酒精生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)展綜述

盧柳忠，張佳欣，陸登俊，何惠歡

（1.廣西憑祥市豐浩酒精有限公司，廣西 憑祥 532605；2.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；3.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530001）

酒精生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)展綜述

盧柳忠1，張佳欣2，陸登俊2，何惠歡3

（1.廣西憑祥市豐浩酒精有限公司，廣西 憑祥 532605；2.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；3.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530001）

節(jié)能先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用對酒精生產(chǎn)行業(yè)節(jié)能降耗、降低成本、提升市場競爭力有重要意義。本文綜述了目前國內(nèi)外酒精生產(chǎn)中的主要節(jié)能技術(shù)，并對每一種節(jié)能技術(shù)的特點(diǎn)及效果進(jìn)行分析。

酒精；節(jié)能；發(fā)酵；蒸餾

近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界能源消耗量大幅增加，煤炭、石油等不可再生能源資源日益枯竭，能源已經(jīng)成為21世紀(jì)世界各國所關(guān)注的重大問題。酒精既是一種重要的化工原料，又是一種可再生能源。燃料酒精是目前國際上應(yīng)用得較成功的替代能源之一，以甘蔗、玉米為原料的第一代燃料酒精產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成規(guī)模，燃料酒精已經(jīng)成為世界消費(fèi)量最大的生物燃料，酒精市場面臨較好的發(fā)展機(jī)遇［1-2］。然而，目前我國酒精生產(chǎn)存在能耗過高導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高的問題，因此，節(jié)能降耗、降低成本已成為酒精生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的問題。

1 酒精生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)

1.1 低溫蒸煮技術(shù)

傳統(tǒng)酒精生產(chǎn)采用高溫蒸煮工藝。高溫蒸煮一是可以破壞植物細(xì)胞間組織和細(xì)胞壁，使淀粉粒溶解并釋放出來，以利于淀粉酶的作用；二是對原料進(jìn)行殺菌，以保障發(fā)酵的順利進(jìn)行。通常蒸煮溫度在120～150℃。高溫蒸煮耗汽多，約占酒精生產(chǎn)的30%～40%，能耗高，且易造成糖分損失［3］。

低溫蒸煮技術(shù)是采用相對較低的蒸煮溫度，對加入了淀粉酶的原料進(jìn)行蒸煮，使淀粉糊化。低溫蒸煮的溫度一般控制在80～85℃，在此溫度范圍內(nèi)，淀粉易于糊化（淀粉的糊化溫度低于80℃），且液化酶液化能力最強(qiáng)，避免黏度過大導(dǎo)致輸送和攪拌困難［4］。與高溫蒸煮相比，低溫蒸煮最大的特點(diǎn)便是節(jié)能。池振明等［5］采用在80℃下對玉米粉進(jìn)行蒸煮和液化15min、在50℃下糖化30min的低溫蒸煮工藝，并在此基礎(chǔ)上對玉米淀粉的高濃度酒精發(fā)酵工藝進(jìn)行研究，在使用菌株W4、酵母接種量為3%（v/v）、發(fā)酵溫度30℃、pH 4～4.5、發(fā)酵70h的條件下，產(chǎn)酒率為17.5%（v/v），殘總糖為3.6%，淀粉利用率為90%。彭光才等［6］采用85℃蒸煮、60℃糖化的低溫蒸煮工藝，生產(chǎn)結(jié)果表明，85℃能殺死絕大部分細(xì)菌；醒液黏度小，便于泵送，可加快進(jìn)料速度，提高生產(chǎn)率7.9%；同時節(jié)省大量蒸汽，綜合能耗下降23.59%；減少了高溫蒸煮時可發(fā)酵糖的損失1%～1.5%，出酒率提高0.81%。沈永利［7］采用糊化溫度80～85℃低溫連續(xù)蒸煮工藝生產(chǎn)酒精，結(jié)果表明，原料糊化率、酒母質(zhì)量、成熟發(fā)酵醒指標(biāo)等均有提高，t酒降低煤耗近20%，產(chǎn)量提高10%左右。許宏賢等［8］采用85℃低溫液化工藝，可獲得與中高溫液化相同的滅菌效果，且可以降低綜合能耗，減少液化過程中游離糖的損失，提高酒精產(chǎn)量。

1.2 濃醪發(fā)酵技術(shù)

濃醪發(fā)酵是指每100g發(fā)酵液中，可溶性固溶物≥18g的發(fā)酵，該定義最早由Casey等［9］提出。濃醪發(fā)酵技術(shù)是生物乙醇生產(chǎn)技術(shù)的重要進(jìn)展，已成為國內(nèi)外生物乙醇生產(chǎn)行業(yè)的研究熱點(diǎn)［10］。章克昌等［11］研究了淀粉濃醪發(fā)酵工藝，加水比1∶1.8～1∶2.5，發(fā)酵時間50h，最終酒精濃度達(dá)到13%～16%，淀粉利用率達(dá)90%以上，蒸汽消耗量約為常規(guī)工藝的2/3，酒糟排放量減少，生產(chǎn)成本大幅度下降。劉代武等［12］研究了玉米酒精濃醪發(fā)酵工藝，發(fā)酵70h，最終發(fā)酵酒度14.7%（v/v），殘?zhí)?.92%，殘還原糖0.2%，淀粉利用率84.9%。吳曉艷［13］研究了玉米酒精濃醪發(fā)酵工藝，中試結(jié)果表明，玉米醪加水比為1∶1.8，90～95℃蒸煮，發(fā)酵溫度35℃，發(fā)酵周期60～70h，酒精含量在16.4%以上，殘?zhí)墙抵?%以下，淀粉利用率提高到了90%。趙華等［14］研究了玉米酒精濃醪發(fā)酵技術(shù)，加水比1∶2.6，發(fā)酵時間70h，醪液中酒精濃度可達(dá)13.2%（v/ v）。黃宇彤等［15］研究了添加Tween80和麥角甾醇的玉米超高濃度酒精發(fā)酵技術(shù)，酒精濃度可達(dá)15.32%。

濃醪發(fā)酵技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)［16-17］：

1）降低蒸汽能耗。粉漿濃度高，發(fā)酵結(jié)束時成熟醪中酒分濃度高、水分少，則醪液量少，因此，濃醪發(fā)酵技術(shù)可以降低液化工序和蒸餾工序的蒸汽能耗。濃醪發(fā)酵酒分可達(dá)15%（v/v）以上，比傳統(tǒng)工藝酒分約高5%～6%（v/v）。而每提高1%（v/v）酒分，則蒸汽單耗降低15%～20%。

2）節(jié)約用水。粉漿濃度提高，可減少拌料水，一般乙醇生產(chǎn)企業(yè)發(fā)酵所采用的料水比通常為 1∶2.5左右，而采用濃醪發(fā)酵，料水比可減為1∶（1.8～2.0）。例如，木薯干片含水按照14%、淀粉含量按照68%計算，當(dāng)成熟醪酒分由10%（v/v）提高到15%（v/v）時，所需料水比由1∶3.09減為1∶1.77，則每消耗1t木薯可以節(jié)約用水1.32t。

3）減少廢醪處理量。當(dāng)發(fā)酵成熟醪液中的酒分為15%（v/v）時，每生產(chǎn)1t無水酒精成熟醪液量為8.27t，與發(fā)酵成熟醪液中的酒分為10%（v/v）時相比，廢醪液量可減少33.84%。

4）增加產(chǎn)能。當(dāng)成熟醪酒分由10%（v/v）提高到15%（v/v）時，1000m3發(fā)酵液中乙醇量可由80t提高至120.93t。濃醪發(fā)酵可以提高設(shè)備利用率，增加產(chǎn)能51.16%。

5）降低酒精生產(chǎn)成本。濃醪發(fā)酵可以降低液化及蒸餾的蒸汽能耗，節(jié)約用水，增加產(chǎn)能，減少廢液處理負(fù)荷，故能明顯降低生產(chǎn)成本。以年產(chǎn)15萬t生產(chǎn)規(guī)模估算，每年可節(jié)約成本約1000萬元。

1.3 固定化連續(xù)發(fā)酵技術(shù)

固定化技術(shù)是指利用化學(xué)或物理手段將游離的細(xì)胞（微生物）或酶，定位于限定的空間區(qū)域并使其保持活性和可反復(fù)使用的一種技術(shù)，包括固定化酶技術(shù)和固定化細(xì)胞技術(shù)［18］。目前，固定化技術(shù)的應(yīng)用范圍涵蓋食品與發(fā)酵工業(yè)、生物學(xué)、生化工程、有機(jī)化學(xué)、合成化學(xué)、高分子化、環(huán)境凈化、能源生產(chǎn)等多個領(lǐng)域，已經(jīng)成為生物技術(shù)中十分活躍的跨學(xué)科研究領(lǐng)域［19］。

在酒精連續(xù)發(fā)酵過程中，游離酵母不斷隨發(fā)酵醪流走，造成發(fā)酵罐中酵母細(xì)胞濃度不夠，導(dǎo)致酒精發(fā)酵速度慢、發(fā)酵時間長、產(chǎn)酒率不高、雜菌污染嚴(yán)重等問題。采用固定化連續(xù)發(fā)酵技術(shù)，酵母細(xì)胞固定化后填充在發(fā)酵罐中，作為一個連續(xù)不斷的種子源，連續(xù)增殖、連續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵速率、設(shè)備利用率和酒精產(chǎn)量可同時提高10%～30%，節(jié)能降耗［20-21］。陳秀萍［22］使用固定化活酵母進(jìn)行糖蜜酒精連續(xù)生產(chǎn)，與游離酵母相比，發(fā)酵能力提高10%～30%，發(fā)酵時間比原來縮短10h以上，提高發(fā)酵設(shè)備的利用率約30%，同時提高糖分出酒率，降低單耗，節(jié)省蒸餾用汽。傅汝文等［23］采用固定化酵母生產(chǎn)糖蜜酒精，酒精發(fā)酵時間由原來45～48h，縮短到40h左右，成熟醪酒分從9.5%～10%（v/v）提高到10.5%～12.5%（v/v），設(shè)備利用率提高20%以上，每t酒精消耗原料糖蜜從4.35t下降到4.25t，醪液量從12.5m3下降到10.5m3，節(jié)能、降耗、減排。岳國君［24］使用固定化酵母-大罐濃醪連續(xù)發(fā)酵工藝進(jìn)行玉米酒精生產(chǎn)，在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，年酒精生產(chǎn)能力由10萬t提高至20萬t，總發(fā)酵時間由65h降為54h，發(fā)酵成熟醪酒分由9.5%提高至13%，水、電、汽的消耗均有不同程度下降。李魁［25］采用聚乙烯醇（PVA）為載體共固定化酵母菌細(xì)胞和糖化酶制劑，以木薯為原料進(jìn)行酒精連續(xù)發(fā)酵工藝研究，實驗結(jié)果表明，醪液在反應(yīng)器中停留時間3.1h，發(fā)酵醪酒精濃度為12.3%，成熟發(fā)酵醪殘余總糖為2.72g·L-1，殘余還原糖為0.6g·L-1，總糖利用率達(dá)96.91%。

1.4 差壓蒸餾技術(shù)

酒精通過蒸餾從發(fā)酵成熟醪中分離出來，蒸餾過程消耗大量的蒸汽，同時排出大量的酒糟廢液。我國生產(chǎn)高品質(zhì)酒精過去多采用多塔（3～5塔）常壓蒸餾，自20世紀(jì)90年代從法國、奧地利等國外引進(jìn)差壓蒸餾技術(shù)后，酒精生產(chǎn)企業(yè)開始推廣應(yīng)用多塔（3～6塔）差壓蒸餾。差壓蒸餾技術(shù)節(jié)能的主要原理是：蒸餾工序各塔的溫度不等，壓力不等，利用高壓塔熱能來加熱溫度壓力低的塔，實現(xiàn)熱能的多次利用，從而收到節(jié)約能源的效果［26］。

差壓蒸餾技術(shù)具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)能降耗、廢液排放量少、冷卻水用量少等優(yōu)點(diǎn)。孫朋朋等［27］報道了三塔差壓蒸餾的使用效果：生產(chǎn)1t酒精蒸汽消耗1.1～1.3t，與糟液熱能回收的兩塔常壓蒸餾相比，節(jié)約蒸汽達(dá)到35%，糟液減排量約1t。孔繼紅等［28］報道了年產(chǎn)3萬L酒精四塔式差壓蒸餾的生產(chǎn)效果。與原有的三塔常壓相比，蒸餾酒精產(chǎn)品質(zhì)量由普通級食用酒精提升為優(yōu)級食用酒精，生產(chǎn)1t酒精蒸汽消耗由4.8t降為2.2t，冷卻水消耗由160 m3降為80 m3，耗電量為30.6kWh，酒精廢酵液排放量由22 m3·h-1減為18 m3·h-1（按酒精日產(chǎn)量38t、含酒8%V計）。孫朋朋等［27］報道了五塔差壓蒸餾的使用效果：酒精產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到食用優(yōu)級標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)1t酒精蒸汽消耗為2.4t，冷卻消耗水量約為20t，與四塔常壓蒸餾對比，節(jié)省蒸汽62%，節(jié)約冷卻水73%。另外，還減排糟液量1.6 t·（t酒精）-1，減排廢液量約3.6 t·（t酒精）-1。滕海濤等［29］報道了五塔二級差壓酒精蒸餾工藝的生產(chǎn)效果。五塔二級差壓酒精蒸餾工藝是在年產(chǎn)15萬t酒精的五塔差壓蒸餾工藝的基礎(chǔ)上優(yōu)化改造的，實際生產(chǎn)表明，產(chǎn)品為優(yōu)級食用酒精，且其中重要的醛、甲醇、酯等雜質(zhì)指標(biāo)的檢出結(jié)果已達(dá)到特級酒精標(biāo)準(zhǔn)，而雜醇油（正丙醇、異丁醇和異戊醇）幾乎未檢出。相比傳統(tǒng)五塔差壓工藝，五塔二級差壓工藝生產(chǎn)1t酒精蒸汽消耗由2.3～2.6t降為2.15t，節(jié)省6%～18%；循環(huán)水的消耗由140t降為120t，減少15%；耗電由49kWh降為41kWh。謝林［30］報道了六塔差壓蒸餾的應(yīng)用效果，生產(chǎn)1t酒精蒸餾用汽為2.34kg·（L酒精）-1，冷卻水消耗0.63 t，耗電為23.1kWh，在提高酒精產(chǎn)品質(zhì)量的同時，節(jié)能降耗。

1.5 閃蒸技術(shù)

閃蒸就是高壓的飽和液體進(jìn)入較低壓的容器后，由于壓力的突然降低，這些飽和液體的一部分變成容器壓力下的飽和蒸汽和飽和液。在酒精生產(chǎn)過程中，通過真空噴射裝置，采用閃蒸技術(shù)，使真空罐產(chǎn)生真空度，對蒸煮后的醪液及粗餾塔排出的糟液進(jìn)行二次蒸汽回收?；厥蘸蟮亩握羝c一次新鮮蒸汽混合使用，既減少了一次蒸汽用量，達(dá)到節(jié)能降耗目的，又可以回收糟液中的殘酒，提高酒精產(chǎn)出率。許新山［31］將蒸煮后的醪液（溫度120℃）利用閃蒸后回收的二次蒸汽加熱拌料水，將粗餾塔排出的糟液（溫度105℃，壓力0.05MPa）通過閃蒸技術(shù)進(jìn)行潛熱回收后，真空罐排出的糟液溫度為82℃，其二次蒸汽與新鮮蒸汽混合后被加壓送至粗餾塔塔釜。生產(chǎn)實踐表明，粗餾塔排放出的二次蒸汽達(dá)780kg·h-1，蒸煮工段第一、二后熟器及汽液分離器排放的二次蒸汽達(dá)1190kg·h-1，按80%回收，節(jié)能效果顯著。生產(chǎn)1t酒精可節(jié)省蒸汽0.564t，生產(chǎn)1萬t酒精可從糟液中回收酒精30t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。曾文生［32］在蒸餾工段將閃蒸罐后的低溫蒸汽用于雜醇油蒸餾，在生產(chǎn)能力為180t·a-1的差壓蒸餾生產(chǎn)線中，可產(chǎn)生蒸汽1.5t·h-1，按年產(chǎn)酒精300t、每t蒸汽200元計，一年可節(jié)約216萬元，節(jié)能效益可觀。葛德忠［33］在淀粉質(zhì)原料燃料乙醇生產(chǎn)過程中，在液化工序采用真空閃蒸技術(shù)，將二次蒸汽返回用于加熱液化前部分的混合料。生產(chǎn)結(jié)果表明，生產(chǎn)1t燃料乙醇節(jié)約蒸汽0.231t，節(jié)約冷卻水量15.53t，按年產(chǎn)30萬t燃料乙醇、蒸汽156元·t-1，循環(huán)水0.3元·t-1計，一年可節(jié)約1122 .57萬元，效益顯著。

1.6 新型糖化酶糖化技術(shù)

酒精生產(chǎn)過程中，由于淀粉酶與糖化酶的適用pH不同，原料的液化、糖化及發(fā)酵分別在不同的pH條件下進(jìn)行。在糖化工序和發(fā)酵工序中，料液的pH一般控制在4.0～4.5，而液化工序的pH多控制在5.5～5.8，即從液化工序到糖化工序過程，需要加入大量的酸液調(diào)節(jié)pH。錢瑩等采用新型糖化酶，在木薯生產(chǎn)酒精中，將液化、糖化及發(fā)酵過程的pH一并控制在5.5下進(jìn)行，結(jié)果表明，可加快酒精發(fā)酵的速度，酒精產(chǎn)率可提高0.2%～0.5%，減少酸液用量，簡化生產(chǎn)工藝，減輕酒精廢液的處理負(fù)荷，節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。以每t酒精市場價格5000元計，生產(chǎn)1t酒精可帶來10～15元的收益。新型糖化酶的出現(xiàn)為酒精生產(chǎn)節(jié)能提供了新的思路。

2 結(jié)語

目前，與先進(jìn)國家相比，我國酒精生產(chǎn)在能耗、生產(chǎn)成本等方面尚存較大差距，因此，酒精生產(chǎn)行業(yè)應(yīng)積極研發(fā)及應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，節(jié)能降耗，降低成本，才能提升市場競爭力，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力。

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［32］ 曾文生.酒精蒸餾生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)探討［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2012（12）：38-39.

［33］ 葛德忠.閃蒸技術(shù)在淀粉質(zhì)原料燃料乙醇生產(chǎn)過程中液化工序節(jié)能應(yīng)用［J］.輕工科技，2015（3）：18-19.

Review of Energy Saving Technology of Alcohol Production

LU Liu-zhong1， ZHANG Jia-xin2， LU Deng-jun2， HE Hui-huan3
（1. Guangxi Pingxiang Fenghao Alcohol Co. Ltd.， Pingxiang 532605， China； 2. Institute of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University， Nanning 530004， China； 3. Guangxi Vocational & Technical Institute of Industry， Nanning 530001， China.）

The application of energy saving technology had important significance for saving energy， reducing consumption and improving market competitive capability of alcohol industry. In this paper， the energy saving technology of alcohol production was reviewed， and the characteristics and effects of each energy saving technology were analyzed.

alcohol； energy saving； fementation； distillation

TQ 920.9

A

1671-9905（2016）05-0033-04

廣西科技開發(fā)計劃項目（桂科重14122004-2）

盧柳忠（1967-），男，工程師，本科，主要從事酒精生產(chǎn)管理工作

何惠歡（1967-），女，副教授，主要從事可再生資源與環(huán)境保護(hù)研究工作。E-mail：hhuih@163.com

2016-03-11