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玉米芯可能成为中国纤维乙醇的中流砥柱

  根据美国科学家的研究报道“玉米芯的生命周期能耗与温室气体排放”一文指出,在中国,通常被丢弃的农作物副产品——玉米芯有可能成为未来的燃料的主要原料,整个转化过程有助于降低全中国的温室气体排放。这是一篇2018年6月发表在《生物燃料、生物制品和生物精炼,Biofuels Bioproducts&Biorefining》杂志上的,由爱荷华州立大学能源政策研究员王宇(音译)研究。

  目前学术界的研究热点和主题主要为秸秆乙醇,已经有秸秆乙醇温室气体(GHG)排放的生命周期评估,但缺乏对玉米芯乙醇的此类评估。王宇团队首次以中国玉米芯乙醇的生命周期能耗和温室气体排放为主题,分析了玉米芯作为未来燃料乙醇的优势,指出玉米芯在转化为燃料乙醇方面,比秸秆具有更高的半纤维素和更低的木质素,其利用率要高于秸秆。通过使用GREET(Greenhouses gases, Regulated Emissions, and Energy use in Transportation)模型估算玉米芯乙醇的生命周期、能耗和碳排放来填补这一空白。结果显示采用化石燃料从油井到泵的评估模式(well-to-pump,WTP)生产乙醇的消耗为0.51-0.84 MJ/MJ-1,生产乙醇温室气体排放量为39.44-49.97 gCO2eq/MJ,其中大约90%用于乙醇的转换过程。研究者们还发现,用玉米芯生产一兆焦乙醇需要约0.52MJ能量,而用玉米粒生产同样多乙醇则需要0.74MJ能量。如果采用玉米芯中的葡萄糖和木糖共同发酵转化乙醇,将比WTP模式将减少10%的能量消耗,温室气体排放量将降低约20%。研究以中国使用火花点火式发动机车辆为代表,发现混合动力和插电式混合动力电动汽车的排放量比内燃机汽车(ICEV)低18-20%,使用E85的灵活燃料汽车对ICEV的WTP排放量相似。

  玉米芯是由30~45%纤维素和30~35%的半纤维素组成。玉米芯加工生产燃料乙醇需要经过三个耗能过程,①原料收储并运送至工厂;②乙醇转化过程,通过预处理需要破坏木质纤维素结构的天然抗降解屏障(预处理、脱木素),使其通过糖化后变成可发酵糖,然后利用酵母发酵转化为乙醇,通过精馏制备成无水乙醇;③乙醇运输至加油站;图1所示。蒸汽爆破和稀酸预处理是工艺上常用的预处理方式,去木质素的纤维素含有很高葡聚糖含量接近于玉米淀粉含量,氢氧化钠碱处理后可以明显增加水解效率达到70%以上。研究中指出1kg玉米可以生产出0.15kg的玉米芯副产品,在50km的半径中,玉米芯在农田中收集并储存进行干燥,然后通过卡车运送到100km范围的乙醇工厂,在1英亩(6.0702亩)收集范围内,可收集740kg玉米芯,收集需要消耗1300MJ能量。作者通过分析蒸汽爆破预处理,碱脱木素后的玉米芯原料,采用糖化发酵法为模式,用商业纤维素酶以纤维素发酵48h或综纤维素酶解后发酵72h,分别可以达到理论转化率的90%和94%。评估结果指出玉米芯从葡萄糖发酵生产1t乙醇过程中电消耗为2830MJ。然而这些能量和热量可以通过预处理过程中分理出的木质素进行补偿。1英亩玉米芯可产生750MJ能量(木质素的热效率可以达到18.878GJ/t的热值),可以满足预处理、水解、发酵和乙醇回收等设备的运行,具体见表1。

  中国发展可再生能源的十三五规划指出到2020年实现600万吨生物燃料的生产目标。2017年,国家发展改革委、国家能源局等十五部门联合印发《关于扩大生物燃料乙醇生产和使用车用乙醇汽油的实施方案》,到2020年,在全国范围内使用车用乙醇汽油,基本实现全覆盖。到2025年,力争纤维素乙醇实现规模化生产,先进生物液体燃料技术、装备和产业整体达到国际领先水平。玉米芯作为一种丰富的农业剩余物,用来生产燃料乙醇具有不与人畜争粮、不与粮林争地、低碳减排的特点,是一项吸引人的减排战略发展模式。中国工业应该考虑使用玉米芯共同发酵法生产可再生能源——乙醇,以降低生命周期排放,与此同时,需要政府应该以更多的政策激励措施来促进玉米芯乙醇产业,来实现新实施计划确定的目标。

  龙力生物是我国首家二代燃料乙醇定点生产企业,首创玉米芯生物质资源多级资源化联产应用模式(图2),实现了我国首家以玉米芯为原料采用现代生物工程技术生产功能糖,并循环利用功能糖生产中产生的玉米芯废渣生产第2 代燃料乙醇等新能源产品及木质素等高分子材料产品的生物质综合利用企业。通过近二十年的科技创新和艰难历程,用辛勤与汗水书写了我国乃至世界上木质纤维素原料三大组分综合利用的故事,每五年,龙力生物在木质纤维素综合利用领域都会有一个跨越增长式的飞跃,从2000年开始与中国农业大学合作的半纤维素制备低聚木糖和木糖、阿拉伯糖等功能糖产品和半纤维素高效生产技术;到2005年与山东大学合作揭开了纤维乙醇新能源产业的序幕,2010年与北京林业大学的合作项目则真正实现了现有产业三素分离与分级利用的终极目标。龙力生物因此也先后获得四项国家大奖:“玉米芯酶法制备低聚木糖”项目获2006年度国家技术发明二等奖;“玉米芯废渣制备纤维素乙醇”项目获2011年度国家技术发明二等奖;“嗜热真菌耐热木聚糖酶的产业化”项目获2011年度国家科学技术进步二等奖。"木质纤维生物质多级资源化利用关键技术及应用"项目荣获2016年度国家技术发明二等奖。十三五期间,健康中国上升为国家战略。龙力生物致力于发展玉米全株大健康产业,深度拥抱互联网,实施大健康+互联网双主营发展战略,推动公司转型升级。


图2 龙力生物生物质资源多级资源化联产应用模式

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