纤维素乙醇（Cellulosic ethanol）是由纤维素（植物的纤维状纤维）而不是植物的种子或果实产生的乙醇（乙醇）。 它是由草，木材，藻类或其他植物生产的生物燃料。 除反刍动物（放牧，咀嚼动物如牛或羊）外，植物的纤维部分对动物（包括人类）大多不可食用。
由于其重要的经济潜力，存在对纤维素乙醇的相当大的兴趣。 植物生长纤维素是一种以无毒方式化学捕获和储存太阳能的机制，其产生的物质易于运输和储存。 此外，无论如何都可能不需要运输，因为草或树几乎可以在任何温度下生长。 这就是为什么商业上实用的纤维素乙醇被广泛视为生物燃料工业的下一个发展水平，可以减少对石油和天然气钻探甚至核能的需求，而单靠谷物乙醇燃料则不能。 碳质液体燃料和石化产品（今天的生活标准取决于）的许多好处的潜力存在，但是采用碳循环平衡和可再生的方式（回收表面和大气中的碳，而不是将地下碳泵入其中，从而增加它）。 商业上实用的纤维素酒精也可以避免当今传统的（基于谷物的）生物燃料的问题之一，即他们与粮食目的建立谷物竞争，可能推高食品价格。 迄今为止，阻碍这些目标的是纤维素醇的生产在商业规模上还不够实用。
制作方法
从纤维素生产乙醇的两种方法是：
纤维素分解过程包括在预处理的木质纤维素材料上水解，使用酶将复合纤维素分解成单糖如葡萄糖，然后进行发酵和蒸馏。
将木质纤维素原料转化为气态一氧化碳和氢气的气化。 这些气体可通过发酵或化学催化转化为乙醇。
正如纯乙醇生产一样，这些方法包括蒸馏。
纤维素分解（生物学方法）
使用生物方法生产乙醇的阶段是：
“预处理”阶段，使木质纤维素材料如木材或稻草适合水解
用纤维素酶水解纤维素（即纤维素分解），将分子分解成糖
将糖溶液与残余物质，特别是木质素分离
微生物发酵糖溶液
蒸馏产生大约95％的纯酒精
分子筛脱水使乙醇浓度超过99.5％
2010年，开发了一种基因工程酵母菌株，以生产自己的纤维素消化酶。 假设这种技术可以扩展到工业水平，它将消除一个或多个纤维素分解步骤，减少所需的时间和生产成本。
尽管木质纤维素是最丰富的植物材料资源，但其可用性因其刚性结构而受到限制。 结果，需要有效的预处理以从木质素密封及其晶体结构中释放纤维素，以使其可用于随后的水解步骤。 到目前为止，大多数预处理都是通过物理或化学方法完成的。 为了实现更高的效率，需要物理和化学预处理。 物理预处理通常被称为尺寸减小以减少生物质物理尺寸。 化学预处理是为了去除化学屏障，因此酶可以接触纤维素进行微生物反应。
迄今为止，可用的预处理技术包括酸水解，蒸汽爆破，氨纤维膨胀，有机溶剂，亚硫酸盐预处理，AVAP（SO2-乙醇 – 水）分馏，碱性湿氧化和臭氧预处理。 除了有效的纤维素释放外，理想的预处理还必须使降解产物的形成最小化，因为它们对随后的水解和发酵过程具有抑制作用。 抑制剂的存在不仅会进一步使乙醇生产复杂化，而且由于需要解毒步骤而增加生产成本。 尽管酸水解预处理可能是最古老和研究最多的预处理技术，但它产生了几种有效的抑制剂，包括糠醛和羟甲基糠醛（HMF），它们被认为是木质纤维素水解产物中存在的毒性最大的抑制剂。 氨纤维膨胀（AFEX）是一种很有前途的预处理，对所得水解产物没有抑制作用。
当应用于具有高木质素含量的原料（例如森林生物质）时，大多数预处理过程无效。 有机溶剂，SPORL（’亚硫酸盐预处理以克服木质纤维素的顽固性’）和SO2-乙醇 – 水（AVAP®）工艺是森林生物量，特别是软木物种的纤维素转化率超过90％的三个过程。 SPORL是最节能的（预处理中每单位能量消耗的糖产量）和用于预处理森林生物质的稳健过程，其具有非常低的发酵抑制剂产量。 有机溶剂制浆对硬木特别有效，并且通过稀释和沉淀可以容易地回收疏水性木质素产物。 AVAP®工艺可有效地将所有类型的木质纤维素分离成清洁的高消化纤维素，未降解的半纤维素糖，活性木质素和木质素磺酸盐，并具有高效回收化学品的特点。
有两种主要的纤维素水解（纤维素分解）过程：使用酸的化学反应，或使用纤维素酶的酶促反应。
纤维素分解过程
纤维素分子由长链糖分子组成。 在纤维素的水解（即，纤维素分解）中，这些链被分解以在糖发酵用于产生醇之前释放糖。
化学水解
在19世纪和20世纪初开发的传统方法中，通过用酸攻击纤维素来进行水解。 稀酸可以在高温和高压下使用，或者更浓的酸可以在较低温度和大气压下使用。 酸和糖的去结晶纤维素混合物在水存在下反应以完成单个糖分子（水解）。 然后将来自该水解的产物中和，并使用酵母发酵来产生乙醇。 如上所述，稀酸过程的一个重大障碍是水解非常苛刻，以至于产生可能干扰发酵的有毒降解产物。 BlueFire Renewables使用浓酸，因为它不会产生几乎同样多的发酵抑制剂，但必须与糖流分离以进行再循环[例如，模拟移动床（SMB）色谱分离]具有商业吸引力。
农业研究服务科学家发现，他们可以接触和发酵麦秸中几乎所有剩余的糖。 糖位于植物的细胞壁中，众所周知难以分解。 为了获得这些糖，科学家用碱性过氧化物预处理麦秆，然后使用专门的酶来分解细胞壁。 该方法每吨小麦秸秆生产93美国加仑（350升）乙醇。
酶水解
纤维素链可以通过纤维素酶分解成葡萄糖分子。
该反应在体温下在反刍动物如牛和羊的胃中发生，其中酶由微生物产生。 该过程在该转化的不同阶段使用几种酶。 使用类似的酶系统，木质纤维素材料可以在相对温和的条件下（50℃和pH 5）进行酶水解，从而能够有效地分解纤维素而不会形成否则会抑制酶活性的副产物。 所有主要的预处理方法，包括稀酸，都需要酶水解步骤以实现乙醇发酵的高糖产率。 目前，大多数预处理研究都是基于实验室的，但公司正在探索从实验室过渡到试验或生产规模的方法。
各种酶制剂公司也通过大量生产用于水解的酶以有竞争力的价格在纤维素乙醇方面做出了重大的技术突破。
Iogen公司使用真菌里氏木霉（Trichoderma reesei）分泌用于酶水解过程的“特殊工程酶”。 他们的原材料（木材或稻草）必须进行预处理，使其易于水解。
另一家加拿大公司SunOpta采用蒸汽爆破预处理技术，为Verenium（前身为Celunol Corporation）在路易斯安那州Jennings的工厂，Abengoa位于西班牙萨拉曼卡的工厂和位于肇东的华润酒精公司提供技术。 CRAC生产设施使用玉米秸秆作为原料。
Genencor和Novozymes已获得美国能源部的资助，用于研究降低纤维素酶的成本，纤维素酶是通过酶水解生产纤维素乙醇的关键酶。 最近在这方面的突破是发现和包含裂解多糖单加氧酶。 这些酶能够通过氧化攻击多糖底物显着增强其他纤维素酶的作用。
其他酶制剂公司，如Dyadic International，正在开发基因工程真菌，可生产大量纤维素酶，木聚糖酶和半纤维素酶，可用于转化农业残留物，如玉米秸秆，酒糟，麦秸和甘蔗渣和能源。柳枝稷等作物可转化为可发酵糖，可用于生产纤维素乙醇。
2010年，BP生物燃料公司购买了Verenium的纤维素乙醇风险份额，该公司本身由Diversa和Celunol合并而成，并且每年共同拥有和运营140万美元加仑（5,300立方米）。位于洛杉矶詹宁斯的示范工厂，以及加利福尼亚州圣地亚哥的实验室设施和工作人员。 BP生物燃料继续运营这些设施，并已开始建设商业设施的第一阶段。 詹宁斯工厂生产的乙醇被运往伦敦并与汽油混合，为奥运会提供燃料。
吉隆坡能源公司（前身为KL工艺设计集团）于2007年第四季度在怀俄明州厄普顿开始商业运营每年150万美元（5700立方米）的纤维素乙醇工厂。西部生物质能源工厂目前正在实现每干吨40-45美制加仑（150-170升）的产量。 它是全国第一家经营商业纤维素乙醇工厂。 KL Energy工艺使用热机械分解和酶促转化过程。 主要原料是软木，但实验室测试已经证明了KL Energy在葡萄酒果渣，甘蔗渣，城市固体废物和柳枝稷上的工艺。
微生物发酵
传统上，面包酵母（酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae））长期以来一直用于啤酒厂，用己糖（六碳糖）生产乙醇。 由于木质纤维素生物质中存在的碳水化合物的复杂性质，水解产物中也存在显着量的木糖和阿拉伯糖（来自木质纤维素的半纤维素部分的五碳糖）。 例如，在玉米秸秆的水解产物中，总可发酵糖的约30％是木糖。 结果，发酵微生物使用从水解产物中获得的全部糖类的能力对于提高纤维素乙醇和潜在的生物基蛋白质的经济竞争力是至关重要的。
近年来，用于燃料乙醇生产的微生物的代谢工程已经显示出显着的进步。 除了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）之外，已经通过代谢工程靶向微粒如运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）和大肠杆菌（Escherichia coli）以产生纤维素乙醇。
最近，已经描述了工程化酵母有效地发酵木糖和阿拉伯糖，甚至两者一起发酵。 酵母细胞对纤维素乙醇工艺特别有吸引力，因为它们已经在生物技术中使用了数百年，对高乙醇和抑制剂浓度具有耐受性，并且可以在低pH值下生长以减少细菌污染。
结合水解和发酵
已发现一些细菌种类能够将纤维素底物直接转化为乙醇。 一个例子是热纤梭菌（Clostridium thermocellum），它使用复杂的纤维素体来分解纤维素并合成乙醇。 然而，除了乙醇之外，C.thermocellum还在纤维素代谢期间产生其他产物，包括乙酸盐和乳酸盐，降低了该方法的效率。 一些研究工作旨在通过遗传工程细菌来优化乙醇生产，所述细菌专注于产生乙醇的途径。
气化过程（热化学方法）
气化过程不依赖于纤维素链的化学分解（纤维素分解）。 不是将纤维素分解成糖分子，而是使用相当于部分燃烧的量将原料中的碳转化为合成气。 然后可将一氧化碳，二氧化碳和氢气加入特殊种类的发酵罐中。 这种方法不是用酵母进行糖发酵，而是使用Clostridium ljungdahlii细菌。 该微生物将摄取一氧化碳，二氧化碳和氢气并产生乙醇和水。 因此，该过程可分为三个步骤：
气化 – 复杂的碳基分子被分解，以获得碳，如一氧化碳，二氧化碳和氢气
发酵 – 使用Clostridium ljungdahlii生物将一氧化碳，二氧化碳和氢转化为乙醇
蒸馏 – 乙醇与水分离
最近的一项研究发现，另一种梭菌属细菌的效率似乎是上述一氧化碳制乙醇的两倍。
或者，可将来自气化的合成气进料至催化反应器，在催化反应器中通过热化学方法将其用于生产乙醇和其它高级醇。 这一过程还可以产生其他类型的液体燃料，这是蒙特利尔公司Enerkem在魁北克韦斯特伯里的工厂成功证明的另一种概念。
半纤维素转乙醇
进行了深入研究以开发将纤维素和半纤维素转化为乙醇的经济方法。 葡萄糖（纤维素水解产物的主要产物）发酵成乙醇是已经建立和有效的技术。 然而，木糖（半纤维素水解产物的戊糖）的转化是限制因素，尤其是在葡萄糖存在下。 此外，它不能被忽视，因为半纤维素将提高纤维素乙醇生产的效率和成本效益。
Sakamoto（2012）等。 显示基因工程微生物表达半纤维素酶的潜力。 研究人员创造了一种重组酿酒酵母菌株，该菌株能够：
通过在细胞表面共同显示木聚糖内切酶水解半纤维素酶，
通过木糖还原酶和木糖醇脱氢酶的表达来同化木糖。
该菌株能够将稻草水解产物转化为含有半纤维素组分的乙醇。 此外，它能够生产比对照菌株多2.5倍的乙醇，显示出高效的细胞表面工程生产乙醇的过程。
酶成本障碍
与第一代对应物相比，用于生产纤维素乙醇的纤维素酶和半纤维素酶更昂贵。 玉米谷物乙醇生产所需的酶每立方米乙醇生产成本为2.64-5.28美元。 用于纤维素乙醇生产的酶预计花费79.25美元，这意味着它们的价格高出20-40倍。 成本差异归因于所需数量。 酶的纤维素酶家族具有一到两个较小的效率。 因此，它需要在其生产中存在40至100倍的酶。 对于每吨生物质，它需要15-25千克酶。 最近的估计值较低，表明每干吨生物质原料含有1千克酶。 与进行酶水解的容器的长孵育时间相关的资本成本也相对较高。 总之，酶占纤维素乙醇生产的20-40％的重要部分。 最近的一篇论文估计现金成本的范围为13-36％，关键因素是纤维素酶的生产方式。 对于非现场产生的纤维素酶，酶产量占现金成本的36％。 对于在单独的植物中现场产生的酶，该比例为29％; 对于综合酶生产，该派系为13％。 综合生产的主要好处之一是生物质而不是葡萄糖是酶生长培养基。 生物质成本较低，它使得所得的纤维素乙醇成为100％的第二代生物燃料，即它不使用“食物作为燃料”。
原料
一般来说，有两种类型的原料：森林（木本）生物质和农业生物质。 在美国，每年可持续生产约14亿干吨生物质。 约3.7亿吨或30％是森林生物量。 与农业生物质相比，森林生物量具有更高的纤维素和木质素含量以及更低的半纤维素和灰分含量。 由于发酵预处理水解产物存在困难和低乙醇产率，特别是那些具有非常高的5碳半纤维素糖如木糖，森林生物质具有明显优于农业生物质的优点。 森林生物量也具有高密度，这显着降低了运输成本。 它可以收获一年左右，消除长期储存。 森林生物量接近零灰分含量显着降低了运输和加工过程中的静载。 为了满足生物多样性的需求，森林生物质将成为未来生物基经济中重要的生物质原料供应组合。 然而，森林生物量比农业生物质更难顽固。 最近，美国农业部林产品实验室与威斯康星大学麦迪逊分校共同开发了有效的技术，可以克服森林（木本）生物量的强烈顽固性，包括木聚糖含量低的软木物种。 短轮伐密集型养殖或树木养殖可为森林生物质生产提供几乎无限的机会。
来自斜线和树顶的木片和来自锯木厂的锯屑以及废纸浆是用于纤维素乙醇生产的常见森林生物质原料。
以下是农业生物质的几个例子：
柳枝稷（Panicum virgatum）是一种天然的高草草原草。 这种多年生植物以其耐寒和快速生长而闻名，在温暖的月份生长到2-6英尺的高度。 柳枝稷可以在美国的大部分地区种植，包括沼泽地，平原，溪流，沿着海岸和州际高速公路。 它是自播种（没有用于播种的拖拉机，仅用于割草），能够抵抗许多疾病和害虫，并且可以在低肥料和其他化学品的应用下产生高产量。 它也容忍贫瘠的土壤，洪水和干旱; 改善土壤质量，防止因其根系类型造成的侵蚀。
柳枝稷是一种经批准的覆盖作物，用于受联邦保护区计划（CRP）保护的土地。 CRP是一项政府计划，向生产者支付费用，用于不在作物最近种植的土地上种植作物。 该计划减少了土壤侵蚀，提高了水质，增加了野生动物栖息地。 CRP土地是山地游戏的栖息地，如野鸡和鸭子，以及许多昆虫。 用于生物燃料生产的柳枝稷已被考虑用于保护储备计划（CRP）土地，这可以提高生态可持续性并降低CRP计划的成本。 但是，必须修改CRP规则以允许经济地使用CRP土地。
Miscanthus×giganteus是另一种可用于纤维素乙醇生产的原料。 这种草原产于亚洲，是芒草和芒草的三倍体杂交种。 它可以长到12英尺（3.7米）高，几乎没有水或肥料输入。 芒草在冷耐旱性和水分利用效率方面类似于柳枝稷。 芒草（Miscanthus）作为可燃能源在欧盟商业化种植。
玉米穗轴和玉米秸秆是最受欢迎的农业生物质。
有人提出，葛根可能成为生物质的宝贵来源。
环境影响
燃料生产对环境的影响是决定其作为化石燃料替代品的可行性的重要因素。 从长远来看，生产成本，环境影响和能源输出的微小差异可能会产生很大的影响。 已经发现纤维素乙醇可以产生正的净能量输出。 与化石燃料相比，玉米乙醇和纤维素乙醇的温室气体（GHG）排放量减少是极大的。 玉米乙醇可使总体温室气体排放量减少约13％，而纤维素乙醇的这一数字约为88％或更高。 同样，纤维素乙醇可以将二氧化碳排放量减少到接近零。
农田
当前替代燃料的可行性的一个主要问题是生产所需材料所需的农田。 例如，用于玉米乙醇燃料的玉米的生产与可用于食物生长和其他原料的农田竞争。 这与纤维素乙醇生产之间的区别在于纤维素材料可广泛获得并且源自大量的物质。 用于纤维素乙醇生产的一些作物包括柳枝稷，玉米秸秆和杂交杨树。 这些作物生长迅速，可以在许多类型的土地上种植，这使它们更加通用。 纤维素乙醇也可以由木材残余物（木屑和木屑），城市固体废物如垃圾或垃圾，纸和污水污泥，谷物秸秆和草制成。 特别是植物材料的不可食用部分用于制造纤维素乙醇，这也最小化了在生产中使用食品的潜在成本。
根据地块的地理位置，以生物量为目的种植作物的效果可能有很大差异。 例如，降水和日照等因素可能会极大地影响维持作物所需的能量输入，从而影响整体能量输出。 一项为期五年的研究表明，仅仅作为生物质能源作物种植和管理柳枝稷可以产生比生产过程中消耗的可再生能源500％或更多。 与传统汽油相比，使用纤维素乙醇的温室气体排放和二氧化碳水平也大幅下降。
以玉米为主对比以草为主
2008年，只有少量柳枝稷专门用于乙醇生产。 为了使其在大规模生产中种植，它必须与现有的农业用地竞争，主要用于农作物的生产。 在美国22.6亿英亩（910万平方公里）的未淹没土地中，33％是林地，26％是牧场和草地，20％是农田。 美国能源和农业部于2005年进行的一项研究确定了是否有足够的可用土地资源来维持每年生产超过10亿干吨的生物质，以取代目前国家目前使用的液体运输燃料的30％或更多。 该研究发现，通过对农业和林业实践进行微小改变并满足对林业产品，食品和纤维的需求，可以有13亿干吨生物质供乙醇使用。 田纳西大学最近进行的一项研究表明，为了将石油使用量减少25％，需要将多达1亿英亩（400,000平方公里，或154,000平方英里）的农田和牧场分配给柳枝稷生产。
目前，与纤维素乙醇相比，玉米加工成乙醇更容易且更便宜。 美国能源部估计，生产纤维素乙醇的成本约为每加仑2.20美元，这是玉米乙醇的两倍。 破坏植物细胞壁组织的酶每加仑乙醇成本为30至50美分，而玉米每加仑成本为3美分。 美国能源部希望到2012年将生产成本降低到每加仑1.07美元才能生效。 然而，纤维素生物质比玉米生产成本更低，因为它需要较少的投入，例如能量，肥料，除草剂，并且伴随着较少的土壤侵蚀和改善的土壤肥力。 另外，在制造乙醇之后留下的不可发酵和未转化的固体可以被燃烧以提供操作转化设备和产生电力所需的燃料。 用于运行基于玉米的乙醇工厂的能源来自煤和天然气。 当地自力更生研究所估计，第一代商业化工厂的纤维素乙醇成本将在每加仑1.90美元至2.25美元之间，不包括激励措施。 相比之下，目前玉米乙醇的每加仑成本为1.20-1.50美元，普通汽油目前的零售价为每加仑4.00美元（有补贴和征税）。
增加生物燃料使用的主要原因之一是减少温室气体排放。 与汽油相比，乙醇燃烧更清洁，从而减少二氧化碳和空气中的总体污染。 另外，燃烧仅产生低水平的烟雾。 根据美国能源部的数据，与汽油和玉米乙醇相比，纤维素乙醇减少了86％的温室气体排放，减少了52％的排放量。 二氧化碳气体排放量显示比汽油排放量低85％。 纤维素乙醇对温室效应的贡献很小，净能量平衡比玉米乙醇好五倍。 当用作燃料时，纤维素乙醇释放出较少的硫，一氧化碳，微粒和温室气体。 纤维素乙醇应该获得生产者减碳信用额度，高于生产玉米乙醇的生产者，每加仑约3至20美分。
从化石燃料中获取0.76 J的能量，从玉米中生产出1 J的乙醇。 这一总数包括使用化肥，拖拉机燃料，乙醇厂运行等化石燃料。研究表明，化石燃料可以产生超过草原草乙醇体积的五倍，据政策总裁特里莱利说。西奥多罗斯福保护伙伴关系。 美国能源部的结论是，基于玉米的乙醇提供的能量比生产所需的能量多26％，而纤维素乙醇提供的能量提高了80％。 纤维素乙醇产生的能量比生长和转化所需的能量多80％。 将玉米变成乙醇的过程需要大约1700倍（按体积计）与乙醇一样多的水。[可疑 – 讨论]此外，它留下了12倍的废物量。 谷物乙醇仅使用植物的可食用部分。
纤维素不用于食品，可以在世界各地种植。 在生产纤维素乙醇时可以使用整个植物。 柳枝稷的产量是每英亩乙醇的两倍，而不是玉米。 因此，生产需要的土地较少，因此栖息地破碎较少。 生物质材料需要较少的投入，例如肥料，除草剂和其他可能对野生动物构成威胁的化学品。 它们广泛的根系改善了土壤质量，减少了侵蚀，增加了养分捕获。 与传统的商品作物生产相比，草本能源作物减少了90％以上的土壤侵蚀。 这可以转化为改善农村社区的水质。 此外，草本能源作物将有机物质添加到贫瘠的土壤中，并且可以增加土壤碳，这可以直接影响气候变化，因为土壤碳可以吸收空气中的二氧化碳。 与商品作物生产相比，生物量减少了地表径流和氮运输。 柳枝稷为各种野生动物居住环境提供了环境，主要是昆虫和地面鸟类。 保护储备计划（CRP）土地由多年生草组成，其用于纤维素乙醇，并且可以使用。
多年来，美国农民一直在种植高粱和玉米等作物。 因此，人们对这些做法对野生动物的影响了解很多。 增加玉米乙醇的最显着影响将是必须转化为农业用途的额外土地以及随农业生产而增加的侵蚀和肥料使用。 通过使用玉米增加乙醇产量可能对野生动物产生负面影响，其规模将取决于生产规模以及用于增加产量的土地以前是闲置的，在自然状态下，还是种植在其他行上作物。 另一个考虑因素是是否种植柳枝稷单一栽培或使用各种草和其他植被。 虽然植被类型的混合物可能提供更好的野生动物栖息地，但该技术尚未开发以允许将不同草种或植物类型的混合物加工成生物乙醇。 当然，纤维素乙醇生产仍处于起步阶段，随着研究的继续，使用多样化植被代替单一栽培的可能性值得进一步探索。
诺贝尔奖获得者Paul Crutzen的一项研究发现，当全生命周期评估适当考虑玉米乙醇生产过程中发生的氧化亚氮（N2O）排放时，与石油相比，玉米生产的乙醇具有“净气候变暖”效应。 Crutzen发现氮肥需求较少的作物，如草和木本植物，对气候的影响更为有利。