淺論我國燃料乙醇的生產(chǎn)發(fā)展趨勢

◎ 趙龍駿，段 鋼

（杰能科（中國）生物工程有限公司，江蘇 無錫 214028）

我國燃料乙醇生產(chǎn)已有十幾年的歷史，目前已有約270萬噸的規(guī)模。但2017年國家?guī)撞课岢龃罅Πl(fā)展燃料乙醇，預計將在未來的幾年達到1 000萬t的生產(chǎn)能力。中糧、國投、象嶼集團等都有了新建燃料乙醇新工廠的規(guī)劃。但筆者認為，新工廠的設計不但要從消化陳化糧的目的出發(fā)，還要考慮新技術(shù)、環(huán)保、節(jié)能等多方面因素，積極響應習主席的“綠水青山就是金山銀山”的號召。這就要求在新工廠的設計上要采用更多的新技術(shù)，筆者結(jié)合蒸煮溫度、濃醪發(fā)酵、染菌控制、酵母的最適pH等淺談自己的看法。

1 蒸煮溫度

目前，國際上酒精生產(chǎn)工藝以ICM、Delta T、Poet等工程公司的工藝為主，各工藝特點如下：①ICM的工藝特點是高溫噴射（105 ℃，5 min）、低溫液化（83～86 ℃，2 h）。②Delta T工藝的特點是低溫蒸煮（85～90 ℃，2～3 h）。③Port工程公司目前在美國約有30家工廠，技術(shù)自行運轉(zhuǎn)，不對外承接工程。其工藝特點主要是生料發(fā)酵[1]。生料發(fā)酵的特點是節(jié)能、高轉(zhuǎn)化率、醪液黏度低。生料因為沒有高溫過程（整個過程就是發(fā)酵溫度），所以節(jié)能，沒有糊化及液化過程，所以整個過程醪液的黏度很低，又因為液化、糖化、發(fā)酵同步進行，酵母壓力小，所以轉(zhuǎn)化率高。但需注意的是，玉米的粉碎細度需嚴格控制，也要防止發(fā)酵過程中玉米顆粒的沉降以及發(fā)酵后分離等細節(jié)問題。

國內(nèi)酒精廠的工藝主要參考Delta T的工藝，但又有所區(qū)別。特點主要是低溫噴射、蒸煮，噴射溫度90～95 ℃。發(fā)酵酒度12%～14%(v/v)。只有中糧集團肇東工廠三期酒度能達到15%，勉強算是高濃發(fā)酵，以肇東三期的工藝為例，其工藝流程如圖1所示。

圖1 肇東三期工藝流程簡圖

以上幾個工藝各有特色，但從我國具體情況來說，筆者建議采用低溫噴射，不但節(jié)能而且降低液化時糖的損失。隨著酶制劑技術(shù)的進步，也證實此工藝可行。但國內(nèi)有些生產(chǎn)廠家擔心低溫蒸煮會帶來染菌的風險，筆者的一些同事做了一些研究，沒有發(fā)現(xiàn)這兩者之間有明顯的聯(lián)系，相關(guān)實驗結(jié)果如圖2、圖3所示。而且蒸煮溫度越高，DDGS飼料的顏色越深。

圖2 不同蒸煮溫度染菌情況圖

圖3 不同蒸煮溫度下發(fā)酵酒度圖

2 濃醪發(fā)酵

目前，國內(nèi)酒精廠的酒度在12%～14%（v/v）（主要指以玉米為原料的酒精廠），只有中糧肇東三期的酒度能達到15%，但美國酒精工廠的酒度平均在18%左右。就連印度酒精工廠的酒度都要比國內(nèi)高。

所以要積極推廣濃醪發(fā)酵。不但要提高配料濃度，還要提高清液回配比例。這樣不但節(jié)能，還能節(jié)水，更能節(jié)約成本。國內(nèi)酒精廠清液回配比例在15%～25%，而美國一般在30%～50%，而且美國的酒精廠大部分是沒有生物廢水處理裝置，其裝置流程如圖4所示。

圖4 美國酒精廠裝置流程簡圖

但是國內(nèi)有部分廠家擔心濃醪發(fā)酵會降低效率，轉(zhuǎn)化率下降，殘淀等指標上升。但根據(jù)一些研究數(shù)據(jù)表明，這種擔心是沒有依據(jù)的[2-4]。輔以一些新技術(shù)或新酶種的應用，完全可以與以前一樣或更低。表1與表2是2002年與2008年美國酒精工廠酒度上升后DDGS飼料組分的比較。

表1 2002年、2004年殘淀粉數(shù)據(jù)表

表2 DDGS成分表（2008年普度大學和美國能源部數(shù)據(jù)）

從表1和表2可以看出，美國酒精廠在發(fā)酵酒度上升后，其飼料的組分分析表明，殘淀粉沒有明顯變化。特別是近幾年，美國酒精廠和一些酶制劑廠家合作，以提高的出酒率為分成的基礎，進一步提高了原料的利用率，殘淀粉及殘?zhí)撬竭M一步下降。酒精生產(chǎn)過程中有關(guān)濃醪發(fā)酵的一些能量計算見表3。

表3 料水比與能耗表

要得到18%(V/V)的酒度，料水比1∶1.5。

美國酒精廠1995年與2015年生產(chǎn)主要參數(shù)對比見表4。

表4 美國酒精生產(chǎn)主要參數(shù)對比表

3 水的利用與平衡

隨著環(huán)保的日益嚴格，污水的排放成本越來越高，所以水的合理應用就顯得尤為重要。本文以美國酒精廠為例，說明水耗降低的途徑。

①美國的酒精廠通過提高發(fā)酵酒度至18%，將料水比降到1∶1.5左右，而國內(nèi)酒精廠的酒度一般在13%～14%，料水比在1∶（2.3～2.5），這樣美國的酒精廠配料用水就比國內(nèi)的酒精廠降低了1/3。②美國的酒精廠清液回配比例在30%～50%，而國內(nèi)酒精廠的清液回配比例僅在15%～25%，這也導致國內(nèi)酒精廠用水量大大增加。在美國酒精廠，大部分的水是用于冷卻塔與鍋爐運行，而工藝水主要通過蒸餾及干燥器蒸發(fā)的蒸汽來帶走回用。美國Delta-T工程公司為美國酒精廠做的水平衡圖如圖5所示。

圖5 酒精廠水的平衡圖

從圖5可以看到，目前美國酒精廠每噸酒的水耗在3.6t，而且?guī)缀趿闩欧拧６鴩鴥?nèi)酒精廠每噸酒的水耗還在6～7 t。所以說我國提升的空間還很大，任務還很艱巨。

4 酵母最適pH

從酵母本身的特性來講，其最適pH在5.0左右，但國內(nèi)酒精廠目前基本上都將發(fā)酵pH設置為3.8～4.0，這一方面是從避免染菌考慮，另一方面也是從糖化角度考慮，因為以前黑曲霉菌株生產(chǎn)的糖化酶AnGA，其最適pH在4.2～4.5。但在這么低的pH條件下，酵母的生存是很不舒適的，會代謝一些產(chǎn)物來保護自己（如甘油、海藻糖等），從而降低乙醇的轉(zhuǎn)化率。

隨著酶制劑技術(shù)的不斷進步，目前已有最適pH在5.0～5.5的糖化酶TrGA。目前，在美國或歐洲都有酒精廠在單一pH條件下運行生產(chǎn)，就是指糖化、發(fā)酵都在pH5.0左右進行，過程中不去人為地調(diào)整pH。從發(fā)酵最終結(jié)果來看，單一pH對酒精轉(zhuǎn)化率是有好處的。單一pH與傳統(tǒng)過程的出酒率比較見表5。

表5 使用TrGA和AnGA糖化酶時酒精發(fā)酵結(jié)果比較表

5 結(jié)語

筆者認為，上述四點是今后幾年燃料乙醇發(fā)展的趨勢，特別是在設計新工廠的時候更需考慮的方向。筆者希望在燃料乙醇大發(fā)展的同時，能將我國酒精生產(chǎn)水平帶上一個新的臺階。

[1]段 鋼.新型酒精工業(yè)用酶制劑技術(shù)與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[2]劉代武，彭 濤，鄔善遠，等.玉米酒精濃醪發(fā)酵工藝研究[J].釀酒科技，2005，（2）：87-89.

[3]孫長平，段 鋼.酒精工業(yè)中的新型酶制劑及其應用技術(shù)[J].釀酒，2007,34（1）：73-80.