固液态发酵：高粱地里“种”汽油

让甜高粱茎秆摆脱当柴烧甚至被丢弃的命运，而是变废为宝，转化成车用乙醇汽油。目前，在我国，这种生物质液体燃料生产技术，已经成功地从实验室走进了生产线。
“我们已建成了年产5000吨，成本低于3800元/吨的燃料乙醇的产业化综合利用示范工程，将为我国未来的生物能液体能源系统提供工艺成熟、成本低廉并具有环保效益的技术支撑。”近日，国家863课题“甜高粱茎秆制取乙醇”主要负责人、农业部规划设计研究院高级工程师肖明松接受记者专访，并介绍了项目的实施过程和发展前景。
高粱茎秆制乙醇，划算在哪？
目前，用生物质资源制取燃料乙醇，是可再生能源开发利用领域里解决当今液体燃料最可行的途径。生物燃料乙醇在原料选择上，分淀粉类和糖类作物两种。
“我们选择了后者，以甜高粱茎秆为原料进行工业发酵生产乙醇，这种技术以前在我国还是空白。”肖明松介绍说，比较煤与石油化工的烃技术体系形成历史，糖技术发展晚得多，也不成熟，但也因之有相当大的技术改进与成本降低的空间。
为什么利用甜高粱茎秆制取乙醇？肖明松为记者算了三笔账。
―――首先是资源供应量。甜高粱在我国具有较大的资源供应潜力，我国某些地区还有大量不宜开垦为农田的低质地和盐碱地，但可种植高抗逆性能源作物甜高粱。据统计，到2015年，全国至少有795.33万hm2土地可用来种植甜高粱；到2030年，全国至少有1887.12万hm2土地可用来专门种植甜高粱，其中低质土地约占总面积的九成以上。据估计，如果按照4亩地甜高粱可生产1吨乙醇计算，可产燃料乙醇也将由2696万吨增加到6739万吨。

　　―――二是农民增收的经济账。农民如果种植甜高粱，籽粒产出部分收入可以达到560元/亩；然后再把茎秆按0.14元/公斤卖给燃料乙醇生产厂，茎秆部分收入则为560元/亩。这样，农民种植甜高粱的平均收益为1120元/亩，与种植玉米相比较，每亩增收310元左右。
―――最后还必须算一算成本收益账。当前，国内外液体燃料价格不断攀升，国内95度乙醇的市场价格已经达到4500―4700元/吨，从长远看，随着化石能源的供需矛盾日益加剧及全球对温室气体排放的进一步关注，乙醇价格预计不会有大幅下降的可能性，而甜高粱基乙醇每吨成本可降到3800元左右，因此有一定的生存和盈利空间。
发酵工艺，突破在哪？
据肖明松介绍，甜高粱茎秆制取燃料乙醇技术主要包括“固态发酵法”和“液态发酵法”。固态发酵工艺具有设备简单、投资少、建厂期短、收效快、操作容易、便于推广的优点，与我国传统酿酒工艺基本相同。将甜高粱茎秆粉碎后接上菌种，采用分散方式入池发酵生产原酒，再集中进行蒸馏。发酵期间没有任何污水和污物排放，与液态发酵工艺相比，生产环境要求不高，便于在农村不发达地区推广应用。但固态发酵工艺生产周期长，设备零散，占据较大生产场地，属劳动密集型产业。
液态发酵工艺是目前国际上比较先进的一种发酵工艺，将甜高粱茎秆经压榨提取汁液，采用固定化酵母流化床生物反应器快速发酵工艺，发酵醪经蒸馏可直接生产出无水乙醇。与固态发酵工艺相比，具有发酵速度快、周期短、产量高的优点，适宜高效率、自动化、大规模产业化生产。
“863课题立项之后，我们集成国内先进的燃料乙醇新技术，进行系统设计，在两种工艺上都实现了技术突破和创新。”肖明松说。
在液态发酵工艺方面，采用微机程序控制的固定化酵母多级流化床快速发酵工艺，在山东省安丘市景芝酒业公司建成年产400吨乙醇生产性中试示范工程。经反复固定化酵母载体实验，解决了固定化细胞技术中普遍存在的载体机械强度低、使用寿命短等技术难题；驯化筛选了耐酸能力强、活性高的乙醇酵母；并根据乙醇酵母的生理、生化特性制定了一套适用于高技术的乙醇生产新工艺。采用该项生物技术后，发酵工艺由固态间歇式变成了液态连续式；酵母由一次性使用变成了长期连续使用；由于发酵面积成几何级数增加，使发酵时间由72―96小时缩短到8―10小时，每生产1吨乙醇可获取增收节支效益300―500元左右。
在固态发酵工艺方面，肖明松告诉记者，课题组在黑龙江桦川四益乙醇公司建设了年产5000吨的工程示范点，优化了原料处理、菌种制备、发酵过程控制、蒸馏等工艺参数，有效地降低了过程的能耗，缩短了发酵时间，操作简便，残糖低，能源转换效率高。
谈到关键技术创新，肖明松认为，它采用先进的细胞固定化技术改造传统的乙醇发酵工艺，并形成了一系列产业化应用技术；集成我国国内先进的精馏技术，定型燃料乙醇精馏工艺与装备；还研究出用甜高粱茎秆制乙醇的废秆渣生产生物发酵饲料的方法；同时，还完成了对甜高粱茎秆制取乙醇的技术、经济、环保和农业产业调整等方面的分析和评价。该项课题获得了2005年联合国工发组织颁发的“全球可再生能源领域最具投资价值十大领先技术蓝天奖”。
环保压力，能否减轻？
“甜高粱茎秆制取乙醇，最终将使用于汽车燃料，成为车用乙醇汽油。”肖明松说，我国目前试点推广的车用乙醇汽油是以乙醇、汽油1∶10配合的E10型号乙醇汽油。
经过混合的E10车用乙醇汽油是一种清洁燃料，燃烧后可明显降低CO2、CO、CH4等温室气体和有害气体的排放量。同时，能源作物在生长过程中要吸收大量的二氧化碳，按照碳循环的原理，和化石燃料相比，不额外增加二氧化碳的排放。
课题组综合分析了甜高粱茎秆制取乙醇的种植过程、加工过程和使用过程对环境的影响。在种植过程中和玉米相比，甜高粱并不对环境产生附加影响；加工过程中由于采用固态发酵的成熟工艺和工艺特点，也不对环境产生额外负面影响，只是蒸馏和精馏工艺中能耗带来的CO2排放是每生产1吨乙醇是2.57075吨，与玉米生产乙醇CO
2的产生量几乎一样；在燃烧过程中，含有10%%乙醇的E10比汽油燃烧排放的CO2减少了25%%。
新能源产业，前景如何？
在肖明松看来，科研人员帮助农民提高收入，“就是充分消化、利用农作物不值钱的部分，并赋予它高附加值。”
甜高粱“浑身是宝”。用甜高粱茎秆为原料制取乙醇，比用玉米、薯干等粮食每吨成本可降低500元。同时，甜高粱茎秆生产乙醇的余渣是反刍畜类的优质饲料。将茎秆渣的皮髓分离，皮的部分可生产更高档次的优质纸浆，髓的部分可生产优质配合饲料。经试验和测算，用甜高粱茎秆渣生产纸浆的经济效益，高于燃料乙醇的生产营销。“甜高粱茎秆生产乙醇与粮食为原料比较，除同样具有原料可再生性、缓解大气污染和部分补充不可再生的化石能源的效益以外，还会促进我国农业产业结构调整、接纳更多的农村富余劳动力，并将以一个崭新的、规模巨大的能源产业推动乡镇企业发展。”肖明松对这一产业发展前景非常乐观。
“就技术层面而言，无论是‘固体发酵’还是‘液体发酵’工艺都已经非常成熟，完全达到产业建设阶段。”肖明松向记者透露，通过“十五”期间“甜高粱茎秆制取乙醇”示范工程的影响，目前已有黑龙江大庆、内蒙古、山东胜利和新疆克拉玛依等油田地区的企业，均已形成10万吨甜高粱茎秆燃料乙醇生产能力建设的意向，并签署了技术服务协议。
■数字863
示范工程主要技术指标
深化九五成果“固体发酵工艺”，建成年产5000吨乙醇的工业化生产示范工程，发酵时间达到84小时，产酒率达到8.1%%，乙醇纯度达到99.5%%，试验期间乙醇生产成本达到3194.50元/吨。
关键技术创新
固定化酵母工艺：该项技术是采用先进的细胞固定化技术改造传统的乙醇发酵工艺，增产降耗效果明显，是乙醇发酵行业的一项重大技术突破。它与传统发酵工艺相比，具有如下特点：固定化酵母可重复使用，使用期在160天以上，抗杂菌能力强；不再需要酒母培养；和批次发酵相比发酵时间从70―80小时缩短到6―9小时；该项技术适用于所有淀粉料(包括玉米、木薯)及糖蜜料乙醇生产厂家。固定化细胞载体反复使用半年以上，由传统法的每天接种变为每年一次性接种。发酵周期由传统法的72小时缩短到6－9小时。
固定化酵母流化床发酵工艺及技术：该技术是目前国内外最先进的乙醇发酵工艺，国外较先进的生产企业采用该项技术（如巴西和美国），国内还仅处于实验室和小试阶段。本项目采用固定化酵母多级流化床生物反应器快速发酵技术改造乙醇厂传统发酵工艺。固定化酵母多级流化床生物反应器制取乙醇，可使发酵时间缩短到6－9小时。
取得的发明专利等知识产权情况
甜高粱茎秆制取乙醇固体发酵技术申请号：2004100389088
用甜高粱茎秆制乙醇的废秆渣生产生物发酵饲料的方法申请号：2004100030450
该项技术成果在2005年10月，获得“全球可再生能源领域最具投资价值的十大领先技术”“蓝天奖”