淺談燃料乙醇工藝的化學(xué)工業(yè)創(chuàng)新
隨著世界石化能源的日趨匱乏，石油類產(chǎn)品價(jià)格日益攀升，開發(fā)一種綠色可持續(xù)的能源已經(jīng)變得相當(dāng)急迫。乙醇作為一種生產(chǎn)工藝成熟、生產(chǎn)來源廣泛的替代能源越來越受到人們的關(guān)注。
乙醇俗稱酒精，它以玉米、小麥、薯類、糖蜜木質(zhì)纖維素等為原料經(jīng)發(fā)酵，蒸餾而制成。所謂燃料乙醇是指對濃度95%左右的乙醇進(jìn)一步脫水，再加上5%體積分散（一般為無鉛汽油或無鉛的烴類）的變性劑使之成為水分小于0.8%，且不可食用的變性無水乙醇。燃料乙醇既是一種清潔能源，又是一種良好的汽油增氧劑和辛烷值調(diào)和組分，用以代替四乙基鉛和甲基叔丁基醚（MTBE）或乙基叔丁基醚（ETBE），乙醇調(diào)入汽油對降低汽車尾氣中的一氧化碳含量很有效，起到凈化空氣的效果，同時(shí)，乙醇用糧食制造，是一種生物轉(zhuǎn)化的太陽能，是一種取之不盡，用之不竭的可再生能源，在汽油中加入一定比例的乙醇作燃料，能節(jié)約石油、凈化空氣，轉(zhuǎn)化多余的糧食，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展提供一條簡單有效的途徑。
目前，世界上燃料乙醇的生產(chǎn)方法有合成法（即乙烯水合法）和生物法兩種。由于近年來受原油資源問題及乙烯價(jià)格上漲的制約，合成法被生物法所取代。生物法生產(chǎn)燃料乙醇，大部分是以甘蔗、玉為、薯干和植物秸桿與農(nóng)產(chǎn)品或農(nóng)林廢棄物為原料酶解糖化發(fā)酵制造的，其生產(chǎn)工藝有酶解法、酵水解法及一步酶法工藝法等。這段工藝與食用乙醇的生產(chǎn)工藝基本相同，所不同的是需增加濃縮脫水后處理工藝，使其水的體積分?jǐn)?shù)降到1%以下，由于乙醇生產(chǎn)過程中水的存在，使得乙醇與水形成二元共沸物，而采用普通精餾方法所得乙醇中水的體積分?jǐn)?shù)約為5%，要想控制燃料乙醇水的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1%以下就必須采用較新的脫水工藝（目前開發(fā)的脫水工藝主要有：滲透汽化、吸附蒸餾、特殊蒸餾、加鹽萃取蒸餾、變壓吸附和超臨界萃取分離等），脫水后制成的燃料乙醇再加少量變性劑就成為變性燃料乙醇。
燃料乙醇生物法生產(chǎn)過程包含發(fā)酵生物化學(xué)反應(yīng)與乙醇分離兩大主要過程，其工藝流程與人們熟知的化學(xué)工程中的許多單元操作存在不少共同點(diǎn)，如傳遞和反應(yīng)諸多化學(xué)工程問題，所不同的是這里反應(yīng)是發(fā)酵生化反應(yīng)。在理論上來說似乎是簡單的過程，但要想在大規(guī)模水平上獲得最大效率，卻需要依靠生物學(xué)和化學(xué)工程的結(jié)合。
化學(xué)工程的核心仍是“三傳一反”，即使在納米尺度上，反應(yīng)和傳遞兩種因素的共同作用是造成形形式式物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本原因，目前發(fā)醇工藝的放大仍停留在經(jīng)驗(yàn)階段，并沒有上升到理論水平，這與燃料乙醇發(fā)展的需求極不相稱，因此，采用化學(xué)工程的成熟理論及先進(jìn)技術(shù)來研究燃料乙醇工藝過程，并進(jìn)行創(chuàng)新具有重要的理論及實(shí)際意義。
一、發(fā)酵過程的化學(xué)工程分析
1.多尺度問題
由于酒精發(fā)酵過程是一個(gè)綜合了微生物學(xué)、生物化學(xué)以及化學(xué)工程等的復(fù)雜過程，因此，模擬市場計(jì)算該過程不能僅僅單一采用傳統(tǒng)的生物學(xué)方法或化學(xué)工程的方法，而應(yīng)對生物反應(yīng)器中多尺度問題作綜合考慮。在化學(xué)工程學(xué)角度看來，酒精發(fā)酵罐可以看做是反應(yīng)器，理論上計(jì)算反應(yīng)器的模型應(yīng)可以適用于酒精發(fā)酵罐。
2.動力學(xué)與放大
乙醇發(fā)醇過程前沿課題主要集中在液化、糖化和發(fā)酵過程節(jié)能降耗，包括：耐高溫、高糖濃度、高乙醇濃度的能力以及酵母高效發(fā)酵過程的基礎(chǔ)研究；液化酶、糖化酶的作用機(jī)制及實(shí)際物系的動力學(xué)研究；同步糖化發(fā)酵動力學(xué)方面的研究。從化學(xué)工程角度看，上述問題涵蓋發(fā)酵生物反應(yīng)動力學(xué)及傳遞特性兩個(gè)方面，動力學(xué)方法是發(fā)酵過程放大的理論基礎(chǔ)。發(fā)酵動力學(xué)包括兩個(gè)層次：一是本征動力學(xué)，它是指沒有傳遞等工程因素影響時(shí)，發(fā)酵生物反應(yīng)固有的速率；二是宏觀動力學(xué)，它是指在反應(yīng)器內(nèi)所觀測到的總反應(yīng)速率及其形式和結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動與混合，傳遞與傳熱等。
在大多數(shù)情況下，只要體系物性、流場、流態(tài)與在實(shí)際操作（熱態(tài)）時(shí)比較接近，往往可以用冷模的實(shí)驗(yàn)方法模擬在熱態(tài)下的流體力學(xué)狀態(tài)，這對大設(shè)備的放大規(guī)律的研究有幫助。因此，采用大型冷模研究在過程設(shè)備中流體的流體力學(xué)特性并與小型熱模所進(jìn)行的動力學(xué)研究相結(jié)合是研究發(fā)酵設(shè)備放大規(guī)律的一種有效方法。
3.發(fā)酵罐內(nèi)多場分布
多場分布包括溫度分布、濃度分布和速率分布。發(fā)酵生物反應(yīng)器中的物理因素—傳遞特性將影響到反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)和產(chǎn)物的濃度分布及溫度分布，進(jìn)而影響到反應(yīng)器內(nèi)某一組分的反應(yīng)速率。因此，傳遞特性的研究是不可忽視的問題，研究發(fā)酵罐內(nèi)傳熱、傳質(zhì)及傳動將是化學(xué)工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)，同時(shí)也為更好地控制發(fā)酵過程提供了理論依據(jù)。
CFD模型在模擬反應(yīng)器內(nèi)的溫度、濃度和速度分布上是一種十分重要的方法，應(yīng)引起重視。
二、乙醇純化過程中的化學(xué)工程問題
采用發(fā)酵的方法生產(chǎn)乙醇，同時(shí)不可避免地會生成水，要獲得乙醇勢必要對乙醇和水進(jìn)行分離，從原理講分離乙醇和水的方法有精餾、吸附、滲透汽化膜分離等方法，然后發(fā)酵液中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為5%～12%，而燃料乙醇產(chǎn)品的純度卻要在99%以上。因而從發(fā)酵液中分離出乙醇所消耗費(fèi)的能量占總能量的絕大部分。所以從發(fā)酵液中分離乙醇—水混合液一般分兩步：先用普通精餾得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.4%的乙醇，再用共沸精餾、萃取精餾、液液萃取、吸附或其它方法得到無水乙醇。
精餾作為具有技術(shù)成熟度和應(yīng)用成熟度較高的分離方法，是分離乙醇—水混合液最早，也是最普遍的方法，但需很高的能耗。現(xiàn)有3種方法替代精餾方法生產(chǎn)乙醇：萃取法、超臨界流體法和滲透蒸發(fā)膜分離法，這部分工藝幾乎等同于化學(xué)工程的分離工藝技術(shù)，可以應(yīng)用。
三、生物發(fā)酵反應(yīng)與分離過程耦合
現(xiàn)有燃料乙醇工藝的基礎(chǔ)研究包括生產(chǎn)過程放大和流程創(chuàng)新、研究生物反應(yīng)與分離過程耦合探索新的短流程工藝。
將生物發(fā)酵直接看作反應(yīng)并與分離技術(shù)耦合來提高整個(gè)發(fā)酵及分離的效率，將推動燃料乙醇工藝的技術(shù)進(jìn)步。
多場耦合對開發(fā)新型發(fā)酵與分離設(shè)備具指導(dǎo)意義，未來發(fā)展趨勢必將是將反應(yīng)與分離以及多種分離結(jié)合一起的設(shè)備。如精餾與吸附、發(fā)酵與精餾等通過一個(gè)設(shè)備操作實(shí)現(xiàn)兩者完美結(jié)合，而目前的多塔生產(chǎn)工藝將會被逐漸淘汰而發(fā)展對應(yīng)短流程工藝這方面研究及發(fā)展將極大地消減成本，同時(shí)也降低能耗，對改善反應(yīng)與分離過程，提高效率具很大潛力。
貫穿于燃料乙醇生產(chǎn)過程的流體流動、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞問題與發(fā)酵生化反應(yīng)交織在一起，對燃料乙醇過程產(chǎn)生決定性的影響。發(fā)酵過程尤其是同步糖化發(fā)酵技術(shù)背后的物理、生物、化學(xué)機(jī)制及工程策略，發(fā)酵罐中流場、溫度場及濃度場的多場耦合，對生物反應(yīng)器中多尺度問題作綜合考慮，采用人工智能研究流程優(yōu)化組合分析工程策略，發(fā)展新型分離發(fā)酵設(shè)備等，都是目前急需研究的內(nèi)容，是燃料乙醇領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。
采用化學(xué)工程學(xué)理論及方法研究燃料乙醇生物反應(yīng)工程規(guī)律、工程放大及流程創(chuàng)新將是一種主要趨勢。
