淺析煤制甲醇蛋白工業(yè)化

任富強(qiáng)，喬麗娟，楊國鋒

(1.河南省煤氣(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南鄭州 450001;2.河南煤氣(集團(tuán))有限責(zé)任公司義馬氣化廠，河南義馬 472300)

甲醇蛋白可從化石原料出發(fā)，經(jīng)由甲醇而制得。它含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸和多種維生素，產(chǎn)品安全而無毒，能促進(jìn)牲畜生產(chǎn)和提高飼料利用率。甲醇蛋白在國外已使用20余年，證明它是一種安全的動物飼料添加劑。傳統(tǒng)煤化工與現(xiàn)代生物化學(xué)相結(jié)合，開發(fā)并生產(chǎn)甲醇蛋白對緩解國內(nèi)魚粉等動物飼料蛋白不足，消化甲醇過剩產(chǎn)能并減少環(huán)境污染，促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

1 國內(nèi)外甲醇蛋白生產(chǎn)情況及技術(shù)簡介

生產(chǎn)甲醇蛋白的方法主要分兩類，一類以細(xì)菌為菌種，另一類以酵母菌為菌種。ICI法、Hoechst－Uhde法、Norprotein法都采用細(xì)菌為菌種，而 MGC法、IFP法、Phillips Petroleum法則采用酵母菌為菌種。

細(xì)菌增殖速度快，在連續(xù)發(fā)酵罐中增殖速度可達(dá)2.5～3.75 g/L·h，其蛋白質(zhì)分?jǐn)?shù)高達(dá) 70% ～80%;而酵母菌發(fā)酵蛋白的蛋白質(zhì)分?jǐn)?shù)一般都是50%～60%。細(xì)菌菌種極易變異，操作稍有差異就有可能引起細(xì)菌菌種的變異，致使生產(chǎn)操作無法進(jìn)行，而酵母法相對要安全些。

在各種工藝方法中，只有英國ICI于20世紀(jì)80年代實現(xiàn)了真正意義上的工業(yè)化，但已停產(chǎn)多年。

目前，國內(nèi)蛋白質(zhì)生產(chǎn)共有40余家，基本上是以酒精、糖、味精、紙張、淀粉、豆制品、屠宰場等的廢棄物為原料，尚無甲醇蛋白工業(yè)生產(chǎn)裝置。近幾年有多家企業(yè)準(zhǔn)備新建大型甲醇蛋白生產(chǎn)裝置。

兩類工藝技術(shù)中以英國ICI和日本三菱瓦斯化學(xué)的方法最具代表性。生產(chǎn)方法的工藝條件見表1。

表1 甲醇蛋白生產(chǎn)方法的工藝條件

常見的甲醇蛋白工藝流程方框圖見圖1。

國內(nèi)首袋煤制甲醇蛋白以精甲醇為原料，采用南京工業(yè)大學(xué)的甲醇發(fā)酵技術(shù)。

圖1 常見甲醇蛋白工藝流程圖

2 甲醇蛋白工業(yè)化的主要問題

2.1 菌種的選育和生物安全評價

按照生產(chǎn)甲醇蛋白的工藝流程，菌種的選育和生物安全評價是甲醇蛋白工業(yè)化需要做好的前提。需要選擇具備產(chǎn)業(yè)化能力的高效酵母作為原始出發(fā)菌株，通過計算、分析，研究甲醇代謝的主效及旁路途徑，并通過微生物選育方法及基因工程對其進(jìn)行定向改造，獲得更為穩(wěn)定高產(chǎn)、氨基酸配比適宜的甲醇蛋白生產(chǎn)菌種，優(yōu)化甲醇酵母的培養(yǎng)條件，獲得最佳的低料組合模式，并進(jìn)行放大實驗，逐步開發(fā)出穩(wěn)定、高效的工業(yè)級煤基甲醇單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)技術(shù)。飼料級的甲醇單細(xì)胞蛋白需要進(jìn)行營養(yǎng)及生物安全評價。通過營養(yǎng)分析，準(zhǔn)確獲得總蛋白、糖、脂等主要成分的比例，以及各種氨基酸的組成比例。根據(jù)不同營養(yǎng)攝入要求的差別，通過外源添加的方法，合理調(diào)配營養(yǎng)成分，開發(fā)出多系列的品種。國內(nèi)已有多家科研機(jī)構(gòu)對此進(jìn)行卓有成效的研究和試驗，為甲醇蛋白工業(yè)化奠定了一定的基礎(chǔ)。

2.2 發(fā)酵罐的研發(fā)、制作與發(fā)酵過程生物反應(yīng)熱的控制

甲醇蛋白發(fā)酵在發(fā)酵罐里完成。發(fā)酵過程要求無菌操作，消毒后的甲醇水溶液及一定量營養(yǎng)物質(zhì)加入發(fā)酵罐內(nèi)，從罐底部通入被滅菌的培養(yǎng)液和富氧空氣，利用空氣攪拌促進(jìn)氧的溶解，增大溶液的湍動，使各種物料混合均勻;控制溫度和pH值，發(fā)酵過程開始。發(fā)酵過程產(chǎn)生的空氣起攪拌作用使罐內(nèi)溶液自然循環(huán)，產(chǎn)生的CO2和剩余空氣從發(fā)酵罐頂部排出，密度增大后的溶液順發(fā)酵罐的一邊流下，在底部完成熱交換后從塔底連續(xù)取出，罐內(nèi)細(xì)胞濃度維持在3%左右。

由于甲醇酵母生長速度過快，生物反應(yīng)熱相對其他生物發(fā)酵要大得多，因此甲醇蛋白工業(yè)化生產(chǎn)要求其發(fā)酵罐應(yīng)是能保證空氣和能量利用良好;能迅速供給發(fā)酵所需的大量氧氣;能長期穩(wěn)定運行;有較大容積;更為重要的是必須有極其良好的傳熱性能。以ICI為例:10萬t/a的甲醇蛋白裝置發(fā)酵罐直徑 15 m，高 60 m，容積約 10 000 m3，重 625 t。

傳統(tǒng)的發(fā)酵設(shè)備不能滿足其需要。如果采用一般冷卻方式，甲醇酵母發(fā)酵罐單罐容積只能控制在50 m3以下，因此需要研發(fā)新型的生物反應(yīng)器以適合甲醇蛋白的工業(yè)化生產(chǎn)。發(fā)酵部分的投資占甲醇蛋白裝置總投資的40%以上，甲醇蛋白實現(xiàn)工業(yè)化的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)難點之一。

曾經(jīng)工業(yè)化和經(jīng)過中試的甲醇蛋白發(fā)酵罐較為成功的有三種，即ICI加壓外循環(huán)式發(fā)酵罐、HU空氣提升內(nèi)循環(huán)式發(fā)酵罐、IFP升氣式發(fā)酵罐，三種形式各有千秋。新型生物發(fā)酵罐的研制建議從如何加強(qiáng)罐體內(nèi)部循環(huán)又減少機(jī)械傳動和避免微生物污染、如何抗壓力、加料量波動、如何控制發(fā)酵過程中的泡沫、如何適宜酵母產(chǎn)生凝絮等方面展開工作。生物反應(yīng)熱的迅速轉(zhuǎn)移建議同時采用多種方式確保安全與穩(wěn)定。例如:發(fā)酵罐在采用板式換熱器制冷式強(qiáng)制外循環(huán)的同時，罐內(nèi)也應(yīng)考慮設(shè)置必要的盤管式換熱裝置，另外可參考煤化工中設(shè)置合適的循環(huán)氣旁路的做法以及利用空分氮水系統(tǒng)低溫水、空分單元、凈化單元制冷站的富余冷量，達(dá)到能以多種手段迅速轉(zhuǎn)移熱量，精確控制發(fā)酵過程。

2.3 加快工業(yè)化推化需解決的問題

為提高甲醇蛋白的產(chǎn)量，加快工業(yè)化推廣，科研和生產(chǎn)單位需進(jìn)一步研究微生物群體的生長規(guī)律，努力縮短調(diào)整期，提高對數(shù)期的生產(chǎn)效率，延長穩(wěn)定期，同時需要尋求新方法和新工藝來提高酵母的水解率和破壁率。一般要求生產(chǎn)效率對數(shù)期達(dá)到3 kg/m3·h，酵母破壁率達(dá)到90%，酵母水解率不低于70%。

甲醇蛋白產(chǎn)品的無菌離心分離機(jī)及干燥設(shè)備的加工能力需快速跟進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)化需求。這部分的投資占到了總投資的20%以上。

甲醇蛋白工業(yè)化需解決煤基甲醇雜質(zhì)對甲醇酵母生長的影響。國外用于單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)的甲醇均由天然氣制得，甲醇質(zhì)量好，副產(chǎn)物較少。煤基甲醇成分復(fù)雜，如何去除雜質(zhì)，減少對甲醇酵母生長的影響，關(guān)系到甲醇蛋白的質(zhì)量和產(chǎn)量，影響到甲醇蛋白的工業(yè)化生產(chǎn)。一般應(yīng)使甲醇在甲醇蛋白產(chǎn)品中的殘留小于5 ×10－6。

2.4 降低消耗

根據(jù)采用的工藝不同，生產(chǎn)每噸甲醇蛋白的消耗也不盡相同。但各種生產(chǎn)方法的消耗指標(biāo)相差不大?；旧厦繃嵓状嫉鞍紫氖?甲醇2.0～2.2 t，氨水約0.18 t，發(fā)酵過程電力消耗約2 000 kW·h，后續(xù)加工電力消耗1 000～2 000 kW·h。甲醇價格波動較大，對甲醇蛋白產(chǎn)品價格的影響比較大，每噸甲醇蛋白的生產(chǎn)成本在6 500～8 600元之間，而甲醇蛋白比較合理的市場價格應(yīng)是魚骨粉的1.2～1.5倍，因此，當(dāng)甲醇價格較高魚骨粉價格較低時，工業(yè)化生產(chǎn)甲醇蛋白的優(yōu)勢較弱。努力節(jié)能減排也是甲醇蛋白工業(yè)化需要解決的難題。在已有的生產(chǎn)方法中，日本的MGC法參考意義較大。

甲醇蛋白為替代糧食用飼料的產(chǎn)品，會受人的心理接受程度的影響。除了做好生物安全評價和廣泛宣傳之外，還需國家標(biāo)準(zhǔn)的支持，目前尚沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。另外，國內(nèi)外相關(guān)運行業(yè)績稀缺、工程、技術(shù)、操作人員少也是影響甲醇蛋白工業(yè)化的因素。

3 小結(jié)

甲醇蛋白工業(yè)化生產(chǎn)的菌種宜采用酵母菌，需做好菌種的選育和生物安全評價。甲醇蛋白工業(yè)化有一定的基礎(chǔ)，但仍需要解決很多問題，其中主要設(shè)備的研發(fā)制作和節(jié)能降耗最突出。甲醇蛋白工業(yè)化需要相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的出臺。