菊芋生產(chǎn)燃料乙醇工藝路線(xiàn)探討

第29卷第4期可再生能VoL29 No, 4201148月Renewable Energy ResourcesAug.2011菊芋生產(chǎn)燃料乙醇工藝路線(xiàn)探討袁文杰,常寶壘,任劍剛,白風(fēng)武(大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧大連116023)摘要:在對菊芋汁清液連續發(fā)酵和菊芋粉帶渣批式發(fā)酵的研究基礎上,進(jìn)行了利用菊芋生產(chǎn)燃料乙醇的兩種工藝路線(xiàn)的技術(shù)經(jīng)濟可行性分析,提出建立分布式加工體系的策略。菊芋乙醇產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統包括種植、倉儲、生產(chǎn)粗乙醇和生產(chǎn)精乙醇4個(gè)主生產(chǎn)環(huán)節以及副產(chǎn)物綜合利用環(huán)節。菊芋綜合利用路線(xiàn)的提出,期望能夠為降低生產(chǎn)成本,實(shí)現菊芋原料生產(chǎn)燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化提供依據關(guān)鍵詞:菊芋;燃料乙醇;工藝路線(xiàn)中圖分類(lèi)號:TK6;S216.2文獻標志碼:A文章編號:1671-5292(2011)04013905Analysis on ethanol production technology based on fermentationf Jerusalem artichokeYUAN Wen-jie, CHANG Bao-lei, REN Jian-gang, BAI Feng-wuDepartment of Bioscience and Bioengineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)Abstract: Bases on the study on the two fermentation technologies, which are Jerusalem artichokeliquid continuous fermentation and Jerusalem artichoke powder batch fermentation, the techno-economic feasibilities of the two kinds of technologies has been analyzed, the strategy of distributedprocessing system was proposed. THe eco-system of Jerusalem artichoke for fuel ethanol includesthe four main producing processes that are planting, storage, crude ethanol production, refinedethanol production and byproduct utilization. The proposing of the strategy for comprehensive utilization of Jerusalem artichoke is expected to reduce the producing cost, and to realize the indus-trialization of Jerusalem artichoke fot fuel ethanol production.Key words: Jerusalem artichoke; fuel ethanol technological route0引言越來(lái)越多的關(guān)注,而且還可以發(fā)展成為生物能菊芋( Jerusalem artichoke),俗名洋姜,多年生源重要的非糧原料國。在發(fā)酵法生產(chǎn)生物乙醇草本植物。菊芋原產(chǎn)北美經(jīng)歐洲傳入中國,分布中,菊芋的原料成本優(yōu)勢可以與木薯、甜高粱以及廣泛,在中國南北各地均有栽培;適應性強,耐貧甘薯相媲美,是我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)規?；l(fā)展可瘠、耐寒、耐旱;種植簡(jiǎn)易,一次播種多次收獲,產(chǎn)選擇的原料之一。量極高。鮮菊芋塊莖中含水79.8%,碳水化合物目前,文獻報道的發(fā)酵菊芋生產(chǎn)燃料乙醇分16.6%,蛋白質(zhì)1.0%,粗纖維166%,灰分28%及別為粗菊芋粉帶渣發(fā)酵和菊芋汁清液連續發(fā)酵兩定量的維生素。其中,碳水化合物的78%為菊種工藝。菊芋汁清液連續發(fā)酵是將菊芋壓榨成為糖由此可見(jiàn),菊芋是一種極具開(kāi)發(fā)潛力的半野菊芋汁液后,經(jīng)菊粉酶水解,由釀酒酵母發(fā)酵生產(chǎn)生資源。該作物以其特有的優(yōu)勢正在不斷地延長(cháng)乙醇,該法發(fā)酵速度快、產(chǎn)量高,但投資相對較其產(chǎn)業(yè)鏈不僅在環(huán)境治理和食品加工行業(yè)受到大。菊芋帶渣“背汁量利甲立楠*的菌株和乙收稿日期:2010-07-12;修回日期:201008-09。作者簡(jiǎn)介:袁文杰(1975-),女漢族博士講師從事生物化工技術(shù)研究及教學(xué)工作。E叫CNMHG可耳生能源2011,29(4)醇發(fā)酵菌株共發(fā)酵或直接由既能產(chǎn)菊粉酶又能超過(guò)玉米和小麥的單產(chǎn)水平。發(fā)酵產(chǎn)乙醇的克魯維酵母直接完成粗菊芋粉的3菊芋倉儲發(fā)酵。生料帶渣發(fā)酵法發(fā)酵時(shí)間長(cháng),但具有設備簡(jiǎn)菊芋的采收有季節性要求,且具有集中性,要單操作容易投資少污染小、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)嗎。求在較短時(shí)間內采摘收割完畢;而工業(yè)生產(chǎn)乙醇本實(shí)驗室對菊芋汁清液連續發(fā)酵和菊芋粉帶則希望細水長(cháng)流均衡生產(chǎn),須要具有長(cháng)年性和穩渣批式發(fā)酵分別進(jìn)行了試驗和報道間,在此基礎定性。因此,無(wú)論是利用菊芋粉進(jìn)行帶渣發(fā)酵,還上,本文對兩種工藝路線(xiàn)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟可行性分是以菊芋汁液連續發(fā)酵都會(huì )在原料儲存上出現難析,并進(jìn)一步分析降低成本的關(guān)鍵環(huán)節,為實(shí)現以以克服的矛盾和困難,為了延長(cháng)加工周期,可以采菊芋為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化提供依取各種貯存措施,如濃縮冷凍、冷藏、窖藏、干燥據復膜等技術(shù)。1工藝路線(xiàn)對于粗乙醇加工,原料運輸是瓶頸問(wèn)題之一。把菊芋粉轉化成燃料乙醇的步驟:首先把收但是,如果采用分布式加工體系(圖2),即以一定獲的菊芋塊莖切片、晾干或在40~50℃下烘干后面積的種植區配套一個(gè)原酒加工廠(chǎng)做為一個(gè)加工儲藏,也可以直接在種植基地壓榨成汁,濃縮后低單元,可縮短原料的運輸半徑,節省運輸費用。分溫儲存。在此基礎上,將菊芋內的糖分轉化成體積散的原酒加工廠(chǎng)可通過(guò)簡(jiǎn)單蒸餾將乙醇濃縮到分數為90%左右的“粗乙醇”,然后,再經(jīng)脫水設90%左右。濃縮后的粗乙醇的精餾及脫水改性,可備制成995%以上的無(wú)水乙醇。菊芋乙醇產(chǎn)業(yè)生安排在一個(gè)乙醇總廠(chǎng)。整個(gè)加工體系流程:規模種態(tài)系統包括種植、倉儲、生產(chǎn)粗乙醇和生產(chǎn)精乙醇植一就地加工一就近轉換一集中提煉一統一配4個(gè)主生產(chǎn)環(huán)節以及副產(chǎn)物廢棄物綜合利用環(huán)制。再結合延長(cháng)收獲期技術(shù),可以實(shí)現分批收割加節(圖1)工,加工周期為12個(gè)月,原料基本不必儲存,節省菊種植品種選育存儲費用。烘壓粗乙醇倉儲乙醇發(fā)酵燃料乙醇「粗乙醇粗乙醇有機肥廢渣紙漿生產(chǎn)圖2菊芋乙醇分布式加工體系粗飼料Fig 2 Distributed system of fuel ethanol from圖1菊芋發(fā)酵生產(chǎn)乙醇環(huán)節jerusalem artichokeFig 1 Production processes of jerusalem artichoke to4粗乙醇發(fā)酵4.1菊芋粉生料發(fā)酵工藝2菊芋種植菊芋粉生料(帶渣)發(fā)酵工藝的優(yōu)勢在于它集菊芋耐旱、耐寒、可自我繁殖,且病蟲(chóng)害輕,只糖化、發(fā)酵于一體,不需額外添加糖化酶,而且由要把菊芋種植上就基本不須作特別管理。菊芋一于不需蒸煮滅菌從而使能耗大大降低,工藝簡(jiǎn)單次播種可多年生長(cháng),并且每年會(huì )以20倍的速度自設備投資省,每生產(chǎn)1t精乙醇可節省100-200行擴大繁育。但菊芋的塊莖應每年進(jìn)行采收,以提元的投資。另外,原料可以持續供應,不受收獲季高產(chǎn)量。菊芋抗旱,但在土壤水分充足時(shí)能大幅度節影響。提高產(chǎn)量。多施有機肥和鉀肥,也能大幅度提高菊由試驗結果可知,當菊芋粉濃度為280g/芋產(chǎn)量除種植、收獲時(shí)需要人工外,其它投入少、時(shí),發(fā)酵84h后乙醇濃度為83.1gL,乙醇得率達成本低見(jiàn)效快。每種植67m2(1畝)菊芋年可產(chǎn)到理論轉們V中國煤化工生產(chǎn)1t體積5000~10000kg莖葉、3000-5000kg塊莖叫,分數為95CNMHG5t,據本實(shí)驗實(shí)文杰,等菊芋生產(chǎn)燃料乙醇工藝路線(xiàn)探討室測定鮮菊芋的含水量為76%,所以需要鮮菊芋可作為飼料飼養牲畜,也可用作造紙原料,或用以為107t。按目前新鮮菊芋市場(chǎng)價(jià)格300元計生產(chǎn)改良鹽堿地的有機肥料以及加工生產(chǎn)秸稈燃算,生產(chǎn)1t95%的乙醇需原料費3200元。此工料、沼氣等能源;清液發(fā)酵的廢液可循環(huán)利用,以藝的缺點(diǎn)是勞動(dòng)強度大生產(chǎn)效率較低最高產(chǎn)率減少水資源的浪費;乙醇發(fā)酵過(guò)程中副產(chǎn)酵母占只有1.0g/(L·h)左右。乙醇產(chǎn)量的3%,通過(guò)自沉降分離和蒸汽汽提回4.2菊竽汁清液連續發(fā)酵工藝收乙醇后,可生產(chǎn)酵母浸膏和飼料酵母。菊芋汁清液連續發(fā)酵工藝的最大優(yōu)勢在于可7投資估算以采用酵母自固定化技術(shù)連續生產(chǎn),勞動(dòng)強度小。71原輔料根據試驗所得,在連續發(fā)酵時(shí),生產(chǎn)效率可達212由分析可知,每生產(chǎn)1t燃料乙醇兩種工藝g/(Lh),是帶渣批式發(fā)酵的2倍。清液批式發(fā)酵消耗的原料不同在帶渣發(fā)酵工藝中,需10.7t菊更高,可達275g/(L·h),而且可節省水資源投芋塊莖,而在清液發(fā)酵中則需要148t鮮菊芋塊資。由于殘糖較低使污染降低,可更好地保護環(huán)莖。按照300元成本計算,在清液發(fā)酵工藝中境;便于酒精提純操作單元的合理配置;節省了由每噸燃料乙醇需多消耗成本1240元。另外,由于于固液分離所采用的離心設備的投資清液同步糖化發(fā)酵工藝中,自絮凝釀酒酵母不能由菊芋汁清液連續發(fā)酵工藝可知,當菊芋汁分泌菊粉酶降解多聚果糖,需額外添加菊粉酶使濃度在220-230g/L時(shí),乙醇濃度平均可達989其糖化,按目前市場(chǎng)價(jià)格計算,每噸燃料酒精又需g/L,每生產(chǎn)1t95%的精乙醇需濃度為220g/的多花費120元菊芋汁7.6t。由于1t菊芋汁可榨出0.76t濃度7.2副產(chǎn)物為150g/的新鮮菊芋汁,所以每生產(chǎn)1t精乙醇清液發(fā)酵的優(yōu)勢在于它可以副產(chǎn)酵母來(lái)生產(chǎn)需鮮菊芋為148t,生產(chǎn)1t95%的乙醇的原料成酵母精膏和飼料酵母,經(jīng)計算,回收酒精產(chǎn)量3%本為4440元。的酵母,其蛋白含量為48%,按照飼料酵母出售5精乙醇生產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)格為3700元/,扣除加工成本700元釆用帶渣批式發(fā)酵時(shí),糖化和發(fā)酵在同一罐后,可沖減酒精生產(chǎn)成本90元,而帶渣發(fā)酵工中進(jìn)行,為了確保蒸餾溫度,并滿(mǎn)足減少酒精糟中藝則浪費了這部分資源。營(yíng)養物質(zhì)損失和保存發(fā)酵菌體活性的要求,可采73能耗用真空低溫蒸餾技術(shù)對醪液進(jìn)行低溫蒸餾。目前清液發(fā)酵工藝不采用DDGS技術(shù)處理廢糟在化工生產(chǎn)中,低溫熱敏蒸餾技術(shù)已廣泛應用于液,70%的廢糟液直接循環(huán)使用,而現有酒精生產(chǎn)天然產(chǎn)物的提取,熱耦合技術(shù)也在大規?；ど夹g(shù),廢糟液直接循環(huán)使用比例為30%,噸酒精產(chǎn)中得到了廣泛應用,這些技術(shù)應用到乙醇生產(chǎn)生產(chǎn)減少廢糟液蒸發(fā)量40%(約4t),節省能耗中也是完全可行的。(折蒸汽)約45t沖減酒精生產(chǎn)成本315元。采用清液連續發(fā)酵時(shí),由于發(fā)酵液中的酵母由于在清液發(fā)酵工藝中,榨汁后的菊芋汁液自絮凝固定化,發(fā)酵液無(wú)固形物,不存在堵塔問(wèn)含糖量達不到220g,所以菊芋汁液的濃縮需多題,提糟塔可以選用更高效塔坂;塔釜加熱也可選消耗用電成本,約104元/t。用間接加熱方式,使廢醪量減少,便于進(jìn)一步濃縮74因定資產(chǎn)投資干燥或全回流拌料等回收處理,可以更方便地應在清液發(fā)酵工藝中,酒精發(fā)酵時(shí)間縮短用節能的差壓精餾技術(shù)。酒精清液發(fā)酵也使正在倍,發(fā)酵罐總容積規模相應減小一倍,并且不采研究的各種非精餾節能提純技術(shù)有希望得以應用DDGS技術(shù)處理廢糟液,不采用高速離心機分用離酵母,這種技術(shù)特點(diǎn)使年產(chǎn)萬(wàn)噸乙醇可節約投循環(huán)利用資8000萬(wàn)元,按銀行貸款利息55%計算,節省循環(huán)利用工序主要是針對主環(huán)節所產(chǎn)生的副年貸款利息約40萬(wàn)元,可以沖減酒精成本73產(chǎn)物或廢棄物進(jìn)行加工和再生產(chǎn)。固態(tài)帶渣發(fā)酵元/t。中國煤化工產(chǎn)生的CO2可供大棚種植使用,發(fā)酵所得的糟渣綜合以上CNMHG,菊芋帶·141可再生能源2011,29(4渣發(fā)酵工藝在成本上具有很大的優(yōu)勢,每噸燃料輸、貯存困難,產(chǎn)生大量廢渣等不利因素。菊芋由乙醇可節省1132元。但其缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低,勞于特殊的生物特性,雖然原料價(jià)格略高,但以菊芋動(dòng)強度大。為原料制乙醇的產(chǎn)量要高于甜高粱秸稈。發(fā)展以表1兩種工藝的噸乙醇生產(chǎn)成本比較菊芋為原料的燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù),可以使現有燃Table 1 Cost comparison of two kinds of technologies forfuel ethanol production料乙醇裝置生產(chǎn)實(shí)現原料多元化,降低原料價(jià)格成本變化大幅度上漲導致的風(fēng)險。比較內容元清液發(fā)酵帶渣發(fā)酵76菊芋原料生產(chǎn)乙醇成本組成148t在以玉米為原料帶渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇時(shí),每噸糖化酶120元燃料乙醇需消耗3.1t玉米,按目前每噸1500元醇母30 kg蒸汽消耗計算采用菊芋為原料可節省1440元。另外,由水電消耗346元242元+104于在菊芋同步糖化生料發(fā)酵工藝中,不需要添加固定資產(chǎn)消耗糖化酶及任何輔料所以減少了糖化、液化設備的投資,降低了能源的消耗。根據玉米帶渣發(fā)酵工藝75可產(chǎn)燃料乙醇農作物的比較的具體成本計算,每噸燃料乙醇可節省286元。在中國發(fā)展生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè),必須要遵循三以玉米為原料時(shí),可生產(chǎn)有利用價(jià)值的玉米油等個(gè)“不得”原則,即不得占用耕地,不得消耗糧食,副產(chǎn)品,而菊芋的副產(chǎn)品利用價(jià)值較小,所以每生不得破壞生態(tài)環(huán)境,因此,發(fā)展非糧燃料乙醇是唯產(chǎn)1t燃料乙醇時(shí),采用玉米原料可節省961元。出路。表2對可產(chǎn)燃料乙醇農作物的關(guān)鍵數據具體成本分析數據見(jiàn)表3進(jìn)行了比較。3菊芋原料生產(chǎn)乙醇成本構成豪2不同原料生產(chǎn)乙醇成本比較Table 3 Cost composition of Jerusalem artichoke forTable 2 Cost comparison of fuel ethanol from differentfuel ethanolraw material成本變化產(chǎn)量市場(chǎng)價(jià)格乙醇原料價(jià)格乙醇產(chǎn)量原料成本3210原料類(lèi)型u667m2667m2酶成本甜高粱莖稈4.0-50200-24032003840025-031輔料成本鮮木薯10-15400-5002800~30.l0-0.15設備折舊鮮紅暮1.5-25·300-400300040.l5-025水、電、汽0.5-0751500~17004950~5610015-0.23設備維護玉米秸稈0.725-1093005001500~25000.15-022人力成本1643.0~50300-40032104280028-047副產(chǎn)品沖減從表2可以看出,在目前可生產(chǎn)燃料乙醇的總計52483837原料中,噸乙醇原料價(jià)格最為低廉的為玉米秸稈綜上所述,自絮凝顆粒酵母的菊芋乙醇發(fā)酵但由于尚存在原料預處理、五碳糖的利用、纖維素技術(shù),結合原料前處理綜合利用工程,實(shí)現清液發(fā)酶價(jià)格貴等諸多瓶頸問(wèn)題,以秸稈為代表的第二酵,是對乙醇發(fā)酵行業(yè)傳統帶渣發(fā)酵工藝技術(shù)路代纖維素乙醇還難以在短期內實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)。線(xiàn)的重大革新,與帶渣發(fā)酵工藝技術(shù)路線(xiàn)相比清與玉米相比,鮮木薯和鮮紅薯生產(chǎn)燃料乙醇在價(jià)液發(fā)酵生產(chǎn)效率高,不僅可以提高原料綜合利用格方面存在優(yōu)勢,并且在國內也有企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)水平減少水資源的消耗,而且榨汁后的殘渣也可化的報道但由于國內產(chǎn)量較少,依賴(lài)進(jìn)口、乙醇以用于帶渣發(fā)酵工藝;由于發(fā)酵過(guò)程消除了原料廢液治理難度大等問(wèn)題嚴重制約了木薯和紅薯燃殘渣的干擾,副產(chǎn)的酵母可以十分方便地回收,進(jìn)料乙醇的發(fā)展。甜高粱是生產(chǎn)生物燃料乙醇的最行深加工;但是每噸燃料乙醇需多耗費3t新鮮佳原料,被譽(yù)為“生物能源系統中最有力的競爭菊芋,并需要額外添加菊粉酶。由于壓榨后的菊芋者”在我國的“十一五”規劃中已經(jīng)明確地把甜高汁濃度較低粲稈作為制燃料乙醉首選原料,但它同樣存在運因此,使用YH中國煤化工合生產(chǎn)要求。CNMH種進(jìn)行生料142袁文杰,等菊竽生產(chǎn)燃料乙醇工藝路線(xiàn)探討帶渣發(fā)酵在成本上更適合大規模生產(chǎn)的要求(表2000,21(11):29-31.3)。鑒于清液發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn),研究認為乙醇生產(chǎn)企業(yè)2] WILKE T, RLOP K. Industrial bioconversion of renew應最大限度地減少農作物季節性對工業(yè)生產(chǎn)的影able resources as an alternative to conventional chem-響,實(shí)現乙醇生產(chǎn)利潤最大化的基礎上,使兩種工istry J]Appl Microbiol Biotechnol, 2004, 66(2):藝實(shí)現優(yōu)勢互補,減少對環(huán)境的污染(圖3)。131-142.3]紀錄,賈英民,桑亞新,等菊芋資源的開(kāi)發(fā)利用鮮汁濃縮一匚榨汁了一[菊芋塊莖河北林果研究,2003,18(1):93-%64]李璟琦陜西榆林沙區菊芋資源的綜合利用及發(fā)展前[清液發(fā)酵殘渣干燥粉碎景門(mén)陜西農業(yè)科學(xué),2008,54(3):141-1435]桑亞新,賈英民,王靜,等菊芋深加工開(kāi)發(fā)生產(chǎn)果糖廢液循環(huán)匚蒸餾}生料發(fā)酵糖漿中國食品學(xué)報,200(1):295-300[6]袁文杰,任劍剛,趙心清,等.一步法發(fā)酵菊芋生產(chǎn)乙無(wú)水乙醇}一[粗乙醇[固體漬了醇U生物工程學(xué)報,2008,24(11):1931-1936常寶磊,袁文杰,趙心清,等自絮凝顆粒酵母發(fā)酵菊匚紙漿}[烘干篩分芋汁生產(chǎn)乙醇過(guò)程工程學(xué)報,2009,9(4):79800[8] NAKAMUARA T, OGATA Y, HAMADA S, et aL. Ethanol菊芋粘籽}其他渣production from Jerusalem artichoke tubers by aspergillus niger and saccharomyces cerevisiae []J fer-秸稈煤有機肥ent bioeng,1996,81(6):564-566.圖3菊芋生產(chǎn)乙醇及副產(chǎn)物工藝路線(xiàn)圖[9] BAJPAI P, MARGARITIS A. The effect of temperatureFig 3 Technological diagram of Jerusalem artichoke for fueland pH on ethanol production by free and immobilizedethanol and by-products productioncells of Kluyveromyces marxianus grown on Jerusalem8結語(yǔ)U). Biotechnol Bioeng, 1987, 30(2):菊芋帶渣發(fā)酵工藝生產(chǎn)燃料乙醇與以玉米為306-313.原料生產(chǎn)乙醇相比較,具有明顯的優(yōu)勢,其成本可[0]許宏賢,段鋼,固態(tài)間歌補料乙醇生料發(fā)酵新工藝生物工程學(xué)報,2009,25(2):200-206.降低1000元/左右,符合目前國家對燃料乙醇[l]隆小華,劉兆普陳銘達等半干旱區海涂海水灌溉項目的政策。但目前尚沒(méi)有推廣利用菊芋生產(chǎn)燃菊芋氮肥效應的研究水土保持學(xué)報,2005,19(2):料乙醇的產(chǎn)業(yè)化項目,其瓶頸問(wèn)題還在于沒(méi)有實(shí)114-117現菊芋的大規模種植;一旦實(shí)現菊芋規?；N植,[2]范仲先對菊芓產(chǎn)業(yè)的研究與開(kāi)發(fā)門(mén)農村實(shí)用科技信再結合分布式乙醇加工體系的應用,菊芋可望成息,2008(2):52-53.為我國非糧作物生產(chǎn)燃料乙醇的最優(yōu)選擇。[13]雷良蘭,魯寶成高原地區菊芋高產(chǎn)栽培技術(shù)農家參考文獻之友,2008(12):20-21[1陳曉明,金征宇菊粉降解生產(chǎn)低聚果糖[飼料工業(yè),(上接第138頁(yè)3 MATHWORKS INC Simulink/Stateflow technical exam-參考文獻:ples-Using Simulink and Stateflow in automotive ap-[LIU XUE-JUN, LIU CUN-XIANG. The significant of theplication[M]. 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