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| 【生物質】木薯變“石油”的科技樂章 |
| （時間:2012-12-6 9:44:58） |
11月30日，第十四屆中國專利獎頒獎典禮在北京舉行，天津大學石化中心張敏華科研團隊研發(fā)的生物質能源專利技術“薯類原料酒精生產方法”獲得了由世界知識產權組織和國家知識產權局聯(lián)合授予的中國專利金獎。
透過這一金獎，人們可以看到薯類原料酒精生產方法將給我國能源結構帶來的變化，看到我國生物質能源技術的重大突破，看到我國科技人員正在通過集成創(chuàng)新、系統(tǒng)創(chuàng)新在生物質能源技術領域領跑世界。
大家知道，石油是重要的不可再生能源和化工原料，其生成至少需要200萬年。隨著人類對石油需求的日益增長，石油資源的日益緊缺已成為不容忽視的問題，為此，世界各國競相研究可替代石油的可再生能源。而在這可再生的能源中，生物質乙醇是迄今為止最為成功的替代運輸燃料及乙烯生產原料。
十多年來，天津大學石化中心主任張敏華教授帶領他的科研團隊瞄準國際前沿和國家重大戰(zhàn)略需求，運用當代化學工程及生物工程領域的基礎理論、先進技術及方法，歷經了應用基礎研究、工程放大和大規(guī)模工業(yè)化的全過程，破解了薯類酒精生產原料預處理、同步糖化濃醪發(fā)酵、復雜流程熱網絡合成與優(yōu)化等技術難題，首次完成了大規(guī)模濃醪發(fā)酵技術在薯類燃料乙醇的工業(yè)應用，實現(xiàn)了薯類酒精生產關鍵技術創(chuàng)新與系統(tǒng)集成，形成了具有自主知識產權的薯類酒精生產成套技術，并建成全球首套大規(guī)模木薯非糧燃料乙醇生產示范裝置，總體技術水平國際領先。
十年的創(chuàng)新，十年的拼搏，張敏華教授帶領的科研團隊以“薯類原料酒精生產方法”為核心專利，不斷攻關，目前形成了一個覆蓋了薯類酒精生產全過程的專利保護群，建起了一整套支撐大規(guī)模薯類乙醇產業(yè)發(fā)展的技術平臺。
第一次跨越——中國傳統(tǒng)酒精生產技術全面提升
天津大學石化中心與生物質能源技術結緣來自一次偶然的機會。1997年3月，中心迎來了幾位風塵仆仆的訪客，黑龍江華潤金玉公司的負責人驅車數(shù)千公里慕名來到天津大學石化中心，找到張敏華教授求助。“這家企業(yè)投資5個億建設了一套年產10萬噸優(yōu)級玉米食用酒精裝置，但由于當時國內沒有掌握大規(guī)模食用酒精生產技術，裝置建成后開車失敗，半年多的試車投入3000多噸玉米沒有生產出1噸合格的食用酒精產品，企業(yè)面臨困境�！睆埫羧A回憶說。由于天大化工學科在國內化工領域的良好技術聲譽，企業(yè)帶著配套的設計院的同志一起慕名而來，希望他們能夠盡快為企業(yè)找到拯救這個項目的辦法。了解項目情況后，他們立刻組織科研團隊攻關，經過連續(xù)多天晝夜進行模擬計算，文獻分析，并赴企業(yè)現(xiàn)場進行技術交流，確定了項目技術改造方案，通過雙方專家及技術人員半年多的夜以繼日的工作，企業(yè)最終以較少的投入完成了對原裝置的技術改造，裝置起死回生順利投產，生產出當時國內最好的優(yōu)級食用酒精，各項指標超前達到2002年9月1日頒布實施的GB10343-2000特級食用酒精產品標準。
作為當時國內生產規(guī)模最大、產品質量最好的年產10萬噸優(yōu)級玉米食用酒精裝置的投產,結束了中國優(yōu)級食用酒精生產技術引進的歷史，標志著我國已具備采用自主知識產權技術高水平建設大規(guī)模超純食用酒精生產裝置的能力，推動了我國新的食用酒精標準（GB10343-2000）的修訂和頒布。鑒于我國食用酒精生產技術的提高及人民生活水平的提高，新的食用酒精標準對酒精產品各項雜質指標與原標準相比較都有一定的提高，并與國際酒精產品標準接軌，新增了特級食用酒精產品規(guī)格，張敏華和他的團隊也由這一契機進入到國內酒精生產技術行業(yè)。新國標的頒布促進了天大技術的推廣，先后在山東九九世界生產規(guī)模最大的年產50萬噸特級食用酒精等10多套生產裝置上實現(xiàn)技術推廣應用，累計形成了約115萬噸/年特級食用酒精的年生產能力，徹底改變了我國食用酒精的產品結構，為中國白酒新工藝進步起到積極的推進作用。
液態(tài)發(fā)酵的特級食用酒精產品對酒精發(fā)酵過程產生的高度危害雜質甲醇、多元醇，醛類，以及受微量雜質影響較大的口感等提出了嚴格的要求，主要應用于勾兌飲料酒、飲料及高檔香水，與傳統(tǒng)固態(tài)白酒基酒相結合兌制的白酒，使傳統(tǒng)的固態(tài)白酒中有害雜質含量大幅降低，在保持原酒固有風格的同時，使固態(tài)白酒的主要感官指標得到明顯提升。我國食用酒精產品質量的整體提高符合人們“科學健康飲酒”新理念，以及酒精作為基本石油化工原料的理想替代品對酒精質量提出的純度要求，促進了我國傳統(tǒng)酒精行業(yè)的技術升級換代。
天津大學大規(guī)模超純食用酒精成套生產技術以其先進性在國內酒精高端市場獨占鰲頭。時任中國化工學會石化專業(yè)委員會主任喬映賓教授對該技術給予了高度評價，認為“把中國酒精產業(yè)從傳統(tǒng)作坊式生產帶入現(xiàn)代產業(yè)�！�
第二次跨越——從食用酒精到燃料乙醇
張敏華團隊在食用酒精生產技術開發(fā)過程中，已注意到關于一些發(fā)達國家開始在生物質能源領域，特別是被稱作“生物汽油”的燃料乙醇技術領域進行大規(guī)模的研發(fā)和產業(yè)化工作的文獻報道。1996年，我國首次成為石油凈進口國，他們敏感地意識到作為石油替代資源的可再生生物質能源將成為我國未來的重大戰(zhàn)略需求，研發(fā)具有我國自主知識產權的生物質能源及化工技術是他們作為科研工作者責無旁貸的重大使命。前瞻性的生物乙醇技術的研發(fā)及工業(yè)化技術儲備，為贏得技術先機創(chuàng)造了條件。2000年12月，國家為了積極、穩(wěn)步地推進我國燃料乙醇的試點和規(guī)劃工作，國家批準黑龍江華潤酒精有限公司年產10萬噸燃料酒精改擴建項目正式啟動，公司通過調研決定采用天津大學技術建設我國第一套年產10萬噸燃料乙醇生產示范裝置。
2001年3月，“十五”國家重點示范裝置——全國第一套年產10萬噸燃料乙醇生產示范裝置采用天津大學技術建成并一次開車成功，填補了我國燃料乙醇生產及銷售的空白，實現(xiàn)了由“造酒”到“造汽油”的技術跨越，開啟了我國生物質能源的新時代。示范裝置開發(fā)并應用了“超大型生物反應器放大技術”、“超大型混合內件技術”、“高效變壓變溫分子篩吸附脫水技術”及“廢醪液治理及綜合利用技術”等多項燃料乙醇生產關鍵技術及裝備，形成了具有國際先進水平的燃料乙醇成套生產技術，為我國剛剛起步的燃料乙醇產業(yè)大規(guī)模健康持續(xù)發(fā)展提供了技術保證。
隨著我國生物質能源產業(yè)的發(fā)展，該技術得到廣泛應用及推廣，先后在黑龍江、吉林、山東和安徽等地相繼建成了包括國家燃料乙醇定點生產單位中糧生化能源（肇東）有限公司、安徽豐原生物化學股份有限公司和吉林燃料乙醇有限責任公司等8套燃料乙醇生產裝置，國內技術覆蓋率80%以上，生產的燃料乙醇產品符合國家GB18350—2001燃料乙醇產品標準。混配的車用乙醇汽油目前在我國黑龍江、吉林、遼寧、安徽、河北和山東等省市銷售使用。
2009年，項目形成的科研成果“燃料乙醇生產關鍵技術及裝備”榮獲黑龍江省技術發(fā)明一等獎。
第三次跨越——從糧食原料到非糧原料
張敏華主任介紹說，建于我國燃料乙醇推廣初期的第一套年產10萬噸生物燃料乙醇生產示范裝置技術選擇主要借鑒美國“用玉米造生物汽油”的技術路線，隨著燃料乙醇產業(yè)的發(fā)展及我國“不與人爭糧，不與糧爭地”的基本國情，采用非糧原料成為燃料乙醇產業(yè)技術發(fā)展趨勢。國家“可再生能源發(fā)展規(guī)劃”開始明確鼓勵以薯類作物、甜高粱睫稈、農作物秸稈等纖維素等非糧生物質為原料的燃料乙醇生產，開發(fā)非糧生物質乙醇生產技術是我國可再生能源及資源領域的重大戰(zhàn)略需求，他們隨后將燃料乙醇生產技術開發(fā)的重點放在了非糧生物質能源技術領域。
木薯非糧原料不與糧爭地，經濟上可行，在我國廣西、廣東、海南等南方可以大規(guī)模種植。但傳統(tǒng)薯類酒精企業(yè)生產規(guī)模小，生產不穩(wěn)定，污染嚴重，作為燃料凈能量產出比為負值，沒有成熟的大規(guī)模薯類燃料乙醇成套生產技術，不能滿足我國薯類燃料乙醇產業(yè)的發(fā)展需求。他們針對大規(guī)模薯類燃料乙醇生產技術存在的技術瓶頸，經過多年不懈努力，依托之前在玉米、小麥等傳統(tǒng)糧食酒精生產技術開發(fā)過程中的積累及基礎研究成果，運用發(fā)酵過程調控機制、計算機流程模擬與優(yōu)化、計算流體力學、熱網絡合成與優(yōu)化等多學科理論與方法，重點突破原料前處理、木薯同步糖化濃醪發(fā)酵、復雜流程熱網絡合成與優(yōu)化、與精餾系統(tǒng)耦合的變壓吸附脫水及廢醪液資源化利用等關鍵技術，實現(xiàn)了木薯燃料乙醇關鍵生產技術的突破和創(chuàng)新。該研發(fā)工作申請了“薯類原料酒精生產方法”等20項專利，已授權13項，并擁有多項專有技術，形成了具有完全自主知識產權、國際領先水平的非糧燃料乙醇生產技術。2007年，采用該技術建成了世界生產規(guī)模最大的非糧燃料乙醇生產裝置——廣西中糧年產20萬噸木薯燃料乙醇生產示范工程，生產出合格的車用木薯乙醇汽油，產品得到了中石化和中石油等用戶的認可。
2011年1月，為了進一步做好非糧燃料乙醇技術的推廣工作，國家能源局組織了對該項目的技術后評價，以曹湘洪、孫寶國二位院士為負責人的專家組對項目給予了高度評價，“該項目在木薯燃料乙醇領域總體技術處于國際領先水平，具有示范作用，建議推廣應用。”
第一套木薯非糧燃料乙醇示范生產裝置的建成投產，標志著天大張敏華科研團隊完成了燃料乙醇生產從糧食原料到非糧原料的第三次技術跨越，有力推進了我國生物質能源領域的技術進步，使我國燃料乙醇行業(yè)的技術水平進入國際先進行列。
2010年，“年產20萬噸木薯燃料乙醇示范工程”項目，榮獲廣西自治區(qū)科技進步一等獎；2011年，項目形成的科技成果“木薯非糧燃料乙醇成套技術及工程應用”，榮獲國家科技進步二等獎。
“薯類原料酒精生產方法”系列技術作為平臺技術，其應用范圍已擴展到了甜高粱睫稈非糧乙醇生產技術領域。2010年9月，他們承擔了國家非糧燃料乙醇定點生產單位——中興能源（內蒙古）有限公司年產3萬噸甜高粱睫稈燃料乙醇項目蒸餾及脫水裝置的技術開發(fā)及工程設計項目。2011年12月，裝置建成并投產運行，生產出合格的燃料乙醇產品，該裝置為我國第一套工業(yè)規(guī)模的甜高粱睫稈非糧燃料乙醇生產裝置。
“薯類原料酒精生產方法”系列專利還通過《專利合作條約》（PCT）途徑申請了國際專利，進入了美國、巴西、泰國等生物質能源技術發(fā)達或酒精生物質原料豐富的國家，拓展了國外技術市場。目前已與泰國、孟加拉國等國家的相關酒精生產企業(yè)達成了技術出口合作意向。
“薯類原料酒精生產方法”系列專利開創(chuàng)了我國該領域專利技術許可方式為主的產業(yè)化推廣先例。截至2012年12月，該專利形成的成套生產技術在非糧燃料酒精生產技術領域實現(xiàn)技術許可10個項目，累計獲得專利技術使用許可費合同額1,913萬元。
第四次跨越——生物乙醇利用從能源到資源
中國專利金獎是我國在專利領域由政府頒發(fā)的最高獎項，這一次也是天津大學首次獲得這一獎項。“這次獲獎是國家對天津大學整體科技創(chuàng)新能力的肯定，也是對我們這些科研工作者十幾年來不懈探索攻關的最好褒獎。”張敏華教授表示，天津大學石化中心也將以此為動力和契機，瞄準國際生物質能源技術領域的下一代技術窗口繼續(xù)展開科研攻關。據(jù)介紹，目前世界各國重點在突破生物乙醇的資源化利用和纖維素乙醇等前沿技術，天大石化中心也在做著這些領域的技術攻關與儲備。
張敏華主任介紹︰“大家都知道石油被主要用作燃料和化工原料，我們把用生物乙醇混配汽油稱作‘能源化利用’，把用生物乙醇生產化工原料稱作‘資源化利用’，目前我們已掌握由生物乙醇到化工原料乙烯大規(guī)模成套生產技術，并擁有由平臺化合物乙烯生產醋酸乙烯、環(huán)氧乙烷等下游化工產品的成套生產技術。”今年10月，采用天津大學石化中心自主技術建成的廣西廣維化工年產5萬噸生物乙醇制乙烯及其年產10萬噸醋酸乙烯聯(lián)合生產裝置一次試車成功，并生產出高品質乙烯和醋酸乙烯產品，標志著全球首套大規(guī)模生物質制取聚乙烯醇生產線全流程貫通，形成了完整的綠色化工循環(huán)經濟產業(yè)鏈，使我國一舉跨入了生物乙烯及醋酸乙烯生產技術國際領先行列，實現(xiàn)了我國生物乙醇“資源化利用”的重大突破。
第五次跨越——尋找纖維素乙醇之路
纖維素乙醇則被稱為新一代生物質能源及基本化工原料，其生產技術是利用地球上廣泛存在的纖維素生物質原料進行乙醇的生產，目前世界主要發(fā)達國家在這個領域都投入了大量的人力物力進行研發(fā)。我國生物質資源十分豐富，每年僅農作物秸稈就產生7億多噸，如果50%的秸稈被利用生產纖維素乙醇產品，產生的油氣當量相當于再造了一個大慶油田。為此，張敏華領導的科研團隊又將目光瞄準市場前景更被看好的纖維素乙醇。
2011年6月，張敏華團隊承擔了山東濟南圣泉集團年產2萬噸纖維素乙醇生產裝置的技術研究及工程化，突破了纖維素物料黏度高、霉解發(fā)酵效率低、霉制劑用量大及生產能耗高等制約纖維素乙醇等技術瓶頸，大幅度降低了生產成本，顯示出較強的經濟性和市場推廣前景。裝置于2012年10月10日建成投產，生產出合格的纖維素乙醇產品，實現(xiàn)了我國纖維素乙醇技術由科研到工業(yè)化的關鍵技術的突破，是目前國內外實際運行的大規(guī)模纖維素乙醇生產裝置之一，標志著我國已經具備了大規(guī)模纖維素乙醇生產工業(yè)化設計的技術基礎及條件。
一次次攻關，一次次跨越，張敏華領導的科研團隊在糧食酒精、木薯非糧燃料乙醇、生物乙烯及衍生物技術實現(xiàn)技術突破之后，又在農作物秸稈纖維素非糧生物質乙醇生產技術領域取得重要突破。為了表彰張敏華教授對于我國化工及生物質能源技術發(fā)展做出的貢獻，2012年被授予“侯德榜化工科學技術獎”創(chuàng)新獎。
回眸天津大學的生物質能源技術系統(tǒng)創(chuàng)新之路，不斷開拓，不斷超越，通過集成與創(chuàng)新，擁有了具有自主知識產權的生物質能源的成套生產技術，促進了我國生物質能源產業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，為我國在世界生物質能源爭得了一席之地。張敏華教授和他領導的科研團隊用自己的智慧和汗水，譜寫了一曲非糧作物變“石油”的科技樂章。
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