浅析煤制甲醇蛋白工业化

2012-02-09任富强乔丽娟杨国锋

河南化工 2012年17期

任富强，乔丽娟，杨国锋

(1.河南省煤气(集团)有限责任公司，河南郑州 450001;2.河南煤气(集团)有限责任公司义马气化厂，河南义马 472300)

甲醇蛋白可从化石原料出发，经由甲醇而制得。它含有丰富的蛋白质、氨基酸和多种维生素，产品安全而无毒，能促进牲畜生产和提高饲料利用率。甲醇蛋白在国外已使用20余年，证明它是一种安全的动物饲料添加剂。传统煤化工与现代生物化学相结合，开发并生产甲醇蛋白对缓解国内鱼粉等动物饲料蛋白不足，消化甲醇过剩产能并减少环境污染，促进畜牧业发展具有深远的意义。

1 国内外甲醇蛋白生产情况及技术简介

生产甲醇蛋白的方法主要分两类，一类以细菌为菌种，另一类以酵母菌为菌种。ICI法、Hoechst－Uhde法、Norprotein法都采用细菌为菌种，而 MGC法、IFP法、Phillips Petroleum法则采用酵母菌为菌种。

细菌增殖速度快，在连续发酵罐中增殖速度可达2.5～3.75 g/L·h，其蛋白质分数高达 70% ～80%;而酵母菌发酵蛋白的蛋白质分数一般都是50%～60%。细菌菌种极易变异，操作稍有差异就有可能引起细菌菌种的变异，致使生产操作无法进行，而酵母法相对要安全些。

在各种工艺方法中，只有英国ICI于20世纪80年代实现了真正意义上的工业化，但已停产多年。

目前，国内蛋白质生产共有40余家，基本上是以酒精、糖、味精、纸张、淀粉、豆制品、屠宰场等的废弃物为原料，尚无甲醇蛋白工业生产装置。近几年有多家企业准备新建大型甲醇蛋白生产装置。

两类工艺技术中以英国ICI和日本三菱瓦斯化学的方法最具代表性。生产方法的工艺条件见表1。

表1 甲醇蛋白生产方法的工艺条件

常见的甲醇蛋白工艺流程方框图见图1。

国内首袋煤制甲醇蛋白以精甲醇为原料，采用南京工业大学的甲醇发酵技术。

图1 常见甲醇蛋白工艺流程图

2 甲醇蛋白工业化的主要问题

2.1 菌种的选育和生物安全评价

按照生产甲醇蛋白的工艺流程，菌种的选育和生物安全评价是甲醇蛋白工业化需要做好的前提。需要选择具备产业化能力的高效酵母作为原始出发菌株，通过计算、分析，研究甲醇代谢的主效及旁路途径，并通过微生物选育方法及基因工程对其进行定向改造，获得更为稳定高产、氨基酸配比适宜的甲醇蛋白生产菌种，优化甲醇酵母的培养条件，获得最佳的低料组合模式，并进行放大实验，逐步开发出稳定、高效的工业级煤基甲醇单细胞蛋白生产技术。饲料级的甲醇单细胞蛋白需要进行营养及生物安全评价。通过营养分析，准确获得总蛋白、糖、脂等主要成分的比例，以及各种氨基酸的组成比例。根据不同营养摄入要求的差别，通过外源添加的方法，合理调配营养成分，开发出多系列的品种。国内已有多家科研机构对此进行卓有成效的研究和试验，为甲醇蛋白工业化奠定了一定的基础。

2.2 发酵罐的研发、制作与发酵过程生物反应热的控制

甲醇蛋白发酵在发酵罐里完成。发酵过程要求无菌操作，消毒后的甲醇水溶液及一定量营养物质加入发酵罐内，从罐底部通入被灭菌的培养液和富氧空气，利用空气搅拌促进氧的溶解，增大溶液的湍动，使各种物料混合均匀;控制温度和pH值，发酵过程开始。发酵过程产生的空气起搅拌作用使罐内溶液自然循环，产生的CO2和剩余空气从发酵罐顶部排出，密度增大后的溶液顺发酵罐的一边流下，在底部完成热交换后从塔底连续取出，罐内细胞浓度维持在3%左右。

由于甲醇酵母生长速度过快，生物反应热相对其他生物发酵要大得多，因此甲醇蛋白工业化生产要求其发酵罐应是能保证空气和能量利用良好;能迅速供给发酵所需的大量氧气;能长期稳定运行;有较大容积;更为重要的是必须有极其良好的传热性能。以ICI为例:10万t/a的甲醇蛋白装置发酵罐直径 15 m，高 60 m，容积约 10 000 m3，重 625 t。

传统的发酵设备不能满足其需要。如果采用一般冷却方式，甲醇酵母发酵罐单罐容积只能控制在50 m3以下，因此需要研发新型的生物反应器以适合甲醇蛋白的工业化生产。发酵部分的投资占甲醇蛋白装置总投资的40%以上，甲醇蛋白实现工业化的关键设备和技术难点之一。

曾经工业化和经过中试的甲醇蛋白发酵罐较为成功的有三种，即ICI加压外循环式发酵罐、HU空气提升内循环式发酵罐、IFP升气式发酵罐，三种形式各有千秋。新型生物发酵罐的研制建议从如何加强罐体内部循环又减少机械传动和避免微生物污染、如何抗压力、加料量波动、如何控制发酵过程中的泡沫、如何适宜酵母产生凝絮等方面展开工作。生物反应热的迅速转移建议同时采用多种方式确保安全与稳定。例如:发酵罐在采用板式换热器制冷式强制外循环的同时，罐内也应考虑设置必要的盘管式换热装置，另外可参考煤化工中设置合适的循环气旁路的做法以及利用空分氮水系统低温水、空分单元、净化单元制冷站的富余冷量，达到能以多种手段迅速转移热量，精确控制发酵过程。

2.3 加快工业化推化需解决的问题

为提高甲醇蛋白的产量，加快工业化推广，科研和生产单位需进一步研究微生物群体的生长规律，努力缩短调整期，提高对数期的生产效率，延长稳定期，同时需要寻求新方法和新工艺来提高酵母的水解率和破壁率。一般要求生产效率对数期达到3 kg/m3·h，酵母破壁率达到90%，酵母水解率不低于70%。

甲醇蛋白产品的无菌离心分离机及干燥设备的加工能力需快速跟进以适应工业化需求。这部分的投资占到了总投资的20%以上。

甲醇蛋白工业化需解决煤基甲醇杂质对甲醇酵母生长的影响。国外用于单细胞蛋白生产的甲醇均由天然气制得，甲醇质量好，副产物较少。煤基甲醇成分复杂，如何去除杂质，减少对甲醇酵母生长的影响，关系到甲醇蛋白的质量和产量，影响到甲醇蛋白的工业化生产。一般应使甲醇在甲醇蛋白产品中的残留小于5 ×10－6。

2.4 降低消耗

根据采用的工艺不同，生产每吨甲醇蛋白的消耗也不尽相同。但各种生产方法的消耗指标相差不大。基本上每吨甲醇蛋白消耗是:甲醇2.0～2.2 t，氨水约0.18 t，发酵过程电力消耗约2 000 kW·h，后续加工电力消耗1 000～2 000 kW·h。甲醇价格波动较大，对甲醇蛋白产品价格的影响比较大，每吨甲醇蛋白的生产成本在6 500～8 600元之间，而甲醇蛋白比较合理的市场价格应是鱼骨粉的1.2～1.5倍，因此，当甲醇价格较高鱼骨粉价格较低时，工业化生产甲醇蛋白的优势较弱。努力节能减排也是甲醇蛋白工业化需要解决的难题。在已有的生产方法中，日本的MGC法参考意义较大。

甲醇蛋白为替代粮食用饲料的产品，会受人的心理接受程度的影响。除了做好生物安全评价和广泛宣传之外，还需国家标准的支持，目前尚没有相关的国家标准。另外，国内外相关运行业绩稀缺、工程、技术、操作人员少也是影响甲醇蛋白工业化的因素。