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巴西: 巴西生产燃料乙醇的经验与启示

2011/09/08

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巴西生产燃料乙醇的经验与启示

1 生物燃料乙醇

从1923年起,巴西就将乙醇混入汽油中,其混入比例约为5%~40%不等。1975年以来,用作燃料的乙醇耗量迅速增长,当时联邦政府又颁发了旨在降低石油进口的"Proalcool"计划,有关厂商因而受到鼓舞,扩大了甘蔗生产,并建设新的酿酒厂,生产用作生物燃料的乙醇。

在过去30年里,巴西的甘蔗产量从1975年的9100×104t增长至2007年的49100×104t,2007年的甘蔗产量相当于5.89×108bbl一次能源产量。这些甘蔗是由7万名农民在600×104μm2土地上种植出来的,耕地面积约为巴西全部耕地面积的2.7%。自"Proalcool"计划实施以来,联邦政府已经节约了用于进口原油(包括关税)的外汇约1500亿美元。

巴西燃料销售网共有3万多个加油站为2600×104辆在汽油中混入22%~26%乙醇的汽车和540×104辆用纯乙醇或含不同比例乙醇(可变燃料技术)的汽车加油。与此同时,汽车业推出了可变燃料汽车,它们可使用纯乙醇、汽油或两者以任何比例掺混的燃油。这些可变燃料汽车在巴西非常流行,销量达200×104辆,占2007年汽车总销量的86%。这种流行趋势的出现有以下3个理由:首先是汽油价高,消费者要寻求廉价的能源,而乙醇价格仅为汽油的60%;其次,可变燃料汽车使消费者可更灵活地选用燃油品种,从而少受市场价格变化的影响;再次,选用纯乙醇或乙醇-汽油混合物作燃油可使有关从业人员(包括甘蔗地里的农民)获得环境和社会效益。2004年以来,可变燃料车辆销售成为巴西汽车业的主要增长点。

继最初的可变燃料汽车所采取的对策成功之后,2005年汽车业又推出了三种燃料(汽油、乙醇和天然气)汽车。而且,又开发了基于乙醇的燃料电池新项目,与此同时,巴西政府推出了"生物柴油"计划,为乙醇和植物油开辟了新市场,第一年就可节约柴油80×104m3。

乙醇用作燃料时,对环境的主要好处是可减少二氧化碳、重金属和其他有毒污染物的排放,这一点对一些大城市(如圣保罗和里约热内卢等)尤为重要。乙醇是一种清洁燃料,其生产过程几乎完全是可持续的,因为含碳气体通过甘蔗循环,不会按与汽油或柴油相同的比例把化石CO2释放到大气中。由于乙醇厂采用了可持续的生产工艺。它具备充分的潜在条件可获得"京都议定书"规定的碳信用。产生的甘蔗渣可燃烧产生蒸汽,为蒸馏和发电供给能量。产自糖厂的糖浆以水稀释或与甘蔗汁混合后送往发酵,而蒸馏釜的残留物可送至甘蔗地里用作肥料,以减少钾肥用量和进口量。

目前,巴西是全球第二大乙醇生产国,在甘蔗地和酿酒厂等相关产业中的从业人员在百万人以上。1975年以来乙醇的年产量由56×1O0m3猛增至2007年的2200×104m3。巴西现有酿酒厂343家,但产量集中在中南和西北地区。预计到2009年,还将新建一批酿洒厂,每家年生产能力可达到100×104~200×104t。而且,很多酿酒厂正在增加其乙醇生产能力,以满足国内需求和出口到那些正在寻求替代燃料以减少石油对其经济和环境影响的国家。

2 酿酒厂如何应对市场波动而生存下来

在"Proalcool"计划实施期间,生产商面临了乙醇价格由1980年的700美元/m3降至1999年的200美元/m3以下。除乙醇-汽油混合燃料外,联邦政府废除了对乙醇市场的干预,价格放开。在巴西,糖和乙醇的价格产生了双重的影响。许多糖厂设有酿酒装置,当国际市场的糖价较生产乙醇更可获利时,就将有更多的甘蔗用于糖的生产,仅将糖浆送往发酵生产乙醇。这些厂商根据糖和乙醇的市场价格采用这种机制来组织其生产。

在1975~2007年的30多年里,甘蔗送往制糖的比例为26.5%~86.3%,2007年,此比例约为45%。

在乙醇市场出现危机时,为了应对价格低廉和市场波动,科技工作者开发出新的技术,并转让给酿酒厂,在危机期间帮助他们生存下来。在甘蔗种植方面的新技术有:培植甘蔗新品种、改良土壤、使用肥料、控制虫害、采用新的收割系统等,这些措施使甘蔗的单产由1977年的53t/hm2提高至2008年的95t/hm2。同时,甘蔗的含糖量由9.5%增至14%,甘蔗原料的糖提取率由88%提高至95%~98%。

此外,Fermentec公司和圣保罗大学等科研部门联合对甘蔗汁和糖浆的乙醇发酵作出了重大贡献,其研究成果有:

①提高发酵收率的工艺条件;

②从工业环境中选择酵母菌种(yeast strains);

③开发测试果汁、糖浆、葡萄汁((must)、啤酒和工业废水中的糖浓度的分析方法,精度可精确到6p.L/L;

④用光学显微镜在15min内即可完成活细菌的直接计数;

⑤在6h内即可选定最佳抗生素控制细菌的方法;

⑥按"DNA排列程序"识别受污染的细菌;

⑦以数码光密度计精密准确测量样品中的乙醇含量;

⑧引进近红外光谱仪(NIRS, Near InfralRed Spectroscopy)进行常规分析;

⑨降低生产过程中糖的损耗和化学品消耗。虽然巴西酿酒厂商控制了很多工艺参数,但其乙醇发酵收率仍因以下因素而降低:细菌污染,酵母-细菌的"絮凝(flocculation)",酵母过度成长,离心机的滥用,糖、醇类、盐、高温、糖浆酸度形成的不利条件,以及野生酵母的污染等。

酿酒厂商为了实现对乙醇生产全工艺过程的最佳管理,要把从甘蔗质量到发酵收率共120多个工艺参数进行统计分析,以确定哪些因素影响了生产业绩,向何处投资才能改善收率,以得到优质产品,降低消耗和减少化学品,如抗生素(antibiotic),硫酸和消泡剂等的消耗。经过测试、控制和改进工艺参数,有可能实现发酵收率从1977年的75%~78%提高到2008年的90%~92%(以每千克葡萄糖产511g乙醇的最大理论值计)。如果不提高收率,酿酒厂将不可能在国际市场的低价格环境中生存下来。2007年仅有乙醇产量的50%出口。蒸馏工艺的巨大进步使其效率从1997年的95%提高到2008年的99%。在甘蔗种植和乙醇发酵方面的科技进步以及有效的工艺管理.巩固了巴西的乙醇工业。

3 巴西酿酒厂的工艺过程

目前,乙醇工业生产是以甘蔗汁、糖浆或两者的混合物为原料,在发酵槽(其容积为40× 104~200×104L)中的大规模发酵工艺为基础的。主要发酵法有间歇法和连续法,但这些工艺各不相同,所以各酿酒厂互相之间是有区别的。约75%的酿酒厂采用间歇发酵法。

巴西的乙醇生产在甘蔗的收获季节(约连续200~230d)进行。发酵在发酵槽罐中极高的酵母细胞(yeast cell)浓度(约8%~7%)、乙醇浓度为6%~11%(体积分数)、发酵时间极短(为6~10h)的条件下进行。每个发酵周期结束后,酵母细胞经离心机从发酵介质〔啤酒)分离并浓缩后,供下一个发醉周期使用。浓缩的酵母经稀硫酸处理,杀灭细菌,同时啤酒送去蒸馏。处理后酵母细胞回到发酵槽中,在此开始新的发酵周期。尽管作了一些改进,此发酵工艺仍称作 nlelle-BoinoL过程,因为1930年法国bfelle地区的Firmin Boinot取得了此项专利。

除了发酵的特点以外,要获得高乙醇收率和低消泡剂消耗,酵母菌种(yeast strain)的选择至关重要。如Fermentec公司所选用的PE-2,CAT-1和VR-1等特种酵母菌种,Copersucar公司所选用的BG-1 ,SA-1和CR-1特种酵母菌种已被很多巴西酿酒厂商单独或和"面包师(baker)"酵母混合起来用作发酵的起始剂。这些酵母菌种用染色体组型(Karyotyping)技术(基于DNA基测试)从工业发酵过程中选出,并经实验室的全面评价,它们适用于工业生产中,能抵御各种不利条件。而面包师酵母在发酵初期(酿酒厂商常需成吨的酵母细胞)是非常有用的。2007年,巴西生产的乙醇中有60%产自于用选定的酵母菌种进行初始发酵的工业过程。

4 用糖浆生产乙醇

当前,巴西的酿酒业是一种灵活的产业,并拥有全球最好的技术,可用甘蔗汁、糖浆或两者的混合物发酵。在巴西,用糖浆生产乙醇较销售糖浆获利更多。但是用糖浆液汁发酵时,要特别小心。低纯度或酸性糖浆将影响发酵收率,因为它们会使酵母细胞中毒。

另一方面,糖浆与甘蔗汁混合后,可向此汁液提供甘蔗汁所缺乏的,而又是对酵母细胞很重要的矿物质如镁、磷酸盐、锌和氮等。但是,当某些矿物质如钾、钙过量时,将使酵母细胞把更多的糖转化为甘油,从而降低了发酵收率。

同时也要考虑到糖浆若被乳酸细菌所污染,也会降低发酵收率。某些菌种在乙醇发酵过程中,有强烈的抵抗作用,很难控制。除了设备和人员素质外,发酵的成功还将取决于糖浆的组成(糖、矿物质和毒性化合物等),糖浆的酸度和纯度,被细菌和野生酵母的污染情况,糖浆在汁液中的比例(低、中或高),合适的酵母菌种的选择,测定和管理发酵过程的良好的分析方法(化学和微生物学)等。

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