在石油为主要能源的世界中发展乙醇生产——巴西乙醇生产的经验

中外能源SINO-GLOBAL ENERGY009年第14卷在石油为主要能源的世界中发展乙醇生产巴西乙醇生产的经验Henrique VAmorim, Mario L Lopes(巴西 Fermented公司,圣保罗州皮拉西卡巴市13420-640)摘要当前,人们生活在依赖石油的世界中,因为汽油和柴油的价格不断升高,许多国家都在寻求化石燃油的替代物。用糖类作物或谷物生产的乙醇被视为最好的替代物。然而,全球日前乙醇产量仅为汽油耗量的25%,所以乙醇需求增长迅速,市场广阔。介纲了巴西乙醇生产的经验;在乙醉市场波动的情况下,乙醇生产商得以生存的措施;乙醇生产商的生产方式;乙醇生产所用糖浆原料的概况等。关键词甘蔗乙醇巴西发酵生产生物燃料1前言的乙醇耗量迅速增长,当时联邦政府又颁发了旨在乙醇用作燃料的历史始于汽车诞生之日。1908降低石油进口的“ Proalcool"计划,有关厂商因而受年,当第一辆福特 Model t汽车从装配线下线时,到鼓舞,扩大了甘蔗生产,并建设新的酿酒厂,生产就用乙醇作为其发动机的燃料,此时石油工业才刚用作生物燃料的乙醇。如图1所示,在过去30年刚开始。后来,汽油开始用作燃料并发现其价格低里,巴西的甘蔗产量从1975年的9100×10t增长至廉,与此同时在在世界各地发现了新的石油储量。2007年的49100×10(原文如此,按图1,应为在数百万年前,微小的水生植物和动物在高温高压39100×10%—译者注),2007年的甘蔗产量相当于和多层沉积物的复盖下,形成了液态物,人们称之589×10%b一次能源产量(按图1数据计算,应为为石油,它是碳氢化合物的混合物。炼油厂把这些469×10°bl—译者注,lt甘蔗相当于1.bl原混合物分馏为各种油品,如汽油、柴油、液化石油油)。这些甘蔗是由7万名农民在600×10hm2土地气、残渣燃料油和其他产品。多少年来,人们目睹了上种植出来的,此耕地面积约为巴西全部耕地面积世界在消耗化石燃料的同时向大气排放出数以百的27%。自“ Proalcool"计划实施以来,联邦政府已万吨计的二氧化碳、其他气体和有毒化合物等。但经节约了用于进口原油(包括关税)的外汇约1500是,到了1973年,情况发生了变化,国际原油价格亿美元。猛涨,科学家们此时又宣称,全球气候正在加速变巴西燃料销售网共有3万多个加油站为2600暖,同时石油储量正在逐年降低。当前,全球汽油年104辆在汽油中混人2%-26%乙醇的汽车和540消耗量约为12×10m3,而燃料乙醇仅占汽油需求量10辆用纯乙醇或含不同比例乙醇(可变燃料技术)的2.5%如今没有任何替代燃料可以代替汽油的汽车加油。与此同时,汽车业推出了可变燃料汽石油和乙醇。所以,基于经济、社会和环境的原因,车,它们可使用纯乙醇、汽油或两者以任何比例掺全球燃料乙醇的需求正在增长,到2010年,其产量估计将增至550010%m2。在依赖石油的世界中,巴作者简介; Henrique V. Amorim,巴西 Fermented公司总裁景首席西作为主要的乙醇生产和使用国,具有特别的意义执行官,1966年毕业于巴西圣保罗大学农业科学专业,1970年2生物燃料乙醇毕业于美国俄亥饿州立大学,获理科硕士学位,1972年完成其从1923年起,巴西就将乙醇混人汽油中,其混博士论文。19m7年创建 Fermented公司。人比例约为5%40%不等。1975年以来,用作燃料E-mil: amorim(fermented. com. brHenrique V, Amorim等.在石油为主要能源的世界中第3期发展乙醇生产——巴西乙醇生产的经验混的燃油。这些可变燃料汽车在巴西非常流行,销家,但产量集中在中南和西北地区。预计到2009量达200×10辆,占2007年汽车总销量的86%。这年,还将新建一批酿酒厂,每家年生产能力可达到种流行趋势的出现有以下3个理由:首先是汽油价100×10y-200×10t。而且,很多酿酒厂正在增加其乙高,消费者要寻求廉价的能源,而乙醇价格仅为汽醇生产能力,以满足国内需求和出口到那些正在寻油的60%;其次,可变燃料汽车使消费者可更灵活求替代燃料以减少石油对其经济和环境影响的国地选用燃油品种,从而少受市场价格变化的影响;家。再次,选用纯乙醇或乙醇-汽油混合物作燃油可使0.25有关从业人员(包括甘蔗地里的农民)获得环境和社会效益。2004年以来,可变燃料车辆销售成为巴西汽车业的主要增长点。0.10N0.05E至圣室至登系年份图2巴西乙醇产量的增长情况( Atauro,2008)053酿酒厂如何应对市场波动而生存下来§E区置圣登区区堅§在“ Proalcool'计划实施期间,生产商面临了乙醇价格由1980年的700美元/m3降至1999年的图1巴西甘蔗产量逐年增长 Datagro,2008)200美元/m3以下。除乙醇-汽油混合燃料外,联邦继最初的可变燃料汽车所采取的对策成功之政府废除了对乙醇市场的干预,价格放开。在巴西后,2005年汽车业又推出了三种燃料(汽油、乙醇和糖和乙醇的价格产生了双重的影响。许多糖厂设有天然气汽车。而且,又开发了基于乙醇的燃料电池酿酒装置,当国际市场的糖价较生产乙醇更可获利新项目,与此同时,巴西政府推出了“生物柴油”计时,就将有更多的甘蔗用于糖的生产,仅将糖浆送划,为乙醇和植物油开辟了新市场,第一年就可节往发酵生产乙醇。这些厂商根据糖和乙醇的市场价约柴油80×10%m3。格采用这种机制来组织其生产乙醇用作燃料时,对环境的主要好处是可减少在1975-2007年的30多年里,甘蔗送往制糖二氧化碳、重金属和其他有毒污染物的排放,这一的比例为26.5%-863%,2007年,此比例约为45%点对一些大城市(如圣保罗和里约热内卢等)尤为重见图3)。要。乙醇是一种清洁燃料,其生产过程几乎完全是可持续的,因为含碳气体通过甘蔗循环,不会按与汽油或柴油相同的比例把化石CO2释放到大气中。由于乙醇厂采用了可持续的生产工艺,它具备充分求出名卷的潜在条件可获得“京都议定书”规定的碳信用。产生的甘蔗渣可燃烧产生蒸汽,为蒸馏和发电供给能量。产自糖厂的糖浆以水稀释或与甘蔗汁混合后送至登往发酵,而蒸馏釜的残留物可送至甘蔗地里用作肥年份料,以减少钾肥用量和进口量。3甘蔗用于制糖的比例变化( Datagro,200)目前,巴西是全球第二大乙醇生产国,在甘蔗在乙醇市场出现危机时,为了应对价格低廉和地和酿酒厂等相关产业中的从业人员在百万人以市场波动,科技工作者开发出新的技术,并转让给上。1975年以来乙醇的年产量由56×10m3猛增至酿酒厂,在危机期间帮助他们生存下来。在甘蔗种2007年的20×10m(见图2)。巴西现有酿酒厂343植方面的新技术有:培植甘蔗新品种、改良土壤、使中外能源SINO-GLOBAL ENERGY200年第14卷用肥料、控制虫害、采用新的收割系统等,这些措施品,降低消耗和减少化学品,如抗生素( antibiotic)使甘蔗的单产由1977年的53/hm2提高至2008年硫酸和消泡剂等的消耗。经过测试、控制和改进工的95hm2。同时,甘蔗的含糖量由95%增至14%,艺参数,有可能实现发酵收率从1977年的7%甘蔗原料的糖提取率由88%提高至95%-98%。78%提高到2008年的90%-92%(以每千克葡萄糖此外, Fermented公司和圣保罗大学等科研部门产511g乙醇的最大理论值计)。如果不提高收率,联合对甘蔗汁和糖浆的乙醇发酵作出了重大贡献酿酒厂将不可能在国际市场的低价格环境中生存其研究成果有下来。2007年仅有乙醇产量的50%出口。蒸馏工艺①提高发酵收率的工艺条件;的巨大进步使其效率从1997年的95%提高到2008②从工业环境中选择“酵母菌种( yeast strains)”;年的9%。在甘蔗种植和乙醇发酵方面的科技进步③开发测试果汁糖浆、葡萄汁(mus)、啤酒和以及有效的工艺管理,巩固了巴西的乙醇工业。工业废水中的糖浓度的分析方法,精度可精确到4巴西酿酒厂的工艺过程目前,乙醇工业生产是以甘蔗汁、糖浆或两者④用光学显微镜在15mn内即可完成活细菌的混合物为原料,在发酵槽(其容积为40×10-200的直接计数10L)中的大规模发酵工艺为基础的。主要发酵法有⑤在6h内即可选定最佳抗生素控制细菌的方间歇法和连续法,但这些工艺各不相同,所以各釀法酒厂互相之间是有区别的。约75%的酿酒厂采用间⑥按“DNA排列程序”识别受污染的细菌;歇发酵法。⑦以数码光密度计精密准确测量样品中的乙巴西的乙醇生产在甘蔗的收获季节(约连续醇含量;200-230d进行。发酵在发酵槽罐中极高的酵母细⑧引进近红外光谱仪(NIRS, Near InfraRed胞( yeast cel)浓度(约8%~17%)、乙醇浓度为6%Spectroscopy)进行常规分析;l1%(体积分数)、发酵时间极短(为6-10h)的条件下⑨降低生产过程中糖的损耗和化学品消耗进行每个发酵周期结束后,酵母细胞经离心机从虽然巴西酿酒厂商控制了很多工艺参数,但其发酵介质(啤酒)分离并浓缩后,供下一个发酵周期乙醇发酵收率仍因以下因素而降低:细菌污染,酵使用。浓缩的酵母经稀硫酸处理,杀灭细菌,同时啤母-细菌的“絮凝( focculation)”,酵母过度成长,离心酒送去蒸馏。处理后酵母细胞回到发酵槽中,在此机的滥用,糖、醇类、盐、高温、糖浆酸度形成的不利开始新的发酵周期。尽管作了一些改进,此发酵工条件,以及野生酵母的污染等叫见图4)。艺仍称作Mele- Bonnot过程,因为1930年法国Melle地区的 Firmin boing取得了此项专利。除了发酵的特点以外,要获得高乙醇收率和低消泡剂消耗,酵母菌种( yeast strain))的选择至关重要。如 Fermented公司所选用的PE-2CAT-1和88y=911028-287809x(R=076726)VR-1等特种酵母菌种, Copersucar公司所选用的BG-1、SA-1和CR-1特种酵母菌种已被很多巴西葡萄汁的细菌污染(1000个·mL)酿酒厂商单独或和“面包师 baker)"酵母混合起来图4酿酒厂细菌污染对乙醇发酵收率的用作发酵的起始剂。这些酵母菌种用染色体组型( Karyotyping)技术(基于DNA基测试)从工业发酵过说明:每一点表示收获季节的周平均值程中选出,并经实验室的全面评价,它们适用于工酿酒厂商为了实现对乙醇生产全工艺过程的业生产中,能抵御各种不利条件。而面包师酵母在最佳管理,要把从甘蔗质量到发酵收率共120多个发酵初期(酿酒厂商常需成吨的酵母细胞是非常有工艺参数进行统计分析,以确定哪些因素影响了生用的。2007年,巴西生产的乙醇中有60%产自于用产业绩,向何处投资才能改善收率,以得到优质产选定的酵母菌种进行初始发酵的工业过程。Henri que V. Amor im等,在石油为主要能源的世界中第3期发展乙醇生产—巴西乙醇生产的经验31·5用糖浆生产乙醇和毒性化合物等),糖浆的酸度和纯度,被细菌和野当前,巴西的酿酒业是一种灵活的产业,并拥生酵母的污染情况,糖浆在汁液中的比例(低、中或有全球最好的技术,可用甘蔗汁、糖浆或两者的混高),合适的酵母菌种的选择,测定和管理发酵过程合物发酵。在巴西,用糖浆生产乙醇较销售糖浆获的良好的分析方法(化学和微生物学)等。利更多。但是用糖浆液汁发酵时,要特别小心。低纯度或酸性糖浆将影响发酵收率,因为它们会使酵母致谢细胞中毒(见图5)。本文成文过程中,得到了巴西《 Sugan期刊的支持,在此谨致谢忱。934929参考文献:[1] CARVALHO E P. Etanol-acelerando o futuro[J. Unica, 200491y=5057004+1156097x-0,0079987222R=0.736[2] BERG C World fuel ethanol 2003---analysis outlook[ J1coenergy Review, 2003(2): 9-23糖浆的纯度,%[3] BASSO L C, OLIVEIRA A J, ORELL V F M, et al. Domina图5酿酒厂中糖浆纯度对发酵收率的影响ncia das leveduras contamiantes sobre as cepas industrials avaliada说明:每一点表示收获季节的周平均值pela tecnica da cariotipagem[J) V Congresso Nacional da STAB另一方面,糖浆与甘蔗汁混合后,可向此汁液1993(5):246-250提供甘蔗汁所缺乏的,而又是对酵母细胞很重要的{4[4] AMORIM H V, BASSO L C, LOPES M L Evolution of ethanolfermentation in Brazil[M]//BRYCE J H, STEWART G G矿物质如镁、磷酸盐、锌和氮等。但是,当某些矿物Distilled spirits tradition and innovation. Nottingham, UK: Not-质如钾、钙过量时,将使酵母细胞把更多的糖转化wingham University Press, 2004: 143-148为甘油,从而降低了发酵收率。[5] WHEALS A E, BASSO L C, ALVES D M G,et al. Fuel ethanol同时也要考虑到糖浆若被乳酸细菌所污染,也after 25 year[J]. Trends in Biotechnology, 1999, 17(12): 482-会降低发酵收率。某些菌种在乙醇发酵过程中,有强烈的抵抗作用,很难控制。除了设备和人员素质外,发酵的成功还将取决于糖浆的组成(糖、矿物质翻译黄兴山;编校周溪华)Ethanol Production in a Petroleum Dependent World The Brazilian ExperienceHenrique vAmorim, Mario L. Lopes(Fermentec Ltda Piracicaba SP Brazil 13420-640)[Abstract] Today we are living in a petroleum dependent world. With the high price of the gasolindiesel oil, many countries are looking for new altematives to replace fossil fuels. The ethanol made fromcrops or grains has been considered the best altemative. However, world ethanol production represents only2.5% of the consumption of gasoline and therefore the market is broad and world demand for ethanol ising quickly. Thisvive the market oscillations, how distilleries work and the use of molasses to ethanol production[Keywords] sugarcane ethanol; Brazil fermentation; production; biofuel