菊芋生产燃料乙醇工艺路线探讨

第29卷第4期可再生能VoL29 No, 4201148月Renewable Energy ResourcesAug.2011菊芋生产燃料乙醇工艺路线探讨袁文杰,常宝垒,任剑刚,白风武(大连理工大学生命科学与技术学院,辽宁大连116023)摘要:在对菊芋汁清液连续发酵和菊芋粉带渣批式发酵的研究基础上,进行了利用菊芋生产燃料乙醇的两种工艺路线的技术经济可行性分析,提出建立分布式加工体系的策略。菊芋乙醇产业生态系统包括种植、仓储、生产粗乙醇和生产精乙醇4个主生产环节以及副产物综合利用环节。菊芋综合利用路线的提出,期望能够为降低生产成本,实现菊芋原料生产燃料乙醇的产业化提供依据关键词:菊芋;燃料乙醇;工艺路线中图分类号:TK6;S216.2文献标志码:A文章编号:1671-5292(2011)04013905Analysis on ethanol production technology based on fermentationf Jerusalem artichokeYUAN Wen-jie, CHANG Bao-lei, REN Jian-gang, BAI Feng-wuDepartment of Bioscience and Bioengineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)Abstract: Bases on the study on the two fermentation technologies, which are Jerusalem artichokeliquid continuous fermentation and Jerusalem artichoke powder batch fermentation, the techno-economic feasibilities of the two kinds of technologies has been analyzed, the strategy of distributedprocessing system was proposed. THe eco-system of Jerusalem artichoke for fuel ethanol includesthe four main producing processes that are planting, storage, crude ethanol production, refinedethanol production and byproduct utilization. The proposing of the strategy for comprehensive utilization of Jerusalem artichoke is expected to reduce the producing cost, and to realize the indus-trialization of Jerusalem artichoke fot fuel ethanol production.Key words: Jerusalem artichoke; fuel ethanol technological route0引言越来越多的关注,而且还可以发展成为生物能菊芋( Jerusalem artichoke),俗名洋姜,多年生源重要的非粮原料国。在发酵法生产生物乙醇草本植物。菊芋原产北美经欧洲传入中国,分布中,菊芋的原料成本优势可以与木薯、甜高粱以及广泛,在中国南北各地均有栽培;适应性强,耐贫甘薯相媲美,是我国燃料乙醇产业规模化发展可瘠、耐寒、耐旱;种植简易,一次播种多次收获,产选择的原料之一。量极高。鲜菊芋块茎中含水79.8%,碳水化合物目前,文献报道的发酵菊芋生产燃料乙醇分16.6%,蛋白质1.0%,粗纤维166%,灰分28%及别为粗菊芋粉带渣发酵和菊芋汁清液连续发酵两定量的维生素。其中,碳水化合物的78%为菊种工艺。菊芋汁清液连续发酵是将菊芋压榨成为糖由此可见,菊芋是一种极具开发潜力的半野菊芋汁液后,经菊粉酶水解,由酿酒酵母发酵生产生资源。该作物以其特有的优势正在不断地延长乙醇,该法发酵速度快、产量高,但投资相对较其产业链不仅在环境治理和食品加工行业受到大。菊芋带渣“背汁量利甲立楠*的菌株和乙收稿日期:2010-07-12;修回日期:201008-09。作者简介:袁文杰(1975-),女汉族博士讲师从事生物化工技术研究及教学工作。E叫CNMHG可耳生能源2011,29(4)醇发酵菌株共发酵或直接由既能产菊粉酶又能超过玉米和小麦的单产水平。发酵产乙醇的克鲁维酵母直接完成粗菊芋粉的3菊芋仓储发酵。生料带渣发酵法发酵时间长,但具有设备简菊芋的采收有季节性要求,且具有集中性,要单操作容易投资少污染小、易于推广等优点吗。求在较短时间内采摘收割完毕;而工业生产乙醇本实验室对菊芋汁清液连续发酵和菊芋粉带则希望细水长流均衡生产,须要具有长年性和稳渣批式发酵分别进行了试验和报道间,在此基础定性。因此,无论是利用菊芋粉进行带渣发酵,还上,本文对两种工艺路线进行技术经济可行性分是以菊芋汁液连续发酵都会在原料储存上出现难析,并进一步分析降低成本的关键环节,为实现以以克服的矛盾和困难,为了延长加工周期,可以采菊芋为原料发酵生产燃料乙醇的产业化提供依取各种贮存措施,如浓缩冷冻、冷藏、窖藏、干燥据复膜等技术。1工艺路线对于粗乙醇加工,原料运输是瓶颈问题之一。把菊芋粉转化成燃料乙醇的步骤:首先把收但是,如果采用分布式加工体系(图2),即以一定获的菊芋块茎切片、晾干或在40~50℃下烘干后面积的种植区配套一个原酒加工厂做为一个加工储藏,也可以直接在种植基地压榨成汁,浓缩后低单元,可缩短原料的运输半径,节省运输费用。分温储存。在此基础上,将菊芋内的糖分转化成体积散的原酒加工厂可通过简单蒸馏将乙醇浓缩到分数为90%左右的“粗乙醇”,然后,再经脱水设90%左右。浓缩后的粗乙醇的精馏及脱水改性,可备制成995%以上的无水乙醇。菊芋乙醇产业生安排在一个乙醇总厂。整个加工体系流程:规模种态系统包括种植、仓储、生产粗乙醇和生产精乙醇植一就地加工一就近转换一集中提炼一统一配4个主生产环节以及副产物废弃物综合利用环制。再结合延长收获期技术,可以实现分批收割加节(图1)工,加工周期为12个月,原料基本不必储存,节省菊种植品种选育存储费用。烘压粗乙醇仓储乙醇发酵燃料乙醇「粗乙醇粗乙醇有机肥废渣纸浆生产图2菊芋乙醇分布式加工体系粗饲料Fig 2 Distributed system of fuel ethanol from图1菊芋发酵生产乙醇环节jerusalem artichokeFig 1 Production processes of jerusalem artichoke to4粗乙醇发酵4.1菊芋粉生料发酵工艺2菊芋种植菊芋粉生料(带渣)发酵工艺的优势在于它集菊芋耐旱、耐寒、可自我繁殖,且病虫害轻,只糖化、发酵于一体,不需额外添加糖化酶,而且由要把菊芋种植上就基本不须作特别管理。菊芋一于不需蒸煮灭菌从而使能耗大大降低,工艺简单次播种可多年生长,并且每年会以20倍的速度自设备投资省,每生产1t精乙醇可节省100-200行扩大繁育。但菊芋的块茎应每年进行采收,以提元的投资。另外,原料可以持续供应,不受收获季高产量。菊芋抗旱,但在土壤水分充足时能大幅度节影响。提高产量。多施有机肥和钾肥,也能大幅度提高菊由试验结果可知,当菊芋粉浓度为280g/芋产量除种植、收获时需要人工外,其它投入少、时,发酵84h后乙醇浓度为83.1gL,乙醇得率达成本低见效快。每种植67m2(1亩)菊芋年可产到理论转们V中国煤化工生产1t体积5000~10000kg茎叶、3000-5000kg块茎叫,分数为95CNMHG5t,据本实验實文杰,等菊芋生产燃料乙醇工艺路线探讨室测定鲜菊芋的含水量为76%,所以需要鲜菊芋可作为饲料饲养牲畜,也可用作造纸原料,或用以为107t。按目前新鲜菊芋市场价格300元计生产改良盐碱地的有机肥料以及加工生产秸秆燃算,生产1t95%的乙醇需原料费3200元。此工料、沼气等能源;清液发酵的废液可循环利用,以艺的缺点是劳动强度大生产效率较低最高产率减少水资源的浪费;乙醇发酵过程中副产酵母占只有1.0g/(L·h)左右。乙醇产量的3%,通过自沉降分离和蒸汽汽提回4.2菊竽汁清液连续发酵工艺收乙醇后,可生产酵母浸膏和饲料酵母。菊芋汁清液连续发酵工艺的最大优势在于可7投资估算以采用酵母自固定化技术连续生产,劳动强度小。71原辅料根据试验所得,在连续发酵时,生产效率可达212由分析可知,每生产1t燃料乙醇两种工艺g/(Lh),是带渣批式发酵的2倍。清液批式发酵消耗的原料不同在带渣发酵工艺中,需10.7t菊更高,可达275g/(L·h),而且可节省水资源投芋块茎,而在清液发酵中则需要148t鲜菊芋块资。由于残糖较低使污染降低,可更好地保护环茎。按照300元成本计算,在清液发酵工艺中境;便于酒精提纯操作单元的合理配置;节省了由每吨燃料乙醇需多消耗成本1240元。另外,由于于固液分离所采用的离心设备的投资清液同步糖化发酵工艺中,自絮凝酿酒酵母不能由菊芋汁清液连续发酵工艺可知,当菊芋汁分泌菊粉酶降解多聚果糖,需额外添加菊粉酶使浓度在220-230g/L时,乙醇浓度平均可达989其糖化,按目前市场价格计算,每吨燃料酒精又需g/L,每生产1t95%的精乙醇需浓度为220g/的多花费120元菊芋汁7.6t。由于1t菊芋汁可榨出0.76t浓度7.2副产物为150g/的新鲜菊芋汁,所以每生产1t精乙醇清液发酵的优势在于它可以副产酵母来生产需鲜菊芋为148t,生产1t95%的乙醇的原料成酵母精膏和饲料酵母,经计算,回收酒精产量3%本为4440元。的酵母,其蛋白含量为48%,按照饲料酵母出售5精乙醇生产市场价格为3700元/,扣除加工成本700元釆用带渣批式发酵时,糖化和发酵在同一罐后,可冲减酒精生产成本90元,而带渣发酵工中进行,为了确保蒸馏温度,并满足减少酒精糟中艺则浪费了这部分资源。营养物质损失和保存发酵菌体活性的要求,可采73能耗用真空低温蒸馏技术对醪液进行低温蒸馏。目前清液发酵工艺不采用DDGS技术处理废糟在化工生产中,低温热敏蒸馏技术已广泛应用于液,70%的废糟液直接循环使用,而现有酒精生产天然产物的提取,热耦合技术也在大规模化工生技术,废糟液直接循环使用比例为30%,吨酒精产中得到了广泛应用,这些技术应用到乙醇生产生产减少废糟液蒸发量40%(约4t),节省能耗中也是完全可行的。(折蒸汽)约45t冲减酒精生产成本315元。采用清液连续发酵时,由于发酵液中的酵母由于在清液发酵工艺中,榨汁后的菊芋汁液自絮凝固定化,发酵液无固形物,不存在堵塔问含糖量达不到220g,所以菊芋汁液的浓缩需多题,提糟塔可以选用更高效塔坂;塔釜加热也可选消耗用电成本,约104元/t。用间接加热方式,使废醪量减少,便于进一步浓缩74因定資产投资干燥或全回流拌料等回收处理,可以更方便地应在清液发酵工艺中,酒精发酵时间缩短用节能的差压精馏技术。酒精清液发酵也使正在倍,发酵罐总容积规模相应减小一倍,并且不采研究的各种非精馏节能提纯技术有希望得以应用DDGS技术处理废糟液,不采用高速离心机分用离酵母,这种技术特点使年产万吨乙醇可节约投循环利用资8000万元,按银行贷款利息55%计算,节省循环利用工序主要是针对主环节所产生的副年贷款利息约40万元,可以冲减酒精成本73产物或废弃物进行加工和再生产。固态带渣发酵元/t。中国煤化工产生的CO2可供大棚种植使用,发酵所得的糟渣综合以上CNMHG,菊芋带·141可再生能源2011,29(4渣发酵工艺在成本上具有很大的优势,每吨燃料输、贮存困难,产生大量废渣等不利因素。菊芋由乙醇可节省1132元。但其缺点是生产效率低,劳于特殊的生物特性,虽然原料价格略高,但以菊芋动强度大。为原料制乙醇的产量要高于甜高粱秸秆。发展以表1两种工艺的吨乙醇生产成本比较菊芋为原料的燃料乙醇生产技术,可以使现有燃Table 1 Cost comparison of two kinds of technologies forfuel ethanol production料乙醇装置生产实现原料多元化,降低原料价格成本变化大幅度上涨导致的风险。比较内容元清液发酵带渣发酵76菊芋原料生产乙醇成本组成148t在以玉米为原料带渣发酵生产乙醇时,每吨糖化酶120元燃料乙醇需消耗3.1t玉米,按目前每吨1500元醇母30 kg蒸汽消耗计算采用菊芋为原料可节省1440元。另外,由水电消耗346元242元+104于在菊芋同步糖化生料发酵工艺中,不需要添加固定资产消耗糖化酶及任何辅料所以减少了糖化、液化设备的投资,降低了能源的消耗。根据玉米带渣发酵工艺75可产燃料乙醇农作物的比较的具体成本计算,每吨燃料乙醇可节省286元。在中国发展生物燃料乙醇产业,必须要遵循三以玉米为原料时,可生产有利用价值的玉米油等个“不得”原则,即不得占用耕地,不得消耗粮食,副产品,而菊芋的副产品利用价值较小,所以每生不得破坏生态环境,因此,发展非粮燃料乙醇是唯产1t燃料乙醇时,采用玉米原料可节省961元。出路。表2对可产燃料乙醇农作物的关键数据具体成本分析数据见表3进行了比较。3菊芋原料生产乙醇成本构成豪2不同原料生产乙醇成本比较Table 3 Cost composition of Jerusalem artichoke forTable 2 Cost comparison of fuel ethanol from differentfuel ethanolraw material成本变化产量市场价格乙醇原料价格乙醇产量原料成本3210原料类型u667m2667m2酶成本甜高粱茎秆4.0-50200-24032003840025-031辅料成本鲜木薯10-15400-5002800~30.l0-0.15设备折旧鲜红暮1.5-25·300-400300040.l5-025水、电、汽0.5-0751500~17004950~5610015-0.23设备维护玉米秸秆0.725-1093005001500~25000.15-022人力成本1643.0~50300-40032104280028-047副产品冲减从表2可以看出,在目前可生产燃料乙醇的总计52483837原料中,吨乙醇原料价格最为低廉的为玉米秸秆综上所述,自絮凝颗粒酵母的菊芋乙醇发酵但由于尚存在原料预处理、五碳糖的利用、纤维素技术,结合原料前处理综合利用工程,实现清液发酶价格贵等诸多瓶颈问题,以秸秆为代表的第二酵,是对乙醇发酵行业传统带渣发酵工艺技术路代纤维素乙醇还难以在短期内实现工业化生产。线的重大革新,与带渣发酵工艺技术路线相比清与玉米相比,鲜木薯和鲜红薯生产燃料乙醇在价液发酵生产效率高,不仅可以提高原料综合利用格方面存在优势,并且在国内也有企业进行产业水平减少水资源的消耗,而且榨汁后的残渣也可化的报道但由于国内产量较少,依赖进口、乙醇以用于带渣发酵工艺;由于发酵过程消除了原料废液治理难度大等问题严重制约了木薯和红薯燃残渣的干扰,副产的酵母可以十分方便地回收,进料乙醇的发展。甜高粱是生产生物燃料乙醇的最行深加工;但是每吨燃料乙醇需多耗费3t新鲜佳原料,被誉为“生物能源系统中最有力的竞争菊芋,并需要额外添加菊粉酶。由于压榨后的菊芋者”在我国的“十一五”规划中已经明确地把甜高汁浓度较低粲秆作为制燃料乙醉首选原料,但它同样存在运因此,使用YH中国煤化工合生产要求。CNMH种进行生料142袁文杰,等菊竽生产燃料乙醇工艺路线探讨带渣发酵在成本上更适合大规模生产的要求(表2000,21(11):29-31.3)。鉴于清液发酵的优点,研究认为乙醇生产企业2] WILKE T, RLOP K. Industrial bioconversion of renew应最大限度地减少农作物季节性对工业生产的影able resources as an alternative to conventional chem-响,实现乙醇生产利润最大化的基础上,使两种工istry J]Appl Microbiol Biotechnol, 2004, 66(2):艺实现优势互补,减少对环境的污染(图3)。131-142.3]纪录,贾英民,桑亚新,等菊芋资源的开发利用鲜汁浓缩一匚榨汁了一[菊芋块茎河北林果研究,2003,18(1):93-%64]李璟琦陕西榆林沙区菊芋资源的综合利用及发展前[清液发酵残渣干燥粉碎景门陕西农业科学,2008,54(3):141-1435]桑亚新,贾英民,王静,等菊芋深加工开发生产果糖废液循环匚蒸馏}生料发酵糖浆中国食品学报,200(1):295-300[6]袁文杰,任剑刚,赵心清,等.一步法发酵菊芋生产乙无水乙醇}一[粗乙醇[固体渍了醇U生物工程学报,2008,24(11):1931-1936常宝磊,袁文杰,赵心清,等自絮凝颗粒酵母发酵菊匚纸浆}[烘干筛分芋汁生产乙醇过程工程学报,2009,9(4):79800[8] NAKAMUARA T, OGATA Y, HAMADA S, et aL. Ethanol菊芋粘籽}其他渣production from Jerusalem artichoke tubers by aspergillus niger and saccharomyces cerevisiae []J fer-秸秆煤有机肥ent bioeng,1996,81(6):564-566.图3菊芋生产乙醇及副产物工艺路线图[9] BAJPAI P, MARGARITIS A. The effect of temperatureFig 3 Technological diagram of Jerusalem artichoke for fueland pH on ethanol production by free and immobilizedethanol and by-products productioncells of Kluyveromyces marxianus grown on Jerusalem8结语U). Biotechnol Bioeng, 1987, 30(2):菊芋带渣发酵工艺生产燃料乙醇与以玉米为306-313.原料生产乙醇相比较,具有明显的优势,其成本可[0]许宏贤,段钢,固态间歌补料乙醇生料发酵新工艺生物工程学报,2009,25(2):200-206.降低1000元/左右,符合目前国家对燃料乙醇[l]隆小华,刘兆普陈铭达等半干旱区海涂海水灌溉项目的政策。但目前尚没有推广利用菊芋生产燃菊芋氮肥效应的研究水土保持学报,2005,19(2):料乙醇的产业化项目,其瓶颈问题还在于没有实114-117现菊芋的大规模种植;一旦实现菊芋规模化种植,[2]范仲先对菊芓产业的研究与开发门农村实用科技信再结合分布式乙醇加工体系的应用,菊芋可望成息,2008(2):52-53.为我国非粮作物生产燃料乙醇的最优选择。[13]雷良兰,鲁宝成高原地区菊芋高产栽培技术农家参考文献之友,2008(12):20-21[1陈晓明,金征宇菊粉降解生产低聚果糖[饲料工业,(上接第138页3 MATHWORKS INC Simulink/Stateflow technical exam-参考文献:ples-Using Simulink and Stateflow in automotive ap-[LIU XUE-JUN, LIU CUN-XIANG. The significant of theplication[M]. USA: The Math Works. Inc, 1998.evaluation research on the effect to environmental qual-阿4杨叔子杨克冲机械工程控制基础M武汉:华中科ity and energy structore of Guangxi after gasohol exten技大学出版社,2002sion[A]. The international conference on engineering [5] MOSCINSKI J, OGONOWSKI Z Advanced control withand bussiness management(C). Chengdu: The Interna-MATLAB and SIMULINK [M. 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