酒精生产节能技术进展综述

卢柳忠，张佳欣，陆登俊，何惠欢

（1.广西凭祥市丰浩酒精有限公司，广西 凭祥 532605；2.广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004；3.广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001）

酒精生产节能技术进展综述

卢柳忠1，张佳欣2，陆登俊2，何惠欢3

（1.广西凭祥市丰浩酒精有限公司，广西 凭祥 532605；2.广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004；3.广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001）

节能先进技术的应用对酒精生产行业节能降耗、降低成本、提升市场竞争力有重要意义。本文综述了目前国内外酒精生产中的主要节能技术，并对每一种节能技术的特点及效果进行分析。

酒精；节能；发酵；蒸馏

近年来，随着世界经济的快速发展，世界能源消耗量大幅增加，煤炭、石油等不可再生能源资源日益枯竭，能源已经成为21世纪世界各国所关注的重大问题。酒精既是一种重要的化工原料，又是一种可再生能源。燃料酒精是目前国际上应用得较成功的替代能源之一，以甘蔗、玉米为原料的第一代燃料酒精产业已经形成规模，燃料酒精已经成为世界消费量最大的生物燃料，酒精市场面临较好的发展机遇［1-2］。然而，目前我国酒精生产存在能耗过高导致生产成本过高的问题，因此，节能降耗、降低成本已成为酒精生产企业亟待解决的问题。

1 酒精生产节能技术

1.1 低温蒸煮技术

传统酒精生产采用高温蒸煮工艺。高温蒸煮一是可以破坏植物细胞间组织和细胞壁，使淀粉粒溶解并释放出来，以利于淀粉酶的作用；二是对原料进行杀菌，以保障发酵的顺利进行。通常蒸煮温度在120～150℃。高温蒸煮耗汽多，约占酒精生产的30%～40%，能耗高，且易造成糖分损失［3］。

低温蒸煮技术是采用相对较低的蒸煮温度，对加入了淀粉酶的原料进行蒸煮，使淀粉糊化。低温蒸煮的温度一般控制在80～85℃，在此温度范围内，淀粉易于糊化（淀粉的糊化温度低于80℃），且液化酶液化能力最强，避免黏度过大导致输送和搅拌困难［4］。与高温蒸煮相比，低温蒸煮最大的特点便是节能。池振明等［5］采用在80℃下对玉米粉进行蒸煮和液化15min、在50℃下糖化30min的低温蒸煮工艺，并在此基础上对玉米淀粉的高浓度酒精发酵工艺进行研究，在使用菌株W4、酵母接种量为3%（v/v）、发酵温度30℃、pH 4～4.5、发酵70h的条件下，产酒率为17.5%（v/v），残总糖为3.6%，淀粉利用率为90%。彭光才等［6］采用85℃蒸煮、60℃糖化的低温蒸煮工艺，生产结果表明，85℃能杀死绝大部分细菌；醒液黏度小，便于泵送，可加快进料速度，提高生产率7.9%；同时节省大量蒸汽，综合能耗下降23.59%；减少了高温蒸煮时可发酵糖的损失1%～1.5%，出酒率提高0.81%。沈永利［7］采用糊化温度80～85℃低温连续蒸煮工艺生产酒精，结果表明，原料糊化率、酒母质量、成熟发酵醒指标等均有提高，t酒降低煤耗近20%，产量提高10%左右。许宏贤等［8］采用85℃低温液化工艺，可获得与中高温液化相同的灭菌效果，且可以降低综合能耗，减少液化过程中游离糖的损失，提高酒精产量。

1.2 浓醪发酵技术

浓醪发酵是指每100g发酵液中，可溶性固溶物≥18g的发酵，该定义最早由Casey等［9］提出。浓醪发酵技术是生物乙醇生产技术的重要进展，已成为国内外生物乙醇生产行业的研究热点［10］。章克昌等［11］研究了淀粉浓醪发酵工艺，加水比1∶1.8～1∶2.5，发酵时间50h，最终酒精浓度达到13%～16%，淀粉利用率达90%以上，蒸汽消耗量约为常规工艺的2/3，酒糟排放量减少，生产成本大幅度下降。刘代武等［12］研究了玉米酒精浓醪发酵工艺，发酵70h，最终发酵酒度14.7%（v/v），残糖0.92%，残还原糖0.2%，淀粉利用率84.9%。吴晓艳［13］研究了玉米酒精浓醪发酵工艺，中试结果表明，玉米醪加水比为1∶1.8，90～95℃蒸煮，发酵温度35℃，发酵周期60～70h，酒精含量在16.4%以上，残糖降至1%以下，淀粉利用率提高到了90%。赵华等［14］研究了玉米酒精浓醪发酵技术，加水比1∶2.6，发酵时间70h，醪液中酒精浓度可达13.2%（v/ v）。黄宇彤等［15］研究了添加Tween80和麦角甾醇的玉米超高浓度酒精发酵技术，酒精浓度可达15.32%。

浓醪发酵技术具有如下优点［16-17］：

1）降低蒸汽能耗。粉浆浓度高，发酵结束时成熟醪中酒分浓度高、水分少，则醪液量少，因此，浓醪发酵技术可以降低液化工序和蒸馏工序的蒸汽能耗。浓醪发酵酒分可达15%（v/v）以上，比传统工艺酒分约高5%～6%（v/v）。而每提高1%（v/v）酒分，则蒸汽单耗降低15%～20%。

2）节约用水。粉浆浓度提高，可减少拌料水，一般乙醇生产企业发酵所采用的料水比通常为 1∶2.5左右，而采用浓醪发酵，料水比可减为1∶（1.8～2.0）。例如，木薯干片含水按照14%、淀粉含量按照68%计算，当成熟醪酒分由10%（v/v）提高到15%（v/v）时，所需料水比由1∶3.09减为1∶1.77，则每消耗1t木薯可以节约用水1.32t。

3）减少废醪处理量。当发酵成熟醪液中的酒分为15%（v/v）时，每生产1t无水酒精成熟醪液量为8.27t，与发酵成熟醪液中的酒分为10%（v/v）时相比，废醪液量可减少33.84%。

4）增加产能。当成熟醪酒分由10%（v/v）提高到15%（v/v）时，1000m3发酵液中乙醇量可由80t提高至120.93t。浓醪发酵可以提高设备利用率，增加产能51.16%。

5）降低酒精生产成本。浓醪发酵可以降低液化及蒸馏的蒸汽能耗，节约用水，增加产能，减少废液处理负荷，故能明显降低生产成本。以年产15万t生产规模估算，每年可节约成本约1000万元。

1.3 固定化连续发酵技术

固定化技术是指利用化学或物理手段将游离的细胞（微生物）或酶，定位于限定的空间区域并使其保持活性和可反复使用的一种技术，包括固定化酶技术和固定化细胞技术［18］。目前，固定化技术的应用范围涵盖食品与发酵工业、生物学、生化工程、有机化学、合成化学、高分子化、环境净化、能源生产等多个领域，已经成为生物技术中十分活跃的跨学科研究领域［19］。

在酒精连续发酵过程中，游离酵母不断随发酵醪流走，造成发酵罐中酵母细胞浓度不够，导致酒精发酵速度慢、发酵时间长、产酒率不高、杂菌污染严重等问题。采用固定化连续发酵技术，酵母细胞固定化后填充在发酵罐中，作为一个连续不断的种子源，连续增殖、连续发酵，发酵速率、设备利用率和酒精产量可同时提高10%～30%，节能降耗［20-21］。陈秀萍［22］使用固定化活酵母进行糖蜜酒精连续生产，与游离酵母相比，发酵能力提高10%～30%，发酵时间比原来缩短10h以上，提高发酵设备的利用率约30%，同时提高糖分出酒率，降低单耗，节省蒸馏用汽。傅汝文等［23］采用固定化酵母生产糖蜜酒精，酒精发酵时间由原来45～48h，缩短到40h左右，成熟醪酒分从9.5%～10%（v/v）提高到10.5%～12.5%（v/v），设备利用率提高20%以上，每t酒精消耗原料糖蜜从4.35t下降到4.25t，醪液量从12.5m3下降到10.5m3，节能、降耗、减排。岳国君［24］使用固定化酵母-大罐浓醪连续发酵工艺进行玉米酒精生产，在原有设备基础上，年酒精生产能力由10万t提高至20万t，总发酵时间由65h降为54h，发酵成熟醪酒分由9.5%提高至13%，水、电、汽的消耗均有不同程度下降。李魁［25］采用聚乙烯醇（PVA）为载体共固定化酵母菌细胞和糖化酶制剂，以木薯为原料进行酒精连续发酵工艺研究，实验结果表明，醪液在反应器中停留时间3.1h，发酵醪酒精浓度为12.3%，成熟发酵醪残余总糖为2.72g·L-1，残余还原糖为0.6g·L-1，总糖利用率达96.91%。

1.4 差压蒸馏技术

酒精通过蒸馏从发酵成熟醪中分离出来，蒸馏过程消耗大量的蒸汽，同时排出大量的酒糟废液。我国生产高品质酒精过去多采用多塔（3～5塔）常压蒸馏，自20世纪90年代从法国、奥地利等国外引进差压蒸馏技术后，酒精生产企业开始推广应用多塔（3～6塔）差压蒸馏。差压蒸馏技术节能的主要原理是：蒸馏工序各塔的温度不等，压力不等，利用高压塔热能来加热温度压力低的塔，实现热能的多次利用，从而收到节约能源的效果［26］。

差压蒸馏技术具有产品质量稳定、节能降耗、废液排放量少、冷却水用量少等优点。孙朋朋等［27］报道了三塔差压蒸馏的使用效果：生产1t酒精蒸汽消耗1.1～1.3t，与糟液热能回收的两塔常压蒸馏相比，节约蒸汽达到35%，糟液减排量约1t。孔继红等［28］报道了年产3万L酒精四塔式差压蒸馏的生产效果。与原有的三塔常压相比，蒸馏酒精产品质量由普通级食用酒精提升为优级食用酒精，生产1t酒精蒸汽消耗由4.8t降为2.2t，冷却水消耗由160 m3降为80 m3，耗电量为30.6kWh，酒精废酵液排放量由22 m3·h-1减为18 m3·h-1（按酒精日产量38t、含酒8%V计）。孙朋朋等［27］报道了五塔差压蒸馏的使用效果：酒精产品质量达到食用优级标准，生产1t酒精蒸汽消耗为2.4t，冷却消耗水量约为20t，与四塔常压蒸馏对比，节省蒸汽62%，节约冷却水73%。另外，还减排糟液量1.6 t·（t酒精）-1，减排废液量约3.6 t·（t酒精）-1。滕海涛等［29］报道了五塔二级差压酒精蒸馏工艺的生产效果。五塔二级差压酒精蒸馏工艺是在年产15万t酒精的五塔差压蒸馏工艺的基础上优化改造的，实际生产表明，产品为优级食用酒精，且其中重要的醛、甲醇、酯等杂质指标的检出结果已达到特级酒精标准，而杂醇油（正丙醇、异丁醇和异戊醇）几乎未检出。相比传统五塔差压工艺，五塔二级差压工艺生产1t酒精蒸汽消耗由2.3～2.6t降为2.15t，节省6%～18%；循环水的消耗由140t降为120t，减少15%；耗电由49kWh降为41kWh。谢林［30］报道了六塔差压蒸馏的应用效果，生产1t酒精蒸馏用汽为2.34kg·（L酒精）-1，冷却水消耗0.63 t，耗电为23.1kWh，在提高酒精产品质量的同时，节能降耗。

1.5 闪蒸技术

闪蒸就是高压的饱和液体进入较低压的容器后，由于压力的突然降低，这些饱和液体的一部分变成容器压力下的饱和蒸汽和饱和液。在酒精生产过程中，通过真空喷射装置，采用闪蒸技术，使真空罐产生真空度，对蒸煮后的醪液及粗馏塔排出的糟液进行二次蒸汽回收。回收后的二次蒸汽与一次新鲜蒸汽混合使用，既减少了一次蒸汽用量，达到节能降耗目的，又可以回收糟液中的残酒，提高酒精产出率。许新山［31］将蒸煮后的醪液（温度120℃）利用闪蒸后回收的二次蒸汽加热拌料水，将粗馏塔排出的糟液（温度105℃，压力0.05MPa）通过闪蒸技术进行潜热回收后，真空罐排出的糟液温度为82℃，其二次蒸汽与新鲜蒸汽混合后被加压送至粗馏塔塔釜。生产实践表明，粗馏塔排放出的二次蒸汽达780kg·h-1，蒸煮工段第一、二后熟器及汽液分离器排放的二次蒸汽达1190kg·h-1，按80%回收，节能效果显著。生产1t酒精可节省蒸汽0.564t，生产1万t酒精可从糟液中回收酒精30t，经济效益显著。曾文生［32］在蒸馏工段将闪蒸罐后的低温蒸汽用于杂醇油蒸馏，在生产能力为180t·a-1的差压蒸馏生产线中，可产生蒸汽1.5t·h-1，按年产酒精300t、每t蒸汽200元计，一年可节约216万元，节能效益可观。葛德忠［33］在淀粉质原料燃料乙醇生产过程中，在液化工序采用真空闪蒸技术，将二次蒸汽返回用于加热液化前部分的混合料。生产结果表明，生产1t燃料乙醇节约蒸汽0.231t，节约冷却水量15.53t，按年产30万t燃料乙醇、蒸汽156元·t-1，循环水0.3元·t-1计，一年可节约1122 .57万元，效益显著。

1.6 新型糖化酶糖化技术

酒精生产过程中，由于淀粉酶与糖化酶的适用pH不同，原料的液化、糖化及发酵分别在不同的pH条件下进行。在糖化工序和发酵工序中，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，即从液化工序到糖化工序过程，需要加入大量的酸液调节pH。钱莹等采用新型糖化酶，在木薯生产酒精中，将液化、糖化及发酵过程的pH一并控制在5.5下进行，结果表明，可加快酒精发酵的速度，酒精产率可提高0.2%～0.5%，减少酸液用量，简化生产工艺，减轻酒精废液的处理负荷，节能降耗，降低生产成本，提高企业经济效益。以每t酒精市场价格5000元计，生产1t酒精可带来10～15元的收益。新型糖化酶的出现为酒精生产节能提供了新的思路。

2 结语

目前，与先进国家相比，我国酒精生产在能耗、生产成本等方面尚存较大差距，因此，酒精生产行业应积极研发及应用新技术、新工艺，节能降耗，降低成本，才能提升市场竞争力，增强可持续发展能力。

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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

广西科技开发计划项目（桂科重14122004-2）

卢柳忠（1967-），男，工程师，本科，主要从事酒精生产管理工作

何惠欢（1967-），女，副教授，主要从事可再生资源与环境保护研究工作。E-mail：hhuih@163.com

2016-03-11