固液態發酵：高粱地里“種”汽油

讓甜高粱莖稈擺脫當柴燒甚至被丟棄的命運，而是變廢為寶，轉化成車用乙醇汽油。目前，在我國，這種生物質液體燃料生產技術，已經成功地從實驗室走進了生產線。
“我們已建成了年產5000噸，成本低于3800元/噸的燃料乙醇的產業化綜合利用示范工程，將為我國未來的生物能液體能源系統提供工藝成熟、成本低廉并具有環保效益的技術支撐。”近日，國家863課題“甜高粱莖稈制取乙醇”主要負責人、農業部規劃設計研究院高級工程師肖明松接受記者專訪，并介紹了項目的實施過程和發展前景。
高粱莖稈制乙醇，劃算在哪？
目前，用生物質資源制取燃料乙醇，是可再生能源開發利用領域里解決當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行工業發酵生產乙醇，這種技術以前在我國還是空白。”肖明松介紹說，比較煤與石油化工的烴技術體系形成歷史，糖技術發展晚得多，也不成熟，但也因之有相當大的技術改進與成本降低的空間。
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。
―――首先是資源供應量。甜高粱在我國具有較大的資源供應潛力，我國某些地區還有大量不宜開墾為農田的低質地和鹽堿地，但可種植高抗逆性能源作物甜高粱。據統計，到2015年，全國至少有795.33萬hm2土地可用來種植甜高粱；到2030年，全國至少有1887.12萬hm2土地可用來專門種植甜高粱，其中低質土地約占總面積的九成以上。據估計，如果按照4畝地甜高粱可生產1噸乙醇計算，可產燃料乙醇也將由2696萬噸增加到6739萬噸。

　　―――二是農民增收的經濟賬。農民如果種植甜高粱，籽粒產出部分收入可以達到560元/畝；然后再把莖稈按0.14元/公斤賣給燃料乙醇生產廠，莖稈部分收入則為560元/畝。這樣，農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。當前，國內外液體燃料價格不斷攀升，國內95度乙醇的市場價格已經達到4500―4700元/噸，從長遠看，隨著化石能源的供需矛盾日益加劇及全球對溫室氣體排放的進一步關注，乙醇價格預計不會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。
發酵工藝，突破在哪？
據肖明松介紹，甜高粱莖稈制取燃料乙醇技術主要包括“固態發酵法”和“液態發酵法”。固態發酵工藝具有設備簡單、投資少、建廠期短、收效快、操作容易、便于推廣的優點，與我國傳統釀酒工藝基本相同。將甜高粱莖稈粉碎后接上菌種，采用分散方式入池發酵生產原酒，再集中進行蒸餾。發酵期間沒有任何污水和污物排放，與液態發酵工藝相比，生產環境要求不高，便于在農村不發達地區推廣應用。但固態發酵工藝生產周期長，設備零散，占據較大生產場地，屬勞動密集型產業。
液態發酵工藝是目前國際上比較先進的一種發酵工藝，將甜高粱莖稈經壓榨提取汁液，采用固定化酵母流化床生物反應器快速發酵工藝，發酵醪經蒸餾可直接生產出無水乙醇。與固態發酵工藝相比，具有發酵速度快、周期短、產量高的優點，適宜高效率、自動化、大規模產業化生產。
“863課題立項之后，我們集成國內先進的燃料乙醇新技術，進行系統設計，在兩種工藝上都實現了技術突破和創新。”肖明松說。
在液態發酵工藝方面，采用微機程序控制的固定化酵母多級流化床快速發酵工藝，在山東省安丘市景芝酒業公司建成年產400噸乙醇生產性中試示范工程。經反復固定化酵母載體實驗，解決了固定化細胞技術中普遍存在的載體機械強度低、使用壽命短等技術難題；馴化篩選了耐酸能力強、活性高的乙醇酵母；并根據乙醇酵母的生理、生化特性制定了一套適用于高技術的乙醇生產新工藝。采用該項生物技術后，發酵工藝由固態間歇式變成了液態連續式；酵母由一次性使用變成了長期連續使用；由于發酵面積成幾何級數增加，使發酵時間由72―96小時縮短到8―10小時，每生產1噸乙醇可獲取增收節支效益300―500元左右。
在固態發酵工藝方面，肖明松告訴記者，課題組在黑龍江樺川四益乙醇公司建設了年產5000噸的工程示范點，優化了原料處理、菌種制備、發酵過程控制、蒸餾等工藝參數，有效地降低了過程的能耗，縮短了發酵時間，操作簡便，殘糖低，能源轉換效率高。
談到關鍵技術創新，肖明松認為，它采用先進的細胞固定化技術改造傳統的乙醇發酵工藝，并形成了一系列產業化應用技術；集成我國國內先進的精餾技術，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生物發酵飼料的方法；同時，還完成了對甜高粱莖稈制取乙醇的技術、經濟、環保和農業產業調整等方面的分析和評價。該項課題獲得了2005年聯合國工發組織頒發的“全球可再生能源領域最具投資價值十大領先技術藍天獎”。
環保壓力，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，我國目前試點推廣的車用乙醇汽油是以乙醇、汽油1∶10配合的E10型號乙醇汽油。
經過混合的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，能源作物在生長過程中要吸收大量的二氧化碳，按照碳循環的原理，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程、加工過程和使用過程對環境的影響。在種植過程中和玉米相比，甜高粱并不對環境產生附加影響；加工過程中由于采用固態發酵的成熟工藝和工藝特點，也不對環境產生額外負面影響，只是蒸餾和精餾工藝中能耗帶來的CO2排放是每生產1噸乙醇是2.57075噸，與玉米生產乙醇CO
2的產生量幾乎一樣；在燃燒過程中，含有10%%乙醇的E10比汽油燃燒排放的CO2減少了25%%。
新能源產業，前景如何？
在肖明松看來，科研人員幫助農民提高收入，“就是充分消化、利用農作物不值錢的部分，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，甜高粱莖稈生產乙醇的余渣是反芻畜類的優質飼料。將莖稈渣的皮髓分離，皮的部分可生產更高檔次的優質紙漿，髓的部分可生產優質配合飼料。經試驗和測算，用甜高粱莖稈渣生產紙漿的經濟效益，高于燃料乙醇的生產營銷。“甜高粱莖稈生產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充不可再生的化石能源的效益以外，還會促進我國農業產業結構調整、接納更多的農村富余勞動力，并將以一個嶄新的、規模巨大的能源產業推動鄉鎮企業發展。”肖明松對這一產業發展前景非常樂觀。
“就技術層面而言，無論是‘固體發酵’還是‘液體發酵’工藝都已經非常成熟，完全達到產業建設階段。”肖明松向記者透露，通過“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、內蒙古、山東勝利和新疆克拉瑪依等油田地區的企業，均已形成10萬噸甜高粱莖稈燃料乙醇生產能力建設的意向，并簽署了技術服務協議。
■數字863
示范工程主要技術指標
深化九五成果“固體發酵工藝”，建成年產5000噸乙醇的工業化生產示范工程，發酵時間達到84小時，產酒率達到8.1%%，乙醇純度達到99.5%%，試驗期間乙醇生產成本達到3194.50元/噸。
關鍵技術創新
固定化酵母工藝：該項技術是采用先進的細胞固定化技術改造傳統的乙醇發酵工藝，增產降耗效果明顯，是乙醇發酵行業的一項重大技術突破。它與傳統發酵工藝相比，具有如下特點：固定化酵母可重復使用，使用期在160天以上，抗雜菌能力強；不再需要酒母培養；和批次發酵相比發酵時間從70―80小時縮短到6―9小時；該項技術適用于所有淀粉料(包括玉米、木薯)及糖蜜料乙醇生產廠家。固定化細胞載體反復使用半年以上，由傳統法的每天接種變為每年一次性接種。發酵周期由傳統法的72小時縮短到6－9小時。
固定化酵母流化床發酵工藝及技術：該技術是目前國內外最先進的乙醇發酵工藝，國外較先進的生產企業采用該項技術（如巴西和美國），國內還僅處于實驗室和小試階段。本項目采用固定化酵母多級流化床生物反應器快速發酵技術改造乙醇廠傳統發酵工藝。固定化酵母多級流化床生物反應器制取乙醇，可使發酵時間縮短到6－9小時。
取得的發明專利等知識產權情況
甜高粱莖稈制取乙醇固體發酵技術申請號：2004100389088
用甜高粱莖稈制乙醇的廢稈渣生產生物發酵飼料的方法申請號：2004100030450
該項技術成果在2005年10月，獲得“全球可再生能源領域最具投資價值的十大領先技術”“藍天獎”