新疆棉稈生產(chǎn)燃料乙醇的現狀及對策

2011年第5期新疆農墾科技食晶加工新疆棉稈生產(chǎn)燃料乙醇的現狀及對策(1.新疆塔里木河種業(yè)股份有限公司十七連,新疆阿拉爾 843300;2. 塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物質(zhì)能源研究所)摘要:本文對新疆農業(yè)的主導產(chǎn)業(yè)-棉花在生產(chǎn)過(guò)程種植的副產(chǎn)物,棉稈每年也將大量產(chǎn)生。中所產(chǎn)生的大量副產(chǎn)物-棉花秸稈資源及其利用狀況進(jìn)行目前,新疆的棉稈大多直接切碎還田,少量用于了調查,探討和分析了應用棉花秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的前景及造紙、制板、建筑、飼料生產(chǎn)及食用菌栽培。還田的棉所面臨的問(wèn)題。稈當年不能腐熟利用,往往成為病蟲(chóng)的寄生源;在飼關(guān)鍵詞:新疆;棉稈;燃料乙醇料生產(chǎn)中,棉稈只能用作粗飼料,其干物質(zhì)有效降解率和代謝能都較低,規?；茝V困難;加之新疆食用新疆是我國最大的商品棉生產(chǎn)基地，植棉面積菌栽培規模小,造紙、制板建筑等行業(yè)消耗有限,實(shí)占全國的1/4, 年產(chǎn)棉花250余萬(wàn)t,占全國總產(chǎn)量難解決大量棉稈利用問(wèn)題。隨著(zhù)人們對生物質(zhì)能的的1/3。由于新疆環(huán)境條件的限制,以棉花為主的作認識逐漸提升,棉稈的能源特性日益凸顯,在新疆有物種植面積不斷擴大,并成為新疆農業(yè)的主導產(chǎn)業(yè)。的縣已建立了小型棉稈生物發(fā)電廠(chǎng)，也有人探討利棉花生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量副產(chǎn)物-棉花秸稈,其年用棉稈纖維發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，但棉稈乙醇的生產(chǎn)產(chǎn)量可達600~800萬(wàn)t。數量如此之多的棉稈資源大都集中在預處理條件的研究上。如何生態(tài)高效地利用，已成為新疆重大的社會(huì )經(jīng)濟2纖維素 生產(chǎn)燃料乙醇的現狀和開(kāi)發(fā)前景問(wèn)題。2.1纖維素乙醇生產(chǎn)的政策 支持1新疆棉稈資源及其利用現狀在我國,燃料乙醇產(chǎn)業(yè)起步較晚,但近年來(lái)發(fā)展棉花一直以來(lái)都是新疆的主打經(jīng)濟作物，近年較快。自2000年政府央定將燃料乙醇的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)與來(lái)隨著(zhù)兵團特色農業(yè)結構的調整，棉花種植面積略使用列入十一- 五規劃以來(lái)，燃料乙醇在我國已得到有波動(dòng),但仍不影響新疆棉花生產(chǎn)的主導地位.。2010長(cháng)足的發(fā)展?！犊稍偕茉捶ā泛汀秶抑虚L(cháng)期科學(xué)和年5月召開(kāi)的中央新疆工作座談會(huì )對推進(jìn)新疆跨越技術(shù)發(fā)展規劃綱要(2006~ 2020年)》的出臺,極大式發(fā)展和長(cháng)治久安作出了戰略部署，建議國家把新地推進(jìn)了生物柴油和燃料乙醇等生物液體燃料的開(kāi)疆作為國家商品棉生產(chǎn)基地，并考慮到新疆特殊的發(fā)進(jìn)程。我國規劃，到2020年生物燃料消費量占到地理位置和邊疆的穩定,給予新疆糧棉同等政策,以全部交通燃料的15%左右,建立起具有國際競爭力穩定、恢復新疆宜棉地區的棉花種植面積,不斷提高的生物燃料產(chǎn)業(yè)，這給我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了良棉花產(chǎn)量和質(zhì)量。在此政策支持下,棉花在新疆大面好的發(fā)展機遇。在這個(gè)快速發(fā)展的過(guò)程中，燃料乙醇積種植的局面將在很長(cháng)時(shí)期內保持不變，作為棉花產(chǎn)業(yè)面臨原料成本高、原料有限等問(wèn)題,為此,燃料貯藏是一項系統性工程,只有控制好采前、采收(MA)的 ,要根據產(chǎn)品的情況確定聚乙烯或聚氯乙烯和采后的每個(gè)環(huán)節,嚴格執行操作標準,對人庫產(chǎn)品薄膜的厚度或硅窗的個(gè)數,有些需要在貯藏過(guò)程中的質(zhì)量嚴格把關(guān),才能夠取得好的貯藏效果。定期開(kāi)袋通風(fēng); (4)使用氣調庫貯藏(CA)對氣密性(1)一項貯藏工程開(kāi)始之前,要安排好相應的要求嚴格花干察窗監測和取樣，人員,并做好庫房、工具和容器的清潔、消毒工作;不得 隨中國煤化工:THCNMHC盡量安排一次出(2)進(jìn)行大規模商業(yè)貯藏前,要經(jīng)過(guò)試驗或相對小規清 ,因為件內的氣體環(huán)境并引模的貯藏，掌握相應種類(lèi)和品種果蔬的最佳的氣調起溫度波動(dòng),對庫內果蔬不利。如不能--次出庫的貯藏條件，避免造成損失;(3)使用自發(fā)氣調貯藏要盡快安排分次出庫?！?1●食品加工新疆農墾科技2011年第5期乙醇的發(fā)展呈現“非糧替代”勢頭,纖維素乙醇的發(fā)蛋白,風(fēng)干的棉稈一般含水量也較低。據魏敏等的展也應運而生。我國在“十- -五”期間已將纖維素乙檢測結果,棉花秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素醇研究工作提上日程,在國家“863”計劃中列為研究的含量分別為44.0%、10.7%.15.3%",張琴等檢測課題進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。2006年8月,河南天冠集團開(kāi)了塔里木棉區棉稈的木質(zhì)纖維素含量，其纖維素、始建設年產(chǎn)3 000t的纖維素乙醇項目,這是國內第半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為38.15%、12.91%和一條纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn)。這一生產(chǎn)線(xiàn)的建設18.35% ,其中的纖維素和半纖維都可水解為可發(fā)酵與投人使用，將使利用農作物秸稈類(lèi)纖維質(zhì)原料生的還原糖,包括六碳糖和五碳糖,這些還原糖都可產(chǎn)乙醇成為現實(shí),其意義非常深遠。中糧集團正在建在乙醇發(fā)酵微生物作用下轉化為乙醇;而目前可用設以玉米秸稈為原料,年產(chǎn)燃料酒精5000t的中間于規?；l(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的玉米秸稈中，纖維試驗廠(chǎng), 預算總投資4 500萬(wàn)元。中糧集團與擁有世素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為33.6%、32.5%、界領(lǐng)先技術(shù)的丹麥諾維信公司建立合作伙伴關(guān)系，4.6%,可見(jiàn)，與玉米秸稈相比，棉花秸稈亦有較高將于2~3年內實(shí)現纖維素乙醇的規?；a(chǎn)。山東的乙醇發(fā)酵潛力。當然棉桿中的木質(zhì)素含量比玉米大學(xué)與山東龍力生物科技有限公司通力合作，以玉秸稈中的高,但據Silverstein等的報道,即使用傳統米芯生產(chǎn)木糖系列產(chǎn)品的加工殘渣為原料生產(chǎn)乙的化學(xué)方法(H2SO4和NaOH)預處理,棉桿中的木質(zhì)醇，為加快纖維素乙醇生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程開(kāi)創(chuàng )了--素都能顯著(zhù)去除周,Zhang等通過(guò)比較三株白腐菌對條新的便捷途徑。棉稈的降解效果，得出用黃孢原毛平革菌降解棉2.2纖維素乙醇 的開(kāi)發(fā)前景.稈15d，能獲得最高的木質(zhì)素降解率并能較好地進(jìn)入21世紀,燃料乙醇已成為全世界研究的熱保留纖維素，找到了一種較好的棉稈生物預處理點(diǎn),尤以纖維素類(lèi)物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇為首。燃料乙醇方法4?？偟膩?lái)看,棉稈木質(zhì)素的可去除性及纖維生產(chǎn)過(guò)程中，采用有效的預處理手段可在-一定程度素、半纖維素的可糖化性能都決定了其中的還原.上破壞生物質(zhì)原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的糖能有效地用于乙醇發(fā)酵生產(chǎn)中,為此,探索適當交織結構,增強微生物及酶的可及性,有利于后續的的預處理和微生物發(fā)酵途徑，有望實(shí)現棉稈乙醇水解糖化。針對預處理過(guò)程中有毒抑制物的產(chǎn)生情的優(yōu)化生產(chǎn)。況，采取有效的脫毒方式或采用高耐受微生物的發(fā)3.2 棉稈生產(chǎn)乙醇的政策支持酵可提高水提糖液轉化乙醇的高效性。通過(guò)篩選合進(jìn)入21世紀，開(kāi)發(fā)新興的可再生能源替代傳適的微生物發(fā)酵菌株,調控發(fā)酵過(guò)程,最終實(shí)現乙醇統化石能源已成為解決能源問(wèn)題的重要方式,木質(zhì)優(yōu)化生產(chǎn)。素原料以其存在的廣泛性用以燃料乙醇的生產(chǎn)巳據國家農業(yè)部提供的數據，中國秸稈資源量達備受各國政府的重視。在我國《可再生能源中長(cháng)期6億t,目前有3億t用于薪柴燃料的消耗,其余均被規劃》中指出:“不再增加以糧食為原料的燃料乙醇焚燒;而林業(yè)部提供的數據顯示，我國林業(yè)廢棄物資生產(chǎn)能力，合理利用非糧生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙源量8億t,其中工業(yè)消耗5億t,有3億t亟待開(kāi)發(fā)醇”，“從長(cháng)遠考慮，要積極發(fā)展以纖維素生物質(zhì)為利用按照美國每4t秸稈生產(chǎn)1t乙醇的技術(shù)水平,原料的生物液體燃料技術(shù)”?！侗鴪F中長(cháng)期科學(xué)和技這些原料將能生產(chǎn)115億t燃料乙醇。如果纖維素術(shù)發(fā)展規劃綱要(2006~ 2020年)》指出“要引進(jìn)開(kāi)燃料乙醇技術(shù)獲得突破進(jìn)展,實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn),則對發(fā)生物質(zhì)液體燃料(生物酒精、生物柴油等)及秸稈突破我國資源瓶頸起到至關(guān)重要的作用。在我國,玉能源轉化關(guān)鍵技術(shù)”,可見(jiàn),國家及兵團對棉花的持米秸稈、甜高粱秸稈等農業(yè)廢棄秸稈已用于燃料乙續生產(chǎn)及棉稈的能源化利用十分重視,棉稈乙醇的生醇的生產(chǎn)，并在- -定程度上形成一定產(chǎn)業(yè)和試驗示產(chǎn)將成為兵團可再生能源發(fā)展的新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。范基地。為此,廣泛地發(fā)掘我國秸稈資源，探索出成3.3 棉稈生產(chǎn)乙醇的探索熟的乙醇生產(chǎn)技術(shù)，將極大地推動(dòng)我國纖維素燃料中國煤化工'少,目前還沒(méi)有形乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。成完整JHCNMH(三藝,但已有人對棉.3棉稈生產(chǎn)乙醇的現狀和 前景分析稈的預處理、硒化雙ζs聯(lián)的土廠(chǎng)一等方面進(jìn)行了一定3.1棉稈生產(chǎn) 乙醇發(fā)酵潛力分析研究。Jian等研究了白腐菌預處理對棉稈纖維素酶棉稈中的主要組分是木質(zhì)纖維素，還有少量粗解和生產(chǎn)乙醇的影響,結果顯示,經(jīng)白腐菌預處理,萬(wàn)放數據2011年第5期新疆農墾科技食品加工棉稈中木質(zhì)素含量顯著(zhù)降低，但通過(guò)纖維素酶進(jìn)行的,自主開(kāi)發(fā)出能有效用于棉稈纖維素水解糖化的后續降解仍存在纖維素轉化率低、乙醇產(chǎn)量不高的纖維素酶制劑。問(wèn)題,乙醇產(chǎn)量?jì)H為0.027g/ g棉稈門(mén);張琴等利用棉4.4現有的棉稈乙醇發(fā)酵的產(chǎn)量還較低，有較多稈的酸解液發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，乙醇產(chǎn)量可達8.49 土的技術(shù)環(huán)節需要改進(jìn)0.54g/L,但其產(chǎn)量仍較玉米秸稈等水解液的低Q;棉稈乙醇在生產(chǎn)過(guò)程中,與其它木質(zhì)纖維素原Haykir通過(guò)堿預處理、漆酶和纖維素酶的復合處理，料乙醇生產(chǎn)的技術(shù)環(huán)節有類(lèi)似之處,但就目前的研使棉稈溶出的葡萄糖產(chǎn)量達到5.45%;鄧輝等通過(guò)究而言,棉稈纖維素糖化發(fā)酵過(guò)程中乙醇含量均較優(yōu)化棉稈糖化堿預處理條件，使棉稈水解率達到低,說(shuō)明棉稈乙醇的很多生產(chǎn)環(huán)節都需要改進(jìn)甚至20.05%7;張琴等、李艷賓等利用微生物降解經(jīng)稀創(chuàng )新。酸常溫處理的棉稈，實(shí)現棉稈糖化率最高達30%5小結左右B;1。但以上研究普遍存在微生物發(fā)酵周期偏新疆是我國重要的能源基地,隨著(zhù)燃料乙醇在.長(cháng)、糖化率不高及乙醇產(chǎn)量低等問(wèn)題,故只有在棉稈全國的推廣生產(chǎn),新疆亦有不少燃料乙醇項目得以生產(chǎn)乙醇的各個(gè)環(huán)節上展開(kāi)深人研究，才能從根本啟動(dòng),但如何立足本地工農業(yè)生產(chǎn)模式,高效低成上提高乙醇產(chǎn)量。本地利用本土資源用以燃料乙醇的生產(chǎn)仍值得關(guān)3.4棉稈生產(chǎn) 乙醇的前景分析注。棉稈纖維素乙醇的生產(chǎn)中,只有針對纖維素乙棉稈是新疆廣泛存在的生物質(zhì)資源，其在新疆醇生產(chǎn)的各環(huán)節,開(kāi)發(fā)高效低成本關(guān)鍵技術(shù),才能集中而廣泛的存在將為燃料乙醇的生產(chǎn)提供充足的從根本上促進(jìn)新疆燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的長(cháng)足發(fā)展。原料。棉稈生產(chǎn)乙醇的產(chǎn)業(yè)中,可積極探索棉稈木質(zhì)參考文獻纖維素轉化燃料乙醇過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，包括預處[1]魏敏,雒秋江,潘榕，等.對棉花秸稈飼用價(jià)值的基本評理技術(shù)、酶水解技術(shù)和乙醇發(fā)酵技術(shù),實(shí)現乙醇的規價(jià)[].新疆農業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003, 26(1):1-4.?；a(chǎn),并將此成果就地轉化、吸收和應用,在新[2]張琴，李艷賓，龔明福，等.一種棉桿稀酸水解及生產(chǎn)乙疆實(shí)現規?；痉逗屯茝V,將產(chǎn)生良好的社會(huì )效益、醇的方法[P].公開(kāi)號: CN101906489.[3] Silverstein RA, Chen Y, Sharma . -Shivappa RR, et al. A經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。comparison of chemical pretreatment methods for improving sac-棉稈的產(chǎn)生伴隨棉花生產(chǎn)而存在，在新疆產(chǎn)量charification of cotton stalks [J]. Bioresource Technology, 2006,巨大,便于集中采收和就地生產(chǎn)轉化。開(kāi)發(fā)棉稈生產(chǎn)98(16) : 3000 -3011.乙醇的關(guān)鍵技術(shù)將有利于新疆棉稈資源的本土化利[4] Zhang Q, Li YB. Biodegradation of cotton stalk by three white用，為纖維素乙醇在新疆的生產(chǎn)和推廣奠定理論和rot fungi and study on composition and structure changes of cot-技術(shù)依據。ton stalks[J]. Conference on China Technological Development of4新疆棉稈生產(chǎn)燃料乙 醇的存在問(wèn)題和對策Renewable Energy Source, 2010, (2):351-353.4.1棉稈乙醇的生產(chǎn) 尚未受到高度重視,棉稈乙醇[5]Jian S, Ratna R S, Mari C, et al. Effect of microbial pretreat-的生產(chǎn)缺乏資金和政策的支持ment on enzymatic hydrolysis and fermentation of cotton stalks forethanol production [J]. Biomass and bioenergy, 2009, 33 (4):目前，在新疆尚未有棉稈乙醇生產(chǎn)的專(zhuān)業(yè)化企88- -96.業(yè),其經(jīng)濟轉化能力較差,政策上雖支持秸稈類(lèi)原料[6] Haykir. A comparative study on lignocellulose pretreatments生產(chǎn)燃料乙醇，但相較傳統的棉稈直接還田的模式for bioethanol production from cotton stalk [J]. New Biotechnolo-來(lái)看,棉稈乙醇的生產(chǎn)并未受到高度重視。gy, 2009, 25(1): 253-254. .4.2棉稈預處理技術(shù)的研究較多 ,但尚未有成熟的[7]鄧輝，李春，李飛，等.棉花秸稈糖化堿預處理條件優(yōu)化預處理技術(shù)用于棉稈乙醇的規?；a(chǎn)中[0].農業(yè)工程學(xué)報, 2009, 25(1): 208-212.棉稈有其自身獨特的木質(zhì)纖維素組成特性,進(jìn).[8]張琴，李艷賓,岳耀峰,等.棉稈的微生物降解及糖化工行預處理時(shí)應注重預處理技術(shù)的復合性而盡量避免藝研究[J].1中國煤化工142-145.單一性。[9]李艷賓,:MYHCNMH G對棉稈的降解及糖4.3尚未開(kāi)發(fā) 出高效的棉稈水解酶制劑,棉稈中纖化工藝研究J釀酒科技，2009, (2): 121-123.維的糖轉化率較低研發(fā)中應以提高棉稈纖維的糖轉化率為首要目●53●