賈瑞強(qiáng)，王其培，陳偉紅，曹婉瑜，陳光振，?！瑒喎?，呂黃曄，門瑞麗(河南天冠燃料乙醇有限公司，河南南陽473000)

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混合原料生產(chǎn)酒精液化新工藝的研究

賈瑞強(qiáng)，王其培，陳偉紅，曹婉瑜，陳光振，海濤，劉亞峰，呂黃曄，門瑞麗
(河南天冠燃料乙醇有限公司，河南南陽473000)

摘要：針對公司使用小麥、玉米、木薯混合原料生產(chǎn)酒精的特性，通過小試及生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，對液化預(yù)熱工藝進(jìn)行改進(jìn)，充分利用廢熱，節(jié)約蒸汽；濃縮蒸發(fā)冷凝水用于混合粉拌料，節(jié)能減排。實(shí)現(xiàn)了企業(yè)清潔生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益，每年為公司節(jié)約成本約1400萬元。

關(guān)鍵詞：混合原料；酒精；冷凝水；預(yù)熱工藝

清潔生產(chǎn)是企業(yè)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇，要求從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始到原料選擇、工藝設(shè)備以及廢物利用、生產(chǎn)運(yùn)行管理等各個(gè)環(huán)節(jié)，通過不斷地加強(qiáng)管理和技術(shù)進(jìn)步，提高資源利用率，減少甚至消除污染物的產(chǎn)生，同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益得到提高。酒精生產(chǎn)是高能耗、高污染的行業(yè)，特別是液化和蒸餾兩個(gè)工段，節(jié)能減排和提高設(shè)備利用率對降低生產(chǎn)成本十分重要，解決能耗問題的關(guān)鍵在于提高發(fā)酵濃度、廢熱充分利用和減少排放等措施[1]。張建華等[2]從實(shí)現(xiàn)酒精清潔生產(chǎn)的角度出發(fā)，通過大量的基礎(chǔ)研究，提出了“清液高濃度酒精發(fā)酵閉路循環(huán)工藝”,研究了蒸餾廢液作為配料用水對液化糖化和發(fā)酵的影響，探討了蒸餾廢液全循環(huán)的可行性。

目前用于酒精發(fā)酵的原料主要有谷物原料（玉米、小麥、高粱、水稻）、薯類原料（甘薯、木薯、馬鈴薯）、糖質(zhì)原料（甘蔗、甜菜、糖蜜）和纖維質(zhì)原料[3]。本公司生產(chǎn)酒精的原料主要為小麥、玉米、木薯，3種原料質(zhì)量品質(zhì)差異大，不同原料的預(yù)處理工藝和流程不同。原料拌漿用的自來水成本高、溫度低，液化、糖化過程需要耗費(fèi)大量蒸汽。某些企業(yè)對酒糟清液進(jìn)行部分回用，一部分清液蒸發(fā)濃縮與酒精糟渣一起回收利用，生產(chǎn)飼料。但由于清液中含有乙酸、乳酸、微生物且酸度比較高，回用后導(dǎo)致粉漿pH值較低，影響液化酶活性，導(dǎo)致液化質(zhì)量不好，對發(fā)酵終止外觀濃度、殘總糖也有一定影響，時(shí)間越長，累積影響越大，連續(xù)回用時(shí)間都不長[3]。而清液在濃縮生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的冷凝水即CIP水（Clean In Place在線清洗）質(zhì)量較好，溫度達(dá)到80℃左右，基本不含微生物，可直接排入污水系統(tǒng)，增加了排放量，完全可通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證CIP水是否可用于替代部分自來水拌料。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

混合粉漿，公司液糖化車間；酒精酵母，南陽1308、南陽1300，浙大ZT酵母；耐高溫α-淀粉酶（酶活力30000 U/mL），糖化酶（酶活力100000 U/mL），諾維信公司；自來水，換熱器E0319冷凝水，乏汽冷凝水，濃縮蒸發(fā)冷凝水（CIP水）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1液化、糖化工藝

本實(shí)驗(yàn)采用的液化、糖化工藝見圖1。

圖1　液化糖化工藝流程

1.2.2實(shí)驗(yàn)方法

(1)取4份混合粉漿，模擬大生產(chǎn)工藝，在混合粉漿中分別加入2.5％的自來水、2.5％的換熱器E0319冷凝水、2.5％乏汽冷凝水、1.25％的換熱器E0319冷凝水+1.25％乏汽冷凝水進(jìn)行液化、糖化，通過對酵母質(zhì)量、發(fā)酵過程CO2失重、發(fā)酵終止指標(biāo)各參數(shù)的測定，考察二次蒸汽對酵母發(fā)酵的影響程度。

(2)用CIP水替代自來水拌料，添加比例5％、10％、15％、20％，對應(yīng)流量12 m3/h、24 m3/h、36 m3/h、48 m3/h，比較對酵母培養(yǎng)質(zhì)量、發(fā)酵終止指標(biāo)的影響。

(3)混合粉漿在不同的溫度下進(jìn)行液化，通過比較糖化率、總糖損失率確定較適液化溫度。

1.2.3測定方法

酵母指標(biāo)及發(fā)酵終止酒精度、酸度、殘還原糖、殘總糖等采用酒精企業(yè)常規(guī)方法測定[4]。

2　結(jié)果與分析

2.1混合粉漿液化三級預(yù)熱技術(shù)

2.1.1二次蒸汽冷凝水對酵母發(fā)酵的影響

混合粉漿分別加入不同來源的二次蒸汽冷凝水（即二級閃蒸塔冷凝水、乏汽冷凝水），對酵母培養(yǎng)、發(fā)酵過程和終止的影響[5]見表1～表3。

表1　二次蒸汽冷凝水對酵母培養(yǎng)的影響

從表1可以看出，混合粉漿添加各樣品后，酵母培養(yǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)差別不大，均能保證正常生產(chǎn)的需要。

從表2可以看出，在相同的發(fā)酵時(shí)間，測得的各樣品的CO2失重基本一樣。混合粉漿添加各樣品后，發(fā)酵過程的CO2失重速率和發(fā)酵終止時(shí)間也相差不大。

表3　各樣品對發(fā)酵終止的影響

從表3可以看出，混合粉漿添加各樣品后，發(fā)酵終止指標(biāo)均比較理想，相差也不大，達(dá)到了酒精生產(chǎn)的要求。

2.1.2原液化一級預(yù)熱工藝流程

混合粉漿經(jīng)過預(yù)熱塔后溫度可達(dá)60℃左右，經(jīng)噴射液化器液化（95℃）還需大量的熱源，經(jīng)二級閃蒸塔排出的二次蒸汽溫度60℃，大約有8 t/h，這部分熱量通過冷凝器冷凝后直接排放，造成大量熱能的浪費(fèi)；DDGS（Distillers Dried Grains with Solubles即酒糟蛋白飼料）生產(chǎn)過程中干燥乏汽過剩也可作為熱源進(jìn)行利用。送入液化混合粉漿溫度平均不到35℃，經(jīng)過一級預(yù)熱后溫度在60℃左右，達(dá)不到理想的液化溫度，在預(yù)液化罐內(nèi)液化效率低，影響液化效果。液化糖化工藝流程見圖2。

圖2　原液化糖化工藝流程

由圖2可知，混合粉漿經(jīng)過預(yù)熱塔（用一備一），預(yù)熱到60℃即進(jìn)入預(yù)液化罐，泵送至噴射液化器，通入高壓蒸汽，噴射液化后進(jìn)入后液化罐，泵送至連消器，通入蒸汽加熱后進(jìn)入一級、二級閃蒸塔，一級閃蒸塔的二次蒸汽作為預(yù)熱塔的熱源，二級閃蒸塔的二次蒸汽通過冷凝器冷凝后排入污水系統(tǒng)。該工藝耗汽量較大，噴射器進(jìn)出料溫差大，設(shè)備易振動等，造成設(shè)備易出現(xiàn)故障，能耗大，增加了污水排放量。

表2　各樣品對發(fā)酵過程CO2失重的影響

酒精行業(yè)中的液化技術(shù)廣泛使用的是粉漿噴射液化至95℃的技術(shù)，還有比較先進(jìn)的是水熱器加熱技術(shù)，這種技術(shù)的共同點(diǎn)是高溫蒸汽以很快的速度進(jìn)入噴射器的接受室和料漿混合后將粉漿加熱至95℃的工藝[6]，這類加熱技術(shù)有3個(gè)缺點(diǎn)：消耗一次蒸汽；會使部分糖結(jié)焦，無法發(fā)酵，造成糖分損失；溫度高達(dá)165℃的飽和蒸汽直接和粉漿接觸使部分液化酶失活，能耗高，淀粉出酒率低。

2.1.3液化三級預(yù)熱技術(shù)

通過模擬大生產(chǎn)工藝，在原料混合粉漿中分別加入工藝水、二級閃蒸塔冷凝水、乏汽冷凝水等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，不會對生產(chǎn)造成影響。將液化預(yù)熱工藝進(jìn)行了改造。液化三級預(yù)熱工藝見圖3。

從圖3可以看出，預(yù)熱工藝改造后，混合粉漿經(jīng)過新預(yù)熱塔A，泵送至預(yù)熱塔B，預(yù)熱后進(jìn)入預(yù)液化罐B，泵送至預(yù)熱塔C，預(yù)熱后進(jìn)入預(yù)液化罐C，泵送至噴射液化器，進(jìn)入后液化罐，泵送至連消器，進(jìn)入一級、二級閃蒸塔。一級閃蒸塔的二次蒸汽作為預(yù)熱塔B的熱源，二級閃蒸塔的二次蒸汽作為預(yù)熱塔A的熱源，DDGS乏汽作為預(yù)熱塔C的熱源，一級預(yù)熱改為三級預(yù)熱。粉漿在溫度65℃時(shí)黏度最高，保持約5 min，第二個(gè)預(yù)液化罐中有足夠的時(shí)間使粉漿黏度降低至滿足生產(chǎn)工藝，在粉漿黏度降低后，用泵送入三級預(yù)熱塔進(jìn)行預(yù)熱?？刂泼總€(gè)預(yù)熱塔的真空度，熱量充分利用，經(jīng)三級預(yù)熱后溫度可達(dá)90～96℃，滿足了工藝要求。

把混合粉漿的液化溫度由傳統(tǒng)的95～100℃下降至90℃，打破了人們對只能在95℃下液化的認(rèn)識，增強(qiáng)了液化酶的活力，促進(jìn)液化質(zhì)量，提高發(fā)酵質(zhì)量。

不再使用傳統(tǒng)的噴射液化器直接對粉漿進(jìn)行加熱，解決了165℃高溫蒸汽直接和粉漿接觸液化，使部分液化酶失活及使部分液化醪液產(chǎn)生焦糖化的影響。采用三級預(yù)熱的新技術(shù)，完全改變了傳統(tǒng)的工藝思路，在同行業(yè)內(nèi)具有領(lǐng)先水平。該技術(shù)實(shí)施后，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證，提高了粉漿液化、酵母發(fā)酵質(zhì)量，取得了顯著成效。

采用真空抽提的方法使低壓的乏汽進(jìn)入粉漿預(yù)熱塔內(nèi)，使乏汽和粉漿在預(yù)熱塔內(nèi)進(jìn)行熱量交換，解決了低壓乏汽的使用、輸送問題。利用乏汽對粉漿進(jìn)行加熱，解決了DDGS干燥產(chǎn)生的低溫乏汽無法利用的難題,消除了環(huán)境污染，降低了乙醇生產(chǎn)的能源消耗，粉漿的pH值下降0.3，有效地抑制雜菌繁殖，提升了液化、酵母、發(fā)酵質(zhì)量。

該技術(shù)的運(yùn)用和乙醇行業(yè)內(nèi)采用噴射液化器工藝相比，液化可節(jié)約一次蒸汽12 t/h，液化糖化工段基本不再用一次蒸汽，汽耗可下降0.4 t/t酒精左右，年節(jié)約生產(chǎn)成本約1100萬元。

2.2CIP水對酵母及發(fā)酵的影響

混合粉漿中添加不同比例的CIP水（清液在濃縮生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的冷凝水）對酵母發(fā)酵的影響，見表4、表5。

表4　CIP水添加比例對酵母培養(yǎng)的影響

從表4可以看出，混合粉漿添加不同比例的CIP水后，酵母培養(yǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)差別不大，均能保證正常生產(chǎn)的需要。

表5　CIP水添加比例對發(fā)酵終止的影響

從表5可以看出，混合粉漿添加不同比例的CIP水后，發(fā)酵終止指標(biāo)均比較理想，相差也不大，達(dá)到了酒精生產(chǎn)的要求，對發(fā)酵質(zhì)量未產(chǎn)生影響，可以在生產(chǎn)中使用。

CIP水用于混合粉漿拌料后，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)質(zhì)量及發(fā)酵指標(biāo)穩(wěn)定，降本增效、節(jié)能減排效果顯著，每小時(shí)向拌漿系統(tǒng)供料25～40 m3,取平均比例10％，按25 m3/h計(jì)，則每天減少排放污水600 m3，同時(shí)節(jié)約自來水600 m3，污水處理費(fèi)按10.26元/m3、自來水2.57元/m3計(jì)算（參考公司下發(fā)的《2015年度預(yù)算編制價(jià)格目錄》），每天減少污水處理費(fèi)及少使用自來水，可節(jié)約費(fèi)用7698元，每年為公司節(jié)約費(fèi)用達(dá)250萬元，項(xiàng)目投資僅4.4萬元。由于CIP水溫較高，為80℃，拌料溫度相應(yīng)提高了近5～8℃，不僅利于粉漿的糊化、液化，又節(jié)約了一次蒸汽能源，節(jié)能減排效果顯著。

3　結(jié)論

在酒精生產(chǎn)中，原料的液化、糖化非常的重要，通過

對設(shè)備、工藝的改進(jìn)，提高了液化質(zhì)量，發(fā)酵更加徹底，提高淀粉的利用率和出酒率，降低糧耗。CIP水回用拌料、液化三級預(yù)熱工藝的實(shí)施，減少了污水、廢熱的排放，節(jié)約了水資源及蒸汽，降本增效、節(jié)能減排效果顯著，每年為公司節(jié)約成本約1400萬元，實(shí)現(xiàn)了酒精的清潔生產(chǎn)，是國內(nèi)較為先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)。

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Development of New Liquefaction Technology for Alcohol Production by Mixed Raw Materials

JIARuiqiang,WANG Qipei，CHEN Weihong，CAO Wanyu，CHEN Guangzhen，HAI Tao，LIU Yafeng，LV Huangye and MEN Ruili
(He'nan Tianguan Fuel Ethanol Co.Ltd.，Nanyang,He'nan 473000,China)

Abstract:In our company,wheat,corn,cassava were used as mixed raw materials to produce alcohol.Through small-scale test and production test,liquefaction &preheating technology got improved as follows:reusing waste heat to reduce steam consumption,and using condensate water for blending mixed powder to save energy and reduce emission.Such technical improvement could achieve clean production in enterprise and increase economic profits (saving production cost of 1.4 million CNY annually).

Key words：mixed raw materials;alcohol;condensate water;preheating process

作者簡介：賈瑞強(qiáng)(1981-)，男，大學(xué)本科，在讀工程碩士，助理工程師，酒精釀造技師。

收稿日期：2015-07-14

中圖分類號：TS262.2；TS261.2；TS261.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9286（2016）02-0090-03

DOI：10.13746/j.njkj.2015309

優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間：2015-10-22；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20151022.1517.008.html。