球磨玉米秸秆高固体酶解工艺模拟及经济性分析

何丁平，吕 雪，郭东毅，史苏安，韩鲁佳，肖卫华

(中国农业大学 工学院，北京 100083)

能源是人类赖以生存和发展的重要基础，随着全球经济的快速发展，人类对能源的需求越来越大，据世界能源理事会(World Energy Council)预测，到2030年全球能源需求将增长45%～60%，届时一次能源的消耗将增加至每天3.34亿桶石油，为2000年的2.05亿桶的1.5倍多[1]。同时，化石燃料燃烧后会放出有毒的空气污染物，如颗粒物(PM2.5)、多环芳烃(PAHs)、氮氧化物(NOx)和改变气候的气体二氧化碳(CO2)[2]，这不仅会影响全球气候，而且还会危害人类健康。充分利用林业和农业废弃物等生物资源发展生物质产品(如纤维素乙醇和乳酸)将有助于改善能源结构，缓解气候问题[3]。

我国是农业大国，农作物秸秆年产量巨大，据统计，2015年底，全国农作物秸秆总量10.4亿t，玉米秸秆可收集资源量达3.61亿t[4]。利用丰富的农作物秸秆生产生物乙醇是实现木质生物质高值化的重要方式。生物乙醇的生产过程包括原料的预处理、酶解发酵及乙醇的分离和提纯[5]。通常工业化蒸馏过程要求乙醇质量分数高于4%，即糖的质量浓度不低于80 g/L，相应的固体加载量至少达到15%[6-7]。然而随着固体加载量的增大，酶解体系的黏度增大、流动性变差、传质和传热受限，最终导致酶解效率下降[7]。球磨是一种环境友好、效果显著、高耗能的物理预处理方式，球磨工艺能够显著降低秸秆的粒径和结晶度，增加纤维素对酶的可及性，降低酶解体系中的黏度和屈服应力，从而提高糖产量[8-9]。

Aspen plus是一个基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价分析的大型化工过程模拟软件[10]。目前基于Aspen plus软件建立的化工过程模拟平台已应用于木质生物质生产L-乳酸[11]、乙醇[12-13]、琥珀酸[14]、衣康酸[15]和葡萄糖酸[16]的研究中，利用Aspen plus建立的工艺模型及其经济性分析，对于木质生物质高值化产品的工业生产具有重要借鉴意义。

本研究采用球磨预处理玉米秸秆，考察不同固体加载量和酶加载量下的酶解效果，并基于实验数据，通过Aspen plus软件模拟了年处理30万t玉米秸秆，经球磨预处理及高固体酶解产糖过程，并进行经济效益分析与灵敏度分析，以期为生物乙醇的产业化生产提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与实验

1.1.1材料与试剂

所用的玉米秸秆采自中国农业大学上庄实验站；色谱纯葡萄糖、木糖、纤维二糖以及阿拉伯糖等标准品和酶制剂(Novozymes CTec2，批号：VCSI0028)，Sigma-Aldrich公司，参照文献[17]的方法，测得CTec2酶活为201.9 FPU/mL。

1.1.2 玉米秸秆的预处理

前处理：玉米秸秆经自然风干，然后用铡刀切断成2～5 cm，再使用锤片式粉碎机(RT-34型，香港荣聪精密科技优先公司)粉碎并过1 mm筛。

球磨预处理：将上述所得玉米秸秆样品置于CJM-SY-B型振动球磨粉碎机腔内(2 L)进行预处理。球磨介质为氧化锆，球料填充率30%，球料的体积比为2∶ 1，外部冷凝水水温设为20 ℃，球磨60 min。

1.1.3 球磨玉米秸秆高固体酶解

称取1 g球磨后的玉米秸秆样品置于25 mL的锥形瓶中，加入含有CTec2不同量的柠檬酸钠缓冲液(pH为4.8)，制成10%、20%和30%(质量分数)固体，酶加载量分别为10和20 FPU/g的CTec2(以1 g底物计)，并加入0.08 g/L的四环素盐酸盐以防止微生物干扰。最后置于50 ℃、200 r/min的恒温培养摇床中酶解72 h后，固-液混合样品，需稀释、灭活后取酶解液测定碳水化合物浓度。

1.1.4 玉米秸秆组成和酶解液产物的测定

参照文献[18-19]的方法，测定秸秆中各组分的组成，结果见表1。

表1 玉米秸秆主要成分

参照文献[20]的测定方法，测定酶解液的组成。测定条件：高效液相色谱(Waters e2695型)配有示差折光检测器，分析柱为Aminex HPX-87P(Bio-Rad公司)，柱温为80 ℃，流动相为超纯水，流速0.6 mL/min，进样体积为20 μL，洗脱时间40 min。主要的酶解产物包括葡萄糖、纤维二糖、木糖以及阿拉伯糖，葡萄糖得率Yg、木糖得率Yx以及葡聚糖转化率Cg分别按照式(1)～(3)计算。

(1)

(2)

(3)

式中：mg、mx、mc分别为酶解液中葡萄糖、木糖、纤维二糖质量(g)；fg、fx分别为秸秆中葡聚糖和木聚糖质量分数(%)；m为球磨后参与酶解的样品质量(g)； 1.111是纤维素向葡萄糖的转化因子、1.136为木聚糖向木糖的转化因子、1.053为纤维二糖向葡萄糖的转化因子。

1.2 基于Aspen plus球磨玉米秸秆高固体酶解工艺过程模型的建立

1)物性方法的选择。在Aspen plus过程模拟计算中，选择正确的物性方法关系到模型的合理性和准确性。木质纤维素生物质的物理性质已有报道，采用电解质非随机双液体(NRTL)物性方法作为全局物性方法[20]，该方法能够描述理想溶液的气液平衡和液液平衡，应用广泛。

2)物性数据库的建立。参照美国国家可再生能源实验室(NREL)文献[21]，设计年处理30万t玉米秸秆，考虑到实际工况，年工作时间为7 884 h，按照玉米秸秆各组分含量相应地输入确切数值的质量流，其中酶的用量依据Novozyme CTec2密度为1.202 g/mL和所测得的滤纸酶活201.9 FPU/mL计算得出。

3)选择合适的操作单元和参数。本研究工艺包括原料前处理、球磨预处理、酶解工段、燃烧工段，因此工艺设备主要涉及混合器、球磨机、糖化罐、泵、燃烧炉、气体压缩机及热交换器等，具体参数设定主要参照文献[21]；糖化罐中的酶解反应主要依据本文中酶解实验数据；副产物以及燃烧炉中反应数据参照文献[22]，并根据实际操作进行调整。

1.3 经济性分析

对本研究建立的Aspen plus模型工艺进行技术经济性分析，其中总成本主要由总投资费用(TCI)和总生产成本(TPC)构成，而该工艺的经济收益来源主要包括售卖糖产品和燃烧发电产生的多余电能。

1.3.1 资本和生产成本估算

总投资费用TCI包括固定资本投资(FCI)、运营资本(WC)和土地费用(LC)[21]。FCI由总直接成本(TDC)、总间接成本 (TIC)组成。为了估算固定资本投资(TDC)，使用购买设备成本和适用安装系数估算总安装设备成本，并采用规模拓展指数和化学工程工厂成本对设备尺寸或年份的成本数据进行调整。总直接成本(TDC)包括总安装成本、仓库、额外管道和场地开发成本，预计约为总安装成本的103%，主要设备购买费用和安装费用如表2所示。总间接成本(TIC)包括现场费用、建设费用、工程应急款、摊派费用和启动费用，这部分费用将占到总直接成本的60%，而运营资本(WC)预计为固定资本投资(FCI)的5%[24]。

总生产成本TPC包括总可变成本(TVC)、总固定成本(TFC)和工厂间接成本(POC)。材料成本、工艺设备和废料处理费用构成了总可变成本；而总固定成本(TFC)由劳动力、折旧费和维检费构成；工厂间接成本(POC)包括资产保险和税收[25]。并且上述经济性分析计算考虑了2015年通货膨胀率1.4%。

1.3.2 盈利能力和灵敏度评估

生物炼制厂的盈利能力通常基于净现值(NPV)、最低产品售价(MESP)以及年平均投资回报率(ROI)。NPV是指在未来生产中资金流入与支出的差额，MSEP是指在资本回收期内(通常为7年)[21]，内部收益率为10%、净现值为0时的售价。ROI是指在一定时期内企业税后净利润与资产总额的比值。假设3年的建设期，每年的投资资本分别按总资本费用的10%、60%和30%投入，一般工厂恢复期7年(其中包括3年的工厂建设期，第四年开始投入生产)，工厂使用寿命为30年，并且生产的产品全部卖出[21]。经济变量的偏差，包括税率、营运资本、生产成本、产品价格、酶成本和原料成本，这都可能会影响盈利能力，从而成为投资风险的来源。该投资风险通过敏感性分析进行调查，基于上述变量作±25%调整后，对糖售价进行灵敏度评估，评估按照式(4)～(5)计算。

(4)

(5)

式中：t为年限，CFt为第t年的净现金流量(万元)，i为基准折现率(本研究中取i=10%)，当NPV为0时，计算得到的i值为内部收益率；v为企业所得税，本研究中取值为25%；P为糖的价格(元)；S为糖的年产量(t)；m为生产年限，本研究中设定工厂恢复期为7年，前3年为工厂建设期，故m取4；n为工厂恢复期，n取7；CAPC为年度生产成本(元)，CTCI为总投资费用(元)。

主要设备编号、名称、参数及相关费用如表2所示。

表2 主要设备购买费用和安装费用

2 结果与讨论

2.1 球磨玉米秸秆高固体酶解

2.1.1 固体加载量对酶解效果的影响

图1为球磨玉米秸秆在不同固体加载量和酶加载量下的糖得率。由图1可知：在10 FPU酶加载量以1 g底物计、10%固体加载量下酶解72 h，未球磨预处理玉米秸秆的葡萄糖和木糖得率仅为33.54%和14.34%；而经球磨60 min预处理，葡萄糖和木糖得率分别达到了67.08%和49.09%；当固体加载量增加到30%时，葡萄糖和木糖得率分别降至57.31%和40.02%，这可能是在30%固体加载量下，酶解过程中的浆体因黏度过大而无法流动，导致局部混合不均，酶解不充分，并且随着固体加载量的增加，酶解液中糖浓度显著增加。糖浓度过高也会存在产物抑制现象，抑制葡聚糖向纤维二糖、葡萄糖以及木聚糖向木糖的转化。这与文献[6-7]中所提及的“固体效应”相一致。最终，在10 FPU酶加载量和20%固体加载量下，葡萄糖和木糖得率分别达到66.11%和47.66%，葡聚糖转化率为80.57%，总单糖质量浓度达到86.38 g/L，在保持较高的转化率下，实现糖浓度最大化，以满意乙醇的经济性要求。

10 FPUa、10 FPUb表示未经球磨预处理的玉米秸秆在10 PFU酶加载量下，固体加载量分别为10%和30%(下同)图1 球磨玉米秸秆在不同固体加载量和酶加载量下糖得率Fig.1 Sugar yield of ball milled corn straw under different solid loading and enzyme loading

2.1.2 酶加载量对酶解效果的影响

图2为球磨玉米秸秆在不同固体加载量和酶加载量下的单糖浓度。由图2可知：经球磨预处理玉米秸秆60 min，在相同固体加载量下，酶加载量由10 FPU增加至20 FPU，糖得率和糖浓度均出现不同程度的增加。其中，葡聚糖转化率纤维二糖产量增加尤为显著，增幅为15%，木糖增加10%左右，葡萄糖增长量低于10%；在20 FPU底物酶加载量下，葡聚糖的转化率均超过了98%，主要是由于纤维二糖得率的增加。CTec2是一款含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和半纤维素酶的混合酶，增加1倍酶用量，并没有产生相应倍数的糖得率，尤其是木糖得率提高有限。这一方面是由于木质纤维生物质顽抗的物理结构，纤维素表面被木质素和半纤维素包裹，球磨工艺改变玉米秸秆的粒径和结晶度，并没有分离出木质素，木质素与酶的无效吸附会降低酶解效果，导致糖得率下降[6]；另一方面，较高水平的葡萄糖浓度抑制了CTec2中的β-葡萄糖苷酶作用与纤维二糖的反应，使得葡聚糖酶解得到的纤维二糖不断积累[7]。

图2 球磨玉米秸秆在不同固体加载量和酶加载量下单糖浓度Fig.2 Sugar concentration of ball milled corn straw under different solid loading and enzyme loading

2.2 模拟结果与分析

图3为球磨玉米秸秆高固体酶解工艺流程，包括前处理工段、球磨工段、酶解糖化工段以及燃烧工段。前处理阶段：首先玉米秸秆经过旋回破碎机(shred)破碎成2～5 cm，由混合器(mix-1)送至棒磨机(grind)进一步将玉米秸秆粗粉碎至1 mm，经筛分器(screen)传至球磨粉碎机(ball mill)。球磨工段为球磨粉碎机将玉米秸秆进一步超微粉碎，经模拟原料中的粒径D50计算结果为16.85 μm。高固体酶解阶段，在糖化罐(reactor)中反应，反应温度为50 ℃、固体加载量为20%、酶加载量10 FPU CTec2，运行时间设为72 h，主要酶解反应式如表3所示，酶解后的浆体被泵(P-2)输送到过滤器(filter)，最后得到糖液。燃烧工段，从过滤器分出的固体，包括木质素、未被转化的纤维素及半纤维素，在锅炉中燃烧这些副产物产生蒸汽和电力，多余的电力可以出售给电网。锅炉中的反应及转化率借鉴2011年NREL研究，锅炉燃烧温度设为870 ℃，效率为80%。

图3 球磨玉米秸秆高固体酶解工艺流程Fig.3 Flow chart of the high solid enzymatic hydrolysis process with ball milled corn straw as substrate

表3 糖化罐中的主要反应

本研究基于物料质量守恒定律，对年处理30万t玉米秸秆经球磨预处理高固体酶解工艺进行了物料衡算，结果见表4。由表4可知：Aspen plus模拟球磨高固体酶解工艺主要物流信息，模拟计算得到S14流股糖液总质量流量为14 263.53 kg/h，其中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖的质量流量分别为10 147.4、3 710.5、221.0、54.5和129.8 kg/h；核算成总单糖质量为112 453.7 t/a，酶解利用率达37.48%，并且本研究得到总单糖质量浓度(包括葡萄糖、木糖和阿拉伯糖)为86.38 g/L，达到乙醇的经济性生产的要求，总单糖质量浓度不低于80 g/L[6, 26]。此外投入到锅炉燃烧的流股S13中的酶解固体剩余物包括木质素、纤维素、木聚糖、阿拉伯糖、甘露聚糖和半乳聚糖，其质量流量分别为5 696.8、4 172.0、3 594.0、653.8、164.8和392.8 kg/h。

表4 Aspen plus模拟球磨高固体酶解工艺主要物流信息

2.3 经济性分析

发展纤维素乙醇等生物基产品能够替代传统的化石能源，优化能源结构，构建安全清洁低碳高效的能源体系，推动减污降碳的协调效益，早日实现碳达峰、碳中和目标。基于Aspen plus软件对球磨玉米秸秆高固体酶解工艺进行模拟的最终目的是确定该工艺酶解产糖的经济性，以期通过改进工艺来指导规模化生产。

2.3.1 资本和生产成本估算

表5为球磨玉米秸秆高固体酶解工艺的总资本投资及其各项费用。由表5可知，总投资费用(TCI)为71 412.7万元，其中总直接成本(TDC)占比超过59.6%，为42 595.6万元。表6为总可变成本及其各项费用，总可变成本(TVC)为18 453.9万元，其中玉米秸秆原料的成本最高达13 344.6万元，其次是酶的费用为11 130.8万元。此外，值得一提的是，电力价格是总可变成本(TVC)中唯一负相关的因素，这是由于锅炉燃烧产生1.36亿KW·h的电，其中30%用于球磨粉碎机和糖化罐的需求，剩余70%出售给国家电网。另外按照糖产量112 453.7 t/a的换算，总可变成本为1 634.9元/吨(以1 t糖计)，秸秆原料和酶的成本分别为1 186.7元和989.7元。根据《化工厂的设计和经济学》和NREL的研究报告[21]，结合实际情况，总固定成本TFC主要为劳动力成本和资产税约1 594.5万元，工厂间接成本(POC)包括折旧费和一般费用(10%TDC)约4 431.383万元，因此推算出年度总生产成本TPC(TPC=TVC+TFC+POC)为2 4479.4 万元，核算成2 176.8 元/吨糖产品。

表5 总资本投资及其各项费用

表6 总可变成本及其各项费用

2.3.2 盈利能力和敏感性评估

基于上述的估算：总投资费用(TCI)为71 412.7万元、年度总生产成本为24 479.4万元、年产糖112 453.7 t。在7年的资本回收期内，内部收益率为10%时，最低糖售价不低于3 086.2元/吨，净现值才大于零，意味着具备盈利潜力，折算成年平均投资回报率(ROI)为6.13%，而市场上糖的价格维持在3 635.2～4 362.2元/吨[28]。因此，作为生物基产品的发酵糖源，本工艺对后续生物基发酵或生物质产品的规模化生产具有一定的应用潜力和借鉴价值。

基于上述的分析，影响糖售价的主要因素有总投资费用(TCI)、税率以及总可变成本中的玉米秸秆价格、酶价格和电力价格。在年平均投资回报率(ROI)为6.13%的情况下，通过对总投资费用、玉米秸秆价格、酶价格、电力价格和税率进行±25%的变化，对糖售价进行灵敏度分析，结果见图4。由图4可知：影响糖售价的因素从大到小的顺序依次是玉米秸秆价格、酶的价格、总投资费用、电力价格和税率。

图4 影响糖售价因素的灵敏度分析Fig.4 Sensitivity analysis of factors influencing sugar price

3 结论

球磨预处理玉米秸秆60 min，在10 FPU(以1 g底物计)的酶加载量下，固体加载量(质量分数)由20%增加到30%，葡萄糖得率由66.11%下降至57.31%，木糖得率也由47.66%降至40.22%，表现出较强的产物抑制现象，酶加载量增加到20 FPU时，木糖得率普遍提高了10%，葡聚糖转化率超过98%，这归功于纤维二糖得率提升了15%左右，但是总体酶解的效果提升有限。此外，通过Aspen plus软件对年处理30万t球磨玉米秸秆高固体酶解工艺过程进行设计，模拟得到年产量为112 453.7 t的糖，经济性分析得总投资费用为71 412.7万元，年度生产成本为24 479.4万元，核算成2 176.8元/吨糖。在净现值为0、内部收益率为10%时，最低糖售价为3 086.2 元/吨，年平均投资回报率约为6.13%，该工艺对后续生物基发酵或生物质产品的规模化生产具有借鉴意义。基于6.13%年平均投资回报率，经灵敏度分析，影响糖售价的主要因素为玉米秸秆价格、酶价格以及总投资费用。因此，除了优化总投资方费用外，还可以通过改善秸秆收集、运输和存储方式来降低秸秆原料价格，筛选或改造能够生产更高效纤维素酶的菌株，从而进一步降低生产成本，使得生物质产品更具有竞争力。