1、甜高粱固态发酵生产燃料乙醇1、甜高粱固态发酵生产燃料乙醇简介随着经济快速增长，能源需求量不断增大，我国已成为世界第二大石油进口国，石油进口依存度接近 50%，发展生物能源已成为关系国家能源战略安全的大事。根据国家“可再生能源十一五规划” ，到 2010 年将增加非粮原料燃料乙醇年利用量 200 万吨，鼓励以甜高粱茎杆和薯类作物等非粮生物质为原料的燃料乙醇生产。甜高粱生长迅速、糖分积累快，茎杆中的糖分经过简单发酵就生成燃料乙醇，并且甜高粱具有抗旱、耐涝、耐盐碱，对土壤肥料要求不高，可利用低质土地种植，不挤占耕地，适合我国人均耕地面积少的国情，因而甜高粱乙醇被认为是在我国发展燃料乙醇的最佳选择。甜
2、高粱乙醇存在着产率低和季节性强的问题，每生产 1 吨燃料乙醇需要1618 吨甜高粱茎杆，同时产生与原料相同重量的固体废渣，并且甜高粱季节性强需要在短时间内集中收获，这导致甜高粱乙醇的运输和贮存成本很高，而且甜高粱种植半径随着生产规模的扩大而增大，运输成本将成倍增长，因而甜高粱乙醇不适于工业化大规模生产。中粮和 BP 公司曾经联合在河南和山东等地开展甜高粱乙醇试点项目，最终就是由于甜高粱运输和贮存成本过高，不适于工业化大规模生产而放弃。化整为零分散式和土地轮作的生产方式是甜高粱乙醇运输和贮存成本高的有效解决途径。万亩种植面积或村镇为单位，分散建立年产量千吨级的工厂，所产生的固体废料作为饲料就地直
3、接销售，减少周转环节降低运输成本；增加土地轮种次数可以减少工厂与种植基地的运输距离，还可以保障工厂长时间原料供应，减少原料贮存成本。甜高粱适应性很强在南北方均可种植，但是在不同地区甜高粱可轮作的次数不同。东北地区每年可种植一季甜高粱，华北地区每年可种植一季半，南方地区每年可种植两到三季。南方地区更适于甜高粱轮作的生产方式。但是，南方甜高粱乙醇的生产模式目前未见报道，有待于开展系统性的研究。甜高粱乙醇分散式生产方式由多个千吨级的工厂组成，由于每个工厂的生产规模小，这就要求设备工艺简单，易操作维护；环境污染少，无需污染物处理设备。与液态发酵相比，固态发酵具有设备工艺简单，投资成本少，易于操作维护，
4、在小体积下有更好的经济性；基质水分含量低，发酵废渣经干燥就可做成饲料，无废水和废物排放，真正做到清洁生产。固态发酵更符合分散式生产方式的要求。固态发酵生产燃料乙醇还存在一系列问题有待解决，传统固态发酵技术为开放式体系易染杂菌，发酵条件难以精确控制，底物转化率低，产物生成速度慢，机械化和自动化程度低，主要依靠经验操作，劳动强度大。近年来，随着人们对固态发酵认识的不断深入，理论体系的不断完善，开发出一系列新工艺和新型生物反应器及设备，在一定程度上克服了传统固态发酵的缺点，提高了固态发酵的生产效率。这些理论和工程技术的研究成果在甜高粱固态发酵生产燃料乙醇领域的应用，必然将加快甜高粱乙醇产业的形成和发
5、展，促进我国能源结构的优化。2、甜高粱乙醇固态发酵工艺2-1、固态发酵概述固态发酵是指在不含或几乎不含自由水的湿的固体物料中培养微生物的过程，基质水活度低是固态发酵最显著的特点。发酵环境类似于自然环境，固态底物不仅起到一个提供碳源、氮源、水分、无机物和其它营养物的作用，也为微生物的生长提供了一个固定的位置，适于真菌生长。发酵体系多为稳定的复合菌群，代谢产物途径多样，形成复杂的代谢网络，不但提高基质降解和产物生成速度，还可以产生风味物质和香气物质等特殊产物。固态发酵原料来源广泛，成本低廉，多为便宜的天然基质或工业生产的下脚料。设备投入少，易于操作和维护。节约能源，动力成本低。基质水分含量低，产物
6、浓度高，下游加工的成本低。无废渣和废水产生，易实现清洁生产。已被广泛应用于在酿酒、食品、农业、医药和环保等行业，用于生产酶制剂、单细胞蛋白、有机酸、酒精和生物杀虫剂以及生物能的转化、固态废弃物的处理。固态发酵基质含水量低，传热传质差，造成基质中热量和物质分布不均匀。通过有效的通风调节、混合和热的移除来控制温度、水活度、气体的氧浓度等操作参数，维持基质床层内部的均匀性。固态发酵培养微生物种类多样，包括真菌、酵母和细菌，各类微生物对温度、湿度、供氧、搅拌、无菌控制等条件的要求不一。为满足不同微生物生长和产物形成的要求，与液态发酵反应器相比，固态发酵反应器结构更为多样。根据基质运动状态，固态发酵反应
7、器可以分为静态固态发酵反应器和动态固态发酵反应器。在静态固态发酵反应器中，物料在发酵过程中处于静止状态，设备具有结构简单、放大问题小、操作能耗低等优点。但是由于物料处于静止状态，传热与传质即热量和氧气传递困难，导致基质内部温度、湿度不均，菌体生长状态不均匀，在发酵过程中通常需要人工间歇翻动物料。静态固态发酵反应器主要包括塔柱式、浅盘式和强制通风物料静态反应器等。在动态固态发酵反应器中，物料处于间歇或连续的运动状态，有利于传热和传质，设备结构紧凑，自动化程度相对较高。但机械部件多，结构复杂，灭菌消毒比较困难，固态物料的搅拌能耗过大，设备的放大较困难。动态固态发酵反应器主要包括转鼓式反应器、旋转圆
8、盘式反应器、固态搅拌反应器、流化床反应器和塔式反应器。2-2、白酒固态发酵工艺我国白酒采用固态酒醅发酵和固态蒸馏传统操作，是世界上独特的酿酒工艺。乙醇固态发酵工艺是在白酒固态发酵工艺的基础上改造而来，至今仍有许多地方将闲置的白酒厂经适当的技术改造，用于甜高粱乙醇的生产。对白酒固态发酵工艺的了解有助于加深乙醇发酵过程中关键问题的理解。固态发酵法白酒生产特点之一，是采用比较低的温度，让糖化作用和发酵作用同时进行，即采用边糖化边发酵的同步糖化工艺。糖化进行缓慢，但这样便于控制。因起始阶段发酵缓慢，窖内升温慢，酵母不易衰老，发酵度会高。开始糖化温度高，则糖分过多积累，温度又高，杂菌容易繁殖。在边糖化边
9、发酵过程中，被酵母利用发酵的糖，是在整个过程中逐步产生和供给的，酵母不致过早地处于浓厚的代谢产物环境中，故较为健壮。控制入池温度，可以防止酵母快速衰老，防止杂菌污染，但也降低了糖转化率低。续渣发酵是白酒固态发酵的另一特点，发酵过程中水分基本上是包含于酿酒原料的颗粒中。由于高粱、玉米等颗粒组织紧密，糖化较为困难，更由于是采用固态发酵，淀粉不容易被充分利用，故蒸酒后的酒醅需再进行继续发酵，以利用其残余淀粉。常采用减少一部分酒糟，增加一部分新料，配醅继续发酵，反复多次，这是我国特有的酒精发酵法。发酵成熟醪中除了含有 7%11%的酒精外，还含有大量的水分、醇、醛、酸、酯类挥发性物质、浸出物、无机盐、酵
10、母泥和其他不挥发性物质以及夹杂物。要得到高浓度和高纯度的酒精就需要用酒甑蒸馏和精馏，把酒精从成熟醪中分离出来。2-3、甜高粱乙醇固态发酵的研究现状我国人均耕地面积少，人均粮食产量低的国情决定的，不适于发酵粮食乙醇。甜高粱分布广，从海南岛到黑龙江，凡 10oC 以上的积温达 26004100oC 的地区均可种植。甜高粱适应能力强，具有抗旱、耐涝、耐盐碱的特性，能适应pH5.68.5 的土壤，可以利用低产、荒芜的盐碱地和其他荒地。我国仅盐碱地就有 1067 万公顷。茎秆富含糖份，糖汁含量高达 50%70%，锤度 12%22%。甜高粱压榨出汁率 48.6%51.6%1，主要糖成分为蔗糖、果糖和葡萄糖
11、，其中蔗糖成分最高占到糖总量的 70.22%，其次是果糖占 12.21%，葡萄糖占 11.42%2。利用甜高粱杆发酵制取乙醇，多是采用榨汁后液态发酵的方法。甜高粱在收获后的贮存过程中，水分流失比较严重必须立即集中进行榨汁，存在着额外的运输费用与榨汁费用。更重要的是液态发酵中废水处理是个大难题，污染比较严重。利用甜高粱直接粉碎后进行固态发酵，可以节省榨汁成本。此外，固态发酵具有需水量少，发酵残渣少，需要能量少，投资少，运作费用低，空间要求低，产生废水少等一系列。表 1 不同原料的产量和乙醇产出量比较作物种类 玉米 稻谷 小麦 木薯 甜高粱 能源甘蔗单位面积产量/thm-2 5.12 6.311
12、4.252 40 90 70糖或淀粉含量/% 69 75 66 25 14 12.5乙醇产出率/Lt-1 410 450 390 150 100 70单位面积乙醇产量/Lhm 2 2099 2840 1658 6000 9000 4900乙醇产出比/元t -1 0.3 0.36 0.29 0.33 0.079 0.053作物产量及乙醇产出量价格/元t -1 1050 1900 1440 380 240 195乙醇生产成本/元t -1 4240 7000 4700 4259 4000 4600表 2 甜高粱固态发酵生产燃料乙醇的性能指标反应器类型 锤度（ o） 总糖（% ） 含水量（% ） 培养
13、温度 （ oC） 发酵时间 （h）乙醇收率（g/100g 鲜重） 参考文献转鼓式 15 910 70 - 40 4.23 3转鼓式 18 1314 68 - 42 6.05 3发酵池 18 70 3032 84 8.10 4锥形瓶 14 10.80 76 28 48 5.20 王祥和锥形瓶 - 13.02 79 35 24 5.96 宋俊萍锥形瓶 - 11.00 76 25 48 5.24 薛洁锥形瓶 - 17.1 75 37 40 7.9 Jianliang锥形瓶 - 5.1 5固态基质传热性导致发酵热积累，基质温度迅速上升，酵母失活，发酵提前终止，乙醇得率下降。传统固态发酵通过将入窖温度降
14、至酵母发酵的最适温度之下，降低发酵速度，减慢生物热的产率，从而达到控制发酵温度的目的。该方法以牺牲发酵速率为代价，这在乙醇发酵工艺中是不可取的，酿酒酵母经选育发酵温度可以提高到 40oC，并保持较高的乙醇产率。产品化的安琪耐高温活性干酵母发酵温度可达到 42oC，耐乙醇可达 17%（v/v ） 。利用该酵母发酵含糖 28%的甜高粱茎汁实验表明，3538 oC 发酵 4055h，乙醇含量可达 14.1%（v/v）6。强制通风是固态发酵控温的主要方式，Sato 等人用淀粉质固体原料进行乙醇发酵，然后用循环惰性气将产生的乙醇移出，发酵效率达 80%以上7。贾士儒和王瑞明等人，固态发酵过程中利用酵母产
15、生的 CO2 或加入的 CO2 气体作为循环载气将乙醇带出，在了在冷凝器中冷却分离乙醇，降温后的 CO2 重新加压返回固态反应器中，这样有利于保证固态反应器的温度恒定，发酵完成后残留发酵培养基可直接作为饲料。基于这样的思路，在进行 CO2 作为循环载气固体乙醇发酵可行性的同时探讨了温度对固态乙醇发酵的影响。研究表明 CO2 气载分离耦合发酵不但可以及时有效的除去发酵产物乙醇，还可以有效的降低发酵液的温度，从而解除两者对发酵的影响，发酵温度可以控制在 30oC 左右（董永胜2005） 。酵母与尖孢镰刀菌混合发酵，尖孢镰刀菌产生的纤维素酶可以部分水解纤维素，增加可降解糖浓度，提高乙醇收率至 9.9
16、g10.3g/100g 鲜茎杆5, 8。3、固态发酵新工艺与设备3-1、温度控制为了克服固态发酵反应器在物料发酵过程中的有效热交换率低，微生物的生长活性不均一等缺陷，在封闭卧式搅拌反应器内加装换热器，通过流体在换热器中的循环控制反应器内部的温度。此外，在进料和出料口处加装螺旋浆叶，实现自动进料和出料。在该反应器中可以完成微生物发酵的所有操作，物料动态混合，不易板结，物料自动输入输出，反应器内的操作参数可以精确控制，并提高固态发酵的产量和质量。在多层盘式发酵罐中加装贯穿各层的冷却管，冷却管为内外套管，内有循环的冷却液，冷却管呈三角形排列以更好的吸收热量。该方法在发酵罐内管线布局简单，且冷却管从发
17、酵罐外部进入时仅需在罐壁一处破口，冷却液泄漏风险降低3-2、湿度控制在固态发酵罐两端的中部安装超声雾化器，该超声雾化器具有多个喷雾头，安装在固态发酵罐的底上。超声雾化器电源通过单片机湿度测量控制仪与超声雾化器电源连接。在发酵过程中，根据不同微生物或不同发酵阶段对湿度要求，通过单片机湿度测量控制仪在线控制超声雾化器的开启，固态发酵中灵活控制固态发酵罐过程中水活度或湿度，可以使整个发酵过程的相对湿度维持在90%95%，避免了传统加水或加湿方法难于做到无菌操作，固体培养基加湿不均匀。3-3、发酵工艺和设备1. 基于固态发酵料连续分离乙醇与余热利用的方法和系统连续分离乙醇和余热综合利用的一体化方法及系
18、统，基于甜高粱茎秆（包括其他糖质原料，如甜菜、甘蔗、菊芋等）固态发酵料，连续分离乙醇和余热综合利用的一体化方法及系统，特别是一种适用于规模化糟渣-乙醇连续分离的集成技术和密闭环槽旋转圆盘汽提塔装备，并通过与后续精馏单元有机集成而降低生产能耗和实现余热再利用。工艺步骤如下：固态发酵得到的发酵料，为防止乙醇挥发损失，在密封舱内出料并在密闭隧道中进行皮带输送，定期真空抽吸回收乙醇蒸汽。固态发酵料经进料斗、星形布料器而连续进入密闭环槽旋转圆盘汽提塔，均匀洒落在旋转圆盘上，并借助圆盘的水平圆周转动，使固态料在圆盘上形成 10120cm 的料层，料层表面通过固定于侧壁的料耙实现平整。蒸汽从汽提塔底部经环管
19、式蒸汽分布器沿圆周均布进入，经过料层得到乙醇蒸汽，进入后续精馏单元。糟渣被出料口附近的刮料斜板、推料绞轮和出料口而进入糟渣收集罐，进一步真空抽吸回收乙醇蒸汽后，送往糟渣深加工单元。精馏过程中产生的残液温度较高（在 80100oC 范围内） ，余热利用潜力很大，通过如下两条途径实现余热再利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。2. 一种基于糖质原料生产乙醇的固态发酵方法与系统针对当前甜高粱乙醇生产中液态发酵工艺存在原料预处理成本高、发酵周期长与能耗高等缺陷，以及传统固态发酵法采用酿酒工艺效率低下等缺陷
20、，在转鼓式固态发酵系统的基础上进行改造，实现将甜高粱茎秆等粉碎料中可发酵糖分高效、快速转化为乙醇，提高了乙醇实际收率，降低能耗与成本，实现固态发酵法生产乙醇技术的商业化运行。工艺步骤如下：皮带输送而来的甜高粱粉碎料依次经进料斗（1） 、推料绞轮（2） 、进料口（3）到达斜面转鼓式固态发酵罐（6） ，在罐体正向回转和倾角双重作用下，通过进料抄板（8）与混合抄板（9）推动实现粉碎料自动进入罐和在发酵罐内最大限度均匀分布，将酵母菌液经菌液喷淋器（11）喷洒在粉碎料中，并借助发酵罐回转和混合抄板推动实现二者均匀混合（如图 1 所示） 。封闭固态发酵罐进出料口、接种口、排液口和清洗口，使发酵罐内形成兼氧
21、环境，调节温度达到适宜范围进行固态发酵，定期使发酵罐回转，强化热质传递。产生的 CO2 定期释放，以促进发酵反应正向进行。发酵结果后，发酵料在罐体回转和倾角双重作下，借助出料抄板推动实现自动出料。为避免发酵料中乙醇挥发造成损失，发酵料出罐安排在密封舱中进行，并以密闭隧道皮带输送入后续乙醇-糟渣分离单元。图 1. 基于糖质原料生产乙醇的固态发酵系统3. 一种连续耦合固态发酵方法及生物反应装置该装置为一种能够连续进料出料能同时实现密闭培养，并能将固体物料的酶解处理和发酵分离耦合起来的固态发酵工艺和生物反应器。反应器由卧式罐和立式罐两部分组成，原料在进料口（1）混合后进入卧式罐，在螺杆（2）的推动下
22、在卧式罐（3）中移动，卧式罐中保持适当的温度完成酶解或发酵（如图所示） ，之后进入立式罐（4）中发酵或提取。在进料口（1）或出料口（7）处使用关风器，实现发酵过程中物料连续进入发酵罐和发酵罐内部与外界的隔离。实现了发酵连续进行和各个操作环节的耦合，与批次发酵相比减少了反应器接种，清洗以及灭菌等步骤，避免了中间操作，从而使得固态发酵操作多，劳动量大的缺点能够得到改观，适用于生物质酒精，生物质制氢，甜高粱发酵酒精以及惰性载体发酵黄原胶等固态发酵过程。图连续耦合固态发酵生物反应装置4. 固态发酵无菌操作的发酵装置液体种子罐通过带有阀门的管道与带有下盖的固体培养基灭菌罐连通，固体培养基灭菌罐的下端口通
23、过一个 100 级超净操作平台与接种筒连通，接种筒的下端安装在 100 级超净间上，该下端口的下方设置一机械滚筒筛的接种筒，接种筒的下口设置一培养浅盘，培养浅盘或蜂窝状培养器或传送带式培养器，它通过牵引装置与带有进气口的固态发酵反应器相通。从种子制备、培养基灭菌、无菌接种、无菌装料和无菌固态发酵反应器等一系列环节入手，形成一整套固态发酵无菌操作技术以克服固态发酵过程中染菌问题。5. 模块化固态发酵反应器固态反应器通过传导形式换热，由单个模块堆叠组成，每个模块有基座与外壁相联；固态基质与外部环境隔离，基盘有非传输通道，载有换热流体；反应器内部温度能够精确控制。模块的基盘上有第二套通道，称为传输通
24、道，可以向模块内部添加流体以调整反应器内部湿度和气体含量，向反应器内部提供蒸汽或其他灭菌气体及化学物质；操作期间不料；运送提取液用于提取有用物质。反应器通过模块内部一个混合臂进行物料混合，该混合臂绕模块的中心轴旋转。发酵的任何阶段都可以适时启动混合装置，如接种后启动，使菌种均匀分布。反应器密闭操作，接种前灭菌，去除反应器内部的所有微生物，通过无菌管道由种子容器传输种子液，避免其暴露于环境中，通入反应器中的气体需经过过滤，以免反应器内部受到污染，反应器中的气体经过过滤后排放，提取产物后，反应器原位灭菌，反应器中所有微生物均在设备打开前破坏后才允许排放。该设备具有以下优点，发酵过程易控制，发酵过程
25、中化学营养物质添加及代谢产物提取方便；反应器密封操作，最大限度防止染菌，同时使环境免受反应器内生长的病原微生物的污染。6. 气相双动态固态发酵技术该项技术的基本原理是通过注入无菌空气使固态发酵罐增压，压力持续一段时间后，打开放气阀将罐内压力迅速释放，这样在固态基质表面和内部形成压力差，基质内部气体迅速膨胀并逃逸，带走内部的热量，并使固态基质内部变得疏松。在整个发酵过程中反复对固态发酵罐内的气相压力施以周期脉动，脉动周期、振幅及波形将随着不同发酵对象、发酵时间而改变。同时，在发酵罐内部设循环、风道及多组冷却管，强制罐内气相空气顺次通过物料和冷却排管，强制带走物料中的热量，并强制热空气与冷却盘管热
26、量交换，降低发酵物料的温度，并保证了发酵温度与湿度的均匀一致与可调节性。这就形成了罐内气压和气流双动态变化，加速微生物的新陈代谢，加速营养物与代谢产物在细胞壁内外间的传递，固态培养基堆层内颗粒间空隙中的气相与反应器内气相主体间的传质与传热方式将分子扩散转变成对流扩散。该反应器解决目前固态发酵技术存在的易染杂菌、传热传质和放大困难的问题，能进行纯种培养、传质速度快和易放大。4、甜高粱固态发酵生产燃料乙醇的工程实例黑龙江年产 5000 吨甜高粱固态发酵生产燃料乙醇的示范工程在国家 863 计划甜高粱茎杆制取乙醇 （课题编号：2001AA514040）的资助下，农业部规划设计研究院与黑龙江桦川四益乙醇公司共同完成4。高粱茎秆固体发酵工艺是借鉴传统的白酒固体生产工艺原理，按照甜高粱茎秆原料的特点，对整个发酵工艺参数和工程技术进行了系统的改进，使传统的工艺方法为现代的产业化服务。该项工艺和技术改变了传统工艺中发酵时间长、转换率低、设施落后、能耗高、无法工业化的缺欠, 成为高效、环保、低能耗、适合在广大农村推广
