浅论我国燃料乙醇的生产发展趋势

◎ 赵龙骏，段 钢

（杰能科（中国）生物工程有限公司，江苏 无锡 214028）

我国燃料乙醇生产已有十几年的历史，目前已有约270万吨的规模。但2017年国家几部委提出大力发展燃料乙醇，预计将在未来的几年达到1 000万t的生产能力。中粮、国投、象屿集团等都有了新建燃料乙醇新工厂的规划。但笔者认为，新工厂的设计不但要从消化陈化粮的目的出发，还要考虑新技术、环保、节能等多方面因素，积极响应习主席的“绿水青山就是金山银山”的号召。这就要求在新工厂的设计上要采用更多的新技术，笔者结合蒸煮温度、浓醪发酵、染菌控制、酵母的最适pH等浅谈自己的看法。

1 蒸煮温度

目前，国际上酒精生产工艺以ICM、Delta T、Poet等工程公司的工艺为主，各工艺特点如下：①ICM的工艺特点是高温喷射（105 ℃，5 min）、低温液化（83～86 ℃，2 h）。②Delta T工艺的特点是低温蒸煮（85～90 ℃，2～3 h）。③Port工程公司目前在美国约有30家工厂，技术自行运转，不对外承接工程。其工艺特点主要是生料发酵[1]。生料发酵的特点是节能、高转化率、醪液黏度低。生料因为没有高温过程（整个过程就是发酵温度），所以节能，没有糊化及液化过程，所以整个过程醪液的黏度很低，又因为液化、糖化、发酵同步进行，酵母压力小，所以转化率高。但需注意的是，玉米的粉碎细度需严格控制，也要防止发酵过程中玉米颗粒的沉降以及发酵后分离等细节问题。

国内酒精厂的工艺主要参考Delta T的工艺，但又有所区别。特点主要是低温喷射、蒸煮，喷射温度90～95 ℃。发酵酒度12%～14%(v/v)。只有中粮集团肇东工厂三期酒度能达到15%，勉强算是高浓发酵，以肇东三期的工艺为例，其工艺流程如图1所示。

图1 肇东三期工艺流程简图

以上几个工艺各有特色，但从我国具体情况来说，笔者建议采用低温喷射，不但节能而且降低液化时糖的损失。随着酶制剂技术的进步，也证实此工艺可行。但国内有些生产厂家担心低温蒸煮会带来染菌的风险，笔者的一些同事做了一些研究，没有发现这两者之间有明显的联系，相关实验结果如图2、图3所示。而且蒸煮温度越高，DDGS饲料的颜色越深。

图2 不同蒸煮温度染菌情况图

图3 不同蒸煮温度下发酵酒度图

2 浓醪发酵

目前，国内酒精厂的酒度在12%～14%（v/v）（主要指以玉米为原料的酒精厂），只有中粮肇东三期的酒度能达到15%，但美国酒精工厂的酒度平均在18%左右。就连印度酒精工厂的酒度都要比国内高。

所以要积极推广浓醪发酵。不但要提高配料浓度，还要提高清液回配比例。这样不但节能，还能节水，更能节约成本。国内酒精厂清液回配比例在15%～25%，而美国一般在30%～50%，而且美国的酒精厂大部分是没有生物废水处理装置，其装置流程如图4所示。

图4 美国酒精厂装置流程简图

但是国内有部分厂家担心浓醪发酵会降低效率，转化率下降，残淀等指标上升。但根据一些研究数据表明，这种担心是没有依据的[2-4]。辅以一些新技术或新酶种的应用，完全可以与以前一样或更低。表1与表2是2002年与2008年美国酒精工厂酒度上升后DDGS饲料组分的比较。

表1 2002年、2004年残淀粉数据表

表2 DDGS成分表（2008年普度大学和美国能源部数据）

从表1和表2可以看出，美国酒精厂在发酵酒度上升后，其饲料的组分分析表明，残淀粉没有明显变化。特别是近几年，美国酒精厂和一些酶制剂厂家合作，以提高的出酒率为分成的基础，进一步提高了原料的利用率，残淀粉及残糖水平进一步下降。酒精生产过程中有关浓醪发酵的一些能量计算见表3。

表3 料水比与能耗表

要得到18%(V/V)的酒度，料水比1∶1.5。

美国酒精厂1995年与2015年生产主要参数对比见表4。

表4 美国酒精生产主要参数对比表

3 水的利用与平衡

随着环保的日益严格，污水的排放成本越来越高，所以水的合理应用就显得尤为重要。本文以美国酒精厂为例，说明水耗降低的途径。

①美国的酒精厂通过提高发酵酒度至18%，将料水比降到1∶1.5左右，而国内酒精厂的酒度一般在13%～14%，料水比在1∶（2.3～2.5），这样美国的酒精厂配料用水就比国内的酒精厂降低了1/3。②美国的酒精厂清液回配比例在30%～50%，而国内酒精厂的清液回配比例仅在15%～25%，这也导致国内酒精厂用水量大大增加。在美国酒精厂，大部分的水是用于冷却塔与锅炉运行，而工艺水主要通过蒸馏及干燥器蒸发的蒸汽来带走回用。美国Delta-T工程公司为美国酒精厂做的水平衡图如图5所示。

图5 酒精厂水的平衡图

从图5可以看到，目前美国酒精厂每吨酒的水耗在3.6t，而且几乎零排放。而国内酒精厂每吨酒的水耗还在6～7 t。所以说我国提升的空间还很大，任务还很艰巨。

4 酵母最适pH

从酵母本身的特性来讲，其最适pH在5.0左右，但国内酒精厂目前基本上都将发酵pH设置为3.8～4.0，这一方面是从避免染菌考虑，另一方面也是从糖化角度考虑，因为以前黑曲霉菌株生产的糖化酶AnGA，其最适pH在4.2～4.5。但在这么低的pH条件下，酵母的生存是很不舒适的，会代谢一些产物来保护自己（如甘油、海藻糖等），从而降低乙醇的转化率。

随着酶制剂技术的不断进步，目前已有最适pH在5.0～5.5的糖化酶TrGA。目前，在美国或欧洲都有酒精厂在单一pH条件下运行生产，就是指糖化、发酵都在pH5.0左右进行，过程中不去人为地调整pH。从发酵最终结果来看，单一pH对酒精转化率是有好处的。单一pH与传统过程的出酒率比较见表5。

表5 使用TrGA和AnGA糖化酶时酒精发酵结果比较表

5 结语

笔者认为，上述四点是今后几年燃料乙醇发展的趋势，特别是在设计新工厂的时候更需考虑的方向。笔者希望在燃料乙醇大发展的同时，能将我国酒精生产水平带上一个新的台阶。

[1]段 钢.新型酒精工业用酶制剂技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]刘代武，彭 涛，邬善远，等.玉米酒精浓醪发酵工艺研究[J].酿酒科技，2005，（2）：87-89.

[3]孙长平，段 钢.酒精工业中的新型酶制剂及其应用技术[J].酿酒，2007,34（1）：73-80.