2008年第27卷第6期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·867·
化工进展
段黎萍
（中国科学技术信息研究所，北京 100038）
摘要：介绍了目前国际上一些主要的纤维素乙醇商业化生产项目及其进展，并对原料价格、工艺、酶、发酵菌、资金、国家政策等因素对纤维素乙醇生产成本以及商业化生产的影响进行了经济分析。 关键词：纤维素乙醇；商业化生产；经济分析
中图分类号：TK 16 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2008）06–0867–06
Commercialization and economic analysis of cellulose ethanol
DUAN Liping
（Institute of Scientific and Technical Information of China，Beijing 100038，China）
Abstract：With decreasing global crude oil reserves and increasing green house gas emission，the commercialized production of fuel ethanol from grain，sugar cane has become popular in many countries，resulting in higher global grain price. The production of cellulose ethanol produced from wood chip and stover has been successful in laboratory，and cellulose ethanol commercial plants are being constructed now. Raw material price，processing technology，enzyme，yeasts，capital investment and supporting policy are the factors that affect the cost of commercial cellulose ethanol. In this paper，
the commercial projects of cellulose ethanol plants are introduced and the effects of different factors are analyzed.
Key words：cellulose ethanol；commercialization；economic analysis
随着国际原油资源的短缺和温室气体排放的增加，以粮食和甘蔗等为原料生产燃料乙醇的项目在许多国家实现了商业化生产，但是粮食乙醇与人争粮，可能导致全球粮食价格的增长。以农业和林业的废弃生物质为原料的纤维素乙醇是目前研究最多的领域之一，虽然目前在商业化方面还面临着技术不成熟、生产成本过高的问题，但是国际上一些生物和化工公司、风险投资公司和政府已经开始积极投入资金进行商业化生产的运行，并希望在今后3～5年内能够实现经济效益可观地商业化生产。
1 纤维素乙醇生产工艺
木质纤维素由碳氢化合物（纤维素和半纤维素）和木质素的混合物组成。纤维素是葡萄糖的聚合物，由于其结晶结构使其很难降解。半纤维素是由多种多糖分子组成的支链聚合物，不同来源的半纤维素的单糖组成各异。目前纤维质原料（玉米秆、稻草等）生产乙醇的工艺主要有两种，一种是纤维素水解发酵工艺，另一种是生物质合成气发酵工艺。
利用纤维素水解发酵工艺生产乙醇，首先要对原料进行预处理，去除阻碍糖化和发酵的物质，在预处理阶段，利用稀硫酸将半纤维素大部分水解成水溶性的木糖（戊糖）、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖，半纤维素中的葡聚糖和少量的纤维素水解为葡萄糖（己糖）。在糖化发酵阶段，纤维素在纤维素酶或酸的作用下糖化为葡萄糖，并与其它糖一起发酵成为乙醇，最后是乙醇的净化，残余固体物质的气化和废水处理[1－2]。
利用生物质合成气发酵工艺生产乙醇是一种由生物质间接制备乙醇的方法，集成了热化学和生物发酵两种工艺过程。首先，通过气化反应装置把生
收稿日期：2007–11–29；修改稿日期：2007–12–13。
作者简介：段黎萍（1972—），女，工学博士，副研究员，从事科技
政策研究。电话 010–58882506；E–mail duanlp@istic.ac。
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物质转化成富含CO、CO
2和H
2
的中间气体，这些
成分可以进入气体整合设备，转换成生物质合成气；整合后的合成气进入发酵设备后通过细菌的作用转化成乙醇[3]。
目前国内外在纤维素乙醇生产工艺领域研究很多，特别是对纤维素水解发酵工艺，在预处理、酶水解、发酵工艺流程的一体化方面得到了很大程度地改善。但要使纤维素乙醇达到商业化的程度，需要进一步提高乙醇产率和固体废物的利用率，降低生产成本。
2 纤维素乙醇的商业化生产现状
目前纤维素乙醇生产存在着成本高等原因，尚未进入商业化生产阶段，但是国外一些公司已经在建设纤维素乙醇商业化生产厂，这些公司主要有Iogen、Abengoa、SunOpta、Mascoma、Alico、Celunol、Choren、BioEthanol Japan Kansai Company和 Dupont等。
2.1纤维素乙醇商业化生产的先行者
Iogen公司成立于1970年，是加拿大最大的生物技术公司之一，世界纤维素乙醇的领先者。Iogen 自主研发的纤维质水解-发酵工艺技术于1997年在美国申请了“纤维素转化为燃料乙醇的预处理工艺”的专利[4]。该流程的预处理采用改进蒸汽爆破工艺，分为两步，第一步平均温度为60～140 ℃，时间为0.25～24 h，pH值为0.5～2.5，第二步温度为220～270 ℃，pH值为0.5～2.5，时间为5～120 s。然后，原料进入分步水解发酵单元，在纤维素酶浓度为1.0～10.0 FPU /克纤维素的条件下，微生物和发酵系统可将己糖和戊糖转化为乙醇。1997年Iogen从加拿大石油公司获得1580万美元的投资，1999年从加拿大技术伙伴机构获得1000万美元贷款，在渥太华建立了预商业化生产示范厂，有雇员20名，设有一个300万升容量的储罐，全年生产，纤维素乙醇的年产量约为32万升。该示范厂2004年开始生产乙醇，向公司内部、加拿大石油公司炼油厂和加拿大两个政府部门的部分汽车提供乙醇。Iogen目前正在设计建设全球最大、年产达5000万加仑（1加仑=3.785 L）的纤维素乙醇商业厂，选址可能会定于加拿大西部地区、美国爱达荷州或者德国，最终地址要综合考虑原料的提供能力、运输产品的基础设施和政府的支持程度，由于Iogen将从美国能源部获得8000万美元的投资，最终地址将会选在美国爱达
荷州[5]。
2.2涉足纤维素乙醇商业化生产的传统企业
成立于1941年的Abengoa公司总部位于西班牙，是欧洲最大的乙醇生产商，在全球70多个国家生产多种能源产品，旗下的Abengoa生物能源公司是美国第五大乙醇生产厂，美国总部在密苏里州Chesterfield，合作伙伴有诺维信公司（Novozymes）、美国国家可再生能源实验室（NREL）、Stake Technology等[6]。2003年美国能源部与Abengoa签署3500万美元合同，用于研发谷物及秸秆乙醇的技术，内容包括淀粉、纤维及纤维素的转化，现在美国内布拉斯加州York镇建立了一座年产纤维素乙醇约24000加仑的实验厂，2007年9月13日已经生产出第一批以小麦秸秆为原料的纤维素乙醇。2007年Abengoa从美国能源部获得7600万美元的资助，将于美国的堪萨斯州Hugoton镇建一座投资达3亿美元的谷物及秸秆乙醇商业化生产厂，其中谷物乙醇产量将达8500万加仑，纤维素乙醇产量达3000万加仑，将采用内布拉斯加州实验厂的技术经验，预计2010年后可以投产。Abengoa计划在今后5年内投入达5亿美元以上的经费用于纤维素乙醇的商业开发[7]。
成立于1948年的Alico是位于佛罗里达州的一家土地管理及农畜产品公司，Alico在2007年被美国能源部选为六家纤维素乙醇厂之一，还获得了佛罗里达州农业部和能源部的250万美元的资助，以发展燃料乙醇项目。目前，Alico采用生物工程资源公司（BRI）在阿肯州 Fayetteville试验厂的汽化和发酵
技术，在佛罗里达州Hendry 县建立一家纤维素乙醇厂，将含碳原料转化为乙醇和电能，计划在2010年左右达年产量由770万加仑增加到5000万加仑，同时产生的电能除自用外还有12.6兆瓦特/年可以出售[8]。BRI公司是采用生物质合成气发酵生产乙醇的方法，即先将纤维素原料在温度1300 ℃分二步汽化为CO、H2和CO2合成气，冷却到37.7 ℃后，合成气通过活性炭过滤后进入到加有培养基的生物反应器中，经过Clostridium ljungdahlii O-52菌株的发酵作用生成乙醇，而后通过膜分离系统将菌株和乙醇分离，菌株可继续使用，含乙醇的液相经过传统精馏过程和分子筛等工艺精制成无水乙醇[9]。在该过程中，冷却热气体产生的蒸气用来发电。Alico计划在Hendry项目成功之后，到2020年前在佛罗里达州建立20个5000万加仑年产量的纤维素乙醇厂，共计年产量可达10亿加仑乙醇并出售250兆瓦特/年的电能，每个厂需要投入1.5亿美元。
此外，传统化工企业如Shell公司、Dupont公司也都以不同形式参与到纤维素乙醇的商业化生产中。
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2.3专注于纤维素乙醇生产的高技术企业
加拿大SunOpta是美国NASDAQ上市公司，成立于1973年，下属的生物技术集团是世界上在纤维素乙醇的预处理、蒸汽爆破和精制生产工艺领域处于领先地位的公司之一， 20年前在法国建立第一家纤维素乙醇厂。该公司开发了全球第一套利用高压无水氨预处理纤维素的连续式生产工艺和设备，并于19
99年申请了加拿大等国的专利[10]，原理是先将原料放入压力为1.38～3.10 MPa、装有活化剂的预处理反应器中，停留时间为1～10 min，然后在常压下爆破，使原料角质化，然后进行糖化发酵。由于SunOpta公司拥有先进的纤维素乙醇技术，它为多个纤维素乙醇商业化项目提供技术。Abengoa与SunOpta公司合作，于2005年8月开始在西班牙Babilafuente (Salamanca)的BCyL 粮食乙醇厂旁边建设一座日处理70 t干草，年产5000 kL生物质乙醇厂，采用加催化剂的蒸汽爆破预处理以及同步酶水解发酵工艺，将是世界第一家纤维素乙醇商业厂。SunOpta为该项目提供专利的预处理技术和设备。SunOpta还在与Celunol公司合作的Jennings项目中提供设备和技术，利用甘蔗渣生产乙醇，Jennings项目是美国第一个纤维素乙醇商业厂，计划2007年夏季开始建厂。2006年SunOpta与黑龙江华润酒精有限公司在肇东市建厂，SunOpta提供系统和技术，利用玉米秆生产乙醇[11]。SunOpta还与加拿大GreenField 乙醇公司成立合资公司，专门设计建造从木屑制造乙醇的工厂[12]。
美国Mascoma公司成立于2005年，是一家专门从事纤维素乙醇研发的高技术公司，总部在麻省剑桥，研发部门在新汉普顿的Lebanon，获得2007年纽约州政府奖励1480万美元，以及Red Herring 奖和Lemelson-MIT奖。示范工厂建在纽约的Rochester，利用Genencor 国际公司现有的设备及酶系统，采用Mascoma的创始人之一及首席科学家Lee Lynd的技术，利用木屑和废纸生产乙醇，乙醇年产量50万加仑。Lee Lynd的“利用纤维素原料生产乙醇的无机械搅拌的连续工艺”为：经稀酸预处理后的纤维素浆、发酵菌和酶混合物连续进入温度控制在60℃的生物反应器中，经糖化发酵为乙醇。反应物
在反应器内分为3层：上层为乙醇、水蒸汽和微生物的混合气，中层为乙醇、水和微生物的混合液，下层主要是不溶的原料渣。中层混合液连续流出，一部分直接进入到蒸馏单元，另一部分回流到反应器以保证反应器内的酶和微生物浓度。上层气体中的乙醇可提纯，下层残渣在提取出乙醇和酶等后可用于燃料供热。该工艺特点是实现酶和
微生物的内循环、反应时间短、单位体积产率高[13]。
从2006年至今，Mascoma公司累计从Khosla、Flagship 和General Catalyst Partners公司等获得风
险投资高达5000万美元。
以上简要介绍了加拿大、美国、西班牙等国不
同类型的公司在纤维素乙醇商业化方面的进展。目
前各大公司都在建设纤维素乙醇商业化生产厂，但
是还没有真正进入商业化生产和销售阶段，最早进
行纤维素乙醇商业化试点的加拿大Iogen公司，也
仅将生产的纤维素乙醇用于内部使用。主要是由于
纤维素乙醇生产成本高，限制了其商业化进展，但
是随着原油和粮食价格的上涨，工艺技术的发展，
纤维素乙醇存在着大规模商业化的可能。
3 纤维素乙醇商业化生产的经济分析
3.1原油和粮食价格不断上涨为纤维素乙醇商业
化创造了机遇
纯露怎么提取
国内外原油和粮食价格都不断上涨，从2005
年1月至2007年11月，国际原油价格从350美元
/t上涨至690美元/t，涨幅达97％，国内玉米价格
从1133元/t上涨到1720元/t，涨幅达到52％。纤
维素乙醇的原料价格低廉、来源广泛，以玉米为例，
每产1 t玉米约产2 t秸秆，玉米秸秆为60元/t，其
它纤维素来源如木屑、甘蔗渣、废报纸等也比较低
廉。原油和粮食价格的上涨导致汽油和以粮食为原
料生产的燃料乙醇的价格都在上涨，美国市场的汽
油和燃料乙醇的价格见表1。汽油价格从2002年10
月至2007年6月涨幅为110％，同期燃料乙醇的价
格也上涨87％。北京地区的90# 汽油从2003年12
月的2.99元/升上涨到2007年11月为4.99元/升，
涨幅达到67％。
硒化卡拉胶
表12002年以来美国市场的汽油、燃料乙醇的平均价格[14]
时间汽油价格/美元•加仑－1燃料乙醇(E85①)价格/美元•加仑－1
2002-10 1.44 1.40 2003-12 1.476 1.606 2004-11 1.969 2.038 2005-09 2.77 2.41 2006-02 2.23 1.98 2006-10 2.22 2.11 2007-03 2.30 2.10 2007-06 3.03 2.63
①E85指用85%的乙醇与15%的汽油混合后得到的燃料。
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纤维素乙醇目前尚未商业化生产，国外不同文献报道的生产成本差异较大，从1.2～1.5美元到4美元/加仑不等[15]。纤维素乙醇价格若在4美元/加仑以上，目前暂时没有商业机遇，但是如果国际原油价格再上涨30％，汽油价格达到4美元/加仑时，则会有一定的商业价值；若纤维素乙醇价格在2.6美元/加仑（约为6500元/t）左右，达到与目前燃料乙醇市场价格相同时，即能拥有一定的市场份额；若纤维素乙醇价格低于1.5美元/加仑，已低于目前燃料乙醇的价格，应该早已经占领燃料乙醇市场，因此作者认为此价格不大可信。可以预测随着技术的发展，纤维素乙醇的生产成本可能会大幅下降，同时粮食价格的上涨导致谷物类乙醇的价格上涨，最终可能会出现纤维素乙醇的生产成本低于谷物类乙醇生产成本的情况，从而使纤维素乙醇成为燃料乙醇的主要来源。
3.2多渠道的资金来源促进了纤维素乙醇商业化的发展
虽然纤维素乙醇目前的生产成本较高，尚未有商业化生产的公司，但是由于纤维素乙醇拥有良好的市场前景，国际上许多生物技术公司和化工企业投资进行纤维素乙醇的商业化生产，以便今后能够拥有技术和市场。例如，Iogen公司希望未来能够通过授权生产技术和销售专用酶赢利，同时壳牌公司也向Iogen投入4600万美元；杜邦公司也投入5000万美元进行纤维素乙醇项目的试验。另外，许多风险投资公司看好纤维素乙醇的良好前景，逐步开始进入这个领域，2006年美国高盛集团为Iogen 投入3000万美元的资金，从而成为华尔街第一家投资于纤维素乙醇项目的投资公司；2006年初Khosta 和Flagship 风险公司共为Mascoma投资400万美元，2006年底General Catalyst Partners、Kleiner Perkins Caufield & Byers、Vantage Point Venture Partners、Atlas Venture 和 Pinnacle Ventures等风险投资公司也为Mascoma投入3000万美元[16]。同时，利用纤维素生产乙醇，还可以减少使用原油引起的温室气体排放，在环境保护方面有积极意义，各国政府纷纷投入经费支持纤维素乙醇的商业化生产。美国能源部2007年2月宣布在今后4年将对6家公司提供高达3.85亿美元的资金进行纤维素乙醇商业化，各生产厂获得的资金和规划产量见表2。该计划在纤维素乙醇商品化进程中将起到重要作用，等它们完全生产时，计划能够生产1.3亿加仑的纤维素乙醇，以实现布什政府制定的2012年纤维素乙醇价格可与汽油相竞争的目标[17]。
展频原理
表2美国能源部支持的6家纤维素乙醇生产厂38ggg
生产厂支持金额/万美元规划年产量/百万加仑Abengoa 生物能源公司7600 11.4 Alico公司3300 13.9 Bl
ueFire乙醇公司4000 19 Broin 公司8000 31.25 Iogen 生物炼制公司8000 18 Range 燃料公司7600 40 合计38500 133.5
从长远发展来看，我国原油依赖进口和粮食短缺
问题会更加严重，同时我国纤维素来源丰富，因此及
早发展纤维素乙醇商业化很有必要。目前我国政府在
支持纤维素乙醇的商业化生产方面还没有什么具体
行动。在我国的燃料乙醇生产领域，国家发改委为吉
林乙醇、河南天冠、丰原生化、黑龙江华润酒精等4
家以粮食为原料的燃料乙醇生产企业制定了相应的
财政税收价格补贴政策，每生产1 t燃料乙醇能得到
国家财政补贴近2000元。与此同时，企业还享受着
橡胶硬度免征5％的消费税、增值税实行先征后返、享受国家
陈化粮政策补贴等政策。我国政府可以参考上述政
策，为纤维素乙醇提供相应的税收优惠和补贴政策。
另外，我国政府还应该提供特别资金对纤维素乙醇商
业化生产进行支持。2006年中国原油需求量为3.2亿
吨，约为美国原油需求量10.3亿吨的1/3，若按照此
比例，美国政府支持的纤维素乙醇商业化生产总量达
40万吨，我国政府可考虑支持约13万吨的纤维素乙
醇商业化生产项目，选择一些企业进行重点支持。
3.3降低纤维素乙醇商业化成本的途径
3.3.1 选择合作的生产厂址，降低原料成本
纤维素乙醇的生产原料多为木屑、农作物秸秆等
农林业副产品，与粮食为原料的乙醇相比，原料成本
占总成本的比例差异极大，表3以中国东北玉米和玉
蜗轮滚刀米秸秆为例计算了原料占燃料乙醇价格的比率。
表3燃料乙醇生产过程中原料价格占产品价格的比例①
原料种类玉米玉米秸秆
原料价格/元•t-11720 60 燃料乙醇价格/元•t-16050 6500 每吨燃料乙醇需要原料/t 3 6 原料占产品价格的比例85.2% 5.5%
①我国规定燃料乙醇价格执行同期公布的90#汽油出厂价乘以价格
系数0.911，2007年11月中国东北90#汽油价格6642元/t，因此玉米燃
料乙醇价格应为6050元/t，在缺乏国内纤维素乙醇的商品价格时，取
美国E85乙醇市场价格的2.6美元/加仑估算，约6500元/t计算。
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由于纤维素乙醇对原料总量需求较大，选择纤维素产量丰富的地区，降低原料收购和运输成本。以Abengoa公司在建500 kL/a的纤维素乙醇项目为例，据估计按照其生产工艺，目前公布的计划每天需要使用900 t生物质。Celunol公司选择在美国路易斯安那州Jennings建立试验厂，利用当地丰富的甘蔗资源。Mascoma公司与Tamarack Energy公司合作项目的选址原则是在美国东北部地区选择富产纤维素原料如木材、纸浆、其它森林产品和农业生物质等运输便利的地区。Alico公司在佛罗里达州建厂，也是选择当地丰富的甘蔗资源和其它农作物废料。
另外，选择在现有的粮食乙醇生产厂家附近建立纤维素乙醇厂，可以充分利用现有的生产设备和运输销售网络，也是降低生产和销售成本的方法。例如Abengoa与SunOpta公司合作，选择在西班牙Babilafuente一家年产量为5100万加仑的粮食乙醇厂旁边建立纤维素乙醇厂，Abengoa在内布拉斯加州的试验厂也是位于一家大型粮食乙醇生产厂旁边。2006年6月，中国粮油食品(集团)黑龙江华润酒精厂与丹麦诺维信公司合作进行纤维素酒精试验项目，设计年产量为3000 t，试验装置设在肇东。2006年黑龙江华润厂的酒精及燃料乙醇产量400 kt，玉米需求量为1200 kt（燃料乙醇占130 kt左右）。以每吨纤维素可生产大约240 kg乙醇计算[2]，华润纤维素乙醇项目每年需要12 500 t玉米秸秆（干物质）。肇东市玉米年产量为1440 kt，玉米秸秆约2900 kt，能够满足华润酒精厂对玉米和秸秆的需求，具体见表4。
表4肇东地区玉米及秸秆产量及华润酒精厂的需求量
华润粮食乙醇产量
/kt•a－1华润玉米需求量
/kt•a－1
华润纤维素乙醇产量
/kt•a－1
华润玉米秸秆需求量(干物质)
/kt•a－1
肇东玉米产量
/kt•a－1
肇东玉米秸秆产量
/kt•a－1
400 1200 3 12.5 1440 2900
3.3.2 选择优化的生产工艺、高效能的酶及发酵菌种
在燃料乙醇生产过程中，影响其生产成本的因素很多，其中能量消耗和乙醇产率是衡量生产效率的重要指标。能量消耗主要集中在原料生产、运输及制备、预处理、糖化发酵和精馏工艺、木质素残渣的利用过程。在缺乏实际能耗数据时，可以借助国外燃料乙醇生产过程能量的模拟计算结果，估算不同的原料、不同的生产工艺，如糖化发酵时间和精馏方式下，各个生产单元的过程能耗，选择较为合适的原料和生产工艺。纤维素乙醇与粮食乙醇相比，在原料种植环节能耗较低，生产环节能耗基本相当[18]，每吨燃料乙醇的生命周期能耗占燃料乙醇价格的比例见表5。
表5 每吨燃料乙醇的生命周期能耗占燃料乙醇价格的比例①
项目
能耗
/MJ·t－1
能耗折合
标准煤/t
能耗费用
/元(原煤)
能耗费用
/元(原油)
燃料乙醇价格
/元•t－1
能耗占燃料乙醇价格的
比例（原煤）
能耗占燃料乙醇价格
的比例（原油）
玉米乙醇 38.86×103 1.326 590 4687 6050 9.75% 77.5% 木材乙醇 20.56×1030.702 312 2481 6500 4.8% 38.1%
①生命周期能耗折合成标准煤之后，再以2007年11月中国原煤市场价格400元/t和国际原油价格690美元/t计算，估算出使用不同能源时每吨燃料乙醇的生命周期能耗费用。
从表5还可知，在燃料乙醇生产过程中，使用不同能源的成本差异极大，使用原煤比原油便宜得多。纤维素乙醇生命周期能耗占燃料乙醇价格的比例比粮食乙醇低，粗乙醇精制阶段成本相当，生产成本更多地集中在酶、发酵菌、转化率等环节上。纤维素酶及半纤维素酶等糖化水解的效率和不同菌种发酵己糖及戊糖的效率影响乙醇产率的高低，这也是降低生产成本的重点环节。目前使用的纤维素酶的比活力较低、酶解效率低，单位原料用酶量很大。在目前产酶技术条件下，生产1加仑乙醇需用纤维素酶的生产费用为30～50美分，美国近期的研究目标是将纤维素酶成本减少到每加仑乙醇5美分，即需要将酶的比活性或生产效率提高约10倍[19]，若能达到此目标，则每加仑乙醇的价格能够下降30美分左右。发酵工艺的改进有助于降低生产成本，例如，选择具有更好
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