木薯濃醪發酵工藝生產燃料乙醇研究進展

＊張瑩瑩

（營口理工學院 遼寧 115014）

由于燃料乙醇分子存在羥基（-OH），燃燒生成水和二氧化碳，因此可以提高汽油的清潔燃燒效果，同時，乙醇的辛烷值達到108，還可以用來調和煉油廠生產的低辛烷值汽油。隨著世界石油資源的供應緊張，環保要求日益嚴苛，化工行業技術人員積極研究燃料乙醇的生產方法及流程。

目前，北美國家燃料乙醇產量占世界的95%以上。巴西和許多熱帶國家使用甘蔗或糖蜜作原料，美國和加拿大東部主要使用玉米作原料，加拿大西部主要使用小麥作原料，歐洲最大的生產國法國主要使用甜菜作原料，意大利使用制酒產生的廢物作原料來生產燃料乙醇。我國政府提出的發展燃料乙醇產業要堅持 “不與民爭糧，不與糧爭地”的原則，發展非糧燃料乙醇的路線[1-3]，開發以非糧為原料制燃料乙醇的產業化技術，探索多種原料、大規模工業化生產條件下的商業運行模式，主要集中在以木薯、甘薯、芭蕉芋、葛根、甜高粱、秸稈等為原料生產燃料乙醇產品，用木薯制燃料乙醇技術發展相對完善，已處于規模化生產階段。但隨著生產規模的擴大，環保要求日益嚴格，生產能耗高和企業污染問題日益突出。

1.木薯濃醪發酵工藝生產燃料乙醇成套技術現狀

木薯濃醪發酵工藝生產燃料乙醇生產工藝單元主要有：原料儲存、原料預處理、原料粉碎、液化及輔料制備、發酵、精餾脫水、分離干燥等過程。目前先進的技術是原料木薯經預處理去除雜質后粉碎，再加入水制漿，漿料進入液化工段，液化工段采用噴射蒸煮，低溫液化，液化醪經過同步糖化濃醪發酵后得到成熟醪，經多效差壓精餾和分子篩變壓吸附脫水過程得到燃料乙醇[4]。

（1）國外技術現狀。國外以木薯為原料生產燃料乙醇已工業化應用的工藝技術主要有奧地利奧高布殊公司的工藝技術和印度PRAJ公司的工藝技術，兩家技術均采用連續發酵方法，成熟醪酒份11%（v/v）。其技術特點如下：

①奧高布殊工藝技術。奧高布殊工藝技術主要應用于以甘蔗、玉米等為原料的燃料乙醇裝置上，目前還沒有木薯為原料制燃料乙醇裝置的應用業績。

工藝技術特點：

A.木薯干風選風送兩級粉碎工藝；B.兩步加酶液化工藝；C.連續培養酒母工藝；D.采用曝氣裝置為發酵罐提供充足的氣體，便于發酵。所有的發酵罐都裝有攪拌器，確保混合均勻，防止懸浮固體沉淀和酵母菌的沉降；E.采用1個預發酵罐用于開車和備用，5個主要發酵罐連續操作；F.寬通道板式換熱降溫工藝；G.多耦合多塔差壓蒸餾工藝；H.分子篩變壓吸附脫水工藝。

②印度PRAT公司工藝技術。印度PRAT公司成立于1984年，是以設計為起點的綜合性跨國上市公司，共建有450套乙醇裝置，分布在南美、北美、歐洲、非洲、南亞等地區。擁有不同原料生產燃料乙醇的專利技術，同時還擁有廢水處理技術。其中以木薯為原料生產燃料乙醇的裝置有6套，分別在泰國和馬來西亞，規模為10萬噸/年以內，其余還有以糖蜜小麥、甜高粱等原料的乙醇裝置。

工藝技術特點：

A.專利除砂技術；B.同步糖化連續發酵工藝；C.多級差壓蒸餾工藝；D.分子篩變壓吸附脫水工藝。

（2）國內技術現狀。近年來，燃料乙醇生產技術在借鑒國外技術的同時，經過不斷的消化、開發和優化集成，我國燃料乙醇的生產技術已經有了很好的發展且基本成熟，形成了一批擁有自主知識產權的成果。技術進步體現在以下幾個方面[5-6]：

①雙酶法液化工藝是目前最為理想的液化方法。采用此類方法可以提高原料淀粉的轉化率，改善液化醪的質量，顯著降低液化過程中蒸汽與酶制劑的消耗。

②隨著生物技術的發展，醪液制備所需的液化酶、糖化酶及酵母實現了大規模生產和商品化。在生物反應器方面，采用先進的超大型生物反應器，使醪液制備過程實現了大規模連續化濃醪發酵。

③節能分離（差壓熱耦合、多效蒸發）技術在燃料乙醇裝置上得到普遍的應用，在保證燃料乙醇產品質量的同時，大幅度降低了能耗。

④采用普通的精餾技術，只能得到乙醇和水的共沸物，其中水含量為5%（v）左右。作為燃料乙醇，要求水含量不得超過0.8%（v）。為滿足以上要求，并維持較低的能耗水平，必須采用高效經濟的方法脫除共沸水。目前分子篩變壓吸附技術是大規模燃料乙醇生產裝置的主流脫水技術。

在木薯制乙醇技術上，天津大學吸取了廣西中糧北海項目的經驗，在工藝技術方案上進行改進，使工藝技術方案更趨合理，使產品的綜合能耗及污染物排放大幅度降低[6]。

原料預處理采用一級半粉碎，無糖化露天大罐濃醪間斷（或半連續）發酵，三塔差壓蒸餾，分子篩變壓吸附脫水，糟渣作為生物質鍋爐燃料，降低產品綜合能耗，減少污染物排放總量。

工藝技術特點：A.原料干片風選風送一級半粉碎工藝；B.無噴射兩步加酶液化工藝；C.連續培養酒母工藝；D.無糖化大罐濃醪間歇發酵工藝；E.寬通道板式換熱降溫工藝；F.多耦合多塔差壓蒸餾工藝；G.分子篩變壓吸附脫水工藝。

其缺點是：采用間歇發酵，發酵罐利用率低，體積大，占地大。

2.木薯燃料乙醇污水處理及循環利用技術

薯類燃料乙醇生產基本套用傳統工藝，需要考慮薯類原料及其生產廢水的特殊性。目前，薯類燃料乙醇生產的酒糟液處理難度大，成本高，而且綜合利用效益不明顯，所以研究的重點是尋找針對薯類原料燃料乙醇酒糟液特性的污水處理技術，增加回用量，降低生產成本和達標污水的排放量。

江南大學毛忠貴等[7]以木薯干為原料，提出了蒸餾廢液經沼氣發酵后的消化液作為發酵用水的新型 “環形工藝”，以細胞代謝調控、發酵過程控制、能量和質量平衡技術等為手段，對木薯干原料生產酒精的蒸餾廢液全循環的回用取得階段性成果。此成果從源頭上減少薯類酒精的污水排放量，但尚未有工業應用的報道。

機械科學研究院的王濤[8]正在研究一種薯類酒精糟液處理及綜合利用技術（PAFT系統），集中了先進固液分離技術、兩相厭氧技術、多級A/O污水處理技術及高速好氧制肥技術，適應薯類酒精糟液的特點，提供了一種良好而有效的選擇。

上海交通大學的張振家[9]對薯類酒精高濃度有機廢水處理技術進行了研究，利用兩級膨脹顆粒污泥床（EGSB）反應器厭氧生物處理薯類燃料生產廢水，有機負荷達到6kg/m3·d。

目前，國內大型薯類燃料乙醇企業只有廣西中糧生物質能源有限公司，其厭氧反應器采用IC高效厭氧反應器，通過近期運行情況暴露出如下問題：

（1）在厭氧反應器前面必須設置水解酸化池。不僅增加工藝的復雜性，還產生臭氣問題。（2）不適合于在高溫（55±3℃）下運行。因此必須在反應器前增加降溫投資和運行費用。（3）要求進水中的懸浮物濃度必須小于100mg/L。必須增加對清液進一步除懸浮物的處理投資及運行費用。（4）要求進水的pH值必須保持在6.8～7.2的范圍內，必須消耗大量的堿。（5）必須采用顆粒污泥進行啟動，菌種價格高、來源比較緊缺。（6）COD最大去除率不會超過80%，出水中的COD濃度仍然較高，增加了后續處理的難度和費用。（7）IC 反應器以其體積小、占地少而著稱，但是價格卻不低，加上其附屬的配套設施（如水解酸化池、回流水罐、pH控制系統、臭氣處理系統等）很多，所以總的工程投資很大、維護管理難度大。

國內外目前沒有專門針對薯類原料的污水處理設施在運行，但是類似的處理技術已經有了多年的工業化業績。這類污水都是采用先厭氧處理后好氧處理的以生物處理為主的處理工藝。其中，具有代表性的應用企業有三家，一家是河南天冠（小麥、玉米），一家是寧波萬隆食用酒精有限公司（木薯），另一家是廣西中糧生物質能源有限公司（木薯）。

河南天冠的處理工藝流程如下：

污水→離心機除懸浮物→一級厭氧處理→二級厭氧處理→好氧處理→排放。

寧波萬隆食用酒精有限公司的處理工藝流程如下：

污水→板框壓濾機除懸浮物→厭氧處理→好氧處理→混凝氣浮處理→排放。

廣西中糧生物質能源有限公司的處理工藝流程如下：

污水→板框壓濾機除懸浮物→IC反應器→厭氧處理→好氧處理→排放。

離心機不能有效除去污水中的懸浮物，造成進入厭氧處理的懸浮物濃度仍然在10000mg/L，因此，厭氧處理水的COD濃度仍然很好，使后續的好氧處理無法達到排放標準。

寧波萬隆食用酒精有限公司由于采用了更為可靠的板框壓濾機除懸浮物手段，所以單憑一級厭氧處理就使好氧進水的COD濃度降到1500mg/L以下，因此，基本可以將排放水的COD濃度降到150mg/L的標準。

廣西中糧生物質能源有限公司經IC反應器出來后的污水COD達到1500～2500mg/L，送到三級水處理好養處理后COD達到300～500mg/L BOD≤100，固含量≤300后送到城市污水處理場處理后排放。

總體而言，目前沒有一個處理工藝可以做到使排放水COD濃度小于100mg/L的水平。

3.濃醪發酵技術現狀

目前世界上90%的乙醇是通過釀酒酵母發酵生產 的[10]，因此構建高轉化率乙醇發酵菌株是燃料乙醇生產的重中之重。釀酒酵母相關研究的主要方向是優良菌株的選育、發酵工藝優化及通過基因工程手段培養耐高溫、耐乙醇等適應性強、高乙醇產量的菌株[11]。

國際上先進的乙醇生產企業發酵液中乙醇濃度為12%～14%（v/v），但生產原料局限在玉米和甘蔗等。

蔣常德等人[12]開展了系統的木薯燃料酒精濃醪發酵工藝的技術開發，通過酶制劑改善酒精濃醪發酵液化工藝，醪液的黏度降低，使得裝置的運行成本減少；在優化的液化工藝過程中加入糖化酶，考察三次平行試驗數據，發酵酒精度均值為15.63%，淀粉利用率滿足一般燃料乙醇裝置的最低要求在92%以上。

易戈等人[13]開展了以木薯粉為原料進行濃醪酒精同步糖化發酵的研究，在前期三角瓶試驗的基礎上進行5～100L罐的放大試驗。結果表明，在總糖含量為24.5%（m/v）左右時，放大試驗效果較好，發酵效率在90%左右，發酵的終酒精體積分數最高達到14.55%；當總糖含量提高為30%（m/v）時，發酵效率明顯下降，只有75.9%。該研究成果指標好于目前工業裝置的一般數據。

4.小結

為了產業持續發展，應重點提高選育出發酵性能強、繁殖速度快、耐高濃度乙醇、適應性強的菌株，提高濃醪發酵液中乙醇濃度，進行濃醪發酵，提高乙醇發酵罐的生產能力，降低能耗、物耗減少污染。