天津快乐十分121|天津快乐十分18101001
Date: 2010-08-15 09:36:25Written By

新型生物燃料――丁醇的研究進展

  • Tags: 丁醇 新型生物燃料 , 積分 Counts:1793 次

受世界石油資源、價格、環保和全球氣候變化的影響,發展生物燃料已成為許多國家提高能源安全、減排溫室氣體、應對氣候變化的重要措施。生物燃料是指通過生物資源生產的適用于汽油或柴油發動機的燃料,包括燃料乙醇、生物柴油、生物丁醇、生物氣體、生物甲醇、生物二甲醚等,目前市場上以燃料乙醇和生物柴油最為常見。生物丁醇與乙醇相似,可以和汽油混合,但卻具有許多優于乙醇之處,因此,生物丁醇的研究開發日益受到許多國家的重視。
1 生產概述
    工業上生產丁醇的方法有3種:①羰基合成法。丙烯與CO、H2在加壓加溫及催化劑存在下羰基合成正、異丁醛,加氫后分餾得正丁醇,這是工業上生產丁醇的主要方法。②發酵法。以淀粉等為原料,接人丙酮-丁醇菌種,進行丙酮丁醇(ABE)發酵,發酵液精餾后得產品正丁醇。③醇醛縮合法。乙醛經縮合成丁醇醛,脫水生成丁烯醛,再經加氫后得正丁醇。
    發酵法生產丙酮和丁醇工業始于1913年。第一次世界大戰爆發后,丙酮用于制造炸藥和航空機翼涂料等用量激增。英國首先改造酒精廠為丙酮丁醇工廠,繼而又在世界各地建立分廠,以玉米為原料大規模生產丙酮、丁醇。戰后由于與丙酮同時制得約有2倍量的正丁醇未發現可利用價值,丙酮、丁醇工業曾衰退停頓,當發現正丁醇是制造醋酸丁酯作為硝酸纖維素之最佳溶劑后,此工業又獲得新生。20世紀五六十年代,由于來自石油化工的競爭,丙酮、丁醇發酵工業走向衰退。但是70年代的石油危機,促使人們重新認識到丙酮、丁醇發酵工業的重要性。
2 優勢
    發酵法生產的生物丁醇可作為生物燃料替代汽油等石化能源,其優勢體現在生產方法和產品性能兩方面。
2.1 發酵方法上的優勢
    (1)化工合成法以石油為原料,投資大,技術設備要求高;而微生物發酵法一般以淀粉質、紙漿廢液、糖蜜和野生植物等為原料,利用丙酮丁醇菌所分泌的酶來將淀粉分解成糖類,再經過復雜的生物化學變化,生成丙酮、丁醇和乙醇等產物,其工藝設備與酒精生產相似,原料價廉,來源廣泛,設備投資較小;
    (2)發酵法生產條件溫和,一般常溫操作,不需貴重金屬催化劑;
    (3)選擇性好、安全性高、副產物少,易于分離純化;
    (4)降低了對有限石油資源的消耗和依賴。
2.2 生物丁醇的性能優勢
    作為生物燃料,丁醇與其同系物及其他燃料物化和燃燒特性的比較見表1和表2。

表1 甲醇、乙醇、丁醇、汽油、柴油幾項基本物化特性的比較

 

注:1psi=6.895kPa。

表2 正丁醇與甲醇、乙醇、正丙醇的著火和燃燒特性對比

 

    從表2數據可以看出,丁醇具有較生物乙醇優越的特性,可以作為汽油的替代品用于生物燃料。
    丁醇與乙醇相比具有以下優勢:①能量含量高,與乙醇相比可多走30%的路程;②丁醇的揮發性是乙醇的1/6倍,汽油的1/13.5,與汽油混合對水的寬容度大,對潮濕和低水蒸氣壓力有更好的適應能力;③丁醇可在現有燃料供應和分銷系統中使用,而乙醇則需要通過鐵路、船舶或貨車運輸;④與其他生物燃料相比,腐蝕性較小,比乙醇、汽油安全;⑤與現有的生物燃料相比,生物丁醇與汽油的混合比更高,無需對車輛進行改造,就可以使用幾乎100%濃度的丁醇,而且混合燃料的經濟性更高;⑥與乙醇相比,能提高車輛的燃油效率和行駛里程;⑦發酵法生產的生物燃料丁醇會減少溫室氣體的排放。與乙醇一樣,燃燒時不產生SOx或NOx,這些對環境有利;⑧丁醇作燃料會降低國內對燃油進口的依賴性,體現燃料的多元性,有利于緩解國家之間因石油引發的關系緊張問題。
3 國內外研究進展
    隨著石油資源的短缺,石油價格的不斷上揚,經濟和社會的發展需要進行資源、能源、環境革命。在經濟發展和社會發展的雙重驅動下,世界許多國家開始重新關注微生物發酵法生產丁醇的研究,其中以美國取得的專利和成果最多。
3.1 美國
    2006年6月,美國杜邦(Dupont)公司和英國BP公司聯合宣布建立合作伙伴關系,共同開發、生產并向市場推出新一代生物燃料--生物丁醇,以滿足全球日益增長的燃料需求,該生物丁醇廠將于2009年投入運營。
美國農業部農業研究所(USDA-ARS)研究項目Cost-EffectiveBioprocess Technologies for Production of Biofuels from Lignocellulosic Biomass,利用拜氏梭菌轉化纖維素生物質生產生物丁醇,該項目2004年立項,預計2009年完成。
    美國綠色生物有限公司(GBL)和專業級公司EKB公司合作,投資85.5萬歐元創新丁醇發酵工藝技術,計劃開發生產生物燃料丁醇用于交通運輸,將其生產成本降低。
    加利福尼亞技術研究院(Cahech)、下屬公司Gevo、Khosla風險投資公司及Virgin Fuels公司目前已將研究從乙醇轉向了丁醇;Gevo公司將利用甘蔗、玉米副產物和草等不同類型的生物質生產生物丁醇。
    美國Ener Genetics International Inc.(EGI)用DNA遺傳改良菌株,通過代謝工程調控和專利技術開發的連續固定化反應器,采用膜技術回收產物,發酵僅需6h,菌種能耐受4%-5%的丁醇,發酵液中丁醇占總溶劑的90%(傳統發酵法丁醇一般占60%),丁醇產量達4.5-5.0g/(L·h),產率為40%-50%,比傳統丁醇工藝產量提高400%-500%,生產成本不到0.264美元/L,車間成本500萬-1 000萬美元,而傳統丙酮丁醇發酵法生產成本為2.5美元,傳統發酵車間至少需要投資1億美元。
    美國ButylFuel公司采用BFL公司專利生產的BioButanolTM,1 L玉米可產丁醇0.27 L,且無乙醇或丙酮產生,而目前報道的研究中1 L玉米最多能產丁醇0.14-0.20L,且仍沿用ABE發酵過程。據初步成本估算,用石油生產丁醇的成本為1.350美元/L,而用玉米產生物丁醇的價格為0.317美元/L(不包括所產氫氣),可以和玉米產乙醇的0.338美元/L的價格相競爭。當用飼料等廢棄物代替玉米時,丁醇成本可降至0.225美元/L。
3.2 英國
    2006年,英國政府計劃利用英格蘭東部的甜菜生產生物丁醇,將其與傳統汽油混合后,用作車輛驅動燃料,并計劃加速丁醇和其他生物燃料的生產,使生物燃料銷售份額到2010年占所有燃料的5%,到2015年占10%。目前,第一個丁醇燃料工廠正由英國聯合食品有限公司(ABNA)建造,設計生產能力為7000萬L/a,到2010年,丁醇燃料可在1 250個英國石油公司(British Petroleum,簡稱BP)、加油站銷售。
    2007年2月,英國Oxfordshire-basedBiotechnology公司接受英國貿易部和工業引導技術部投資25萬英鎊,其他股東和商業人士投資31萬英鎊,計劃開發新一代低成本生物燃料--丁醇。
3.3 韓國
    為應對高油價,韓國產業資源部2007年表示,計劃大力研發生化丁醇(Bio-butanol,直接替代汽油的生物燃料)、生物合成石油等下一代新能源技術和天然氣固化儲存和運輸技術。第一階段從2007年至2010年3年內,計劃投入200億韓元開發上述技術,其中政府投資113億韓元,由韓國化學研究院、CS精油、SK建設、三星綜合技術院(SAlT)和漢城大學(Hansung University)等29個企業和研究機構共同參與。一階段研發結束時,將開發出生產能力3萬L/a生化丁醇、35桶生物合成柴油和20t固化天然氣的成套設備。
3.4 中國
    國內的科研院所以及一些發酵企業也都開始著手丁醇的研究開發,開始這方面研究的科研院所有中國科學院上海植物生理生態研究所、上海工業微生物研究所、清華大學核能與新能源技術研究院等,其中中國科學院上海植物生理生態研究所“七五”期間承擔過高丁醇比丙酮丁醇菌的選育,并成功選育出了7:2:1丙酮丁醇菌種。相關的企業有河南天冠集團的子公司上海天之冠可再生能源有限公司、華北制藥公司、河北冀州溶劑廠等,其中上海天之冠可再生能源有限公司和中國科學院上海植物生理生態研究所關于發酵法生產丙酮丁醇的項目已經申請了國家“973”、國家"863"計劃以及中國科學院計劃,項目的重點是構造高產、高底物選擇性的丙酮丁醇菌種和開發新的發酵工藝,包括纖維質原料發酵生產丙酮丁醇、溶劑抽提耦聯發酵技術以及研究先進的發酵過程裝備等。
4 問題與展望
4.1 發展中存在的問題及應對策略
    早期的丁醇發酵工業因其成本高,不敵于石油化工產品而衰落,這也是當今限制其大規模發展的瓶頸所在,據業內專家分析,如果原油價格保持在40美元/桶以上,2011年以后,生物丁醇的市場機會將會超過10億美元。
傳統丁醇發酵產業普遍存在的問題有:①丁醇產量、產率低。由于丁醇對菌體的毒害作用,丁醇的質量濃度<13 g/L,丁醇產量<4.46s/(L·h),丁醇產率<25%(質量分數)。②溶劑終濃度低。傳統的ABE發酵,總溶劑質量分數≤2%,水分質量分數可達98%以上,采用常規精餾方法加大了設備、電力和能源的消耗,這也是丁醇高成本的關鍵所在。③丁醇在總溶劑中的比例低,一般只占60%,其余30%為丙酮,10%為乙醇,加大了后期丁醇回收、分離的成本。④傳統的丁醇發酵普遍采用玉米、糖蜜為原料生產,隨著糧食價格的上漲及世界糧食資源的匱乏,丁醇的發展必將處于劣勢。
針對傳統丁醇發酵產業存在的問題,可從以下幾方面著手,具體策略如下:
    (1)改良現有菌株。利用基因工程和代謝工程技術,解除代謝過程中可能存在的產物或者中間產物的抑制,提高菌種對丁醇的耐受性,強化丁醇生產中的關鍵酶,切斷丙酮、乙醇的生成代謝途徑,提高丁醇在溶劑中的比例。
    (2)研究從稀發酵料液中經濟、有效回收丁醇的方法,如滲透蒸發、汽提、液-液萃取等技術。
    (3)用酶學、微生物生理、發酵技術等知識優化和再商品化丁醇發酵工藝。
    (4)拓展發酵原料品種,改進原料預處理方法,通過系統研究降低丁醇成本:①廣泛利用價廉易得的木質纖維類原料。能夠發酵產生丁醇的原料有玉米、糖蜜、乳清、葡萄糖等。近年來,一些農業廢棄物,如稻草、玉米纖維、果園殘次果等也已作為發酵底物使用,其中,以農林副產物、有機廢棄物、秸稈等木質纖維素含量豐富的物質生產生物丁醇的成本較玉米、糖蜜等更低,規模化后其價格更接近石油工業丁醇,因此也更有商業前景。目前我國農村的秸稈量產量約6.5億t/a,到2010年將達7.26億t/a,而農業加工業的廢棄物則高達8 200多萬t。充分開發利用農作物秸稈成為農業發展的重要課題之一,既符合我國國情,也順應國家的大政方針。②研究有效的預處理方法,增加微生物或酶水解木質纖維素的有效性。稀酸高溫處理木質纖維類原料會產生糠醛等對微生物發酵有毒的物質,而開發化學和生物方法脫毒水解物,研究脫毒機理,對加快發酵效率,降低工藝成本具有重要意義。③用木質纖維素開展生物燃料的高產量發酵系統研究。采用多級連續發酵、固定化發酵、細胞循環高密度發酵等方法,通過微生物對高底物濃度、發酵抑制劑、有機酸和醇的耐受性的研究,保證微生物的活力。④為提高工藝的經濟性,生物反應器中的各項步驟可耦合,通過酶/微生物糖化-發酵-下游技術同時生產生物燃料丁醇。
4.2發展前景與展望
    目前,新型生物燃料占全球運輸燃料市場的份額不足2%。根據當前的預測,生物燃料在未來運輸燃料結構中將占有重要比重,在主要市場中可望達到20%-30%,由于生物丁醇生產與乙醇生產采用相似的工藝,現有的乙醇生產設施經過改造便可轉而生產生物丁醇,因此生物丁醇的市場潛力巨大。
國家能源供應多元化是國家能源策略的一個重要方面,在世界未來的能源結構中,可再生生物能源將是能源利用的主體之一。丁醇作為一種新型生物燃料,隨著丙酮丁醇發酵工業上游和下游工程技術的完善,必將以其特有的優勢在生物燃料市場中發揮重要作用。
    針對世界各國大力開發新型生物燃料的現狀,我國只有認清形勢,鼓勵發展性能良好、環保安全的諸如生物丁醇、生物柴油等類的生物燃料,方能有效應對能源危機,減少環境污染,提高國家能源安全,實現能源多元化發展,滿足國內外市場對生物燃料的需求。鑒于國外生物丁醇技術知識產權和專利的限制,我國需要因地制宜,廣泛利用價廉、豐富的木質纖維素資源,改良丁醇發酵菌種,采取有效的回收技術,革新生物反應器,在掌握丁醇發酵代謝機理的基礎上,運用代謝調控理論和發酵工程技術,切實提高丁醇產量和產率,降低生物燃料丁醇的成本,力爭早日實現其規模化生產。
   

    來源:中國生物能源化工網

下一篇 --> 國家首批綠色能源示范縣名單   生物質成型燃料 生物質能展上唱主角 <--上一篇
Free Web Hosting
天津快乐十分121 吉林十一选五 新加坡快乐8走势图 四肖中特2018 股票行情大盘走势怎么看 排列三走势图综合版 如何查看彩票中奖结果 新浪围棋手机官方下载 在农村弄个充气城堡赚钱吗 快速赛车技巧规律图片 pk10怎么抓走势