自20世紀(jì)中期以來，石油成為世界上最重要的能源物資。但當(dāng)前世界石油供應(yīng)比較充裕的狀況難以持久，新發(fā)現(xiàn)的石油儲量越來越少，產(chǎn)量也日漸減少。近年來，中東局勢動蕩，尤其是日漸減少的石油資源和日益增加的開采費(fèi)用，使得石油價格持續(xù)攀升，給世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展投下濃重的陰影，從而使以可再生物質(zhì)生產(chǎn)代用能源成為大勢所趨。汽車尾氣對環(huán)境的污染日益嚴(yán)重，環(huán)境的惡化是人類共同面對的一大難題。添加10%的燃料乙醇，可以減少汽車尾氣CO排放量的30%，烴類排放量的40%，同時減少CO2和氮氧化合物的排放。
世界各國對可再生能源的發(fā)展給予了高度重視，競相開發(fā)。美國、巴西走在世界前列，該兩國燃料乙醇產(chǎn)量占產(chǎn)量世界的69%。我國從20世紀(jì)80年代起即考慮用可再生物質(zhì)生產(chǎn)能源產(chǎn)品以應(yīng)對能源危機(jī)，國內(nèi)第一套以玉米為原料生產(chǎn)乙烯/環(huán)氧乙烷聯(lián)合裝置在1985年正式立項(xiàng)，1992年開工建設(shè)。
1 國外燃料乙醇生產(chǎn)使用概況
1.1 美國
1.1.1 燃料乙醇生產(chǎn)使用量
目前，美國燃料乙醇生產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的33%。近年來生產(chǎn)使用情況及預(yù)測如表1所示。

表1 近年來美國燃料乙醇生產(chǎn)使用情況及預(yù)測
根據(jù)美國能源部公布的資料可以看出，近年來美國燃料乙醇的生產(chǎn)與使用獲得迅猛發(fā)展：年產(chǎn)量突破10億加侖用了10年時間（1984～1993年），突破20億加侖也用了10年時間（1993～2002年），而由20億至30億加侖僅僅用了2年時間（2002～2004年）。
根據(jù)美國能源部的計劃，到2025年可再生物質(zhì)生產(chǎn)的生物燃料將代替從中東進(jìn)口的石油的75%，到2030年將用生物燃料代替現(xiàn)在汽油使用量的30%，屆時將需要燃料乙醇600億加侖，即約1.8億t。
1.1.2 美國燃料乙醇生產(chǎn)原料及工藝
美國的燃料乙醇生產(chǎn)，主要以玉米為原料，90%以上的燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)將廠建在玉米帶上。生產(chǎn)工藝主要是全粒法（干法）階梯式連續(xù)發(fā)酵。1995年時美國44個燃料乙醇生產(chǎn)廠只有11個采用濕法工藝。20世紀(jì)50年代后新建企業(yè)幾乎全部采用干法工藝，主要原因是建設(shè)期短，投資較少（許多工廠是由當(dāng)?shù)剞r(nóng)民和其他資本投資建設(shè)的），并且其副產(chǎn)物干酒槽顆粒飼料（DDGS）也是當(dāng)?shù)仞B(yǎng)牛業(yè)所需的全價飼料。
為了進(jìn)一步提高綜合經(jīng)濟(jì)效益，美國有企業(yè)用溶劑將DDGS中所含油脂萃取出來，進(jìn)一步制成生物柴油和甘油，也有企業(yè)將初餾塔釜底液進(jìn)一步處理后，經(jīng)復(fù)合纖維素酶酶解其中的纖維和半纖維素，分離后殘渣加工成蛋白飼料，酶解液進(jìn)一步發(fā)酶制醋酸。醋酸可直接銷售，也可與乙醇生成醋酸乙酯，再氫解為乙醇，在這一系列反應(yīng)中，葡萄糖將全部轉(zhuǎn)化為乙醇，而無CO2析出，因此原料利用率大為提高。據(jù)報道，由于DDGS等副產(chǎn)物收益較好，沖抵后美國燃料乙醇的生產(chǎn)成本約為0.4~0.5美元/升。
1.2 巴西
目前，巴西燃料乙醇的生產(chǎn)量約占全球產(chǎn)量的36%，約為1265萬t。國內(nèi)使用1226萬t，占全國非柴油車用燃料的40%左右。年出口約40萬t左右。巴西是目前世界上惟一不供應(yīng)純汽油的國家，也是世界上最早推廣使用燃料乙醇的國家，20世紀(jì)70年代即進(jìn)行燃料乙醇生產(chǎn)與推廣。1977年開始使用E20汽油（含乙醇20%），1980年研制出使用含水乙醇的汽車發(fā)動機(jī)，所用燃料乙醇含水量達(dá)7.8%，目前，全國有超過250萬輛汽車是由使用含水乙醇發(fā)動機(jī)驅(qū)動的，另有1550萬輛車使用含乙醇22%的E22乙醇汽油。巴西的目標(biāo)是年生產(chǎn)10萬輛以乙醇為動力的汽車，預(yù)計2011年巴西燃料乙醇的產(chǎn)量將達(dá)到2150萬t。
巴西燃料乙醇的生產(chǎn)是以甘蔗為原料，目前全國甘蔗年產(chǎn)量約有一半用于生產(chǎn)乙醇，預(yù)計2010年前后將有60%產(chǎn)量用于乙醇生產(chǎn)。其生產(chǎn)方法是直接將榨取的甘蔗汁進(jìn)行發(fā)酵。前處理工藝比較簡單，投資較少，生產(chǎn)成本較低，據(jù)報道，巴西燃料乙醇生產(chǎn)成本約為370美元/t，出口價格為420美元/t左右。
1.3 歐盟及其他國家
1.3.1 歐盟
歐盟15個成員國，2005年生產(chǎn)燃料乙醇72萬t，其中法國約30萬t，西班牙24萬t，法國13萬t，意大利、瑞典也有一定產(chǎn)量。預(yù)計，2010年歐盟將生產(chǎn)燃料乙醇300萬t。歐盟各國燃料乙醇生產(chǎn)原料主要為小麥和薯類。
1.3.2 加拿大
已形成規(guī)模生產(chǎn)，并正逐步推廣使用乙醇汽油。其各省對燃料乙醇的使用要求不同，其中安大略省已立法，要求在2010年前銷售的發(fā)動機(jī)汽油中必須含有10%的燃料乙醇，溫尼泊省為10%，而薩斯喀則溫省要求為7.5%。加拿大燃料乙醇生產(chǎn)原料主要為玉米和小麥，生產(chǎn)成本約為0.5美元/升。
1.3.3 日本
目前尚未大規(guī)模使用燃料乙醇，由于資源缺乏，目前只有含3%乙醇的汽油供應(yīng)。政府計劃2020年前，50%以上汽車使用乙醇汽油，2030年所有汽車使用乙醇汽油。
1.3.4 印度
做為發(fā)展中大國，印度對能源問題也十分重視，其乙醇年產(chǎn)量在17～30億公升間，生產(chǎn)原料主要是糖蜜，目前正在推廣使用含乙醇5%的乙醇汽油，每年需從巴西進(jìn)口乙醇，但印度政府的目標(biāo)是做到燃料乙醇自給自足，因此巴西方面預(yù)計這種進(jìn)口狀況不會持續(xù)太久。
1.3.5 泰國
泰國政府對燃料乙醇的生產(chǎn)使用十分重視，擬建立年產(chǎn)100萬t燃料乙醇生產(chǎn)能力，在全國推廣使用E10乙醇汽油。初期擬建成10萬t/a燃料乙醇生產(chǎn)裝置，但迄今未見竣工報道。
1.3.6 其他
燃料乙醇的生產(chǎn)與使用已是大勢所趨，各國都在加緊制訂規(guī)劃，澳大利亞、墨西哥、哥倫比亞等國計劃推廣E10乙醇汽油，阿根廷計劃使用E15乙醇汽油。英國、荷蘭、奧地利、南非等國均已制訂計劃，積極發(fā)展燃料乙醇的生產(chǎn)。
2 我國燃料乙醇生產(chǎn)及使用情況
2.1 燃料乙醇使用情況
近年來我國乙醇生產(chǎn)能力增長迅猛，全國生產(chǎn)能力：2004年為395萬t，2005年為656萬t，而2006年猛增至897萬t，僅此一年即增加241萬t，但其中國家批準(zhǔn)定點(diǎn)的只有4家燃料乙醇生產(chǎn)廠，其生產(chǎn)能力2003年為102萬t/a，其中吉林燃料乙醇公司30萬t/a，河南天冠燃料乙醇有限公司30萬t/a，安徽豐原生化股份有限公司32萬t/a，黑龍江華潤酒精有限公司10萬t/a。2004年華潤擴(kuò)建成年產(chǎn)32萬t能力，2005年吉林?jǐn)U建至60萬t/a產(chǎn)能，總生產(chǎn)能力達(dá)156萬t/a。近年我國燃料乙醇使用情況如表2所示。

表2 我國燃料乙醇使用量

2006年E10乙醇汽油使用量達(dá)到110萬t左右，約為全年汽油消費(fèi)量的20%。
根據(jù)2004年統(tǒng)計，我國乙醇生產(chǎn)按原料分，玉米占50.30%，薯類22.89%，高粱13.35%，小麥2.11%，糖蜜11.35%。我國木薯產(chǎn)量不能滿足木薯酒精企業(yè)生產(chǎn)需要，每年需從泰國進(jìn)口大量木薯干，僅2006年月1～9月份即進(jìn)口木薯達(dá)374.82萬t。
2.2 玉米燃料乙醇
2.2.1 高密度單槽清液連續(xù)發(fā)酵工藝
乙醇生產(chǎn)中，原料成本在生產(chǎn)成本中占有絕對多數(shù)，雖然原料價格時有變化，但原料費(fèi)用在生產(chǎn)成本中比重獨(dú)大的地位卻無法撼動。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，2004～2006年玉米生產(chǎn)乙醇原料成本在總成本中所占的比例分別為89.66％、86.7％和87.96％。
因此如何提高玉米各組份綜合利用價值，大幅提升副產(chǎn)品的附加值，以減少原料價格上漲帶來的負(fù)面影響，是使燃料乙醇能否大面積推廣的關(guān)鍵之一，依靠政府財政補(bǔ)貼終非長久之計。
這里介紹的南京綠天源生物化工工程有限公司開發(fā)的膜耦合清液發(fā)酵燃料乙醇生產(chǎn)工藝，是擁有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的國家專利技術(shù)（專利號：ZL01127164.7），其工藝流程如圖2所示。
膜耦合清液發(fā)酵燃料乙醇生產(chǎn)工藝技術(shù)特點(diǎn)如下：
（1）高細(xì)胞密度：酵母細(xì)胞密度為5×108/mL，發(fā)酵周期6～8h，是傳統(tǒng)工藝發(fā)酵周期的1/10～1/8，發(fā)酵強(qiáng)度大，設(shè)備利用率高。
（2）糖-醇轉(zhuǎn)化率高，可達(dá)理論值的94%。膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用，使產(chǎn)物反饋抑制降至最低，副反應(yīng)產(chǎn)物極少。
（3）改良濕法前處理工藝，玉米綜合利用率高，副產(chǎn)物附加值得到大幅度提升。
（4）差壓蒸餾、熱泵技術(shù)和熱耦合技術(shù)的應(yīng)用，顯著降低能耗。
（5）采用耐高溫菌種，可在35℃時正常發(fā)酵，顯著降低循環(huán)水消耗，節(jié)能。
（6）全程自動控制，使整個生產(chǎn)過程始終處于最佳工藝條件下運(yùn)行。
（7）閉環(huán)生產(chǎn)工藝，無工藝廢水排放，既節(jié)約水資源，又保護(hù)環(huán)境。
按照2006年上半年市場價格，以上述工藝設(shè)計建造的年產(chǎn)6萬t燃料乙醇廠的固定資產(chǎn)總投資（包括配套熱電站）為1.45億元。年銷售收入3.398億元,年利稅3172萬元。燃料乙醇單位成本核算結(jié)果為：總成本5135元，副產(chǎn)品抵扣為1463.67元，單位成本為3671.33元。
使用上述專利技術(shù)，用玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇，綜合經(jīng)濟(jì)效益是好的。但采用此方法發(fā)酵生產(chǎn)酒精,糖醇轉(zhuǎn)化理論收率僅為51%，相當(dāng)一部分糖變成了CO2，必須加以解決。
2.3 木薯燃料乙醇
木薯系淀粉質(zhì)原料，用途比較廣泛，近年來隨著我國乙醇產(chǎn)能迅速增長，木薯需求量也大增，每年均需從國外大量進(jìn)口，2004年以來，連續(xù)3年進(jìn)口量均超過300萬t，價格也在逐年攀升。2006年11月廣西木薯干收購價格已漲至1200元/t。
同為淀粉質(zhì)原料，除原料前處理工段有所不同外，制糖和發(fā)酵等工段與玉米乙醇是相同的。根據(jù)上述工藝要求，年產(chǎn)6萬t燃料乙醇的生產(chǎn)廠，按2006年中期市場價格計，固定資產(chǎn)總投資1.25億元，包括配套熱電站一座。年銷售收入2.74億元，其中主產(chǎn)品6萬t燃料乙醇銷售收入2.52億元。5500t飼料酵母銷售收入2200萬元，年利稅1166.8萬元。燃料乙醇單位成本核算結(jié)果為：總成本4612.2元，副產(chǎn)品抵扣為366.6元，單位成本為4245.6元。
木薯乙醇主要存在以下3個問題：一是原料的可靠供應(yīng)問題，即國內(nèi)木薯生產(chǎn)難以滿足發(fā)展燃料乙醇需要。二是原料價格上揚(yáng)問題，由于木薯的綜合利用價值較低，副產(chǎn)品收益少，因此原料價格對生產(chǎn)成本的影響更明顯；如上述工廠若按同期泰國市場木薯干價格（合人民幣800元/t）進(jìn)原料，則上述項(xiàng)目年利稅可達(dá)7886.8萬元。但2006年以來木薯干進(jìn)口到岸價在120～140美元/t。因此木薯乙醇的成本更難以明顯下降。每噸木薯燃料酒精成本較以玉米為原料的燃料酒精每噸成本高500元左右。三是環(huán)保問題，木薯乙醇廢液治理難度大是環(huán)保界公認(rèn)的。目前絕大多數(shù)木薯乙醇廠排放的廢液未經(jīng)有效處理即排放，對當(dāng)?shù)丶跋掠苇h(huán)境造成嚴(yán)重影響。上述問題嚴(yán)重制約了木薯燃料乙醇的發(fā)展。
2.4 其他原料乙醇生產(chǎn)簡況
2.4.1 糖蜜
我國甘蔗種植主要在廣東、廣西、云南一帶，數(shù)量較少，東北地區(qū)甜菜種植面積也日趨縮少，糖蜜數(shù)量原本不大。近年來，隨著糖蜜用途的廣為拓展，市場對糖蜜的需求迅速增長，與此同時國際、國內(nèi)市場糖價持續(xù)攀升，使得糖蜜價格也不斷高企。糖蜜乙醇已無成本優(yōu)勢，因此日漸萎縮。
2.4.2 甜高粱
也屬于糖質(zhì)原料。2006年中科院近代物理所利用重離子輻射技術(shù)培育甜高粱新品種，使得甜高粱秸桿汁液含糖量大幅提高，在甘肅進(jìn)行了多種區(qū)域千畝規(guī)模試驗(yàn)種植，平均畝產(chǎn)甜高粱8t，汁液含糖量20%左右。榨取汁液后直接發(fā)酵16h，醪液含乙醇9%左右，每畝地所產(chǎn)甜高粱可制取乙醇300kg左右，甘肅省有邊際土地1000萬畝適宜種植甜高粱。目前國家發(fā)改委已將甘肅省作為定點(diǎn)生產(chǎn)甜高粱燃料乙醇的省份，“十一.五”期間將建立40萬畝甜高粱種植基地，興建年產(chǎn)10萬t燃料乙醇生產(chǎn)廠，并在省內(nèi)封閉銷售。
清華大學(xué)、中糧集團(tuán)和內(nèi)蒙古自治區(qū)五原縣政府也合作進(jìn)行了固態(tài)發(fā)酵燃料乙醇中試，據(jù)此，內(nèi)蒙古河套地區(qū)擬建年產(chǎn)3萬t甜高粱燃料乙醇生產(chǎn)裝置。
新疆農(nóng)科院吐魯蕃農(nóng)科所負(fù)責(zé)的甜高粱乙醇項(xiàng)目已選定2萬畝甜高粱種植區(qū)域，莎車縣和浙江浩淇生物質(zhì)新能源科技有限公司共同開發(fā)，將在5年內(nèi)建成每年可利用30萬t甜高粱秸桿的燃料乙醇生產(chǎn)廠。
農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計院稱已建成每年400t中試裝置進(jìn)行甜高粱流態(tài)固定化酵母快速發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，發(fā)酵周期8～10h，據(jù)稱，不含三廢處理費(fèi)用的燃料乙醇生產(chǎn)成本為3800～4000元/t。
甜高粱是耐旱作物，利用旱地、鹽堿地等邊際土地種植甜高粱生產(chǎn)燃料乙醇是一個好途徑，但是要解決好大量秸桿渣的去向，如用作食草動物的飼料，雖是一個較好的解決方法，但一旦大規(guī)模推廣，數(shù)百上千萬噸的秸桿渣需要多少動物來消化，這大量牲畜的市場前景又如何都是需要考慮的；如將這些秸桿用于造紙，則必須解決污染處理問題。
2.4.3 秸桿
以秸桿中的纖維素為原料生產(chǎn)乙醇是國內(nèi)外十分關(guān)注的課題。山東大學(xué)生命科學(xué)院在這方面做了大量的工作，有報道說山東大學(xué)和河南天冠集團(tuán)聯(lián)合攻關(guān)的纖維酶解生產(chǎn)燃料乙醇中試項(xiàng)目進(jìn)展順利，酶活力和生產(chǎn)成本達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，其做法是先用稀酸處理已破碎秸桿，脫除木質(zhì)素后，纖維經(jīng)酶解成葡萄糖，再經(jīng)發(fā)酵制得乙醇。目前，該技術(shù)已申報擬建年產(chǎn)5萬t燃料乙醇廠，固定資產(chǎn)投資1.6211億元（不包括熱電站），其直接生產(chǎn)成本（原輔材料、水電汽耗和人工費(fèi)）3365元/t，不含廢水等三廢處理費(fèi)用，其中噸耗原料秸桿6t、1200元；酶制劑7kg、1792元。
有報道稱，中糧集團(tuán)500 t/a纖維素中試裝置于2006年11月22日一次試車成功，在世界上首次將連續(xù)汽爆技術(shù)應(yīng)用于纖維乙醇生產(chǎn)，所用纖維素酶是中糧集團(tuán)與丹麥諾維信公司聯(lián)合開發(fā)的，從試驗(yàn)結(jié)果看各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平。
以秸桿為原料生產(chǎn)乙醇首先面臨的是原料體積龐大，收集、運(yùn)輸、儲存問題需很好解決；其次是原料木質(zhì)素含量較高，應(yīng)采用酸解預(yù)處理所產(chǎn)生的酸性廢水必須好好解決；最后是酶制劑所占成本比重很大，導(dǎo)致燃料乙醇成本偏高。
3 發(fā)展建議
3.1 采用不同原料生產(chǎn)燃料乙醇
面對能源短缺，發(fā)展生物質(zhì)燃料已成各國共識，因地制宜采用不同原料生產(chǎn)燃料乙醇是解決問題的正確途徑。當(dāng)前，甚至在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)我國燃料乙醇的生產(chǎn)仍應(yīng)以淀粉質(zhì)原料為主，其中主要是玉米，其次在適宜地區(qū)種植薯類作物為輔，因?yàn)槲覈兔绹粯油幱谟衩追N植的黃金地帶，玉米同其他作物相比易于種植，易于收獲，易于貯藏，易于加工轉(zhuǎn)化，易于提取純化，生產(chǎn)燃料乙醇附產(chǎn)品綜合經(jīng)濟(jì)效益最好，技術(shù)最成熟，成本也最低。在我國，以非糧原料如秸桿等生產(chǎn)燃料乙醇是一個應(yīng)積極努力的方向。在西部適宜種植的邊際土地種植甜高粱等作物用于生產(chǎn)燃料乙醇，可以作為對全局的補(bǔ)充。
3.2 以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇應(yīng)作為系統(tǒng)工程來抓
首先要建立相應(yīng)原料基地，應(yīng)把基因玉米作為最為重要的工業(yè)原料作物大力推廣種植，大幅度提高單位面積產(chǎn)量，解決與糧爭地的問題；其次，應(yīng)大力推廣新工藝，新技術(shù)，特別是發(fā)酵與節(jié)能技術(shù)，提高糖醇轉(zhuǎn)化率，降低水、電、汽能源消耗。對于一個年產(chǎn)10萬t乙醇企業(yè)，收率每提高1％，就意味著不僅企業(yè)每年增加420萬純利潤，減少3000 t玉米的消耗，同時也節(jié)約了一個火車專列的運(yùn)力，這是何等顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益！當(dāng)前最為現(xiàn)實(shí)是把目前工廠中占原料總量12%左右的玉米纖維利用起來多產(chǎn)5%左右燃料酒精，若進(jìn)一步改變酒精發(fā)酵的路徑，不釋放CO2，大幅度地提高糖醇轉(zhuǎn)化率，前景更誘人。第三，沒有絕對的廢物，只有放錯位置的資源。要將三廢處理的問題解決在生產(chǎn)過程中間，而不是在生產(chǎn)過程的最后，按循環(huán)經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來設(shè)計燃料乙醇工廠，搞好資源綜合利用，把燃料乙醇與生物質(zhì)化學(xué)品的生產(chǎn)有機(jī)的結(jié)合在一起。這些是燃料乙醇能否可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。建議將這些實(shí)實(shí)在在，切實(shí)可行，很快便可取得顯著經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵技術(shù)列入國家攻關(guān)課題，集中人力、物力、財力在短期內(nèi)突破。
總的說來，當(dāng)前我國玉米的絕大部分已做為工業(yè)原料。我國近年來，玉米年產(chǎn)量在1億3千萬t左右，2005年產(chǎn)量達(dá)到1億3千9百萬t，用于人們食用部分大約10%左右，且有逐年下降趨勢，大部玉米用于飼料加工，其次用于生物化工（如賴氨酸、味精、維生素、淀粉糖、葡萄糖、變性淀粉等），以及白酒和食用酒精的生產(chǎn)，此外，還有部分出口。2003年我國玉米出口達(dá)1500萬t左右，而據(jù)2005年資料，我國出口玉米價格倒掛，出口離岸價低于國內(nèi)市場價，國家已取消出口補(bǔ)貼，預(yù)計2006/2007年度，我國出口玉米將降至400萬t左右，這1000萬t左右的玉米回歸，將有助于改善國內(nèi)市場玉米供應(yīng)情況。同時燃料乙醇生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的高蛋白飼料等副產(chǎn)物，約占原料玉米總量的1/3左右，又返回到飼料生產(chǎn)中，這些高品質(zhì)的添加物的加入，可以顯著減少飼料用糧的消耗。有報告說，可減少原糧用量的20%以上。因此，燃料乙醇的生產(chǎn)雖然引發(fā)了“爭糧”的議論，但并不如想像之嚴(yán)重，如果采取上述有效措施，“與人爭糧”、“與糧爭地”問題是可以妥善解決的。相反卻是一條解決“三農(nóng)”問題的一條重要途徑！