理破坏其纤维结构。比起常规的稀酸预处理工艺,他们的“干式”做法,使得预处理过程的用水量和蒸汽用量降低了90%,做到了废水的零排放,秸秆与酸液的比例则由10:1变成了1:2。

固体含量这么高,整个物料完全是干的,怎能和水蒸汽、纤维素酶及菌株充分混合呢?别急,这个“华理智造”还有第二张牌“螺带式搅拌反应器”,将搅拌桨化直为曲,就能让各种组分充分混合起来。

据鲍老师透露,这个精巧的创意其实并非生工学院自产,而是化工学院戴干策先生的主意。戴先生是著名的化工传递专家,虽退休多年但一直活跃在科研一线。按戴先生的建议,把聚酯反应器的搅拌概念引入了秸秆的生物炼制,就彻底解决了搅拌难的问题。

小小的树脂枝孢霉则是第三张牌。原来,在纤维素预处理的过程中,会产生大量呋喃醛和芳香醛之类的物质,这些都会使得发酵微生物中毒死亡。树脂枝孢霉就承担了去除这些“毒物”的使命。

说起树脂枝孢霉的发现,还有一个有趣的小故事。有一年,研究人员过完春节回校,发现冰箱里存放的已经预处理的秸秆原料上长出了黑色的霉菌。经鲍杰老师提醒,他们对原本要处理掉的原料进行了成分检测,结果发现,原料里面的抑制物含量居然下降了很多,最后找到的“始作俑者”就是树脂枝孢霉。

“这种真菌有一个俗名叫煤油真菌,曾在航空煤油油箱里发现过,不过除了堵塞输油管线外,原来还没有发现过它有其它用途,没想到在秸秆上发现了它。这种霉只吃有毒的物质,不吃糖,是一个罕见的‘劳模’微生物。所以说,科学研究中,有心很重要,对不是实验计划中的东西,也要好好观察。”鲍老师说。

世界性难题何时解?

据鲍杰教授介绍,“干法木质纤维素生物炼制技术”发酵乙醇的体积浓度已近9%,接近于淀粉制乙醇的指标。更重要的是,这一技术的耗水耗能低、废水排放低,与生产玉米乙醇相比相差无几,而且设备成本低,特别适合在我国农村地区实施。目前,该技术已经申请了中国发明专利20项,其中授权4项、公开9项,还有7项已进入实际审查阶段。以年产3万吨生物多元醇为总目标,他们与河南郸城财鑫糖业公司合作的项目也将进入投料生产阶段。

“秸秆制乙醇遇到的挑战是个世界性难题,虽然欧洲和美国的几套工业生产装置已经进入试生产,但最终结果还需要连续运营的工业化数据的证明,简单地说,如果年产几万吨的装置连续运行一年下来,企业还能赢利,还有继续生产的动力,就可以算成功了。”对乙醇的非粮生物炼制产业化前景,鲍杰教授用“还需要走很长一段路”一语进行了概括。

据估算,我国每年可收集秸秆总量大约7亿吨,如果每年有五分之一用于生产乙醇,可年产乙醇2800万吨,大约可替代全国一半的汽油消耗量。对农民来说,按1吨秸秆净收入200元计算,每年可增收280亿元。也许,再等5年,这笔计算中的财富就能够惠及我们每一个人?

 
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