密西根州立大学扩展

简介

如今，美国生产的几乎所有乙醇都来自玉米。从玉米中提取的乙醇通常被称为第一代生物燃料。玉米蒸馏成乙醇相对简单和便宜，迄今为止一直是扩大乙醇市场的首选作物。玉米将继续在美国乙醇生产中发挥重要作用。然而，从生物质原料中提取的第二代生物燃料将是未来乙醇工业扩张的方向。生物质原料通常来自农业植物和森林中生长的木材，以及在加工或使用这些资源时产生的废渣。¹

植物细胞细胞壁中含有纤维素、半纤维素和木质素(见图1)。纤维素和半纤维素由线性和支链糖组成。植物细胞壁可以被分解，暴露出纤维素和半纤维素，然后可以转化为基本糖。然后，这些糖可以发酵成乙醇和其他生物基产品，就像生产玉米乙醇一样。各种工艺和原料的转化率差别很大。据估计，每年需要10亿吨生物质原料才能达到2007年《能源独立与安全法案》规定的生产目标。这个目标看起来很崇高，但它是相当现实的，尽管它将需要一个多样化的原料组合。

图1。植物细胞含有由糖分子组成的纤维素和半纤维素。
资料来源:橡树岭国家实验室基因组管理信息系统

过程

原料可在生物平台和热化学平台进行加工。该生物平台利用生物化学过程来破坏细胞壁，并将纤维素和半纤维素暴露出来，供酶降解为单个葡萄糖分子。热化学平台采用热解或气化生产合成气。然后合成气被吸收成各种燃料和产品。这两种方法都已在实验室中得到验证，并不是新技术——它们已经被使用了很多年。然而，开发高效且具有成本效益的技术来处理大量生物质一直具有挑战性。私营和公共部门的科学家正在努力应对这些挑战。随着新的发现的出现，我们将开始在美国看到纤维素乙醇的生产。

原料

许多原料可用于为纤维素乙醇加工提供生物质。目前考虑的主要饲料包括柳枝稷、芒和其他暖季草;玉米sto-ver;和杨树;和柳树。我们正在评估每种原料的特性和生产挑战。

理想的原料作物应该是高产、易于生产、投入低、有利于转化为乙醇的作物。虽然完美的作物可能不存在，但讨论什么样的特征会使原料成为理想的作物是有意义的(图2)。试图找到一种尽可能满足这些特征的作物是美国各地正在进行的大部分研究的目标。bob体育登录

理想能源作物的特征 高收益 高效太阳能捕捉 用水效率 害虫抗药性 常年生长习性 养分循环 适用于现有的农业设备 非侵入性 终端使用质量

乙醇生产因原料不同而有很大差异。目前，决定乙醇产量的最重要因素是生物质产量。我们每英亩能生产的生物量越多，我们就能生产更多的乙醇。不同原料的纤维素、半纤维素和细胞壁结构有一定的差异。目前用于将生物质转化为乙醇的工艺和酶并不区分不同的原料。一般来说，不管原料是什么，每吨干物质可以生产72加仑乙醇。

随着新发现的不断出现，人们有可能设想出一套专门为特定原料设计的工艺和酶。在这种情况下，乙醇工厂使用一种原料是可取的。这可能会影响正在种植和收获的物种的多样性，以供应乙醇植物。作物多样性的变化可能会对环境和生态系统产生影响。

乙醇植物的适应性

美国几乎所有的乙醇工厂都利用生物平台将玉米加工成乙醇。这是特别有用的，因为将纤维素转化为乙醇的过程与玉米的过程相同(发酵，蒸馏和干燥)。纤维素原料需要两个前驱步骤:预处理和水解。预处理破坏细胞壁，暴露出纤维素和半纤维素。水解将纤维素和半纤维素分解成各自的糖。这种糖可以用与玉米乙醇生产相同的设备进行发酵、蒸馏和干燥。虽然这听起来很简单，但乙醇工厂需要在基础设施上进行重大投资，才能完成这两个前驱步骤。随着更有效的工艺被发现，现有乙醇工厂进行这项投资将变得更加可行。

来源

Mabee, 2006年。来自木质纤维素公司的乙醇:生物燃料技术选择的比较。IEA任务39报告T39-P4。

美国能源部和美国农业部，2005年。bob体育合法吗生物质作为生物能源和生物制品工业的原料:每年十亿吨供应的技术可行性。