利用生物质资源生产化学品
余乃言 编译
随着石油资源紧张、价格高昂以及社会对环保的关注，人们对生物资源作为化工原料和替代能源发生了兴趣。
生物资源如植物/谷物资源，为人类提供可再生的原料，创造可持续发展的机会。
全球数量最大的3种生物质原料是稻草、麦秸秆和玉米秸秆。据Oak Ridge国家实验室（ORNL）估计，美国每
年农业残余物（干燥）价格在40美元/t下仍有1.35亿多t可以使用，其中80%以上是玉米秸秆。
将生物质原料实现向可再生资源的转换，首先面临把生物质转化为化学品，需要的技术包括生物化学和发酵基
础知识、有关过程技术和农业实践的进步；发展一种集成的原料供应系统，以便能够以合理的价格和可持续的方式
提供原材料；还必须要开发市场。生物质转换技术目前正在向3个热点方向发展：乙醇、乳酸和生物炼厂。
乙 醇
发酵制得的乙醇作为车用燃料添加剂可改善辛烷值和降低尾气排放，因此市场需求量增长迅速。2001年世界
燃料乙醇生产量约为83亿加仑（1加仑=3.785L,下同），大部分在巴西和美国。
1.生产工艺
加工量为2000t/a干玉米秸秆的乙醇生产装置，开工率为95%可年产乙醇6900万加仑。该设计项目研究的核
心技术是预水解、糖化和共发酵，美国能源部（DOE）已在中试装置上作示范，但还未实现工业化生产。
第一部分秸秆预处理水解半纤维素成可溶糖的设计是基于NREL的稀硫酸工艺。秸秆经研磨后加入预处理反应
器，在190℃和1.1%硫酸中，约有90%的半纤维素转化为木糖，从反应器出来的物质经冷却、分离，液体部分加过
量石灰除去石膏，然后与固体混合送去糖化。
第二部分实现2个主要操作：从第一部分来的半纤维素水解产物中加入纤维素酶，稀释后约有20%的固体，然
后在65℃的糖化反应器中停留36h，约90%的纤维素转化为葡萄糖；糖化淤浆冷却至41℃，送入发酵反应器，采用
Z.mobilis细菌的基因重组形式，进行连续厌氧发酵。发酵完成后乙醇浓度达到5.7%。
第三部分经蒸馏和分子筛吸附从粗发酵液中回收乙醇。热发酵液进入蒸馏塔中除去二氧化碳，气相乙醇从侧线
出来进入精馏塔，从精馏塔顶出来后进入分子筛，脱水，生成纯度为99.5%的乙醇，蒸馏塔底物淤浆中含水、木质
素和其他有机物。淤浆经过滤得到的湿木质素可作为燃料。玉米秸秆生产乙醇的总产率是375L/t。
2.经济可行性
美国2004年燃料乙醇价格的批发价约为1.5美元/加仑。DOE确定了2010年乙醇售价为1.07美元/加仑，要
达到此目标，必须改进工艺设计。
为了改善乙醇生产的可行性，还可销售残存的固体和木质素以增加收入，如木质素和其他有机副产物可以燃烧
产生蒸汽或用于发电。但这需要约2000万美元或更多的投资。
3.典型国家
美国政府几十年来资助对发展生产乙醇的生物质转化技术。美国燃料乙醇约95%主要是由玉米湿式研磨或干式
研磨生产。2003年美国有70个工业化的乙醇发酵生产设施，生产能力超过27亿加仑/a，在建能力为3.6亿加仑
/a，其中11个公司控制着总产能的2/3。Archer Daniels Midland（ADM）是美国最大的乙醇生产公司，总能力超
过9亿加仑/a。
在一些国家的产业计划中指出，到2012年全球以纤维素为原料生产的乙醇等生物燃料市场将超过100亿美元。
虽然目前尚未实现生物质制乙醇的大规模产业化，但有许多公司正在探索这一工业化进程。BCI与Collin Pine公
司一起开发林产生物质生产乙醇的技术，装置建在加州Chester的生物质燃料发电厂,乙醇产能为2000万加仑/a。
BCI也在进行从农业废物生产乙醇装置的设计，装置建在加州Oroville；Pencor-Masada OxyNol LLC计划用2亿
美元在Middletown,NY建一座用废物生产乙醇的装置。
加拿大Iogen是以生物质为原料生产乙醇最接近于大规模工业化的公司。该公司40t/d的示范装置在Ottawa
运行。同时该公司正在考虑在加拿大、美国、德国或英国建设大规模工业化装置。美国爱达荷州种植者协会正在研
究以小麦和大麦秸秆生产燃料乙醇的可行性。该乙醇装置计划采用Iogen技术，装置的能力为60亿加仑/a，为Iogen
和Royal Dutch Shell拥有，每年消耗80万t麦秸秆。
根据国际能源组织（IEA）的研究，巴西生产乙醇的成本同石油燃料相近。因为在巴西生产乙醇有几个非常有
利的因素，如蔗糖的高产量、联合发电设施的有效使用，以及低的劳动力成本等。在巴西大多数乙醇厂既生产糖也
生产乙醇，从而可达到一些协同的效果，估计巴西生物乙醇的净生产成本为62美分/加仑。
乳 酸
乳酸是天然存在的α-羟基酸，可由石油化工合成或发酵制得。PURAC生物化学公司是世界上乳酸最大的生产
商，该公司在荷兰、西班牙、巴西、美国建有工厂。未来乳酸需求增长主要来自两方面：聚乳酸（PLA）和乳酸酯
溶剂。PLA市场推广的一个主要障碍是价格较高。由于乳酸酯溶剂具有生物降解和低毒性，使其消费的增长很快，
主要用于微电子工业作为电路板和电子原料的清洗剂。
1.生产工艺
用玉米秸秆在低pH值下发酵生产L-乳酸、产能为4亿lb/a（1lb=453.6g,下同）的连续装置设计项目，每天
使用1000t干玉米秸秆。该设计的基本方案与玉米秸杆制乙醇类似，只是发酵部分所采用的菌种不同，所得终产品
乳酸的浓度为88%（重量百分数），每吨玉米秸秆可生产1225 lb乳酸。
2.经济可行性
据PEP（Process Economics Program）分析，以葡萄糖为原料生产乳酸的工艺，在产能为4400万lb/a时生
产成本为76美分/lb，由于固体物的排放问题使该生产方法很难扩大规模。据测算，从玉米秸秆生产乳酸的生产成
本低于50美分/lb，大大低于目前美国市场价格（70美分/lb）。Cargill预计乳酸价格在3～5年内有可能降低到
25～30美分/lb，而用玉米秸秆为原料的成本为32美分/lb。需要说明的是，转化技术还没有在商业规模乙醇装置
上应用之前，投资玉米秸秆生产乳酸的装置不大可能建立。
生物炼厂
“生物炼厂”(Biorefinery)是指应用生物和化学技术，把生物质原料转化为各种潜在的基础原料、中间体和
其他产品。建立先进的生物炼厂，关键的技术包括：改进木质纤维素分离和预处理方法、转换可再生原料的反应器
优化设计、改进催化剂和催化工艺。
2002年，DOE和月美国农业部（USDA）启动一个协同努力支持生物质作为原料的研究项目，其中与生物炼厂有
关的包括：
①DuPont公司在Diversa、NREL和Michigan州立大学的帮助下，从事集成生物炼厂(ICBR)这一新生物炼厂概
念的开发工作。ICBR使用整个玉米植物，包括秆、壳、叶和粒，来生产燃料和增值化学品。
②Cargill Dow公司与Iogen和Genencor合作开发低成本从木质纤维素生物质生产糖的技术，并把糖转化为
乙醇燃料和乳酸化学品。
③全国玉米种植协会正主持一个关于玉米纤维分离和转化为燃料和化学品的生物炼厂项目。
④Abengoa生物能源公司在Novozymes和NREL的帮助下，计划在内布拉斯加州的York建立一个新的淀粉和生
物质转化实验装置。目的是通过开发一种创新的淀粉和生物质转化技术增加现有的乙醇产率。在欧洲开发生物炼厂
的研究也在行动，奥地利、丹麦、德国、冰岛和瑞士的R&D协会正在进行有关技术的基础研究，并早在1999年就
建立起实施生物炼厂的欧洲网络，作为信息交换的平台。
生物炼厂大体分为三类：
1.木质纤维素生物炼厂
在3种类型的生物炼厂中，木质纤维素生物炼厂可以说是最接近于商业化的一种。DOE的目标是到2010年用
工业化规模生物炼厂生产纤维素乙醇。木质纤维素生物炼厂主要使用玉米秸秆或麦秆利用正在开发的木质纤维素制
乙醇的技术。
从3种主要的木质纤维素能衍生出不同的化学品：纤维素断开为葡萄糖，葡萄糖发酵制乙醇、有机酸或溶剂；
半纤维素可水解成木糖，木糖是糠醛和呋喃树脂的前体；木质素含有相当数量的单芳烃。
Biofine Inc.公司将木质纤维素生物质转化成化学品，主要是乙酰丙酸、甲酸、糠醛等。早在1990年Biofine
就申请了二步法专利。在第一步中，含水的酸化木质纤维素淤浆（216℃）在柱塞流反应器中进行降解生成糠醛，
生成的混合物在193℃的搅动槽式反应器中进行第二次酸降解，生成乙酰丙酸。1t处理纤维素可生成约0.5t乙酰
丙酸。该公司在纽约Glenn Falls有2t/d的示范装置、在意大利Caserta有50t/d的装置。
玉米秸秆是北美作为生物炼厂原料的最佳原料之一，在美国是最大量的可用的生物质。估计交付成本在40～
75美元/t（干燥）。Cargill Dow正在开发转化玉米秸秆原料的技术。为了降低成本，需要采用同时糖化和发酵的
方法。正在开发的先进的纤维素酶要求在高温下仍具有活性，这有助于酶作用物的降解。
2.全作物生物炼厂
作为全作物生物炼厂的原料是整个谷类作物，可能的作物包括小麦和玉米。在生物炼厂，第一步是机械分离谷
粒和秸秆。秸秆可在木质纤维素生物炼厂进一步加工，谷粒可转化为糖或直接经碾磨后成食品。
Cargill已得到DOE的资助开发集成生物炼厂，包括1个加工玉米粒湿磨厂和1个秸秆碾磨厂，产品有聚氨酯
用多元醇、用于PLA的乳酸、山梨醇和生物柴油等。DuPont公司也在开发一个全作物生物炼厂，以玉米为原料制
得的精制糖生产1,3-丙二醇，玉米作物余下部分将转化为燃料级乙醇和电力。
3.绿色生物炼厂
绿色生物质包括草、苜蓿、三叶草和未成熟谷类作物等绿色农作物。绿色生物炼厂首先要去除无关系的物质，
然后将草精制和分离为两部分：高蛋白液汁和干燥的草纤维。纤维可以用作燃料为生物炼厂提供能源，还可用于纸
张、复合物、绝缘和包装材料等。液汁可用作动物饲料蛋白混合物，或进一步炼制成第二代产品，如菊粉、Rubisco、
颜料、有机酸和钾盐等。
一家荷兰企业联合会正在开发绿色生物炼厂技术，这样生物炼厂可全年运作。Avebe bv在加工技术方面是一
家领先的公司，他们的淀粉提取、精炼过程和栽培基础结构可应用于草的加工。荷兰农业技术研究所正在对边缘草
（Verge grass)进行研究，以期用于生物炼厂。(全文完）