中國燃料乙醇工業的機遇與挑戰

段 鋼， 張曉萍， 張國紅

（1.杜邦工業生物科技部（杰能科中國），上海201203；2．中國酒業協會酒精分會，北京 100831）

1 背景

眾所周知，燃料乙醇對于環境的改善、國家的糧食供求調節以及能源安全都有積極作用。乙醇由于其安全性，悠久的生產歷史和逐年建立的供應鏈，很難找到另一個化合物可以代替[1]。

2017年9月13日，國家發改委能源局、財政部等15個部委發布消息，聯合印發《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》，方案確定到2020年基本實現全國覆蓋乙醇汽油[2]。在其后的幾個月，中國東北地區，特別是黑龍江省，擬建設的30萬噸規模的燃料乙醇廠不下于10個。2018年8月22日，國務院常務會議進一步明確，為進一步發展綠色能源并消化部分糧食品種過量庫存，堅持控制總量，有限定點，公平準入，適度布局糧食燃料乙醇的生產。加快建設木薯燃料酒精項目，開展秸稈乙醇產業示范，到2025年纖維素酒精產業化，使先進生物液體燃料技術、裝備和產業整體達到國際領先水平。

2 原料

表1 中國的主要谷物產量及世界排位Table1 Production of Major Grains from China and their rankings in the world

雖然國家每年進口一定量的糧食，但與國內糧食總產量相比，比例很小，2017年進口2400萬噸，占總共谷物產量56430萬噸的的4.25%。而且隨著生活水平的提高，谷物在飲食中的攝入比例逐漸降低，乳品蛋白和肉類增加。飲食結構的改變也對陳糧的逐年增加也有一定影響，因此陳糧也越來越多用于生產燃料乙醇。

1000萬噸燃料乙醇，如果按玉米算，約需要3000萬噸玉米，如果其中有20%用陳米生產，20%用木薯來生產，情況會好很多。

目前木薯乙醇的原料主要靠進口，最近泰國的CARTEL最近聯合東南亞的幾個國家，來控制木薯干的價格，因此靠進口泰國和東南亞的木薯這條路會越來越艱難。表2是世界糧農組織FAO關于木薯的最新統計[4]，非洲產量第一，但主要是食用。亞洲第二，產量九千萬噸左右。表3是亞洲（除中國外）各國的木薯產量[4]。圖1是泰國鮮木薯的加工流向，其中大部分用于生產木薯淀粉，約40%曬成薯片，而這些干薯片中約有40%左右出口到中國。中國在2013年對木薯的進口量大約在589萬噸，2014，2015與上年相比進口量分別增加17%及7%左右，此后有所下降并保持平穩，2016及2017基本穩定在 640～660 萬噸[5]。

表2 世界鮮木薯的產量（百萬噸）Table2 World Production of Fresh Cassava Root（million tons）

表3 亞洲各國木薯產量（百萬噸）Table3 Fresh Cassava Production in Asian Countries（million tons）

圖1 泰國木薯加工情況（泰國木薯協會）Fig.1 Production of Fresh Cassava Roots in Thailand（Data from Thailand Cassava Association）

圖2是我國木薯產量，至2016年產量還未達到500萬噸。由于鮮木薯中淀粉質量分數僅為30%左右，因此需要6噸左右鮮木薯才能生產1噸乙醇。即使我國現有的產量全部轉化成燃料乙醇，也不到100萬噸。由于木薯種植比較容易，如果可以增加種植，加上進口薯片，木薯燃料乙醇還是有潛力的。

圖2 中國鮮木薯產量（噸）Fig.2 Fresh Cassava Production in China Over the Past Years

這里的討論暫不考慮纖維素原料和纖維素乙醇。主要是由于纖維素乙醇得瓶頸不是技術而是經濟性問題，如果按照現在的思路，只生產燃料乙醇，纖維素乙醇工廠的投資很可能是淀粉類乙醇的幾倍。再加上原料的收集、運輸、預處理和轉化操作費用，在近期，幾乎沒有競爭性的可能性。

3 乙醇工廠的設計

雖然中國已有不少酒精廠，但并不適合大規模生產燃料乙醇，燃料乙醇的生產量通常都比較大，不用擔心產品的口味，蒸餾相對簡單，但要高酒度，同時最大程度減少廢水的產生和能量的消耗[6]，這勢必要建設一些新工廠，將是非常好的提高我國乙醇行業整體水平的機會，因此對工程設計公司提出了很高的要求。比較美國，大部分的乙醇工廠是ICM設計的。ICM有自己的中間廠，發展了很多新的專利技術，并應用于工廠設計中。ICM不僅僅設計，而且參加一些工廠的運行，甚至為發展新技術與酒精生產伙伴合資。

表4為從USPTO美國專利索引中查到的ICM申請的專利（截止 2018，9，30）。

表4 ICM申請與獲得的的專利Table4 Pateut applications and granted from ICM

近年來另一個發展較快的工程公司是Fluid Quip Process Technologies，該公司稱每年有17億加侖的乙醇生產采用了他們的技術 （相比ICM的88億還是小的多），與ICM、POET相比，它的優勢在于分離獲得高蛋白質含量的DDGs。表5為該公司獲得的美國專利名單。

梨和黃瓜是蔬果首選 梨有“天然礦泉水”的稱號，多汁少渣，膳食纖維和維生素B族也很豐富，可以放在兩餐之間吃。蔬菜方面，黃瓜非常不錯，在寒冷的冬天，可適當多吃點黃瓜蘸醬。

表5 Fluid Quip公司申請的專利Table5 Patent applications from Fluid Quip Co.

這些工程公司不僅設計工廠、優化過程操作，研發新技術的能力也非常強大。從上述的專利和專利申請內容可以看出，包含的內容非常廣泛的，有設備，有新的過程技術和新產品等等。而我們國內的工程公司在不少方面都相對落后，包括設備、新技術的發展，甚至是對新技術的學習等也弱得多，因此盡管我們燃料乙醇的投資并不比美國少，但在運行的效率、費用及對環境的影響等方面還是比較落后。中美燃料乙醇工廠的簡單比較見表6。

表6 中美燃料乙醇廠（年產30萬噸規模）的簡單投資指標比較Table6 Comparison of Investment(100mgpy plant)and Some Key Indexes of China and US

美國燃料乙醇工廠因為設計合理簡單，運行過程中的染菌控制好，自動化水平高，需要的人數也少，比較少有事故，大部分乙醇廠接近滿負荷運行。

4 乙醇工廠的運行

美國的乙醇生產技術一直在進步，乙醇轉化率越來越高，而重要的是：轉化率的提高，并不是以其他消耗增加為代價，期間水、電和汽等大大下降。配料質量濃度從25 g/dL增加到35 g/dL，乙醇體積分數從平均12%提高到18%。

另外關于運行，美國乙醇工廠有很多農民參股，每個工廠都有農民的孩子在里面工作，他們非常相信合作伙伴，如工程公司、設備公司、酶制劑酵母公司，很多時候這些公司給了他們極大的支持，使工廠平穩運行，一旦有問題發生，也能很快得到解決。值得指出的是：工廠管理層一定要綜合看到運營的情況，不能只看局部指標，還有要追求技術進步。

5 發展趨勢

關于新技術，不外乎是提高產率，還有就是提高其他以前稱為副產品（by-product），現在更多的叫共產品（co-product）的價值。副產品變成共產品不是簡單的名稱變化，有些共產品可能是完全的新產品。酒精廠如果只生產3種產品，酒精、DDGs和CO2，將來會很難生存。即使干磨酒精廠，也在逐漸向生物精煉廠（Biorefinery）發展，增加產品的品種，有利于增加產品的價值。

關于提高轉化率的簡單介紹，可以參考下面ICM的過程 （圖3和圖4）[7]，玉米酒精轉化率提高10%左右；關于副產品價值最大化可參考Fluid-Quip的新技術（圖 5和圖 6）[8]。

ICM為了發展這些新技術，2018年初，和另一個叫在NASDAQ上市的公司ANDERSONS建立個合資廠，生產能力為每年7億加侖（約21萬噸）乙醇。該工廠會用到它們的很多新技術，如：高級氣化利用廢木，減少了70%的天然氣消耗；SMT V2；FST Next GEN；Cellulosic Ethanol Technology （GEN1.5）等等。這個工廠規模雖然不是非常大，但水平應該非常高。生產的乙醇其中有約1.5萬噸是從過程分離出來的玉米纖維來的。玉米乙醇的轉化率會提高約驚人的10%。

圖3 ICM酒精工廠流程圖Fig.3 Schematic Flow Diagram of ICM Ethanol Plant

圖4ICM與ANDERSON合資廠ELEMENT模型Fig.4 Simulated Model of JV plant between ICM and Anderson

圖5ELEMENT工廠可能采用的技術流程Fig.5 Flow Diagram of Potential Technology to be Used by ELEMENT

圖6中顯示了蒸餾后的全醪液，經過分離后得到更純的蛋白質（質量分數>50%），還有玉米油，更干凈的纖維，和DDGs，這個過程中主要是一些分離設備，特別是連續水洗離心機的使用。圖7為這些產品的示意圖。

圖6 Fluid-Quip的蒸餾醪液共產品價值最大化流程MSC示意Fig.6 Schematic Diagram of the Co-products from Fluid-Quip's MSC process

圖7 Fluid-Quip MSC過程得到的產品Fig.7 Products and Their Mass Balance from Fuild-Quip MSC Processes

除了上述提到的工程和技術的進步，發展最快的是生物技術領域，如酶制劑和酵母。Ingledew教授很早就在世界燃料乙醇大會FEW說過：多使用酶，用最好的酶[8]，尤其在濃醪發酵時，液化、糖化及其他酶的配合非常重要。雖然酶制劑性能已有長足進步，但如何與燃料乙醇實際生產工藝結合才是更重要的方向。此外，酵母的發展也非常快，轉基因的酵母在幾個方面有提高：糖化酶使用的減少（酵母本身產糖化酶）、甘油的減少、出酒率的增加，有很多綜述可以參考[9]。

6 展望

與國外的先進工藝相比，中國的燃料乙醇生產技術還有許多值得改進之處。這首先體現在大學課程設置沒有跟上最新的發展，雖然我們的高校并不缺少乙醇發酵相關課題研究的導師和學生[10-11]，但相關課程的設計沒有及時更新，需要增加一些最新的研究方向及成果，例如工業酶制劑、酵母和工程技術等相關課程。希望通過合理的課程設置使學生能夠獲得系統的知識，以便在將來的實際工作中能夠迅速進入角色。

其次，設計院需要具備快速學習消化能力，以在較短的時間內提高自身的技術能力，將國外的先進工藝設備國內的實際情況及發展方向結合，抓住國家支持燃料乙醇發展的大好機會，在新工廠的設計中合理引入新工藝，提高技術水平。

另外，值得注意的是真菌毒素檢測技術的發展。真菌毒素是一個無法回避，且需盡早面對的問題。美國主要的乙醇生產商和很多大學及政府部門都在研究更加準確的真菌毒素檢測方法，而國內研究相對較少，需盡早加大投入。

此外，國家有關部門需要對新酶制劑、基因工程酵母的審批制定明確的政策，建立清晰的監管，審批流程。我國的基因工程技術與國外相比，并不落后，制定清晰的政策將鼓勵企業在酶制劑及酵母的研發上進行投入，縮短與國外相關技術的差距，提高新產品在燃料乙醇生產中的應用，提高行業水平，減少能源和水的消耗，提高國際競爭力。

目前階段，我們的行業和研究機構，包括一些政策制定部門，需要更加腳踏實地，努力把第一代燃料乙醇生產好，提高效率，減少水的使用和廢水的產生，使產品多樣化，提高行業利潤水平，改變低水平互相壓價的瘋狂狀態。

未來的幾年將是我國燃料乙醇工業發展的關鍵時期[12]，通過高性能酶制劑、酵母，先進生產及后處理工藝，有望將能源和水的消耗降低30%[13]。希望設計工程公司、生產商、原輔料供應商及有關服務團體，共同努力，工廠設計長足進步，工廠運行更加合理，企業效益平穩增長，提高以淀粉質為原料的一代燃料乙醇生產，對國家的能源安全、環境改善和農民的收入改善做出貢獻。新的環境法對每個企業都是挑戰，但也是機遇，然而如果不能降低水耗和廢水廢氣的排放，燃料乙醇的發展對于社會的意義就會大打折扣。對于第二代燃料乙醇我們還有很多功課要做，必須研究如何做好材料的收集、處理和運輸設計，設備開發，酶制劑和酵母性能提升，以及廢水處理和降低成本等一系列工作。