木质纤维素制乙醇生产工艺及经济性

乙醇是重要的有机溶剂，广泛用于医药、涂料、卫生用品、化妆品、油脂等制备过程。乙醇是重要的基本化工原料，用于制备乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等，并衍生出医药、染料、涂料、香料、合成橡胶、洗涤剂、农药等产品的许多中间体。75%的乙醇水溶液是常用的消毒剂。此外，乙醇还可以作为车用燃料使用。

生物质制乙醇主要分为两种技术，第一种是普遍采用的一代技术，以粮食作物如玉米、甘蔗、木薯等发酵生产，存在的主要问题是“与人争粮”。第二代技术是采用农、林业废弃物，如秸秆和木屑等木质纤维素为原料，经发酵生产乙醇。

目前由木质纤维素转化为乙醇的研究非常活跃，这一领域已取得许多新的进展。API公司采用木质纤维素为原料生产乙醇的工艺路线主要包括原料预处理、纤维素水解、发酵、乙醇分离等工序。(1)原料预处理。在生物质锅炉中，生物质和SO2、乙醇水溶液经加热，分离为：半纤维素、纤维素和木质素。半纤维素和木质素部分溶解，纤维素不溶，经洗涤过滤后，纤维素进入水解发酵区；滤液进入汽提塔，塔顶物流SO2和乙醇经冷凝后循环利用，塔底物流可用来产生蒸汽。(2)纤维素水解和发酵。在酶催化水解反应器中，纤维素经酶促反应水解生成葡萄糖；不溶性的木质素经分离，进入半纤维素水解发酵区。葡萄糖再经发酵生成乙醇。发酵液经离心分离后进入浓缩塔，分离出的细胞进行硫酸处理，再返至发酵罐循环利用。(3)半纤维素水解和发酵。在纤维素水解发酵区中分离出的不溶性木质素和生物质锅炉产出的蒸汽一起进入自水解反应器，半纤维素水解生成单糖，如木糖。水解产物经石灰中和处理，木质素送入能量利用系统(发电)，单糖则送入发酵罐发酵生成乙醇，再进入浓缩塔。(4)精馏。纤维素和半纤维素的发酵液经混合后，进入浓缩塔，塔顶得到含50%乙醇的蒸汽。塔底物流用于纤维素洗涤，侧线出料进入精馏塔，塔顶得到含93%乙醇的蒸汽。乙醇经分子筛脱水后，产品纯度达99.5%。

与采用酶催化纤维素及半纤维素水解工艺相比，该工艺仅催化纤维素水解，减少了酶用量，降低了成本，同时将低热值的半纤维素转化为高价值的乙醇，提高了整体效益；此外，该工艺还能够高效回收利用反应放出的热能，降低能耗，节约生产成本。

加拿大Intratec Solutions公司对木质纤维素生产生物基乙醇生产工艺进行了经济性评估，基于以下几项假定：(1)在美国海湾地区建立一套2.2×108L/a无水乙醇装置；(2)产品储量相当于30 d运行产量，无原料贮存。预测包括总固定投资、营运资金、其他资金耗费等在内的资金投入约为7亿美元。

发展纤维素乙醇对于解决当前石油资源短缺、增加农民收入以及减少环境污染等方面具有十分重要的意义。在《可再生能源中长期发展规划》中，预计到2020年实现生物燃料乙醇利用量达10 Mt/a。建议该工艺与纸浆和造纸企业结合起来，以使木材的每一组分(纤维素、半纤维素和木质素)得到最充分的利用。纤维素用于生产纸浆和造纸，半纤维素用于发酵制乙醇，木质素用于能源供给。