連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇過(guò)程的優(yōu)化分析

李麗 孫建廣

摘 要：工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展推動(dòng)整個(gè)社會(huì)的發(fā)展，但是當(dāng)前工業(yè)上主要依賴的化石能源為不可再生能源，且容易污染環(huán)境，各國(guó)都在尋求新能源對(duì)化石能源進(jìn)行替代，燃料乙醇便是其中之一。基于此，本文對(duì)連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇現(xiàn)狀的一些問(wèn)題出發(fā)，對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化提出分析與建議。

關(guān)鍵詞：燃料乙醇;連續(xù)發(fā)酵;蒸餾

隨著全球工業(yè)化的不斷推進(jìn)，能源已是生產(chǎn)和生活驅(qū)動(dòng)力的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)能源探測(cè)和開采手段以及能耗需求也在急劇發(fā)展，煤炭、石油以及其他需要悠久時(shí)間沉淀形成的化石資源開始趨于枯竭，開發(fā)一種新的燃料資源已勢(shì)在必行，新資源必須具備可持續(xù)發(fā)展的特性，如綠色環(huán)保，如價(jià)廉易得。

1 燃料乙醇概述

燃料乙醇就是一種符合上述要求的新燃料，燃料乙醇一般是指體積濃度達(dá)到99.5%以上的無(wú)水乙醇，目前已有較多國(guó)家為了不斷優(yōu)化燃料乙醇的生產(chǎn)工藝，已經(jīng)投入巨額資金進(jìn)入。中國(guó)進(jìn)入工業(yè)化的時(shí)期較晚，在燃料乙醇的開發(fā)生產(chǎn)方面相對(duì)落后，如在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于熱能的有效利用率和原料的有效轉(zhuǎn)化率均較低。中國(guó)與美國(guó)相比，生產(chǎn)過(guò)程中熱量使用高出大約90%，煤炭消耗高出95%，蒸汽消耗高出100%。由此可見(jiàn)，與美國(guó)相比，我國(guó)的燃料己醇生產(chǎn)仍存在很大差距。

2 燃料乙醇連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)工藝的優(yōu)化

連續(xù)發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇的有著較為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，不僅可以提高燃料產(chǎn)量的速率，還可以提高生產(chǎn)設(shè)備的利用率。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的罐體進(jìn)行合理調(diào)節(jié)和控制發(fā)酵條件，但在應(yīng)用過(guò)程中存在的經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題也需要引起制造廠商的密切注意，例如菌株變化，罐內(nèi)易污染，難以掌握設(shè)備利用率的準(zhǔn)確性等。這就對(duì)工廠的技術(shù)人員從生產(chǎn)過(guò)程開始就提出了系列的要求，要求技術(shù)人員要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件不斷的優(yōu)化和調(diào)整改善燃料乙醇的生產(chǎn)過(guò)程，以減少生產(chǎn)問(wèn)題的發(fā)生。

2.1 蒸煮方式的優(yōu)化

在燃料乙醇的生產(chǎn)初始步驟中，將淀粉狀原料粉碎后，需要煮熟。由于淀粉是儲(chǔ)存于植物細(xì)胞內(nèi)，原料經(jīng)過(guò)高溫蒸煮后，植物的細(xì)胞和相應(yīng)的植物組織被破壞，并且原料中包含的淀粉顆粒通過(guò)水溶脹而分解并變成液態(tài)，處于溶解糊液狀態(tài)。原料中的淀粉易于與淀粉酶作用，并且淀粉被水解成產(chǎn)糖的糖，這對(duì)于用于酒精發(fā)酵的酵母種類是有益的。蒸煮是通過(guò)高溫和高壓進(jìn)行的。蒸煮過(guò)程也是能耗的主要部分。如果過(guò)程中的熱量沒(méi)有被回收，將造成熱量和冷卻循環(huán)水的浪費(fèi)，并增加企業(yè)成本。廠家一般的做法是改進(jìn)了原有的蒸煮方法，提高了熱量利用率，減少了冷卻循環(huán)水的使用量，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

主要的優(yōu)化措施是：①針對(duì)熱交換時(shí)溫差大的問(wèn)題，由于二次閃蒸的溫度較高，所以增加了預(yù)熱塔和閃蒸罐的方法，即二級(jí)預(yù)熱三級(jí)閃蒸。物料在第一級(jí)預(yù)熱塔中預(yù)熱后，進(jìn)入二級(jí)預(yù)熱塔，然后由第一級(jí)閃蒸產(chǎn)生的熱量對(duì)二級(jí)預(yù)熱塔進(jìn)行預(yù)熱。經(jīng)過(guò)分階段預(yù)熱后，可以明顯減小物料與無(wú)聊之間熱量交換過(guò)程中的溫差，并且可以解決溫差過(guò)大引起的噪音會(huì)增加預(yù)熱塔的損耗，減少其使用壽命的問(wèn)題;②對(duì)于預(yù)熱后不能達(dá)到理想液化溫度的問(wèn)題。如果要在系統(tǒng)內(nèi)部或外部繼續(xù)加熱熱源，可以添加一個(gè)預(yù)熱塔在二級(jí)預(yù)熱塔后面，即三級(jí)預(yù)熱塔，確保浸液的最佳液化溫度。通過(guò)使用管道將物料原漿加熱至合適的液化溫度，將進(jìn)料蒸汽引入預(yù)熱塔，從而使液化部分不再使用一次蒸汽。

2.2 連續(xù)發(fā)酵工藝優(yōu)化

在這一階段，可發(fā)酵的糖通過(guò)酵母細(xì)胞中的醇酶的作用產(chǎn)生醇和二氧化碳。這個(gè)過(guò)程決定了產(chǎn)生多少酒精以及產(chǎn)生多快。優(yōu)化該階段以減少酒精生產(chǎn)周期，對(duì)提高酒精產(chǎn)量有著很明顯的作用。

主要的優(yōu)化措施：首先，優(yōu)化連續(xù)發(fā)酵的過(guò)程。多階段連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)模式的應(yīng)用在乙醇的自動(dòng)生產(chǎn)和成本控制中起著重要的作用。在生產(chǎn)中，每個(gè)發(fā)酵罐需要串聯(lián)連接，酵母在主罐中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間發(fā)酵，在發(fā)酵過(guò)程中連續(xù)加糖，并取出部分酵母在其他發(fā)酵罐中進(jìn)行發(fā)酵以繼續(xù)發(fā)酵，大大提高了糖利用和發(fā)酵工作的效率。其次，是加強(qiáng)對(duì)細(xì)菌的控制，在燃料乙醇的生產(chǎn)過(guò)程中，罐口和外界的時(shí)間較長(zhǎng)，以致細(xì)菌會(huì)混入到物料中，因此操作人員可以根據(jù)情況添加相應(yīng)分量的青霉素（濃度約為3.5單位每毫升），在控制細(xì)菌時(shí)要避免對(duì)罐中酵母產(chǎn)生干擾。

2.3 蒸餾過(guò)程的優(yōu)化

在通過(guò)常規(guī)蒸餾技術(shù)分離乙醇的過(guò)程中，制造商需要蒸餾乙醇并加熱氣體，在此過(guò)程中，會(huì)發(fā)生加熱塔內(nèi)加熱蒸汽熱量的損失，能源消耗嚴(yán)重，此問(wèn)題可采用壓力差蒸餾技術(shù)優(yōu)化蒸餾過(guò)程，通過(guò)將蒸餾塔如粗制塔，精制塔和濃縮塔進(jìn)行重組和應(yīng)用，以使不同液體在不同壓力下根據(jù)其沸點(diǎn)的不同能夠在加熱蒸汽重復(fù)利用的情況下得到蒸餾分離。如果蒸汽處于高溫狀態(tài)，則可以對(duì)相應(yīng)的蒸餾塔進(jìn)行液體高壓蒸餾處理，然后在低壓的環(huán)境下再次對(duì)液體進(jìn)行蒸餾獲得的蒸汽，并在整個(gè)過(guò)程中需要用到的蒸汽量與現(xiàn)有技術(shù)相比大大降低。因此，生產(chǎn)廠家需要逐步取消或者改進(jìn)常壓的雙塔液體蒸餾技術(shù)，選擇具有較高應(yīng)用價(jià)值的壓力差蒸餾技術(shù)來(lái)完成液體蒸餾工藝的優(yōu)化完善工作。

3 結(jié)論

在優(yōu)化連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的各個(gè)環(huán)節(jié)中，制造商需要對(duì)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的的問(wèn)題開展的研究，以問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行分析，從蒸煮液化，連續(xù)發(fā)酵和蒸餾三個(gè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行優(yōu)化，才能有效地解決該問(wèn)題，用更低的成本生產(chǎn)出更高質(zhì)量的燃料乙醇。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅虎，李永恒.木薯生料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化[J].生物加工過(guò)程，2018，16（04）：80-85.