燃料乙醇生產(chǎn)中先進(jìn)工藝的應(yīng)用

摘要:在我國推行乙醇清潔燃料，對我國的農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)保、交通等諸方面都將起到積極的推動作用。我國的酒精工業(yè)已有近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，在全球經(jīng)濟(jì)一體化的大背景下，提高燃料乙醇的使用范圍和利用率急需先進(jìn)的工藝作為技術(shù)支撐。以發(fā)酵法生產(chǎn)的燃料乙醇，具有和礦物燃料相似的燃料性能，而其生產(chǎn)原料為生物源，是一種可再生能源。濃醪發(fā)酵是一種可以提高酒精產(chǎn)量，提高設(shè)備利用率，降低能耗的酒精發(fā)酵新方法。

關(guān)鍵詞:燃料乙醇;生產(chǎn)工藝;酒精發(fā)酵;濃醪發(fā)酵技術(shù)

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，我國對國際石油的依賴越來越明顯。并且，作為一種不可再生資源，全球石油的儲量隨著各國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日趨減少。根據(jù)我國《生物燃料乙醇及車用乙醇汽油“十一五”發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》，“十一五”期間，我國將生產(chǎn)600萬噸生物液態(tài)燃料，其中燃料乙醇500萬噸，生物柴油100萬噸;到2020年，生產(chǎn)2000萬噸生物液態(tài)燃料，其中燃料乙醇1500萬噸。從中不難看出，我國對燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的支持力度將會逐步加大。結(jié)合我國當(dāng)前的消費(fèi)實(shí)際和酒精工藝技術(shù)水平，用燃料乙醇作為一種可再生資源代替石油是最為行之有效的方法，運(yùn)用這一新型能源不僅可以減少環(huán)境污染，而且對消化余糧，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)、加工業(yè)的發(fā)展，提高我國的能源安全和國際競爭力等方面都具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 推廣燃料乙醇的現(xiàn)實(shí)條件

燃料乙醇，一般是指體積濃度達(dá)到99.5%以上的無水乙醇。是用糧食或植物生產(chǎn)的可加入汽油中的品質(zhì)改善劑。它不是一般的酒精，而是它的深加工產(chǎn)品。燃料乙醇是燃燒清潔的高辛烷值燃料，是可再生能源。可在專用的乙醇發(fā)動機(jī)中使用，又可按一定的比例與汽油混合，在不對原汽油發(fā)動機(jī)做任何改動的前提下直接使用。理論上乙醇燃燒過程所排放的二氧化碳和作為原料的生物源生長所消耗的二氧化碳在數(shù)量上是持平的，這對減少大氣污染及抑制“溫室效應(yīng)”意義重大。

1.1 消耗陳糧，降低對國際石油的依賴程度

燃料乙醇作為清潔燃料已在發(fā)達(dá)國家實(shí)行了二十多年。我國使用酒精替代汽油也有很久的歷史，只因?yàn)榫凭诩Z食短缺時(shí)期缺乏基本條件而不能發(fā)展。目前糧食生產(chǎn)儲存豐盈，甚至相對過剩，出現(xiàn)了大量陳化糧，糧價(jià)已與國際糧價(jià)相近，再加上汽油價(jià)格上漲，均已使推行汽油醇政策具備條件。我國推廣應(yīng)用乙醇汽油，燃料乙醇的加入量，初步確定從10%起步。這樣做的好處是，現(xiàn)有車輛和加油裝置，不需任何改裝，油耗、動力基本不受影響，汽車尾氣的污染可大幅度降低，又不消耗過多的糧食。

1.2 減少和降低環(huán)境污染

一般當(dāng)汽油中的乙醇的添加量不超過15%時(shí)，對車輛的行駛性沒有明顯影響，但尾氣中碳?xì)浠衔?、NOx和CO的含量明顯降低。汽油中添加7.7%乙醇，氧含量達(dá)到2.7%;如添加10%乙醇，氧含量可以達(dá)到3.5%，所以加入乙醇可幫助汽油完全燃燒，以減少對大氣的污染。

2 燃料乙醇的具體生產(chǎn)步驟

酒精生產(chǎn)過程包括原料預(yù)處理、蒸煮、糖化、發(fā)酵、蒸餾、脫水、廢醪處理等。目前中國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料乙醇成套生產(chǎn)技術(shù)，簡稱為TUS技術(shù)，已用于黑龍江華潤酒精公司年產(chǎn)10萬噸燃料乙醇，安徽豐原年產(chǎn)20萬噸，吉林燃料乙醇公司年產(chǎn)20萬噸燃料乙醇等項(xiàng)目中。目前，在乙醇燃料的具體生產(chǎn)過程中，企業(yè)的主要生產(chǎn)工藝和流程包括以下幾個(gè)方面:

2.1 發(fā)酵生產(chǎn)乙醇

目前發(fā)酵法在整個(gè)乙醇生產(chǎn)行業(yè)中占很大的比例，并且由于發(fā)酵原料來源于可再生的植物，所以發(fā)酵法乙醇就被視為可長期持續(xù)供應(yīng)的清潔能源，從而廣受重視，發(fā)酵法采用各種含糖的農(nóng)產(chǎn)品，農(nóng)林業(yè)副產(chǎn)物及野生植物為原料，經(jīng)過水解、發(fā)酵使雙糖、多糖轉(zhuǎn)化為單糖并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙醇。不同生產(chǎn)原料，酒精發(fā)酵生化過程不同。對糖質(zhì)原料，可直接利用酵母將糖轉(zhuǎn)化成乙醇。對于淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料，首先要進(jìn)行淀粉和纖維質(zhì)的水解(糖化)，再由酒精發(fā)酵菌將糖發(fā)酵成乙醇。目前，企業(yè)廣泛應(yīng)用的是高濃度配漿(DS>31%)，和低溫蒸煮工藝.TUS技術(shù)采用兩次加酶，一次高溫噴射液化，真空閃蒸急冷、低溫二次液化技術(shù)和在發(fā)酵過程中采用一邊糖化一邊發(fā)酵的技術(shù)。充分發(fā)揮耐高溫淀粉酶的效能，降低液化過程中酶的消耗，提高淀粉轉(zhuǎn)化率，同時(shí)采用精餾系統(tǒng)的廢蒸汽進(jìn)行噴射液化，閃蒸冷凝液返回粉漿罐拌料等工藝，降低一次蒸汽和水資源的消耗。

2.2 乙醇脫水

成熟的發(fā)酵醪內(nèi)，乙醇質(zhì)量濃度一般為8-10%(w)。由于原料不同，水解產(chǎn)物中乙醇含量高低相異，如谷物發(fā)酵醪液中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于12%，纖維素可用酶或酸水解，如亞硫酸法造紙漿水解液中僅含乙醇約1.5%。除含乙醇和大量水外，還有固體物質(zhì)和許多雜質(zhì)，需通過蒸餾把發(fā)酵醪液中的乙醇蒸出，得到高濃度乙醇，同時(shí)得到副產(chǎn)物雜醇油及大量酒糟。

脫水技術(shù)是燃料乙醇生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一。為了提高乙醇濃度，采用普通的蒸餾方法已經(jīng)無法分離出多余的水分，這就需采用特殊的脫水方法。目前制備燃料乙醇的方法主要有化學(xué)反應(yīng)脫水法、恒沸精餾、萃取精餾、3A分子篩吸附脫水法、膜分離法、真空蒸餾法、離子交換樹脂法等。

3 濃醪發(fā)酵技術(shù)在酒精發(fā)酵中的應(yīng)用

工業(yè)酒精生成過程中，發(fā)酵工藝采用斜底側(cè)攪拌發(fā)酵罐、螺旋板換熱器罐外強(qiáng)制循環(huán)冷卻工藝。該工藝具有雜質(zhì)過罐率高、罐內(nèi)沉積少、生產(chǎn)規(guī)模大、冷卻效果好、使用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，像常溫比較高的地區(qū)如泰國、非洲地區(qū)已經(jīng)可以由每年只生產(chǎn)6個(gè)月變成常年生產(chǎn)。濃醪發(fā)酵是一種可以提高成熟醪酒精含量，提高設(shè)備利用率，降低能耗的酒精發(fā)酵新方法。采用濃醪發(fā)酵技術(shù)，其成熟醪的酒精含量可以由原來的10%(v)提高到12%~13%(v )，經(jīng)實(shí)際測算，每提高1%的發(fā)酵醪酒分(玉米為原料)，噸酒精收益約為30-40元;酒精生產(chǎn)企業(yè)中酒精含量每提高1%， 能耗下降3%，整體經(jīng)濟(jì)效益提高3%。同時(shí)，采用濃醪發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，可以減少發(fā)酵和廢水處理的一次性投資成本，減少廢水處理量。

3.1 濃醪連續(xù)發(fā)酵及熱偶合精餾

目前，采用TUS特殊設(shè)計(jì)的分布式低功能多維側(cè)攪拌裝置，可以有效解決乙醇連續(xù)發(fā)酵過程超大型生物反應(yīng)器中固相物易沉淀的問題。而將醪塔的再沸器與精餾塔的冷凝器設(shè)計(jì)成熱偶合過程，采用專用技術(shù)設(shè)計(jì)的醪塔再沸器及換熱網(wǎng)絡(luò)合成技術(shù)，并且充分利用蒸餾過程中產(chǎn)生的廢熱水對生產(chǎn)裝置和管道進(jìn)行清洗、殺菌，這樣可以有效降低生產(chǎn)過程中的能量消耗。此外，在傳統(tǒng)酒精生產(chǎn)工藝中，精餾過程所消耗蒸汽和冷卻水量在總消耗量中占有很大的比例，所消耗的蒸汽量達(dá)4.0噸以上，采用TUS技術(shù)后，蒸汽消耗量可降至1.4噸以下。

3.2 提高酒份含量的注意事項(xiàng)

酒精生產(chǎn)，要求用最少的原料來生產(chǎn)盡可能多的酒精產(chǎn)品，并應(yīng)盡量減少發(fā)酵損失。用糧食經(jīng)過發(fā)酵制造工業(yè)酒精的工藝過程，在發(fā)酵完成的成熟醪中，不單是含有酒精(乙醇)，還含有其它幾十種成分的物質(zhì);其中酒精的含量，稱為酒份。國內(nèi)酒精廠家發(fā)酵的酒份一般為10%-13%(v/v)，國際先進(jìn)水平酒份可達(dá)到16%-20%(v/v)。為了提高酒份的含量，必須符合以下要求:首先，在發(fā)酵前期，要?jiǎng)?chuàng)造條件，讓酵母菌繼續(xù)繁殖到一定數(shù)量;其次，使糖化醪中的淀粉和糊精在發(fā)酵過程中繼續(xù)被分解，生成可發(fā)酵的糖分。再次，在發(fā)酵過程的中期和后期，要?jiǎng)?chuàng)造厭氣條件，使酵母在無氧條件下將糖分發(fā)酵生成酒精。另外，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的CO2應(yīng)設(shè)法排除，并注意加強(qiáng)對隨CO2逸出時(shí)被帶走酒精的捕集回收。

總之，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)燃料乙醇的工藝將會變得更加的方便快捷和容易操作，大規(guī)模推廣和使用乙醇燃料將會成為現(xiàn)實(shí)，這對緩解我國目前日益突出的能源枯竭問題，全面構(gòu)建和諧社會都具有重大的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義。

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