田 龍，王林風(fēng)，魯云風(fēng)，屈凌波*

(1.南陽師范學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473061 ； 2.河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司 車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室，河南 南陽 473000)

2017年9月，我國出臺了《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》。預(yù)計至2020年，將在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)車用乙醇汽油全覆蓋，力爭到2025年實現(xiàn)纖維素乙醇規(guī)模化生產(chǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，化石燃料日趨枯竭，生物煉制受到世界各國的關(guān)注，纖維素乙醇的研發(fā)越來越接近商業(yè)化。我國農(nóng)林廢棄物資源豐富。近年來，生物技術(shù)的進(jìn)步推動了生物煉制技術(shù)的發(fā)展。然而，當(dāng)前纖維素乙醇的生產(chǎn)成本仍然很高[1]。常規(guī)的預(yù)處理技術(shù)所占的成本比例較大，纖維素乙醇企業(yè)的利潤很少或虧損。原因之一是當(dāng)前的研究重點集中在酸法水解(如稀酸水解等)、高溫?zé)崴狻⒄羝频确矫?，忽視了生物煉制的?yīng)用，導(dǎo)致纖維原料僅有部分被利用[2]。根據(jù)以上分析，本文在生物煉制相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，探討以小麥秸稈為原料生產(chǎn)纖維素乙醇的完整流程，對各工段的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較分析，以確定經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)路線，并提出以秸稈為原料的綜合利用新工藝，旨在降低纖維素乙醇的生產(chǎn)成本，促進(jìn)纖維素乙醇行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

1 纖維素燃料乙醇生產(chǎn)工藝流程

1.1 原料收集半徑及原料成本的確定

秸稈作為纖維素乙醇的原料，價格約60元/t，再加上收集、運輸、人工的費用，最終原料成本將會上升到300～400元/t[3]。

工廠選址應(yīng)選擇建在原料豐富的地區(qū)，以降低原料收購成本和運輸成本。生產(chǎn)規(guī)模由秸稈可用量、收割打包成本、運輸費用、儲存場地和費用及銷售半徑等決定。原料產(chǎn)量、種植集中度、可收集系數(shù)都會影響原料的供應(yīng)量，并決定工廠的生產(chǎn)能力。

原料收集半徑R可用式(1)表示[4]：

(1)

式中：R，原料收集半徑，km；F，原料需求，t/d；a，秸稈可收集系數(shù)；b，作物種植系數(shù)；Y，生物質(zhì)產(chǎn)量，t/(hm2·a)。

現(xiàn)階段我國纖維素乙醇中試及示范工廠的生產(chǎn)規(guī)模一般在300～3 000 t/a，通常認(rèn)為進(jìn)一步放大時，至30 000～50 000 t/a的生產(chǎn)規(guī)模較為合理。

假設(shè)某纖維素乙醇工廠的生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)5萬t燃料乙醇，如果生產(chǎn)效率為6 t秸稈產(chǎn)1 t乙醇，則該工廠年處理30萬t小麥秸稈。對于年產(chǎn)5萬t纖維素乙醇的企業(yè)來說，其小麥秸稈原料供應(yīng)量約為1 000 t/d。

取秸稈可收集系數(shù)為0.1。一般認(rèn)為在半徑70 km以內(nèi)呈線性關(guān)系。農(nóng)作物種植系數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植集中程度高的地區(qū)計算：收集半徑為70 km時，農(nóng)作物種植系數(shù)為0.72；收集半徑為50 km時，作物種植系數(shù)為0.51。至于生物質(zhì)產(chǎn)量，一般情況下，我國的可利用秸稈資源密度為307 t/km2，因此，可認(rèn)為每年的生物質(zhì)產(chǎn)量為3.07 t/hm2。

將上述參數(shù)代入式(1)，可知，年產(chǎn)5萬t纖維素乙醇的原料收集半徑R約為50 km。工廠規(guī)模和原料運輸成本之間的關(guān)系可用式(2)表示[5]：

原料運輸成本和工廠規(guī)模間的關(guān)系為：

(2)

普通貨物k取值為0.3～0.4，秸稈是疏松的貨物，在不打捆壓實的情況下，運輸效率比較低，文獻(xiàn)指出k取值為1.5，本文認(rèn)為較為合理， 取值為1.3[6]。于是上式簡化為：

原料到廠價格還和散料收購價格、中間人工費、堆拆垛費、裝卸車費有關(guān)，如果秸稈原料到廠價格為W，則

W=300+l.3R

(3)

由式(3)可知，隨著工廠規(guī)模(原料需求F)的不斷增大，原料成本也越來越高。比如，當(dāng)原料需求達(dá)到4 000 t/d時，原料到廠價格將超過400元/t，因此，合理的原料收集半徑R應(yīng)控制在40～70 km的范圍。此時，F(xiàn)的范圍是1 000～4 000 t/d，計算可知，原料到廠價格為350～410元/t。

本文綜合考慮，確定原料收集半徑R為50 km，此時原料成本為365元/t。

1.2 預(yù)處理

目前原料預(yù)處理方法很多，其中稀酸預(yù)處理生產(chǎn)成本低，應(yīng)用最廣泛，但該方法反應(yīng)溫度較高，對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重[7-8]。本文采用丙酸預(yù)處理分離小麥秸稈主要組分，可得到纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種初級產(chǎn)品，為后續(xù)的生物量全利用奠定基礎(chǔ)。

1.3 酶解

酶解是利用纖維素酶的作用得到可發(fā)酵單糖，當(dāng)前國產(chǎn)的纖維素酶效率較低，主要依靠進(jìn)口諾維信和杰能科的酶產(chǎn)品，因而大幅降低纖維素酶的成本是加快纖維素乙醇企業(yè)扭虧為盈的關(guān)鍵[9]?，F(xiàn)場產(chǎn)酶的模式值得參考，該方式能夠降低運輸費用，同時還可減少酶儲存過程中所加穩(wěn)定劑的費用。

1.4 發(fā)酵

木質(zhì)纖維素水解后能產(chǎn)生戊糖和己糖兩種不同的單糖，其中纖維素水解產(chǎn)生葡萄糖；半纖維素水解產(chǎn)生木糖、阿拉伯糖等戊糖，甘露糖、半乳糖、葡萄糖等己糖。普通的釀酒酵母很難將戊糖發(fā)酵為乙醇，有的企業(yè)試圖采用基因工程菌共發(fā)酵己糖和戊糖，但又存在基因重組菌的變異等問題，目前技術(shù)并不過關(guān)，因此，利用戊糖生產(chǎn)其他高附加值產(chǎn)品成為降低乙醇成本的重要環(huán)節(jié)。

纖維素經(jīng)纖維素酶水解后，生成的葡萄糖可進(jìn)入不同的發(fā)酵途徑，選擇合理的發(fā)酵工藝， 并對工藝中不利于發(fā)酵的因素加以改善，可促進(jìn)成本的降低。SSF應(yīng)用最廣泛，它可以消除葡萄糖對纖維素酶的反饋抑制，且可減少反應(yīng)器的數(shù)量[10-11]。最近，科研工作者發(fā)現(xiàn)纖維小體自身能產(chǎn)生降解纖維素的酶，同時將葡萄糖發(fā)酵為乙醇[12]。

1.5 粗分離

粗分離是將發(fā)酵醪通過粗餾和精餾得到合適的乙醇產(chǎn)品，同時得到副產(chǎn)物雜醇油。粗分離工段在整個燃料乙醇生產(chǎn)過程中能耗最大，占總能耗的60%～70%[13-14]。

1.6 精制

精制的目標(biāo)是得到99.8%左右的無水乙醇。目前工業(yè)上乙醇脫水方法主要有恒沸精餾、萃取精餾、吸附和膜分離4種方法。恒沸精餾的單位能耗最高，分子篩和滲透汽化的能耗較低。綜合考慮，分子篩精制較為經(jīng)濟(jì)。

1.7 副產(chǎn)物利用

傳統(tǒng)的纖維素乙醇企業(yè)對半纖維素和木質(zhì)素等組分關(guān)注不夠，本文采用生物煉制的方法，充分利用木質(zhì)纖維素原料的各種組分，聯(lián)產(chǎn)乙醇和副產(chǎn)物。尤其是作為秸稈三大組分之一的木質(zhì)素，含量約為原料20%，一般的纖維素乙醇企業(yè)均是將其燃燒供熱，造成資源浪費。

假定小麥秸稈主要成分的含量如下：纖維素39.8%，半纖維素28.5%，木質(zhì)素20.2%。以小麥秸稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇工藝中主要成分物料衡算如下：小麥秸稈30萬t、纖維素12萬t、半纖維素9萬t、木質(zhì)素6萬t、其他3萬t，則生產(chǎn)產(chǎn)品乙醇5萬t。生產(chǎn)過程中還副產(chǎn)CO2、酵母、雜醇油、木質(zhì)素、低聚木糖、活性炭等，按年產(chǎn) 5 萬t燃料乙醇計，能產(chǎn)生3.75萬t CO2；每年副產(chǎn)215 t雜醇油、3萬t低聚木糖、1.8萬t活性炭，均可以增加企業(yè)的收入?？梢?，在纖維素乙醇的生產(chǎn)中，如果積極引入生物煉制的理念，就能實現(xiàn)小麥秸稈的綜合利用，變廢為寶，提高產(chǎn)品附加值，攤薄成本，扭虧為盈，推動纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 生產(chǎn)工藝流程

假定某纖維素乙醇工廠的生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)燃料乙醇5萬t，每年生產(chǎn)天數(shù)按照300天計，則日處理小麥秸稈1 000 t。該工廠采用的生物煉制路線具體是： 小麥秸稈粉碎后，用一定濃度的丙酸在一定的溫度下預(yù)處理一段時間，固液分離，得到纖維素含量較高的粗纖維，加入纖維素酶和耐高溫活性酵母，同步糖化發(fā)酵后得到發(fā)酵液，固液分離后，液體進(jìn)入蒸餾工段，該工藝采用雙效差壓蒸餾，最后通過分子篩脫水得到無水乙醇。丙酸回收之后，適當(dāng)濃縮即可繼續(xù)使用，而小麥秸稈中的半纖維素，在丙酸的作用下，水解進(jìn)入混合溶液，此時，可加水進(jìn)行分離，木質(zhì)素不溶于水，可過濾分離。半纖維素水解糖適當(dāng)濃縮后，可加入木聚糖酶制備低聚木糖，分離純化之后，得到附加值較高的功能性低聚木糖產(chǎn)品。木質(zhì)素可用于制備高品質(zhì)活性炭。

2.2 經(jīng)濟(jì)成本和效益評估

采用系數(shù)因子法對固定成本和經(jīng)營成本進(jìn)行估算[15]。本工藝的主要設(shè)備固定成本見表 1，總成本約4 340萬元。

表1 主要設(shè)備的購置成本 萬元

單位產(chǎn)品成本分析見表2，纖維素乙醇的基本成本為8 155.6元/t，原料成本為58.7%。

表2 年產(chǎn)5萬t纖維素乙醇單位產(chǎn)品成本估算

表3給出了年產(chǎn)5萬 t 纖維素乙醇企業(yè)的全部產(chǎn)品價值情況。由表3可知，如果采用生物煉制路線，則生產(chǎn)每噸乙醇，可以得到副產(chǎn)品的價值如下：

CO2，相當(dāng)于每噸乙醇收益360元；雜醇油，相當(dāng)于每噸乙醇收益40元；低聚木糖，相當(dāng)于每噸乙醇收益800元；活性炭，相當(dāng)于每噸乙醇收益300元。以上的副產(chǎn)品保守合計，相當(dāng)于每噸乙醇額外收益1 500元。

表3 年產(chǎn)5萬t燃料乙醇的產(chǎn)品價值

表4 年產(chǎn)5萬t燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)效益分析

表4顯示了年產(chǎn)5萬t燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)效益分析。其中，總投資約為48 114萬元，設(shè)備投資約占總投資的10%，其余為征地、拆遷安置、基礎(chǔ)建設(shè)、流動資金等。在無補(bǔ)助的情況下，企業(yè)的毛利率為9.8%，投資回收期12.5年，每年的凈利潤3 872萬元；如果享受1 000元/t 的綜合補(bǔ)貼，則企業(yè)的毛利率為18.8%，投資回收期5.8年，每年凈利潤為11 103萬元。

3 結(jié)論

確定了纖維素乙醇工廠的原料收集半徑為50 km，生產(chǎn)規(guī)模以年產(chǎn)5萬t燃料乙醇為宜。在此基礎(chǔ)上，對纖維素乙醇的生產(chǎn)工藝進(jìn)行成本和經(jīng)濟(jì)評價，結(jié)果表明，乙醇的最低成本為8 155.6元/t。