燃料乙醇生产现状分析

酿酒科技2015年第5期(总第251期) LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2015No.5(Tol.251)DOI:10.13746/njkj.2014534燃料乙醇生产现状分析王玉美(潍坊科技学院化工与环境学院,山东寿光262700)摘要:介绍了国内外燃料乙醇的生产现状,并分别对1代、1.5代、2代燃料乙醇现有生产技术进行分析,同时以现有相对成熟的1代燃料醇为基础,对燃料辶醇生产过程中的原料预处理、液化糖化、酒母优仳、酒精蒸馏、废醪处理等工序进行了介绍。关键词:燃料乙醇;玉米;木质纤维素;酒母中图分类号:TS262.2;TS261.2;TS261.1;TS261.4文献标识码:A文章编号:1001-9286(2015)05-0094-04Analysis of the Present Situations of Fuel Ethanol ProductionWANG YumeiCollege of Chemical Industry and Environment, Weifang University of Science and Technology, Shouguang, Shandong 262700, China)Abstract: In this paper, the present situations of fuel ethanol production at home and abroad were introduced. The production techniques of fuelethanol of the first generation, 1. 5 generation, and the second generation were analyzed. Meanwhile, based on the relative mature fuel ethanolproduction of the first generation, the technical procedures were introduced including the pretreatment of raw materials, liquefaction and sac-harification of raw materials, yeast optimization, alcohol distillation, and waste mash treatment etcKey words: fuel ethanol; corn; lignocellulose; yeast能源是人类生产与生活的动力基础,然而随着人类表12008~2011年主要生产国燃料乙醇产量(万t)无节制的巨量消耗化石能源,目前能源问题成为我国经国家2008年2009年010年2011年济发展的主要制约因素之一。随着汽车的大量使用及普772.3266.783971.684160.20及,汽车尾气中的烃、氮氧化物等多种污染物,给环境带2134.962059.532225.251794.81中国7.50169178.5来巨大的污染,也导致了近年城市雾霾的形成。燃料乙加拿大68.6891.57109.89137.36醇是世界范围内研究使用较广泛的一种清洁可再生能法国77.8482.4179.67源,因其可以作为车用燃油的安全替代品而广受关注。德国泰国6.1031.5934.3440.75在石油资源日益枯竭的背景下,能源安全日益突出,环境西班牙27.4736.6336.6336.63约束日趋加强,燃料乙醇产业有了前所未有的发展,也遇大利亚11比利时到了自身的发展瓶颈表22012年全球不同地区级国家燃料乙醇产量(万t)1国外燃料乙醇生产现状地区产量地区产量地区产量按照欧盟规定,其成员国的可再生能源在一次能源非洲16北美洲5211加拿大170中的比例不低于10%,2020年达到20%。瑞典提出,亚洲美洲2195中国210大洋洲27美国5034欧盟2020年之后利用纤维素生产的燃料乙醇全部替代石油欧洲2103燃料,彻底摆脱对石油的依赖。美国提出,到2020年生物燃料在交通燃料中的比例达到20%;全球燃料乙醇生推广应用提供了政策依据。2005年,中国已超过美国成产量见表1、表2。为世界主要的资源消耗国。根据我国“十二五”能源规划,到2015年我国石油对外依存度应不超过61%,而在2国内燃料乙醇生产现状2012年,我国的石油对外依存度已降至57%。“十五”期2004年,我国已成为全球第二大石油进口国。2004间,国家批准了吉林燃料、河南天冠、安徽丰原和中粮生年初,国家发改委下发了《车用乙醇汽油扩大试点方案》化4家燃料乙醇试点企业,批准产能为102万t年。2007和《车用乙醇扩大试点工作的实施细则》,为燃料乙醇的年年底,批准了广西中粮生物质能源有限公司,国内共5收稿日期:2014-12-29中国煤化工作者简介:王玉美(1984-),女,山东寿光人,硕士研究生,讲师,主要研究方向为酒精发酵,E-malbCNMHG优先数字出版时间:2015-03-09;地址:hp:/www.cnki.net/kcms/detail/152.1051.Ts.20150309100900mIT王玉美·燃料乙醇生产现状分析家燃料乙醇生产企业,核定产能为122万t。随着试点规千法不提胚:原料—清理—→粉碎—调浆模的扩大,我国燃料乙醇销售量迅速增长,已成为世界第重力分磨粉与三大燃料乙醇生产国和应用国。截止到2012年,我国干法提胚:原料→清理水汽皮→脱胚→级提胚→提月燃料乙醇定点生产企业产量见表34湿法提胚:原料→清理—←浸泡→研磨→胚芽分离→调浆表3国内燃料乙醇定点生产企业产能情况(万t)胚芽干燥定点企业2009年2010年2011年2012年干法提胚工艺相对复杂,该法要么分离不好,要么胚河南天冠燃料乙醇有限公司49.555.95858吉林燃料乙醇有限公司57.4乳效率太低,玉米油产量低;相比而言湿法提胚工艺的优安徽丰原燃料酒精有限公司4246.637.0745点是各组分分离彻底,可以得到纯正的淀粉和胚芽,然而中粮生化能源(肇东)有限公司19.420.326.3526.9该工艺存在设备投广西中粮生物质能源有限公司16.3161111大,污染严重等问题;面对提胚工艺的巨大能耗问题,目前国内和国际上也有不少企业采用干法不提胚工艺,该2013年底,国家发改委又继续分别核准审批了3个工艺相对简单,设备耗资少,能耗低且发酵蒸馏废液分离木薯燃料乙醇项目,分别是浙江燃料乙醇有限公司年产干燥后副产品饲料含蛋白量高,质量较好,但该工艺没有30万t项目、江西雨帆化工有限责任公司10万t项目、国玉米油副产品。投广东生物能源有限公司15万t项目;此外,根据《政府3:1.2酒精发酵工艺核准的投资项目目录(2013年本)》内容确定今后变性燃酒精发酵工艺分为间歇式、半连续式和连续式发料乙醇由省级政府核准,2014年2月,海南省随即核准了酵。间歇发酵工艺又分为一次加满、分次添加、连续添海南椰岛股份有限公司10万t木薯燃料乙醇项目加、分割主发酵醪法;半连续发酵工艺是指在主发酵期采3燃料乙醇生产技术发展用连续发酵,后发酵阶段采用间歇发酵的方法;连续发酵又分为全混连续发酵和梯级连续发酵。目前在这3种方3.11代粮食燃料乙醇門式中运用较多的仍为间歇式和连续式发酵,工艺均较为燃料乙醇生产技术是在以玉米、小麦等粮食作物为成熟,代表企业有河南天冠乙醇公司和吉林燃料乙醇公原料的1代燃料乙醇生产基础上不断发展的,其基本工司。从理论上看连续发酵可以提高设备、淀粉利用率,也艺流程见图1。本文将以玉米燃料乙醇为例,对燃料乙利于实现自动化控制,但目前其所带来的染菌等问题并醇生产中各工序的研究与应用现状进行简要分析没有得到根本的解决。糖化酶3.1.3液化、糖化工艺原料预处理→调浆配料调液化遇山5糖化传统工艺中淀粉液化均采用高温蒸煮的方法,一是使植物组织和细胞彻底破裂,有利于液化酶的作用,二是废醪液处理←蒸馏、脱水←酒精发酵←-接种酒母活化、扩培对醪液进行灭菌,这对大规模连续发酵的企业来说至关重要。然而,蒸煮工段需要消耗大量的热能,所耗的蒸汽营养盐占整个生产过程蒸汽消耗的25%~30%,因此,近年来图1燃料乙醇生产工艺流程图许多硏究者对淀粉原料的蒸煮方法进行大量研究,无3.1.1原料预处理蒸煮发酵技术在国内外受到了高度重视,但受限于生为了破坏植物组织,使其胞内淀粉释放,需要将原料稳定性,该工艺在我国仍只是在小规模生产企业中运粉碎成一定粒径的粉末,从而增加原料受热面积提高热用。而对于传统企业来说还存在预糖化工序,该工艺可处理效率,缩短热处理时间;另外,粉末状原料加水混合以节省10%15%的糖化酶,但在工业生产中的预糖化后易于流动输送,利于工业化生产。但原料中常伴有工序,由于产品含糖量较高,是酒精发酵最易引入杂菌的些杂质如砂石金属杂质、编织物等,这些杂物特别是铁环节,纵观国内外的生产技术,同步糖化发酵以其简化工片、石子等,容易使粉碎机的筛板磨损,使机器发生故障,机械设备的运转部位由于磨损而坏掉。因此,在粉碎之成了目前工业生产的主流趋势。前需要对原料进行一定的预处理。生产上一般通过筛选3.1.4酒母优化法、风选法、比重分选法和磁选法淸理原料中编织物、砂、酵母是酒精发酵的关键所在,对于酵母的优化主要石、铁等异物,根据原料存在的鲜、干状态分别采用湿法通过直接筛选、杂交育种、诱变育种以及以原生质体融合和干法进一步粉碎处理。目前,国际上对原料的预处理和DNA重组技术为依托的基因工程育种技术,除了对传主要集中于干法和湿法工艺的优化、设备性能的优化,以统的耐渗透压、耐中国煤化工产菌株的筛玉米为例,其工艺流程大体如下选外,也有不少研行研究,以期获得糖酒转化举同M课。明儿日希望通过基酿酒科技2015年第5期(总第251期) LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2015No.5(Tol.251)因工程的手段直接改造岀能直接利用淀粉产酒精的菌酵法(ASSF)生产甜高粱秆燃料乙醇技术,已于2010年株,但这些研究目前只停留在实验室阶段,未见中试或在内蒙古建成日产1.5t乙醇的中试装置。该技术在固态规模化生产。发酵装置与技术、固态蒸馏装置与技术等方面具有独到3.1.5酒精蒸馏优势,具备良好的应用前景,目前正在山东进行商业化推酒精蒸馏有单塔、双塔、三塔、四塔、五塔、六塔蒸馏,广。液体发酵技术是将茎秆汁液压榨岀来后,添加适量目前大型酒精生产企业大多采用六塔蒸馏,如中粮生化的营养盐进行发酵。该技术的优点是乙醇转化率高,工(肇东)有限公司。六塔蒸馏指醪塔、粗辅塔、水萃取塔、艺流程简单,遹合大规模生产;缺点是压榨能耗髙、糖汁精馏塔、脱甲醇塔、含杂馏分处理塔:四塔,包括粗馏塔、保存难度大,生产过程会产生大量废液等。该工艺的代脱气塔、脱醛塔、精馏塔,双塔即粗馏、精馏塔。根据压力表为中兴能源(内蒙古)有限公司在内蒙古巴彦淖尔市五又分常压、髙压、负压蒸馏,目前大部分企业均采用六塔原县建立的年产10万t甜高粱茎秆燃料乙醇项目。以木或四塔差压精馏方式,通过蒸馏得到高浓度乙醇蒸汽,然薯为代表的非粮燃料乙醇转化技术以广西中粮公司为特后连接分子筛吸附床,经分子筛的吸附作用除去残余水色。广西中粮公司“年产20万t木薯燃料乙醇示范装置分,最终获得达标的生物燃料乙醇。采用的生产技术有:浓醪除砂技术、鲜木薯浓浆制备技3.1.6废醪处理术、高温喷射与低能阶换热集成技术、低温双酶法完全液燃料乙醇产业的飞速发展受到另一因素的制约化技术、同步糖化浓醪发酵技术、CIP高效清洗技术、高废醪处理。一般生产Ⅰt酒精伴随产生12~13t的废水,效精密精馏技术、变温变压分子筛脱水技术、废水废渣缐该废液含有高含量悬浮物、有机物。目前,主要采用厌合利用技术等氧-好氧-深度处理的方式处理该废水,使之达到《国家非粮燃料乙醇的发展目前主要用边际土地种植非粮污水综合排放标准》GB8978—196酒精生产行业的一级作物获取原料,随着生产规模扩大,利用边际土地种植的排放标准,但该过程耗能较大,收益不明显,随着国家对非粮作物总量能否满足生产需求,非粮作物是否会与粮环保越来越重视,很多企业因限水限排而被限制产量,因争地,这是非粮燃料乙醇发展需要解决的问题。为此,在此,越来越多的硏究者开始试图减少酒精产业清水使用非粮燃料乙醇技术研发中,采用分子生物学和遗传学技和污水外排。之前的研究发现,蒸馏废液直接回用30%术手段培育高产非粮作物成为新的研究趋势,非粮作物时对发酵未有影响,目前企业将10%~20%的蒸馏废贮藏、非粮作物浓醪发酵技术开发和髙效发酵菌种培育液已经回用于酒精发酵工艺过程。而毛忠贵等人硏究建也是亟待解决的关键技术问题。立“酒精沼气双发酵耦联工艺”,拟打造燃料乙醇的“零能3.32代纤维素燃料乙醇耗、无污染”技术平台,该工艺目前已在河南天冠10万t在纤维素乙醇方面,目前国内基本上还处于研究阶生产线上运行段,虽然部分关键技术已取得突破并进行了中试验证,但3.21.5代甜高梁、木薯等非粮燃料乙醇原料预处理能耗大、纤维素酶成本高、高温及戊糖己糖共目前甜高粱、木薯等非粮♂醇转化技术已较为成发酵菌株构建等方面的问题依然存在,制约着纤维乙醇熟。以甜髙粱为代表的非粮燃料乙醇技术现阶段有固产业化进程咧。现国际上产业规模最大的为2013年9月体叨和液体发酵两种方式。固体发酵技术是不经过压康泰斯公司在意大利建立的6万t燃料项目。表4为目前榨,将茎秆粉碎后直接接种进行固体发酵。农业部规划国内纤维素乙醇产能情况,但限于生产成本问题大多没设计院建立的年产5000t甜高粱茎秆乙醇发酵项目采用有正常生产。的就是固体发酵技术。该技术的优点是发酵体积小,能木质纤维素乙醇转化技术目前主要有两种:热化学耗低,资金投入少,工艺设备简单,易于操作,废水处理问转化技术和生化转化技术,两种技术均在中试生产线或题小;缺点是生产场地大,劳动强度大。清华大学核能与示范工厂中得到应用。热化学转化技术是先在髙温高压新能源技术研究院李十中研究院团队开发的先进固态发下,将生物质气化,产生由CO、H2、CO2、CH和N等组成表4国内纤维素乙醇示范工程建设情况地产能(t/年)备注山东龙力生物科技有限公司河南天冠燃料乙醇有限公司河南南阳秸秆10000已建成山东泽生生物科技有限公司山东东平秸秆已建成安徽丰原集团安徽蚌埠3000上海天之冠可再生能源公司上海秸秆和稻壳已建成中粮生化能源(肇东)公司黑龙江玉米秸秆口建成中国煤化工建广西明阳生化科技股份公司广西南宁渣国能生物发电集团河南鹿邑CNMHG设中王玉美·燃料乙醇生产现状分析的合成气,再选择合适的微生物或者催化剂将合成气转基因工程菌株以及实现浓醪发酵等是降低纤维乙醇成本化为乙醇。美国 CosKata公司、 Fulcrum生物能源公司和的关键。从生产实际看,纤维质原料燃料乙醇的发展仍新西兰的 Lanza Tech公司燃料乙醇中试生产线均采用热然任重道远。化学转化技术将生物质转化为燃料乙醇。该技术优点是参考文献:可将木质纤维素的所有组分转化为气体,对木质纤维素的利用率高。缺点是能耗大,对设备要求高。生化转化[刘海军李琳白殿国等我国燃料乙醇生产技术现状与发展技术是采用预处理、酶解、发酵和蒸馏工艺将生物质转化p21 Tristan R. Robert C. A review of cellulosic biofuel commerci为乙醇。加拿大 logen公司、丹麦 Inbicon公司、杜邦丹尼scale projects in the united states[J] Biofuels, Bioproducts and斯克纤维素乙醇有限公司(DDCE)、华东理工大学建立biorefining,2013,7(3):235-245的示范工厂等均采用生化转化技术将生物质转化为乙[3]2013 Ethanol Industry Outlook[R] Renewable fuels association,醇。该技术优点是反应条件温和,对设备要求相对较低,2013可根据不同处理工艺特点进行副产物开发,增加收益。4杜风光冯文生秸秆生产乙醇示范工程进展门现代化工缺点是预处理能耗高,酶解过程使用的纤维素酶成本高2009,29(1):16-19高温发酵菌株选育和戊糖己糖共发酵菌株的发酵效率尚15 Jiljana, MoJovic, Dusanka, Pejin. arica, Rakin, et a不能达到工业要求2bioethanol production on corn[J]JOurnal on Process in gand为提高木质纤维素乙醇转化效率,研究者们主要从Energy in Agriculture, 2010, 14(1): 54-57.以下几个方面寻找突破口:在工艺方面,改进同步糖化发6]章克昌酒精与蒸馏酒工艺学M]北京:中国轻工业出版社,酵工艺,简化工艺流程,提高设备利用率;充分利用发酵固体残渣,培养食用菌、单细胞蛋白或制成有机肥等,增[7]黄茂张子凤,等酒精发酵无蒸煮工艺的研究现状[中加副产品收益;开发低聚木糖、木质素等高附加值产品。国酿造,2012,31(9):33-37在技术方面,采用基因工程技术和遗传育种技术对能源8唐艳艳,易弋伍时华等木薯粉浓醪酒精同步糖化发酵工艺作物进行改造,培育木质素含量低、纤维素含量高的能源研究小安徽农业科学,2010,38(23):12690-12692作物品种;开发高效、环保的预处理技术;采用分子生物(9]王风芹汪媛媛陶西等耐高温东方伊萨酵母乙醇发酵特性[农业工程学报,2014,303):180-186学技术手段培育产纤维素酶活力高的菌株:采用分子生[10)朱作华严理李智敏等耐高温、高浓度酒精酵母高密度培物学技术手段培育耐高温或产纤维素酶的发酵菌株,提养条件优化中国酿造,2010,224(11:38-41高同步糖化发酵效率;采用分子生物学技术手段培育戊[1]吴是士业黄泽伟酒用耐嗜)酸酵母的诱变育种J中国酿造糖、己糖共发酵菌株,提高纤维素转化效率222010,221(8):67-71[1】]兰钊唐美琼,韦珂,等呼吸缺陷型耐糖耐高温酒精酵母菌种结论与展望的筛选[J生命科学研究,2009,13(3):199-2003我国地少人多,生产燃料乙醇所需粮食和经济作物[3]段钢许宏贤阮振华等新鲜木薯直接转化生产乙醇食品原料从根源上受到很大的限制。目前,我国燃料乙醇生与生物技术学报,2009,28(3):413-417产中玉米占总原料的78%,原料结构单一。薯类淀粉141贾树彪李盛贤吴国峰等,新编酒精工艺学M北京:化学工业出版社,2013原料也一定程度上受着原料价格、供应的制约,其产品附加值也较低。另外,据《财政部关于燃料乙醇补贴政策的[5]张桂荑,张成明姜立,等木薯酒精蒸馏废液循环回用工艺的讨[J食品与发酵工业,2012,38(4):104-109通知》可知,变性燃料乙醇生产和变性燃料乙醇在调配、[16毛忠贵,张建华燃料乙醇制造的“零能耗零污染”趋势生销售过程中发生的亏损,由国家财政对生产企业实行定物工程学报,2008,24(6):946-949额补贴,2012年1代粮食乙醇与1.5代燃料乙醇的补贴[17]何皓,胡徐腾,齐泮仑,等中国第1代生物燃料乙醇产业发金额分别为500元t与750元t。而今年国家下调了燃料展现状及展望[化工进展,2012,31:1-6乙醇的补贴政策,代粮食乙醇与1.5代燃料乙醇的补贴18赵志水甜高粱液态发酵制备燃料乙醇的研究D]石河子金额分别为300元t与500元t,2代纤维乙醇确定为800石河子大学,2009元t。这增加了燃料乙醇行业的压力。尽管如此,根据9黄加军杜金宝月莉等纤维素酒精预处理技术进展门酿酒,2013,40(4):23-26.《政府核准的投资项目目录(2013年本)》发布,变性燃料20孙智谋蒋磊张俊波,等世界各国木质纤维原料生物转化燃乙醇项目将由省里核准,这激发了企业进军燃料乙醇行料乙醇的工业化进程[酿酒科技,2007(1):91-94业的决心。尽管利用纤维质原料生产燃料乙醇工艺的研[21] Humbird d, Davis r,TaoL, et al. Process design and economics究和开发一直比较困难,但康泰斯公司在意大利建立的for biochemical conversion of lignocellulosic biomass to6万t燃料项目为该研究提供了方向,也为纤维素研究者ethanol].Tecl中国煤化工提供信心。如何建立经济合理的原料收储体系、开发高220国欣,王建明CNMHG现状及启示效廉价的纤维质原料预处理技术、选育诱变产高酶活的[J中外能源,纤维素酶生产菌株、构筑能同时发酵五碳糖和六碳糖的[23]卢暄秸秆制燃料乙醇技术国内研发、中试现状及其产业化讨论化学工业,20129(9):26-29