生物工程學(xué)報(bào)journals, imaccnChinese Journal of Biotechnology ISSN 1000-3061cb@imaccn@2008 Institute of Microbiology, CAs& CSM, All rights reserved綜述燃料乙醇制造的“零能耗零污染”趨勢(shì)毛忠貴,張建華江南大學(xué)生物工程學(xué)院,無(wú)錫214122摘要:酒精蒸餾廢液有充足的非淀粉生物質(zhì)可供沼氣轉(zhuǎn)化,沼液營(yíng)養(yǎng)豐富可作酵母發(fā)酵工藝用水。通過(guò)酒精高濃度發(fā)酵、沼氣高效轉(zhuǎn)化、沼氣熱電聯(lián)產(chǎn),差壓蒸餾、環(huán)形過(guò)程工藝等產(chǎn)能、節(jié)能、無(wú)廢技術(shù)的研發(fā)和集成,將最終宄成木驀原料燃料酒精制造向“零能耗、零污染”生產(chǎn)技術(shù)的轉(zhuǎn)型關(guān)鍵詞:酒精發(fā)酵,木薯,沼氣發(fā)酵,零能耗,零污染Trend of"Zero Energy Consumption and Wastewater"in FuelEthanol productionZhonggui Mao, and Jianhua ZhangJiangnan University, College of Biotechnology, Wuri 214122, ChinaAbstract: The energy consumption in a Chinese ethanol manufacturer with cassava as the feedstock, has been reduced to azero-closed level. If theR&d on technical integration of high ethanol concentration fermentation, methane fermentation techniquesteam and electricity co-generation system, new distillation technology, and the wastewater reutilization, is camied out continuously,the proposed"zero energy consumption and wastewater"technique could be realized in fuel ethanol production process.Keywords: alcohol fermention, cassava, methane fermention, zero energy consumption, zero wastewater“非糧、無(wú)污染、低能耗”是我國(guó)燃料乙醇發(fā)1木薯原料展的先決條件,它既是一個(gè)重要的技術(shù)發(fā)展方向也是下一輪燃料酒精產(chǎn)業(yè)順利發(fā)展必須建立的技術(shù)木薯是目前我國(guó)主要的非糧酒精發(fā)酵原料,也平臺(tái)。是世界上最大的能源作物之一。木薯是亞熱帶作物,在“政產(chǎn)學(xué)”多方努力下,近年來(lái)我國(guó)酒精制進(jìn)我國(guó)自產(chǎn)約600多萬(wàn)噸。東南亞年產(chǎn)4000多萬(wàn)噸,是世界木薯主要產(chǎn)區(qū)之一,因需求拉動(dòng),近年來(lái)產(chǎn)技術(shù)已取得較大的進(jìn)展,特別是木薯酒精的實(shí)際制量增幅較大。2005年我國(guó)與東盟達(dá)成的186項(xiàng)“零造過(guò)程已接近“零能耗”?？偨Y(jié)、提高、優(yōu)化并集成關(guān)稅”貿(mào)易協(xié)定中就有一項(xiàng)是木薯,一定規(guī)模的來(lái)先進(jìn)制造工藝和過(guò)程技術(shù),集中力量合作攻克幾個(gè)源是有保障的。技術(shù)關(guān)鍵,在國(guó)際上率先形成“無(wú)污染、零能耗”以木薯為原料生產(chǎn)酒精在我國(guó)已有幾十年歷史的非糧生物質(zhì)能源制造產(chǎn)業(yè)化樣板,對(duì)推動(dòng)我國(guó)生目前生產(chǎn)規(guī)模有100多萬(wàn)噸,技術(shù)相對(duì)成熟,成本物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展有重要意義。也較玉米等糧食原料低,因而在不消耗國(guó)內(nèi)糧食08: Accepted: March 12, 2008or:zhongguIMao.E-mail:maozg@vip.163.com毛忠貴等:燃料乙醇制造的“零能耗零污染”趨勢(shì)947和不擠占耕地的前提下保持一個(gè)合適的規(guī)模是適很快宜的。23酒精差壓蒸餾2幾個(gè)重要的產(chǎn)能和節(jié)能技術(shù)差壓蒸餾實(shí)質(zhì)上是雙效蒸餾技術(shù)。安徽宿縣從法國(guó)引進(jìn)第一套裝置至今已有20年歷史,期間經(jīng)歷21沼氣發(fā)酵酒精工業(yè)不景氣,企業(yè)普遍規(guī)模小投資大因而實(shí)際木薯酒精蒸餾廢液的COD高達(dá)80001000推廣緩慢。2000年以后四個(gè)規(guī)模化的燃料酒精定點(diǎn)pm(固液分離前),CN為25-30,處于沼氣發(fā)酵CN企業(yè)全部采用差壓蒸餾技術(shù),國(guó)內(nèi)其他年產(chǎn)10萬(wàn)噸比的最佳范圍內(nèi),加上蒸餾廢液本身溫度較高以上非定點(diǎn)的酒精生產(chǎn)企業(yè)也在逐步使用中,技術(shù)(100C左右因而容易實(shí)現(xiàn)沼氣的高溫發(fā)酵。十多年已比較成熟。實(shí)際運(yùn)行噸酒精可節(jié)約蒸餾耗汽35%,來(lái)木薯酒精廢液的沼氣發(fā)酵在工藝和工程技術(shù)上進(jìn)相當(dāng)于酒精生產(chǎn)全過(guò)程節(jié)約蒸汽23%。步很大,特別是2級(jí)串聯(lián)的UASB厭氧發(fā)酵工藝。24高濃度酒精發(fā)酵新建的UASB反應(yīng)器單只容量一般都在3000m3,最我國(guó)玉米酒精發(fā)酵濃度一般在12%,較美國(guó)普大的已達(dá)500m3木薯酒精蒸餾廢液的沼氣發(fā)酵技遍在15%以上相差3個(gè)百分點(diǎn)。而木薯原料因營(yíng)養(yǎng)術(shù)已成為大規(guī)模工業(yè)沼氣發(fā)酵的成功典范。國(guó)內(nèi)一較玉米差發(fā)酵濃度更低,僅9%-10%。酒精高般產(chǎn)沼氣水平為260Nm3酒精(95%,Wv,最好的發(fā)酵既能提高裝備產(chǎn)能,又能較大幅度降低能耗已達(dá)330Nm/t酒精,其主要差異在沼氣發(fā)酵工藝如酒精濃度從12%提高到15%,則蒸餾蒸汽消耗降的安排上,即先固液分離后沼氣發(fā)酵還是2級(jí)串低15%。因而高濃度酒精發(fā)酵是一個(gè)重要的技術(shù)方聯(lián)中間分離,后者因生物質(zhì)轉(zhuǎn)化更為充分故沼氣產(chǎn)向3,玉米酒精發(fā)酵濃度15%,木薯酒精發(fā)酵濃度量大12。13%應(yīng)是近期比較合理的目標(biāo)。盡管沼氣發(fā)酵技術(shù)進(jìn)步很大,但仍有很大潛力,木薯酒精廢液中還剩余40%的固態(tài)生物質(zhì)(未溶3酒精制造“零能耗”的實(shí)現(xiàn)解的纖維和木質(zhì)素類物質(zhì)尚未轉(zhuǎn)化成沼氣。研究提31酒精制造過(guò)程的能量投入高沼氣發(fā)酵技術(shù),再增加10%的沼氣量,使之達(dá)到國(guó)內(nèi)酒精生產(chǎn)主要用薯類和玉米兩大類原料。360Nm3/酒精是可以做到的,理想的是所有非酒精制造過(guò)程中能量投入的計(jì)量一般用噸酒精(95%,Wv發(fā)酵的生物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化成沼氣的蒸汽消耗和電能消耗表示。國(guó)內(nèi)較好的水平為22熱電聯(lián)產(chǎn)薯類酒精(發(fā)酵液酒精10%,WV):汽耗3:8噸,酒精的生產(chǎn)制造既用電,又用汽,特別是酒精電耗130kWh已包括環(huán)保工程運(yùn)轉(zhuǎn)用電)蒸餾用汽量大而穩(wěn)定,為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)玉米酒精(發(fā)酵液酒精12%,WV:汽耗45噸造了條件。發(fā)酵工業(yè)的工藝用汽壓力一般在04MPa電耗180kWh。即可,而熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)汽鍋爐額定壓力多在38MPa以玉米酒精能耗較大的原因是玉米脫胚和生產(chǎn)飼上,除去蒸汽輸送管路壓力損失后一般還有△3.0Mpa料DDGS要耗用較多的蒸汽和電力。以上的壓差可推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電(如既產(chǎn)汽又發(fā)電的3,2技術(shù)集成后的節(jié)能和產(chǎn)能背壓式發(fā)電)。3.2.1蒸汽的消耗和產(chǎn)出由于工藝用汽壓力不高,發(fā)酵企業(yè)采用21MPa以木薯酒精為例以下的低壓鍋爐較多,但低壓鍋爐熱效率低,僅發(fā)酵酒精度從10%提髙至13%,節(jié)約蒸汽80%多。熱電聯(lián)產(chǎn)為提高熱電轉(zhuǎn)換效率通常使用15%。38~59MPa的中高壓鍋爐,熱效率較普通鍋爐提高應(yīng)用差壓蒸餾技術(shù),蒸餾可節(jié)能35%。因蒸餾10個(gè)百分點(diǎn)以上,一般可達(dá)92%-95%。因而背壓發(fā)用汽占酒精生產(chǎn)總用汽的65%,則總節(jié)汽為電和鍋爐熱效率的提高為企業(yè)帶來(lái)雙重利益,對(duì)酒65%×35%=23%。精生產(chǎn)企業(yè)而言其生產(chǎn)成本可降低8%-10%,因而兩項(xiàng)技術(shù)可節(jié)汽15%+23%=38%,則蒸汽熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在10萬(wàn)噸以上規(guī)模的企業(yè)推廣應(yīng)用消耗降為948|sSN10003061cN11-1998/QChin J Biotech38×(1-38%)=2.36t(酒精)4“零污染工藝”的研發(fā)沼氣產(chǎn)率計(jì)為360Nm3/(酒精),熱值:51404187kNm,熱電聯(lián)產(chǎn)中的燃燒產(chǎn)汽65k8Nm341木薯酒精沼液回用環(huán)形工藝則:總產(chǎn)汽6.5×103×360=234t(酒精)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)如規(guī)模過(guò)小則沒(méi)有實(shí)際意義即沼氣燃燒產(chǎn)汽和生產(chǎn)消耗蒸汽基本平衡規(guī)模大則廢水污染問(wèn)題突顯,因而低成本的“零污3.22電力的消耗和產(chǎn)出染工藝”技術(shù)平臺(tái)不建立,燃料酒精等生物質(zhì)能源我國(guó)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)界目前熱電聯(lián)產(chǎn)已比較普遍,行產(chǎn)業(yè)在我國(guó)難以順利發(fā)展業(yè)先進(jìn)水平為:在輸出低壓工藝蒸汽的同時(shí)每噸蒸產(chǎn)品制造型企業(yè)其污染可能有各種類型,如廢汽可凈產(chǎn)出電能90kWh,折合成噸酒精(95%,Wv)水、廢氣或廢渣污染,也有制造工藝型污染和工藝廢液生產(chǎn)沼氣后熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電輔助型污染。對(duì)燃料酒精而言關(guān)鍵是“工藝型廢水污90×234=2 l kwh(酒精)染”,需通過(guò)技術(shù)進(jìn)步使其向“零污染工藝”轉(zhuǎn)型。木薯酒精生產(chǎn)過(guò)程消耗電能130kWh(酒精)解決了工藝型廢水污染則其它污染大幅度降低,少60%消耗在原料的粉碎工序),則電力富余量低COD廢水的污染處理成本處于企業(yè)承受能力211-130=81kWh/(酒精范圍之內(nèi),問(wèn)題也就容易解決。即通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)集成,以木薯原料生產(chǎn)燃在總結(jié)前人成果和多年研究探索的基礎(chǔ)上,我料酒精,可實(shí)現(xiàn)能量自給,且每噸酒精5%,W可對(duì)們已完成了木薯酒精沼液回用閉路循環(huán)的框架研究外輸送電能8kWh,即可實(shí)現(xiàn)富裕的“零能耗制造”。形成如下圖所示的酒精發(fā)酵環(huán)形工藝注:以上計(jì)算發(fā)酵酒精濃度13%、沼氣產(chǎn)出360酵母酒精發(fā)酵相對(duì)粗放,對(duì)發(fā)酵原料的要求不Nm/酒精(95%,Wv。蒸汽和電力的產(chǎn)出數(shù)據(jù)是企象氨基酸等那樣嚴(yán)格,因而可以用蒸餾廢液作工藝業(yè)內(nèi)部的實(shí)際考核指標(biāo)。配料用水。酒精蒸餾廢液pH38-40,但液化糖化的33目前國(guó)內(nèi)酒精企業(yè)能耗的最好水平適宜pH分別為55和45,因而用蒸餾廢液作配料江蘇花廳酒業(yè)在10萬(wàn)噸級(jí)木薯酒精生產(chǎn)線上,用水有一個(gè)pH匹配的問(wèn)題;另一個(gè)問(wèn)題是蒸餾廢液已成功實(shí)現(xiàn)沼氣代煤作主要能源,在熱電聯(lián)產(chǎn)工程中的可溶性干固物含量高達(dá)6%-8%,廢液回配循環(huán)尚未投產(chǎn)前,就已實(shí)現(xiàn)噸酒精耗原煤0.1t以下(實(shí)中會(huì)逐漸累積,因此目前企業(yè)用蒸餾廢液循環(huán)回配際耗原煤60-80kg),與一般噸酒精需原煤0.5t指標(biāo)率最高只有30%。相比,大幅度節(jié)能80%以上(此處“原煤”熱值為蒸餾廢液經(jīng)沼氣發(fā)酵后其沼液pH為中性,可4187×5500k/kg)。該企業(yè)的酒精生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際上已溶性干固物僅02%,容易實(shí)現(xiàn)全部回用作工藝配接近“零能耗”,沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程上馬后,由于電料用水的目標(biāo);原本沼液后續(xù)耗氧處理中難降解的力有富余而上當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng),算經(jīng)濟(jì)賬即可實(shí)現(xiàn)零能耗,氨態(tài)N等小分子有機(jī)物成了酒精酵母的營(yíng)養(yǎng)物,醪體現(xiàn)在能耗成本為“零”上。液酵母密度增加了30%以上,更適宜高濃度酒精發(fā)LiquefyDistillDewaterFuel ethanolFeed water Marsh liquidMethane fermentMethane圖1酒精發(fā)酵環(huán)形工藝Flg. 1 Ethanol production circular processJoumals. im ac. n毛忠貴等:燃料乙醇制造的“零能耗零污染”趨勢(shì)酵不再需要為廢水達(dá)標(biāo)排放而必須進(jìn)行的大規(guī)模高 REFERENCES成本的耗氧處理,節(jié)約了水資源,也降低了生產(chǎn)成本[1] Yuan ZH, Wu CZ, Ma LL Fundamentals and Technology4.2仍需研究的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)on Biomass Energy Development. Chemical Industry4.2.1高濃度酒精發(fā)酵技術(shù)Press,2005,3:67-148一般研究集中在耐高滲菌種和酵母營(yíng)養(yǎng)物上袁振宏,吳創(chuàng)之,馬隆龍.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)目標(biāo)使酒精發(fā)酵穩(wěn)定在13%、底物對(duì)乙醇轉(zhuǎn)化達(dá)化學(xué)工業(yè)出版社,2005,3:67-14891%,以及發(fā)酵時(shí)間控制在60h之內(nèi)。[2] Li QL, Cao J. Application research on the anaerobic4.2.2生物質(zhì)全利用技術(shù)digestion for comprehensive treatment of dried potatresidue liquid of alcohol factory. Energy Engineering,尚有相當(dāng)量的生物質(zhì)沒(méi)有得到有效轉(zhuǎn)化,適合2001,(3):24-26,開展發(fā)酵沼氣轉(zhuǎn)化、生物高分子材料或高效微生物李泉臨,曹軍.利用沼氣技術(shù)綜合治理酒精廠廢液.能堆肥等研究。源工程,2001,(3):24264.2.3工程化技術(shù)開發(fā)等[3]Reddy LVA, Reddy ovS Rapid and enhanced production of工程化階段可能出現(xiàn)的高濃物料的輸送、蒸餾ethanol in very high gravity sugar fermentation bySaccharomyces cerevisiae. Process Biochemistry, 2004, 41粗餾塔的霧沫夾帶、沼氣發(fā)酵的脫S、環(huán)形工藝工(3):726-729程平衡等技術(shù)問(wèn)題需要解決。[4] Li CL Application of high concentration mash fermentation木薯酒精是我國(guó)生物質(zhì)能源開發(fā)中一個(gè)很好的techniques to advance energy-saving and cleaning alcoholproduction. Liquor-making Science and Technology, 2005突破口,完全可以在企業(yè)層面呈現(xiàn)一個(gè)“零能耗零污染”的樣板和技術(shù)平臺(tái)。工業(yè)生物技術(shù)界如能集李傳林.應(yīng)用濃醪發(fā)酵技術(shù),推動(dòng)酒精工業(yè)節(jié)能及清潔中一些力量,政產(chǎn)學(xué)通力合作,將為我國(guó)生物質(zhì)能生產(chǎn).釀酒科技,2005,131(5):10源事業(yè)的健康發(fā)展作出重要貢獻(xiàn),也為其他非糧燃 5] Najafpour G, Younes H, Ismail KSK. Ethanol料酒精的制造技術(shù)和后續(xù)秸稈能源化轉(zhuǎn)化技術(shù)的研fermentation in an immobilized cell reactor usingSaccharomyces Cerevisiae. Bioresource Technology, 2004發(fā)和工程化積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。41(3):251-260科學(xué)出版社科學(xué)出版中心生命科學(xué)分社新書推介生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指南【美】DJ.格拉斯著叢羽生等譯9787-03-021341-9￥35.002008年5月30日出版隨著人類和其他物種基因組的破譯,生物信息科學(xué)的發(fā)展,生命科學(xué)已成為21世紀(jì)最為活躍、發(fā)展最為迅速的先導(dǎo)性學(xué)科之一。國(guó)內(nèi)各高校十分重視生命科學(xué)的發(fā)展,相繼設(shè)立了本科生創(chuàng)新科研項(xiàng)目以設(shè)計(jì)師及研究策略和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的課程。研究生培養(yǎng)也以科學(xué)研究水平為標(biāo)準(zhǔn)。本書作者基于多年教學(xué)科研經(jīng)驗(yàn)以及與著名專家學(xué)者交流的基礎(chǔ),對(duì)生物學(xué)研究策略和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入細(xì)致的解析。本書可作為生命科學(xué)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的教材和參考資料。植物生物學(xué)與生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)高玉葆石福臣等編著9787030213365￥25002008年5月12日出版本書是在南開大學(xué)生物科學(xué)專業(yè)多年相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)高校植物生物學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀,并植物生物學(xué)與綜合國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果編制而成。全書分為植物解剖、植物分類、植物生理和植物生態(tài)4個(gè)部分,共50個(gè)實(shí)驗(yàn)。在考慮全書系統(tǒng)性的同時(shí),各部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本著相對(duì)獨(dú)立、材料易得的原則,由淺人深、循序漸進(jìn)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,使用單位可以根據(jù)教學(xué)安排,靈活選取其中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本書可作為高校生物科學(xué)專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)用書,也可作為從事植物學(xué)、植物生理學(xué)和植物生態(tài)學(xué)的科學(xué)工作者及研究生提供參考。歡迎各界人士郵購(gòu)科學(xué)出版社各類圖書(免郵費(fèi)郵購(gòu)地址:北京東黃城根北街16號(hào)科學(xué)出版社科學(xué)出版中心生命科學(xué)分社郵編:100717聯(lián)系人:阮芯聯(lián)系電話:01064034622(帶傳真)更多精彩圖書請(qǐng)登陸網(wǎng)站hp:/www.lifescience.com.cnJoumals. im ac cn