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纤维素乙醇

纤维素乙醇（英语：cellulosic ethanol）是从木材、草，或农作物不可食用部分之木质纤维素（英语：lignocellulosic biomass）产生之一种生物燃料。木质纤维素主要是由纤维素，半纤维素和木质素组成。玉米秸秆、柳枝稷、芒属植物、木屑、草坪和树木维护的副产物，皆为生产乙醇的比较流行的木质纤维素原料。与玉米种子和甘蔗等糖来源相比，从木质纤维素生产的乙醇具有原料来源丰富多样的优点，但是需要有更大的加工量才能提供单糖给微生物，让微生物通过发酵来生产乙醇。

柳枝稷和芒草是当今正在被研究的主要的生物质材料，因为其具有较高的每英亩生产力。纤维素普遍存在于世界各地自然生长的植物，不需要农耕上的努力即可使其生长。

历史

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1819年，法国化学家Henri Braconnot第一个发现用硫酸处理的纤维素能被水解成糖[1]。然后，水解的糖可以处理通过发酵形成乙醇。第一个商业化乙醇生产开始在德国于1898年，在那里他们用酸来水解纤维素。

生产方法

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纤维素乙醇研究的生物反应器

从纤维素生产乙醇的两种方法是：

  • 纤维素分解（cellulolysis），包括由水解预处理的木质纤维素原料，采用酶来分解复杂的纤维素转化为单糖，如葡萄糖，随后的发酵和蒸馏。
  • 气化反应（gasification），将所述木质纤维原料转为气态的一氧化碳和氢气。这些气体可以通过发酵或化学催化转化成乙醇。

正如普通的纯乙醇的生产，这些方法包括蒸馏。

纤维素水解（生物的方法）

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用生物方法生产乙醇的阶段是[2]

  1. “预处理”阶段，以使木质纤维素材料，如木材或稻草适合于水解
  2. 纤维素水解（cellulolysis），打破了这种分子转化为糖
  3. 从残留材料分离出糖溶液，尤其是木质素
  4. 糖溶液的微生物发酵
  5. 蒸馏产生大约95％的纯酒精
  6. 脱水分子筛带来的乙醇浓度超过99.5％

2010年，基因工程酵母菌株被开发生产自己消化纤维素的酶[3]。假设该技术可以扩展到工业水平，这将消除纤维素水解的一个或多个步骤，从而降低了所需的时间和生产成本。

气化工艺（热化学方法）

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流化床气化器，位于奥地利布尔根兰州居兴市

气化过程不依赖于纤维素分解的化学分解。相反打破了纤维素转化为糖分子，原料中的碳被用部分燃烧转化成合成气。然后，一氧化碳，二氧化碳和氢气可送入一个特殊类型的发酵罐。不同于使用糖发酵用酵母，这种合成气发酵（英语：syngas fermentation）工艺使用杨氏梭菌（Clostridium ljungdahlii）的细菌[4]。这种微生物将摄取一氧化碳，二氧化碳和氢，并产生乙醇和水。该过程因此可以分成三步：

  1. 气化 - 复杂的基于碳的分子被分解开为一氧化碳，二氧化碳和氢气
  2. 发酵 - 利用杨氏梭菌生物转换的一氧化碳，二氧化碳和氢气转化成乙醇
  3. 蒸馏 - 乙醇与水分离

最近的一项研究发现了另一个梭状芽孢杆菌（Clostridium）的细菌，这似乎是上文提到的从一氧化碳制造乙醇效率的两倍[5]。

另外一种替代方法是，气化的合成气可以被馈送到催化反应器中，在那里它被用于通过热化学方法来生产乙醇和其它高级醇[6]。这个过程也可以产生其他类型的液体燃料，一种替代的概念在蒙特利尔的公司Enerkem在他们位于魁北克韦斯特伯里工厂成功地得到证明[7]。

经济

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转移到可再生燃料资源已经是很多年的目标了。 然而，大多数的可再生燃料生产是使用玉米生产的乙醇。在2000年，美国的玉米乙醇生产只有62亿升，而在短短的十年（2010年）中，它已经扩大800％到500亿升[8]。转移到可再生燃料资源的政府压力已经明显，因为美国环境保护局已经实施了2007年可再生燃料标准（RFS）使用一个百分比可再生燃料的产品，否则将面临处罚。取代玉米转移到纤维素乙醇生产已经由美国政府大力推动[9]。即使这些政策的颁布，和政府企图建立一个纤维素乙醇市场，这种燃料在2010年和2011年仍没有商业化生产[10]。能源独立和安全法案最初设置的目标为分别是在2010年为1亿美制加仑，在2011年为2.5亿美制加仑，及在2012年为5亿美制加仑。然而，在2012年被预计生产纤维素乙醇约为1050万美制加仑，其目标还很远[10]。仅在2007年，美国政府提供的10亿美元的纤维素乙醇项目，而中国投资5亿美元投入纤维素乙醇的研究[11]。

纤维素乙醇商业化

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纤维素乙醇商品化（英语：Cellulosic ethanol commercialization）是把含纤维素的有机物质转化为燃料的方法的建立成一个工业的过程。公司例如Iogen（英语：Iogen）公司，POET（英语：POET）公司和阿文戈亚（Abengoa）公司正在建设精炼厂能够处理生物质并将其转化为乙醇，而例如杜邦公司，Diversa（英语：Diversa）公司，诺维信公司，和Dyadic公司生产的酶可以开创一个纤维素乙醇的未来。把以粮食作物为原料转移到以废渣和天然草本植物为原料提供了显著的机会给一系列参与者，从农民到生物技术公司，还有从项目开发商到投资者[12]。

于2008年，纤维素乙醇工业发展了一些新的商业规模的工厂。在美国，每年共计1200万升（317万加仑）的工厂投入运作，另外每年8000万升（2110万加仑）单位容量 - 26个新工厂 - 正在建设中。在加拿大，每年有600万升的产能运作。在欧洲，一些在德国，西班牙，瑞典的工厂运营，有每年1000万升的产能正在建造[13]。

参看

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参考

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  1. ^ Braconnot, H. Annalen der Physik. 1819, 63, 348.
  2. ^ ： Zhu JY, Pan XJ, Wang GS, Gleisner R. Sulfite pretreatment (SPORL) for Robust enzymatic saccharification of spruce and red pine. Bioresource Technology. 2009, 100 (8): 2411–2418. PMID 19119005. doi:10.1016/j.biortech.2008.10.057. 
  3. ^ Galazka, J. M.; Tian, C.; Beeson, W. T.; Martinez, B.; Glass, N. L.; Cate, J. H. D. Cellodextrin Transport in Yeast for Improved Biofuel Production. Science (American Association for the Advancement of Science (AAAS)). 2010-09-09, 330 (6000): 84–86. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.1192838. 
  4. ^ Providing for a Sustainable Energy Future by producing clean RENEWABLE liquid energy and green power. Bioengineering Resources Inc. [2007-11-28]. （原始内容存档于2006-04-21）. 
  5. ^ "Formation of Ethanol from Carbon Monoxide via New Microbial Catalyst", Biomass & Energy v. 23 (2002), p. 487–493.
  6. ^ Power Energy Fuels Homepage. Power Energy Fuels, Inc. [2007-11-28]. （原始内容存档于2013-04-08）. 
  7. ^ Westbury, Quebec. [2011-07-27]. （原始内容存档于2011-08-06）. 
  8. ^ Deepak, K., & Ganti, M. Impact of pretreatment and downstream processing technologies on economics and energy in cellulosic ethanol production. Biotechnology for Biofuels, 4
  9. ^ 存档副本. [2013-12-29]. （原始内容存档于2021-04-15）. 
  10. ^ 10.0 10.1 U.S. Will Be Hard-Pressed to Meet Its Biofuel Mandates | MIT Technology Review. [2013-12-29]. （原始内容存档于2014-04-29）. 
  11. ^ Sainz, M. B. (2011). Commercial cellulosic ethanol: the role of plant-expressed enzymes. Biofuels, 237-264.
  12. ^ Pernick, Ron and Wilder, Clint (2007). The Clean Tech Revolution p. 96.
  13. ^ REN21 (2009). Renewables Global Status Report: 2009 Update 互联网档案馆的存档，存档日期2009-06-12. p. 16.
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