燃料乙醇技术发展现状及建议

简述了燃料乙醇国内外生产技术概况,包括:以玉米为原料生产燃料乙醇的浓发酵技术,以玉米纤维生产燃料乙醇技术,以小麦、薯类和陈稻谷(糙米)等为原料生产燃料乙醇,以木质纤维素为原料生产燃料乙醇等;并针对燃料乙醇行业发展存在问题,提出建议。

燃料乙醇混合原料发酵技术研究进展

生产燃料乙醇的淀粉质原料受储存周期及运输半径等因素的影响,不同种类原料的价格会因时因地出现较大差别。由于原料在燃料乙醇生产综合成本中占比较大,动态优化原料种类及比例、实时降低综合生产成本的混合原料发酵技术,自然受到了乙醇行业及其科研机构的广泛关注。混合原料发酵技术不仅有助于燃料乙醇行业的良性发展,还可以消化“问题粮”,为原料区域平衡和国储定期轮换提供蓄水池。

燃料乙醇炼制系统优化与碳减排研究进展

生物质是丰富可再生的碳源,以糖、淀粉、秸秆纤维素或其他生物质原料高效生产燃料乙醇,可减少化石能源的需求,其中以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇具有广阔的发展前景。与化石能源相比,燃料乙醇具有环保、经济、可再生的优势,但其在生产工艺技术、经济效益和环境影响等方面仍需要深入研究。近年来,通过开展燃料乙醇炼制系统优化及全生命周期分析研究,有力地促进了燃料乙醇技术进步,推动了燃料乙醇碳减排相关研究。文章主要论述了近年来燃料乙醇生产技术的发展,重点对燃料乙醇系统的模拟优化和碳减排研究进展进行了总结,并对燃料乙醇发展趋势进行了展望,以期为燃料乙醇的可持续发展提供参考。

典型生物质发酵制取燃料乙醇环境影响分析

结合生命周期评价方法与层次分析方法对杨木、玉米秸秆、甘蔗渣3种典型纤维素生物质的发酵制取燃料乙醇工艺进行环境影响评价。针对酸化、富营养化、全球变暖、化石能源消耗、光化学污染、人体毒性6种环境类型进行分析对比,并选取3个不同视角分析生物质发酵工艺所带来的环境影响。结果表明:农业阶段和生产阶段所产生的温室效应在全生命周期过程中占比最高;全球性视角下,全球变暖影响占比较高;区域性和局地性视角下,工艺的酸化影响最严重。

玉米秸秆浓硫酸糖化工艺优化及酸糖分离树脂评价

可发酵糖生产是制约从木质纤维素生物质经济性生产燃料乙醇的瓶颈环节.基于浓硫酸糖化生产可发酵糖具有高糖回收率和无需纤维素酶投入的优点,本研究探究了玉米秸秆浓酸糖化工艺的优化条件并评价市售树脂分离酸糖的潜力.本文采用浓硫酸溶化-水解两步工艺,考察了关键操作参数酸料比(A/F)、水解温度以及秸秆含水率对糖化效率的影响,获得优化条件(A/F比1.25、水解温度80℃、含水率5%~10%),总糖浓度达到180.4~183.16 g/L,总糖回收率达到79.06%~81.83%;乙酸和色度物质是糖化过程中形成的主要副产物,常见发酵抑制物糠醛和羟甲基糠醛低于抑制发酵临界浓度.糖化液中色度物质可被活性炭吸附有效脱除,脱色糖化液利用筛选的国产市售强基阴离子交换树脂Monojet S4850进行酸糖分离,糖和硫酸之间的分离度约0.59,显示其较好地分离糖化液中的硫酸和糖的潜力.研究结果将为开发面向工业应用的浓硫酸糖化工艺生产可发酵糖提供数据和技术支撑.

乙醇燃料质子导体固体氧化物燃料电池的制备及性能

针对质子导体乙醇燃料电池运行中阳极催化活性低以及积碳问题,采用原位成相法制备一种具有树枝孔状阳极结构的质子导体固体氧化物燃料电池,通过在树枝孔状阳极微通道内负载高效纳米催化剂构建微通道反应器来实现乙醇燃料的内部转化。结果表明:当燃料中乙醇的体积分数为10%、操作温度为650℃时,电池的峰值功率密度由0.076 W/cm^(2)增加到0.161 W/cm^(2),电池最大功率密度增加111%;在电流密度0.5 A/cm^(2)时进行放电稳定性测试,电池稳定运行57 h,且纤维催化剂的高催化活性加速碳的氧化反应,促进碳的气化,电池阳极-电解质界面未发现明显碳沉积。

乙醇喷雾/氨气/甲烷三元燃料的燃烧特性

采用旋流喷雾燃烧器,通过分析燃烧时的火焰结构、OH^(*)和NH_(2)^(*)的荧光信号、火焰光谱以及污染物排放,探究了甲烷、乙醇和氨气3种燃料在不同当量比、摩尔分数和不同雾化空燃比(ALR)下对燃烧的影响和燃烧后烟气中NO、NO_(2)、CO含量的变化趋势。虽然氨气的使用会产生高氮氧化物的排放,但采用三元燃料掺混燃烧(特别是在乙醇占比较高)时,CO和NO的排放量相对较低,燃烧效果最佳。在0.45~0.70当量比范围内,提高ALR有助于喷雾雾化以产生更小的液滴粒径,促进液雾和气体的混合及燃烧,从而降低CO排放。通过三元燃料掺混对燃料的改性,以及燃烧工况的调控作为氨燃烧组织优化的手段,对工业上高效使用氨燃料和减少污染物排放具有指导意义。

Past, Present and Future: A Role for Liquid Biofuels in Transitioning to Net Zero?

Over the last decade, the uptake rate of first-generation biofuels (ethanol and biodiesel) has decelerated as low blend limits have increased only slowly and extreme volatility in oil prices has limited investment in biofuels production infrastructure. Concerns over the environmental impacts of large-scale biofuels production combined with tariff barriers have greatly restricted the global trade in biofuels. First-generation biofuels produced either by fermentation of sugars from maize or sugarcane (ethanol) or transesterification of triglycerides (biodiesel) presently contribute less than 4% of terrestrial transportation fuel demand and techno-economic modelling foresees this only slowly increasing by 2035. With internal combustion and diesel engines widely anticipated as being phased out in favour of electric power for motor vehicles, a much-reduced market demand for biofuels is likely if global demand for all liquid fuels declines by 2050. However, second-generation, thermochemically produced and biomass-derived fuels (renewable diesel, marine oils and sustainable aviation fuel) have much higher blend limits;combined with policies to decarbonise the aviation and marine industries, major new markets for these products in terrestrial, marine and aviation sectors may emerge in the second half of the 21st century.

国际能源市场和国内玉米市场间的价格溢出效应研究--基于多元市场价格溢出视角的分析

本文围绕国际原油、国际燃料乙醇以及国内玉米这三个市场,一方面理论分析了多元市场间的价格溢出机制,另一方面实证检验了国内玉米市场和国际能源市场间的价格溢出效应,以此考察国内玉米市场的外部能源价格波动风险敞口。研究发现:国际能源市场和国内玉米市场间存在显著的价格相关区制转移变化特性;国际原油市场和国内玉米市场之间存在价格波动的双向溢出效应,且前者对后者的影响相对更大;国际燃料乙醇市场对国内玉米市场存在单向性价格溢出效应;滞后1期国际能源市场价格波动对国内玉米市场价格的影响存在增强趋势。对此,增强国内粮食供给,限定农业生产能源价格,推动非粮生物质能源的发展,将有助于缓解国际能源市场价格波动对国内粮食市场的价格冲击。

先进生物技术在纤维素燃料乙醇中的应用及展望

随着原油价格持续升高和环境污染日益严重,人们对燃料乙醇这种清洁可再生能源的关注度越来越高。丰富且可再生的木质纤维素生物质作为燃料乙醇的原料,具有巨大的潜力,被认为是未来乙醇燃料发展的趋势。纤维素乙醇生产技术目前正趋于成熟,生产成本逐渐趋于合理,大规模产业化也正在突破。本文首先介绍了目前国际燃料乙醇发展的现状,探讨了新时代下发展纤维素燃料乙醇的重要意义以及纤维素燃料乙醇发展所面临的重大挑战;随后,阐述了推动纤维素燃料乙醇高质量发展的先进生物技术,如发酵工程优化策略、代谢工程策略、固定化策略以及酶工程策略;最后对未来发展的方向进行了展望,这为日后燃料乙醇的高质量发展提供了理论指导和实践参考。

氧化还原敏感型基因元件增强酵母木质纤维素水解液抑制物胁迫耐受性

纤维素乙醇作为一种清洁可再生的绿色能源,具有良好的应用前景。然而酿酒酵母利用木质纤维素原料生产乙醇的发酵过程易受多种抑制物胁迫的影响,因此提高其胁迫耐受性具有重要意义。本研究在细胞内设计了一种氧化还原敏感型基因元件,通过生物传感器Yap1感应胞内氧化还原状态,以调控抗胁迫基因智能表达。首先,分析了Yap1调控的天然内源启动子P_(TRR1)、P_(TRX2)和P_(MET16)对木质纤维素水解液中典型抑制物的响应强度。其次,根据不同胁迫种类组合相应启动子与抗胁迫的效益基因,构建氧化还原敏感型基因元件提高了酿酒酵母的胁迫耐受性。最后,将表现较好的基因元件GP-CTT和GP-ADH串联整合到一起构建了双基因元件系统,在5-HMF和H_(2)O_(2)双重胁迫下细胞的死亡率与野生型相比下降了69.6%。相较于单基因元件GP-CTT,双基因元件整合菌株的比生长速率、葡萄糖消耗速率和乙醇生产速率分别提高了64.2%、60.1%和58.9%,重组菌株过氧化氢酶的酶活力提高了40.2%。本研究通过理性设计氧化还原敏感型基因元件的遗传回路,强化胞内关键抗氧化酶和醛降解途径,系统地提高了酿酒酵母的胁迫耐受性,为动态地提高酵母鲁棒性提供了新的见解。

直接乙醇燃料电池阳极催化材料研究进展

与直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell, DMFC)相比,直接乙醇燃料电池(Direct ethanol fuel cell, DEFC)具有来源丰富、毒性低、生产和处理过程中成本较低和能量密度较高等特点,可以大量减少对传统燃料的依赖,缓解当前日益突出的世界能源危机。本文主要介绍了DEFC阳极催化剂材料的最新研究进展,如铂基和钯基催化剂的微观结构设计、成分控制和催化剂载体的优化以及一些基于过渡金属(Fe、Co、Ni等)的非贵金属催化剂等。最后,指出了DEFC阳极催化剂目前存在的问题(成本较高、活性较低和稳定性差等)并进行了展望。

耐高温酿酒酵母的构建与高温耐受机制解析

旨在构建优良的高温耐受酿酒酵母菌株,并探究其高温耐受机制。通过CRISPR/Cas9技术在絮凝性工业酿酒酵母KF-7中敲除ASP3(编码L-天冬酰胺酶II)并进一步高表达CRZ1(编码具有锌指结构的转录因子Crz1p),通过比较转录组解析重组菌株的高温耐受机制。结果显示,在44℃高温条件下,ASP3敲除菌株KAS11利用98.36 g/L葡萄糖产生43.68 g/L乙醇。在KAS11基础上高表达CRZ1后,菌株KASCR7发酵105.37 g/L葡萄糖产48.02 g/L乙醇。与KF-7相比,两个重组菌株的乙醇产量分别提升了4.77%和15.18%。比较转录组分析结果表明,在高温胁迫下,重组菌株的核糖体生物合成及翻译相关基因受到抑制,而热休克蛋白基因以及NAD~+、NADH、嘌呤、甘油、脯氨酸等合成相关基因受到诱导,这些响应可能共同导致重组菌株的高温耐受性提升。研究结果可为构建高温耐受酿酒酵母菌株提供优良菌株资源和理论基础。

醋酸甲酯加氢制燃料乙醇强化工艺的全厂控制

对以醋酸甲酯和氢气为原料生产燃料乙醇的强化工艺进行了控制研究,采用集成仿真与启发式规则的全厂控制设计方法,分别建立了反应单元和分离单元的控制方案,并通过添加进料流量扰动考察系统的响应效果。虽然该流程中涉及分隔壁精馏塔和萃取分隔壁精馏塔,流程复杂、变量之间耦合度高,但各产品纯度在扰动后均能恢复稳定值。提出的全厂控制方案可为醋酸甲酯加氢制燃料乙醇的工业应用提供参考。

陈化稻谷掺混小麦生产燃料乙醇的调浆液化过程黏度研究

超期贮存的稻谷、小麦,不能作为口粮,可由饲料加工或酒精制造企业消纳。各家工厂在实践中逐渐摸索了稻谷、小麦掺混其他原料生产燃料乙醇的工艺,积攒了宝贵的生产经验,但对于使用不同比例的陈化稻谷和小麦,缺乏调浆液化过程黏度变化研究。利用快速黏度分析仪研究不同温度下调浆液化过程中黏度变化,优化陈化稻谷和小麦的原料比例,并开展发酵验证,对工厂利用陈化稻谷和小麦原料生产过程中的原料配比选择和调浆液化工艺调整提供一定参考。

印度能源政策变化对食糖市场的影响

作为全球前两大食糖生产国、第一大食糖消费国和第三大能源消费国,印度能源结构转型和生物燃料的发展影响本国制糖和制醇比例,并对全球食糖供应产生影响。本文通过分析2018年后印度新出台的生物燃料政策,探究了政策调整对食糖市场的影响,主要得出几个结论:第一,印度新的生物燃料政策扩大了糖基乙醇的生产原料,并对新能源进行财政补贴,建立碳交易市场,促进碳中和目标的实现;第二,印度能源政策新变化,造成印度食糖生产的波动,为了保障国内需求,印度设置食糖出口限制并取消食糖出口补贴;同时生物燃料的生产为糖企提供了新的收入渠道;第三,印度乙醇计划将加大食糖供应的不确定性,挤压全球食糖可出口能力;第四,现行能源政策下,2023/24年榨季印度食糖产量或将有所下降,国际糖价高位运行可能性较大;第五,印度乙醇计划加大国际糖业供需紧平衡的可能性,食糖的能源化和金融化增加糖价的不确定性,加剧中国糖业不稳形势。对此,短期中国亟需完善全球食糖市场监测预警系统,将糖业的能源因素和金融因素纳入监测范围;长期中国亟需制定以稳定糖农利益为核心、预期稳定而操作清晰的糖业发展政策,以国内供应的确定性来应对外部的不确定性。

基于高压流动反应器的乙醇/乙酸二元可再生合成燃料氧化特性研究

利用可再生能源催化还原二氧化碳制备液体燃料是一项极具潜力的变革性技术.受限于催化剂的选择性,二氧化碳低温电催化还原路径制备的乙醇燃料中通常含有乙酸等有机物.为了探究二元燃料在近发动机工况下的氧化特性,本文设计并验证了高压流动反应器试验平台.针对乙醇/乙酸的典型二元可再生合成燃料在1.0 MPa、700~1000 K温度下的氧化特性进行试验和理论研究,通过对氢气、一氧化碳、甲烷等关键中间产物的测量结果,阐明乙酸介入对醇类燃料的氧化特性的作用机制,揭示了乙醇/乙酸二元可再生合成燃料在高压下的关键反应路径,为未来可再生合成燃料的高效清洁燃烧提供理论依据.

原位负载Pt-Co高指数晶面催化剂的制备及其电催化性能

直接乙醇燃料电池(DEFC)具有燃料易得、绿色高效的优点,得到了广泛的研究,但是DEFC催化剂存在催化效率低、稳定性差的问题,制约了其快速发展。本研究采用液相水热合成法,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP k-25)为分散剂和还原剂、甘氨酸为表面控制剂和共还原剂,通过调控Pt-Co金属前驱体的摩尔比,一步制备了XC-72R炭黑负载的Pt1Cox/C高指数晶面纳米催化剂,实现了催化剂晶粒在碳载体上的原位生长。Pt_(1)Co_(1/3)/C纳米催化剂暴露的高指数晶面主要包括(410)、(510)和(610)晶面。在晶体生长过程中,Pt_(1)Co_(1/3)/C纳米催化剂晶粒由“类球体”转变立方块,最终得到具有高指数晶面取向的内凹形貌。Pt_(1)Co_(1/3)/C高指数晶面纳米催化剂的电催化活性最高,其电化学活性表面积为18.46 m^(2)/g,对乙醇氧化峰电流密度为48.70 mA/cm^(2),稳态电流密度为8.29 mA/cm^(2),CO氧化峰的电位为0.610 V。这说明具有高指数晶面的催化剂表面存在的台阶、扭结等缺陷原子,可增加活性位点,进而显示出优异的电催化性能。本研究可为高指数晶面催化剂材料的开发及工业化应用提供理论依据。

木薯粉和小麦粉混合发酵产燃料乙醇研究

选取木薯粉与小麦粉混合发酵生产燃料乙醇,以发酵结束后残糖和酒精度为评价指标,研究小麦和木薯混合比例、糖化酶添加量、酸性蛋白酶添加量和不同酿酒酵母种类等单因素对混合发酵生产燃料乙醇的影响。结果表明,两种原料混合发酵产乙醇的工艺条件为木薯粉与小麦粉的质量比1∶1,糖化酶添加量2.0 kg/t酒,酸性蛋白酶添加量0.300 kg/t酒,安琪超级酿酒高活性酵母或糖化酵母添加量0.05%。在此优化工艺条件下,残总糖为2.74 g/100 mL、残还原糖为0.41 g/100 mL、酒精度为15.26%vol。

燃料乙醇来源鉴定方法研究进展

在绿色低碳经济转型的趋势下,准确检测和识别生物燃料、建立燃料乙醇的低碳属性识别体系对于生物质能源的推广至关重要。然而生物基和化石基乙醇因具有完全相同的化学组成而难以区分,生物质来源和加工工艺的日益复杂以及混合燃料中多种添加剂的干扰使得二者的区分更加困难。基于燃料乙醇的产业发展、原料与生产工艺,综述了国内外识别生物基燃料乙醇的方法研究现状及可借鉴的技术,包括放射性^(14)C分析法、特征杂质分析法和稳定同位素比分析法,并对比了各种方法的优缺点和适用范围。在此基础上分析和展望了未来鉴定燃料乙醇来源的相关发展趋势,提出建立乙醇来源相关的杂质分子库、开发针对特征杂质的特异性及快速检测方法等新策略。