固液態(tài)發(fā)酵：高粱地里“種”汽油

讓甜高粱莖稈擺脫當(dāng)柴燒甚至被丟棄的命運(yùn)，而是變廢為寶，轉(zhuǎn)化成車用乙醇汽油。目前，在我國(guó)，這種生物質(zhì)液體燃料生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)成功地從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)了生產(chǎn)線。
“我們已建成了年產(chǎn)5000噸，成本低于3800元/噸的燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化綜合利用示范工程，將為我國(guó)未來(lái)的生物能液體能源系統(tǒng)提供工藝成熟、成本低廉并具有環(huán)保效益的技術(shù)支撐。”近日，國(guó)家863課題“甜高粱莖稈制取乙醇”主要負(fù)責(zé)人、農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院高級(jí)工程師肖明松接受記者專訪，并介紹了項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程和發(fā)展前景。
高粱莖稈制乙醇，劃算在哪？
目前，用生物質(zhì)資源制取燃料乙醇，是可再生能源開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域里解決當(dāng)今液體燃料最可行的途徑。生物燃料乙醇在原料選擇上，分淀粉類和糖類作物兩種。
“我們選擇了后者，以甜高粱莖稈為原料進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，這種技術(shù)以前在我國(guó)還是空白。”肖明松介紹說(shuō)，比較煤與石油化工的烴技術(shù)體系形成歷史，糖技術(shù)發(fā)展晚得多，也不成熟，但也因之有相當(dāng)大的技術(shù)改進(jìn)與成本降低的空間。
為什么利用甜高粱莖稈制取乙醇？肖明松為記者算了三筆賬。
―――首先是資源供應(yīng)量。甜高粱在我國(guó)具有較大的資源供應(yīng)潛力，我國(guó)某些地區(qū)還有大量不宜開(kāi)墾為農(nóng)田的低質(zhì)地和鹽堿地，但可種植高抗逆性能源作物甜高粱。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2015年，全國(guó)至少有795.33萬(wàn)hm2土地可用來(lái)種植甜高粱；到2030年，全國(guó)至少有1887.12萬(wàn)hm2土地可用來(lái)專門種植甜高粱，其中低質(zhì)土地約占總面積的九成以上。據(jù)估計(jì)，如果按照4畝地甜高粱可生產(chǎn)1噸乙醇計(jì)算，可產(chǎn)燃料乙醇也將由2696萬(wàn)噸增加到6739萬(wàn)噸。

　　―――二是農(nóng)民增收的經(jīng)濟(jì)賬。農(nóng)民如果種植甜高粱，籽粒產(chǎn)出部分收入可以達(dá)到560元/畝；然后再把莖稈按0.14元/公斤賣給燃料乙醇生產(chǎn)廠，莖稈部分收入則為560元/畝。這樣，農(nóng)民種植甜高粱的平均收益為1120元/畝，與種植玉米相比較，每畝增收310元左右。
―――最后還必須算一算成本收益賬。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外液體燃料價(jià)格不斷攀升，國(guó)內(nèi)95度乙醇的市場(chǎng)價(jià)格已經(jīng)達(dá)到4500―4700元/噸，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，隨著化石能源的供需矛盾日益加劇及全球?qū)厥覛怏w排放的進(jìn)一步關(guān)注，乙醇價(jià)格預(yù)計(jì)不會(huì)有大幅下降的可能性，而甜高粱基乙醇每噸成本可降到3800元左右，因此有一定的生存和盈利空間。
發(fā)酵工藝，突破在哪？
據(jù)肖明松介紹，甜高粱莖稈制取燃料乙醇技術(shù)主要包括“固態(tài)發(fā)酵法”和“液態(tài)發(fā)酵法”。固態(tài)發(fā)酵工藝具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、建廠期短、收效快、操作容易、便于推廣的優(yōu)點(diǎn)，與我國(guó)傳統(tǒng)釀酒工藝基本相同。將甜高粱莖稈粉碎后接上菌種，采用分散方式入池發(fā)酵生產(chǎn)原酒，再集中進(jìn)行蒸餾。發(fā)酵期間沒(méi)有任何污水和污物排放，與液態(tài)發(fā)酵工藝相比，生產(chǎn)環(huán)境要求不高，便于在農(nóng)村不發(fā)達(dá)地區(qū)推廣應(yīng)用。但固態(tài)發(fā)酵工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)，設(shè)備零散，占據(jù)較大生產(chǎn)場(chǎng)地，屬勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。
液態(tài)發(fā)酵工藝是目前國(guó)際上比較先進(jìn)的一種發(fā)酵工藝，將甜高粱莖稈經(jīng)壓榨提取汁液，采用固定化酵母流化床生物反應(yīng)器快速發(fā)酵工藝，發(fā)酵醪經(jīng)蒸餾可直接生產(chǎn)出無(wú)水乙醇。與固態(tài)發(fā)酵工藝相比，具有發(fā)酵速度快、周期短、產(chǎn)量高的優(yōu)點(diǎn)，適宜高效率、自動(dòng)化、大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
“863課題立項(xiàng)之后，我們集成國(guó)內(nèi)先進(jìn)的燃料乙醇新技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在兩種工藝上都實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破和創(chuàng)新。”肖明松說(shuō)。
在液態(tài)發(fā)酵工藝方面，采用微機(jī)程序控制的固定化酵母多級(jí)流化床快速發(fā)酵工藝，在山東省安丘市景芝酒業(yè)公司建成年產(chǎn)400噸乙醇生產(chǎn)性中試示范工程。經(jīng)反復(fù)固定化酵母載體實(shí)驗(yàn)，解決了固定化細(xì)胞技術(shù)中普遍存在的載體機(jī)械強(qiáng)度低、使用壽命短等技術(shù)難題；馴化篩選了耐酸能力強(qiáng)、活性高的乙醇酵母；并根據(jù)乙醇酵母的生理、生化特性制定了一套適用于高技術(shù)的乙醇生產(chǎn)新工藝。采用該項(xiàng)生物技術(shù)后，發(fā)酵工藝由固態(tài)間歇式變成了液態(tài)連續(xù)式；酵母由一次性使用變成了長(zhǎng)期連續(xù)使用；由于發(fā)酵面積成幾何級(jí)數(shù)增加，使發(fā)酵時(shí)間由72―96小時(shí)縮短到8―10小時(shí)，每生產(chǎn)1噸乙醇可獲取增收節(jié)支效益300―500元左右。
在固態(tài)發(fā)酵工藝方面，肖明松告訴記者，課題組在黑龍江樺川四益乙醇公司建設(shè)了年產(chǎn)5000噸的工程示范點(diǎn)，優(yōu)化了原料處理、菌種制備、發(fā)酵過(guò)程控制、蒸餾等工藝參數(shù)，有效地降低了過(guò)程的能耗，縮短了發(fā)酵時(shí)間，操作簡(jiǎn)便，殘?zhí)堑停茉崔D(zhuǎn)換效率高。
談到關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，肖明松認(rèn)為，它采用先進(jìn)的細(xì)胞固定化技術(shù)改造傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵工藝，并形成了一系列產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)；集成我國(guó)國(guó)內(nèi)先進(jìn)的精餾技術(shù)，定型燃料乙醇精餾工藝與裝備；還研究出用甜高粱莖稈制乙醇的廢稈渣生產(chǎn)生物發(fā)酵飼料的方法；同時(shí)，還完成了對(duì)甜高粱莖稈制取乙醇的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整等方面的分析和評(píng)價(jià)。該項(xiàng)課題獲得了2005年聯(lián)合國(guó)工發(fā)組織頒發(fā)的“全球可再生能源領(lǐng)域最具投資價(jià)值十大領(lǐng)先技術(shù)藍(lán)天獎(jiǎng)”。
環(huán)保壓力，能否減輕？
“甜高粱莖稈制取乙醇，最終將使用于汽車燃料，成為車用乙醇汽油。”肖明松說(shuō)，我國(guó)目前試點(diǎn)推廣的車用乙醇汽油是以乙醇、汽油1∶10配合的E10型號(hào)乙醇汽油。
經(jīng)過(guò)混合的E10車用乙醇汽油是一種清潔燃料，燃燒后可明顯降低CO2、CO、CH4等溫室氣體和有害氣體的排放量。同時(shí)，能源作物在生長(zhǎng)過(guò)程中要吸收大量的二氧化碳，按照碳循環(huán)的原理，和化石燃料相比，不額外增加二氧化碳的排放。
課題組綜合分析了甜高粱莖稈制取乙醇的種植過(guò)程、加工過(guò)程和使用過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響。在種植過(guò)程中和玉米相比，甜高粱并不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生附加影響；加工過(guò)程中由于采用固態(tài)發(fā)酵的成熟工藝和工藝特點(diǎn)，也不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生額外負(fù)面影響，只是蒸餾和精餾工藝中能耗帶來(lái)的CO2排放是每生產(chǎn)1噸乙醇是2.57075噸，與玉米生產(chǎn)乙醇CO
2的產(chǎn)生量幾乎一樣；在燃燒過(guò)程中，含有10%%乙醇的E10比汽油燃燒排放的CO2減少了25%%。
新能源產(chǎn)業(yè)，前景如何？
在肖明松看來(lái)，科研人員幫助農(nóng)民提高收入，“就是充分消化、利用農(nóng)作物不值錢的部分，并賦予它高附加值。”
甜高粱“渾身是寶”。用甜高粱莖稈為原料制取乙醇，比用玉米、薯干等糧食每噸成本可降低500元。同時(shí)，甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇的余渣是反芻畜類的優(yōu)質(zhì)飼料。將莖稈渣的皮髓分離，皮的部分可生產(chǎn)更高檔次的優(yōu)質(zhì)紙漿，髓的部分可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)配合飼料。經(jīng)試驗(yàn)和測(cè)算，用甜高粱莖稈渣生產(chǎn)紙漿的經(jīng)濟(jì)效益，高于燃料乙醇的生產(chǎn)營(yíng)銷。“甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇與糧食為原料比較，除同樣具有原料可再生性、緩解大氣污染和部分補(bǔ)充不可再生的化石能源的效益以外，還會(huì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、接納更多的農(nóng)村富余勞動(dòng)力，并將以一個(gè)嶄新的、規(guī)模巨大的能源產(chǎn)業(yè)推動(dòng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展。”肖明松對(duì)這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景非常樂(lè)觀。
“就技術(shù)層面而言，無(wú)論是‘固體發(fā)酵’還是‘液體發(fā)酵’工藝都已經(jīng)非常成熟，完全達(dá)到產(chǎn)業(yè)建設(shè)階段。”肖明松向記者透露，通過(guò)“十五”期間“甜高粱莖稈制取乙醇”示范工程的影響，目前已有黑龍江大慶、內(nèi)蒙古、山東勝利和新疆克拉瑪依等油田地區(qū)的企業(yè)，均已形成10萬(wàn)噸甜高粱莖稈燃料乙醇生產(chǎn)能力建設(shè)的意向，并簽署了技術(shù)服務(wù)協(xié)議。
■數(shù)字863
示范工程主要技術(shù)指標(biāo)
深化九五成果“固體發(fā)酵工藝”，建成年產(chǎn)5000噸乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)示范工程，發(fā)酵時(shí)間達(dá)到84小時(shí)，產(chǎn)酒率達(dá)到8.1%%，乙醇純度達(dá)到99.5%%，試驗(yàn)期間乙醇生產(chǎn)成本達(dá)到3194.50元/噸。
關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新
固定化酵母工藝：該項(xiàng)技術(shù)是采用先進(jìn)的細(xì)胞固定化技術(shù)改造傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵工藝，增產(chǎn)降耗效果明顯，是乙醇發(fā)酵行業(yè)的一項(xiàng)重大技術(shù)突破。它與傳統(tǒng)發(fā)酵工藝相比，具有如下特點(diǎn)：固定化酵母可重復(fù)使用，使用期在160天以上，抗雜菌能力強(qiáng)；不再需要酒母培養(yǎng)；和批次發(fā)酵相比發(fā)酵時(shí)間從70―80小時(shí)縮短到6―9小時(shí)；該項(xiàng)技術(shù)適用于所有淀粉料(包括玉米、木薯)及糖蜜料乙醇生產(chǎn)廠家。固定化細(xì)胞載體反復(fù)使用半年以上，由傳統(tǒng)法的每天接種變?yōu)槊磕暌淮涡越臃N。發(fā)酵周期由傳統(tǒng)法的72小時(shí)縮短到6－9小時(shí)。
固定化酵母流化床發(fā)酵工藝及技術(shù)：該技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的乙醇發(fā)酵工藝，國(guó)外較先進(jìn)的生產(chǎn)企業(yè)采用該項(xiàng)技術(shù)（如巴西和美國(guó)），國(guó)內(nèi)還僅處于實(shí)驗(yàn)室和小試階段。本項(xiàng)目采用固定化酵母多級(jí)流化床生物反應(yīng)器快速發(fā)酵技術(shù)改造乙醇廠傳統(tǒng)發(fā)酵工藝。固定化酵母多級(jí)流化床生物反應(yīng)器制取乙醇，可使發(fā)酵時(shí)間縮短到6－9小時(shí)。
取得的發(fā)明專利等知識(shí)產(chǎn)權(quán)情況
甜高粱莖稈制取乙醇固體發(fā)酵技術(shù)申請(qǐng)?zhí)枺?004100389088
用甜高粱莖稈制乙醇的廢稈渣生產(chǎn)生物發(fā)酵飼料的方法申請(qǐng)?zhí)枺?004100030450
該項(xiàng)技術(shù)成果在2005年10月，獲得“全球可再生能源領(lǐng)域最具投資價(jià)值的十大領(lǐng)先技術(shù)”“藍(lán)天獎(jiǎng)”