2011
糖料作物生产乙醇及糖酒联产的进展
引用本文
韦必钿, 何惠欢. 糖料作物生产乙醇及糖酒联产的进展[J]. 甘蔗糖业, 2011,(3): 63-66. 
WEI Bi-tian, HE Hui-huan. Development of Fuel Ethanol Production by Sugar Plant and Combined Sugar-Ethanol Production[J]. Sugarcane and Canesugar, 2011,(3): 63-66.
糖料作物生产乙醇及糖酒联产的进展
1. 广西横县经济贸易和信息化局, 广西横县530300;
2. 广西工业职业技术学院, 广西南宁530001
2. 广西工业职业技术学院, 广西南宁530001
摘要：介绍了糖料作物生产乙醇的情况,并对目前糖酒联产的发展作了展望。
关键词：
乙醇
糖料
糖酒联产
Development of Fuel Ethanol Production by Sugar Plant and Combined Sugar-Ethanol Production
1. Guangxi Hengxian Economics and Trade Bureau, Guangxi, Hexian 530300;
2. Guangxi Vocational and Technical Insititute of Industry, Nanning 530001
2. Guangxi Vocational and Technical Insititute of Industry, Nanning 530001
Abstract: The production status of fuel ethanol from sugar crop in the world was introduced.And the research progress that manufacture fuel ethanol and sugar was emphatically previewed.
Key words:
Ethanol
Sugar plant
Combined Sugar-Ethanol production
随着石油资源的日益减少，人类必须早日寻找 可替代能源以解决能源危机，可再生能源的研究和 开发在世界许多国家和地区都得到广泛的开展。目 前已经开发的能源有：风能，太阳能，潮汐能，海 洋能，地热能，生物质能等。
由于生物质能源所使用的原料来源广泛，可快 速作为石油能源的替补，适应目前使用石油作为燃 料或其他能源的各种生产设备和消费单元，且可以 给农民增加收入，所以成为能源研究的一大热点。 国内外正大力发展生物质能源，特别是燃料乙醇的 利用。
1 糖料作物生产乙醇的发展和研究现状
目前，用于生产燃料乙醇的作物比较广泛，下 面主要介绍甘蔗、甜菜和糖枫。
1.1 甘蔗
甘蔗的利用大国当属巴西。地处南美洲的巴西， 地域辽阔，雨量充足，适宜种植甘蔗。巴西政府因 地制宜，大量种植甘蔗，而且开发新能源战略成效 显著。巴西已成为世界上第一大甘蔗种植国，甘蔗 产量在2003/04 年度约3.5 亿t，2004/05 年度约3.8 亿t，2005/06 年度为4.37 亿t[1]。因此，巴西的燃 料乙醇计划能够得到很好的开展，目前，巴西的乙 醇汽油中酒精比例全世界最高，达到25%[2]。
作为世界第三大产糖国，我国的甘蔗种植甚广， 主要分布于广西、云南、广东、海南等省份。甘蔗 作为乙醇的生产原料，又可细分为甘蔗汁、甘蔗渣、 甘蔗糖蜜等原料。
1.1.1 甘蔗汁
甘蔗蔗汁是目前利用甘蔗进行酒精生产的主流 原料。一些新的技术不断研究和引入。Savitree Limtong 等人用新型单独分离的马克思克鲁维酵母 （Kluyveromyces marxianus）在高温下将蔗汁发酵 生产燃料乙醇，获得比较好的效果。其特点是该酵 母在较高温度下仍能进行发酵，在总糖为22%的培 养基下，该酵母能在37℃的温度产8.7%(w/v)的乙 醇，而在40℃的温度下仍能产6.78%(w/v)乙醇[3]。 韦智科等于2005 年3 月间在博庆公司酒精分厂使用 固定化酵母作菌种，采用单浓度双流加连续发酵工 艺进行了蔗汁酒精发酵生产性试验，整个实验过程 共消耗蔗汁629 t。试验结果表明：吨酒精（95％v/v） 耗用甘蔗13.52 t，酒精浓度9.5%左右[4]。魏涛等对 采用二压汁稀释糖蜜生产酒精工艺进行了探索，在 这种模式下，仅以初压汁直接作澄清处理，而用二 压汁按不同比例稀释乙糖蜜发酵生产酒精。通过实 验得到二压汁稀释糖蜜的最佳工艺条件：pH4.0，发 酵温度30℃，发酵时间48 h，酒母接种量6%，稀 释率40%，酒度达12.1°[5]。樊婧等同样采用二压 汁与乙原蜜的混合糖料作为发酵原料进行固定化酒 精发酵，在发酵温度为31℃时，发酵酒精度11.4%， 残糖含量0.89%[6]。
1.1.2 甘蔗渣
甘蔗渣含有丰富的纤维素、半纤维素等多糖。 目前，在制糖企业中，甘蔗渣多数作为燃料进行利 用，经济效益不高。近年来，通过生物技术将甘蔗 渣转化为酒精的研究得到较快的发展，大大提高了 甘蔗渣的经济效益。
蔗渣转化为酒精的方法一般是先对生物原料进 行预处理，继而用酶将预处理后的原料水解成可通 过发酵转化为酒精的糖类。
在日本，将蔗渣粉碎，然后用产生纤维素酶的 细菌处理，将纤维素分解为糖，再用连续固相酵母 生产酒精，每天能从720 kg 甘蔗渣中生产200 L 酒 精[7]。
在巴西，由巴西Dedini，copersugars(联产糖- 乙醇工厂)合作并出资研究，己建成5 m3/d 蔗渣快速 水解中试工厂，处理工艺以乙醇-水的混合物作为溶 剂；加稀硫酸0.1%～0.25%作反应催化剂，在170～ 185℃、2.0～2.5 MPa 条件下，在水解锅煮10～12 min 后，总还原糖转化率为59%，水解液含糖80 g/L(该水解锅能力为20 kg/h 粗蔗渣)，再用酵母转化 为乙醇，乙醇连续发酵罐为10 L。中试产率：1 t 50% 水分蔗渣产乙醇100 L 左右，成本427.4 美元/m3 乙 醇[8]。
加拿大Lignot 公司与澳大利亚SRI 合作以蔗渣 为原料建立中试生产装备，特点是：用有机溶剂-乙 醇在185℃，2.5 MPa 压力下蒸煮脱木质素及半纤维 素，用有机溶剂乙醇溶解木质素，能使木质素不被 过度破坏而保持其活性状态，更好地利用其生产高 附加值产品。除木质素和半纤维素后的浆料，更适 合生产高质量纸或更利于水解变糖。蒸煮后脱水的 净纤维浆料，可以再水解获得六碳糖发酵制乙醇， 或用此净纤维浆造纸[9]。
美国BC International 公司计划投资9000 万美 元，建立一个年产酒精7600 万L 的燃料酒精生产厂。 以甘蔗渣为原料，采用稀硫酸水解，其核心技术是 佛罗里达大学开发的转基因的E.coli 菌株，可发酵 水解液中的全部单糖(包括五碳糖和六碳糖)[10]。
广州甘蔗糖业研究所开展过“蔗渣二段水解制 糠醛及酒精”的中间工厂试验。蔗渣二段水解制糠 醛及酒精项目的规模为：耐酸水解锅容积700 kL 2 个，200 kL 1 个；2.7 m3 酒精发酵罐4 个；粗馏塔直 径250 cm, 16 层，精馏塔直径为200 cm，49 层，后 蒸馏塔直径200 cm，每日能产酒精200 L。中试结 果，1 t 干蔗渣产糠醛60 kg，酒精80 kg。采用稀酸 串连多级水解(4～5 级)，蒸汽消耗：糠醛每吨耗汽 50 t，酒精每吨耗汽5 t[11]。
此上述先水解，后发酵的方法较为耗时，也较 为繁琐。如果能实现糖化与发酵同时进行，将会大 大提高生产率。Teixeira 等人对糖化蔗渣和共发酵生 产酒精的工艺进行了前处理条件的优化。研究结果 表明，在先于过氧乙酸之前使用氢氧化钠进行前处 理，可以减少对过氧乙酸的需求，使用量减少到 9%～15%[12]，以上的研究是采用酸解蔗渣。蔗渣前 处理有物理法、化学法和水热法。水热法采用热水 或者蒸汽处理，与前2 种前处理方法相比，水热法 有着其独特的优势：不用继续添加酸，不需要抗腐 蚀的设备，处理过后残留物COD 和BOD 值比较低 等。Mark Laser 等深化研究了水热法，他们对比了 用热水处理或者用蒸汽处理甘蔗渣以生产酒精乙醇 的工艺，发现LHW（热水处理）的效果比蒸汽处理 的效果要好，也较为经济[13]。
1.2 甜菜
甜菜是生产蔗糖的第二大原料，由于其富含蔗 糖分，国内外也将其作为生产乙醇的原料。由于甜 菜多生长于纬度高的地区，因此，甜菜生产酒精的 区域也就主要分布在北方，如中国北部和欧洲北部。 对于甜菜制取乙醇的开发，欧洲开展得较早。2004 年欧盟利用小麦、甜菜生产生物燃料80 万m3。法 国2004 年所产的10 万t 乙醇中，有70%是由甜菜 制取[15]。土耳其的生物乙醇的需用量达到大约22 万m3 混入5%的乙醇的汽油，土耳其有生产3000 万 t 甜菜的潜力，这足以满足生产乙醇的需要。因 此，土耳其的发展潜力也比较大。
国内目前也很重视甜菜乙醇的生产。2007 年3 月18 日，宁夏平罗县和武汉地博石化公司、河南中 促实业有限公司、宁夏银湖酒精有限公司签订利用 甜菜生产燃料乙醇24 万t 项目协议，国家发改委基 本同意将宁夏车用乙醇列入扩大试点范围，在平罗 县建设燃料乙醇厂。据悉，我国新疆将建造一座年 产9500 万Ｌ的糖甜菜乙醇生产工厂[15]。甜菜乙醇的 研究也取得一定进展，王燕飞，秦新政等进行了用 于生产乙醇的甜菜品种的挑选[16]。结果表明： JNYL5、JNY7208、JNYB86、JNY41 4 个新品系 酒精产率较高,每吨原料可生产95%酒精分别为： 98.2 L、114.2 L、95.3 L 和82.3 L。他们认为：能源 甜菜生产酒精与其酒精转化率、含糖率和块根产量 有关。姜月等人对能源甜菜发酵生产酒精进行了条 件优化[17]，结果表明，采用固定化发酵固定载体能 保持酵母活性，可以重复利用，有利于连续化生产。
1.3 枫树
枫树，是指糖枫，主要分布在加拿大。糖枫是 加拿大获取蔗糖的一大原料。作为一种富含蔗糖分 的作物，其作为生产乙醇的原料也是可行的，关于 转换为乙醇的研究也有报道。Jian Xu 等人对优化从 糖枫木条热水浸取液生产酒精乙醇的工艺的研究发 现，在经过120 h 之后，乙醇的产量达到82.27%[18]。
2 糖酒联产的发展现状
糖料作物的存在为糖酒联产实现了可能，而糖 酒联产的实现，主要依靠制糖企业。糖酒联产，是 指白砂糖和酒精同时生产，糖价高时多产糖，糖价 低时多产酒精，灵活机动，以市场定产品。
目前，在石油资源日渐消竭的情况下，糖酒联 产在国内外都得到相当的重视。在国外，制糖行业 已经不局限于采用废糖蜜生产酒精来实现糖酒联 产。巴西疆域辽阔，土地资源十分丰富，多数糖厂 拥有自己的甘蔗地或农场，甘蔗生产成本是世界上 最低的。因此，甘蔗不但用于制糖而更多是用来直 接生产酒精，1999/2000 年榨季原料甘蔗产量3 亿t， 用于制糖和制酒精的比例是45 : 55，产糖1920 万t， 产酒精150 亿L(1200 万t)。而蔗渣则是用来发电， 供制糖生产和酒精生产使用，多余的电量外售[19]。 制糖生产方面，通常使用初压汁，用传统的石灰澄 清法或亚硫酸法处理初压汁，二系煮糖，乙糖作甲 糖底料，乙糖蜜与已澄清的初压汁以外的压榨汁和 部分滤清汁一起送往酒精车间[20]。
D. Krajnc 等人对斯洛文尼亚如何提高甜菜工 业在经济和环境的效能进行了报道。他们的做法是， 甜菜第一道汁送去成糖车间生产蔗糖，第二道汁则 直接送去产酒精。这样虽然生产蔗糖的甜菜汁少了， 但是生产甜菜汁的质量得到了保证；二道汁送去生 产酒精，其质量比糖蜜要好。因此，斯洛文尼亚的 糖酒联产模式可以参考。
使用初压汁生产蔗糖，用二压汁生产酒精的糖 酒联产模式与用混合汁单纯生产蔗糖的模式相比有 以下特征：①减少糖产量约8%;②减少蒸汽消耗约 8%;③增加乙醇产量约90%，因为较高质量的废蜜 和较高质量的糖汁都送去生产乙醇;④乙醇的消耗 量增加到65%；⑤减少了对环境的破坏（由于使用 蔗糖生产链的产品减少CO2，CH4，CO，NOx，
NMVOCs 的排放约2%[21]；⑥从经济的总收益来看， 斯洛文尼亚的蔗糖和乙醇的总收益增加了，交通成 本和环境退还成本也减少3.3%。 目前，糖料作物在我国的分布大致如下，在南 方地区，如广西、云南、广东、海南、福建等地一 般以种植甘蔗作为糖料作物；而东北三省、内蒙和 新疆等北方地区，则以甜菜作为主要的糖料作物， 以甜高粱作为辅助。
在国内，虽然对蔗汁[4]、二压汁[5,6]发酵产乙醇 做了不少研究探索甚至进行了中试试验，但主要还 是采用甘蔗压榨蔗汁生产白糖，而后利用废糖蜜生 产酒精的糖酒联产模式。此模式在很久以前就有规 模地展开，很多上世纪80 年代以前投产的甘蔗糖厂 都设置有酒精车间就是一个很好的证明。随着科学 技术的不断进步，糖酒联产也进行规模化的产业升 级。2010 年11 月在中国糖都崇左市，凭祥市丰浩 酒精有限公司成功实现了糖酒联产机制。
广西丰浩糖业有限公司核心技术是利用糖蜜和 蔗汁实现高浓度发酵，具有发酵时间短、固定资产 投资少、醪液酒分高、回收率高、产生的废水量少、 废水浓缩费用低、处理成本低等优点，已达国际领 先水平。该公司糖酒联产工艺有3 个特点：①在制 糖生产工艺环节加大渗透水量，抽出率可提高1％～ 2%，此蔗汁引到酒精生产中作稀释糖蜜使用，在多 回收甘蔗糖分的同时减少了酒精用水量，提高效益， 减少污染物的排放，大大地提高了甘蔗使用价值； ②酒精废液浓缩后制成干粉，就地生产成甘蔗专用 肥料，在减少酒精废液排放的同时亦增加蔗田肥力； ③在制酒精工艺环节中，利用酒精生产过程中排出 的二氧化碳用作澄清过程的饱充剂，基本能达到碳 酸工艺法的白砂糖质量，不但降低糖厂的生产成本， 而且减少了二氧化碳的排放。
中国可以根据自身特点，因地制宜，走出适合 中国的循环经济道路。如糖酒联产的模式在吸收国 外先进技术的同时，还可以加入更多的先进技术， 将多余的蔗渣、蔗叶转换乙醇，选用适应力更强的 酵母等。
3 小结
中国是世界第三大产糖国，糖料作物分布都较 为合理，南北都有较多现成的糖厂，如果都能够很 好地利用糖料作物，利用现有制糖企业实现糖酒联 产进行产业升级，既可以避免重复建设，又可实现 可持续性产业发展，保护环境，解决能源危机，一 举多得。
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(本篇责任编校：朱涤荃)