玉米深加工生产设计中的技术进步和节能

摘要：玉米深加工是优化产业结构，延长产业链，增加产品附加值的具体表现。目前玉米深加工产品主要有玉米淀粉、玉米蛋白粉、变性淀粉、玉米淀粉糖、玉米油、食用酒精、燃料乙醇、谷氨酸、赖氨酸、聚乳酸、木糖醇、化工醇、蛋白饲料、纤维饲料等数千个品种，这些产品广泛应用于社会生产中。本文结合玉米深加工的生产实际和国家有关的政策和低碳经济形势，对玉米深加工行业中生产设计的工艺创新进行阐述，希望能为同行业的技改和发展有所帮助。

关键词：深加工 生产 设计 创新

玉米不仅是人们的口粮和畜牧业的“饲料之王”，也是重要工业原料，可加工成的工业产品达3000多种，目前玉米深加工产品广泛应用于纺织、汽车、食品、医药、材料等行业。 随着加工层次的不断加深，形成玉米经济系统。近年来我国玉米工业加工迅速发展，消费的玉米大幅度增加，对我国乃至世界的玉米供求平衡、流通格局和粮食安全都产生了重大的影响。全面做好深入研究玉米加工工业发展的技术创新和改良、节能具有重要作用，制定科学的发展对策，对于主动搞好粮食宏观调控，加快玉米深加工行业发展及促进我国经济健康发展都有着极为重要的意义。特别是“十二五”规划期间，国家已经将玉米深加工项目列入限制类产业目录，所以加强玉米深加工行业的技术创新改造和节能环保迫在眉睫，也是玉米深加工企业发展的必然趋势。

一、玉米深加工行业的技术进步

玉米深加工项目世界上最先进的方法一般都采用玉米湿法生产工艺，整个生产过程为热循环封闭式生产，干物回收率达到96%以上，废水排放程度降低到最少程度，不仅节能、节水，而且可以减少对环境的污染，因此值得在广大玉米深加工企业进行技术推广。主要表现在以下几个方面，以玉米深加工生产啤酒糖浆项目为例来说明：

（一）采用有效地提高生产效率，降低生产成本的新的生产工艺流程。例如在啤酒糖浆项目加工过程中，采用两次提胚的方法。这样可以降低玉米淀粉中的脂肪含量，能够符合发酵工业对玉米淀粉低脂肪含量（1.0―1.3%）的要求，这样不仅能够最大程度的对提取物进行分离，而且也加强了废弃物的利用能力。

（二）新技术的整合使用，能够提高深加工目标提取物的转化浓度。例如，三酶法工艺采用低脂玉米为原料，采用高温α―淀粉酶、β―淀粉酶和普鲁兰酶协同转化技术生产高麦芽糖浆。这样比起单一用某一种酶而言，转化效率大大提升。美国在发展玉米精深加工业中不断进行科技创新，特别是节能、节水、节约原料和提高产品质量、提高效率和效益、降低成本费用和减轻环境污染的技术工艺，值得国内同行业进行借鉴，这些方法包括：（1）乳酸和琥珀酸等有机酸采用膜分离与细菌连续发酵生物反应器耦合技术和双极膜电渗析分离技术，赖氨酸生产采用连续离交法进行分离提纯等。（2）采用快脱纤维法和快脱胚芽法。采用这两种新方法，主要创新点在于把湿磨系统的某些优点融人干磨工艺中，其优点包括：提高了加工效率；提升了饲料副产品的价值；此外，经过改造的研磨技术有效提高了发酵罐的实际产量。提高产量的原因是，由于已经去除了胚芽和纤维，在反应器里腾出了空间可以容纳更多的淀粉。（3）开发高浓度（VHG）发酵法。所谓高浓度是指固定物含量高于30％的比重。采用这种新发酵法的技术要求是，通过加入酶制剂（例如蛋白酶、淀粉酶等）或通过双重磨碎实现浆液具有高糖浓度、低粘度。高浓度发酵法的优点是：在理想发酵条件下可产生20-30％的乙醇；用水量比常规发酵法减少；需要冷却的发酵物料和蒸馏物料量较少，因而降低了能源成本。（4）减少能源消耗新加工技术。经过长期的试验与研究，成功地利用“冷糖化”技术实现了无需用蒸汽对淀粉进行液化就可以从淀粉中用酶法释放出葡萄糖。2004年，开发出用淀粉直接转化成乙醇的、可广泛应用于现代干磨乙醇发酵设施中。无蒸煮冷加工技术的关键是开发高活性和高效益的转化酶。不言而喻，这种冷加工技术的优越性在于提高了转化效益和乙醇出率：减少了电、水和废物处理的成本；降低了资金和有关维护费用；提高了副产品饲料中的蛋白质含量和品质。然而，这项加工技术也存在一定的问题。一是加工过程中需要的高耗酶量及其高成本；二是，因为不用巴氏灭菌法，所以便会增加微生物染菌的机会和相应造成较大损失。尽管冷水解技术存在这些不利因素，但是至今仍然得到广泛应用，因为它对提高乙醇工业生产率和利润率产生了有利的巨大影响作用。（5）玉米醇溶蛋白萃取法。从玉米干磨和湿磨中获取的玉米醇溶蛋白，是一种可生物降解树脂，在食品与化妆品领域极有应用价值。但是，采用从玉米中回收和提纯玉米醇溶蛋白的方法代价极高。现在开发一种玉米油和玉米蛋白萃取新工艺，从研磨碎的玉米或加工副产物中廉价萃取玉米醇溶蛋白，应用于塑料和膜包装工业，既降低成本，又提高附加值。

二、玉米深加工行业的节能

随着社会和经济的发展以及人口的增长，能源紧张、食物短缺和环境污染已经成为世界性的重大难题。世界天然石油资源的有限性，不得不让人们积极探索发展太阳能、风力能源、水力能源和生物质能源，而前三种能源的利用因气候、地形、水资源等因素限制，而生物质能源的利用受限因素很少，并且可以不断再生，从淀粉质原料生产酒精就是最明显的例子。用玉米生产酒精关键的就是降低能源消耗，不能一边生产酒精替代能源，一边又消耗大量能源。

酒精生产能耗主要三个方面：⑴淀粉的液化、糖化；⑵DDGS蒸发、干燥工段；⑶蒸馏工段。

（一）免蒸煮糖化发酵工艺节能技术。针对淀粉液化、糖化能耗高的问题，研究采用免蒸煮糖化发酵法，它是利用一种生淀粉消化酶将生淀粉转化为葡萄糖、麦芽糖，酵母利用糖发酵生产酒精。工业生产中只要使这种糖化酶糖化生成的糖化醪和酵母酒精发酵速度恰好同步就行，虽然这种糖化速度较慢，但是足够酵母对葡萄糖的需求即可。添加的酒母应使酵母在发酵初期达到最大细胞数，在允许范围内提高配料浓度，提高发酵后期酒精浓度，其发酵醪中酒精浓度可达20%，抑制有害微生物的增殖，这种发酵法除酒精产率高外，又节约了时间、设备和能耗，初步结果可节约能源50%、节水68%。

免蒸煮糖化发酵法关键是获得能分解生淀粉的糖化酶高产菌株和获得适宜于生淀粉浓醪发酵的酵母菌株。

这种免蒸煮糖化发酵法与传统的高温蒸煮发酵法相比具有以下优点：

⑴不消耗能量，不需要冷却循环水；⑵设备大幅度的简化；⑶发酵醪酒精浓度高，产率高；⑷高温蒸煮发酵法输送14-15%的高浓度醪液困难，而免蒸煮糖化发酵法由于不发生糊化现象，容易输送，从而提高了产率；⑸免蒸煮糖化发酵法减少酒糟排放量44%，在副产物处理中也节省了能耗。

在免蒸煮糖化发酵法的基础上，国外以及国内的大型酒精生产企业都在致力于固定化细胞用于酒精发酵和利用固体发酵法生产酒精的研究，一旦这些方法研究成功，将大大改变酒精发酵工艺。此外，淀粉原料采用新的膨化技术处理预糊化，对于节能是十分有用的。

（二）酒精发酵废糟液综合利用节能技术。生产酒精产生的废糟液国内外常用的处理技术有：沼气发酵法、单细胞蛋白法、全干燥生产DDGS法、滤液全回用法。

全干燥生产DDGS时，蒸发系统的能耗占废糟液干燥总能耗的60%，为了节能，国外公司研究采用滤液全部返回生产代替拌料水，节省了蒸发设备的投资和运行费用支出，降低了能源消耗，滤渣经过挤压脱水干燥成颗粒饲料DDG，使DDG蛋白质保持最佳营养状态，蛋白质消化率比DDGS提高20%。技术关键在于固液分离设备即分离机的选用。

酒精废糟液中，既有适合微生物繁殖和生长需要的营养物质，同时含有某些抑制微生物生长的物质。糟液分离液全回用，从理论上讲，这些抑制微生物生长的物质积累到一定浓度时，就会造成发酵酒度的下降，依此可推测出分离液全回用循环次数为30次，但实际生产中已经突破94次。这说明滤渣部分带走了抑制酵母酒精发酵物质，再加上滤渣带走了部分水，每次循环需要补充新鲜水，使分离液被稀释，而使回流系统的抑制物浓度长期维持在酵母能忍受的范围内。因此说滤液全回用工艺是最有发展前途的工艺。

（三）酒精蒸馏节能技术。过去，在我国酒精蒸馏都采用常压蒸馏方式，其热能使用都是一次性的，近十几年来，我国消化吸收法国Speictim公司和德国SFAHL公司等的差压蒸馏工艺技术，并结合我国国情设计出了适合各种酒精品质要求的两塔、三塔、四塔、五塔、六塔、八塔差压蒸馏新工艺。其中以五塔差压蒸馏装置是已经成熟和成功的。

五塔差压蒸馏设置了粗馏塔、水洗塔、精馏塔、脱甲醇塔和杂质塔。其中粗馏塔和脱甲醇塔采用真空蒸馏，精馏塔采用加压蒸馏，水洗塔和杂质塔采用常压蒸馏。利用精馏塔馏出高压酒精蒸汽加热粗馏塔再沸器，利用水洗塔馏出常压酒精蒸汽加热脱甲醇塔再沸器，杂质塔采用精馏塔余馏水闪蒸的二次蒸汽加热。五塔系统仅有水洗塔和精馏塔需要锅炉供给的水蒸汽加热。精馏塔采用再沸器间接加热，回收蒸汽冷凝水回锅炉给水。

差压蒸馏和常压蒸馏的比较：

⑴减少蒸汽消耗。差压蒸馏使热能在蒸馏过程中多次耦合，节约蒸汽消耗；达到节能降耗的目的，五塔系差压蒸馏技术比传统的五塔常压蒸馏技术每吨优级酒精蒸馏消耗蒸汽节能40%。⑵差压蒸馏由于采用了物料间的相互换热，不需要全部靠冷却水冷凝，因此可大大节约冷却水的用量。⑶采用多点排杂技术，产品质量稳定，质量好；⑷电机使用变频控制技术，省电；⑸塔设备均考虑外露天布置，工艺布局整齐美观，设置合理，节约投资；⑹完全的自动化控制，减少操作人员数量，降低劳动强度。

三、结束语

在国家对玉米深加工行业的政策由“十一五”规划期间的“绿灯”变成“十二五”期间“黄灯”的时期，如何做好行业的节能降耗，利用新的生产工艺和技术手段来达到低碳经济的要求和结构升级的目的，是现阶段玉米深加工行业进行思考和改革的首要内容。

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