作者：张惠文
浮萍生长速度快，主要通过根或叶状体从水中吸收氮、磷等营养物质实现淀粉类生物质的高效积累。研究表明，浮萍千重中的粗纤维素和粗淀粉的比例分别约为14%和35%，淀粉含量与马铃薯、木薯等传统原料相当，理想条件下淀粉单产是玉米的5倍以上，乙醇产率能够达到于重的22.9%~25.8%。相比其它粮食作物，以浮萍为原料发酵生产乙醇还具有许多优势，如节约有限的耕地、净化富营养水体、适宜环境条件下能够全年连续生产等。
经济上可行是实现规模化利用浮萍生产乙醇的重要前提，同时从可持续发展角度出发，工业化生产也需要兼顾能效与生态效益。生命周期研究框架已经广泛应用于许多生物质（甘蔗、玉米、麦草、麦秸等）能源转化的能效分析以及生命周期评价中，可运用该框架对生产过程进行系统、全面的量化分析，识别其中对经济或环境影响较大的一些阶段，从而通过改善工艺流程，使其能更有利于环境的可持续发展及经济效益的优化。迄今为止以浮萍为原料的燃料乙醇生产尚未实现规模化，产业前景与环境影响有待进一步探究。为了全面评估该技术的产业化，本文运用生命周期的研究框架，计算系统质量、能量与货币流，继而自下而上地建立相应的工业仿真系统。同时利用Su-perpro Designer。模拟软件，模拟计算浮萍发酵生产乙醇的经济性和能源利用效率，为浮萍发酵的规模化生产和制定相关政策提供参考。
1材料和方法
11高淀粉浮萍原料
根据文献报道，我国浮萍共有5属7种，除西北地区因干旱零星分布外，其余地区均广泛分布。实验选用的高淀粉含量浮萍株系主要采自太湖和巢湖流域，筛选培育后，经matK基因序列扩增测序鉴定为Spirodela polyrhiza，Lemn.a ae-quinoctialis和Landoltia pun,ctate 3个浮萍种，然后采用室外SH培养以及模拟太湖污水培养（后期经过氮饥饿处理），获得浮萍各项生长和理化数据，并与其它地区文献报道的数据进行比对，确保基础数据的可信性。
浮萍生物量翻倍需要10～13 d（包括Sd左右的氮饥饿时间），富营养水体中可缩短至7～10 d）．由于浮萍漂浮于水面，故直接以网兜收获晾晒即可。新鲜浮萍水分的含量为87%~97%，经打捞、晾晒、脱水后打磨成粉，压实后的干粉水分含量降为20%左右，密度约为1.281 g/cm3。根据前期实验结果推算，富营养水体中浮萍年产量能够达到31.93t／hm2。表1列出了浮萍的大致成分组成，从表1可以看出，浮萍淀粉含量高、纤维素和半纤维素含量低，是理想的淀粉类乙醇发酵原料。
1.2浮萍生物乙醇发酵工艺
燃料乙醇发酵技术是利用乙醇发酵菌株的生物代谢途径将碳水化合物转化为乙醇的过程。淀粉质原料的乙醇发酵转换过程一般分为4个阶段：预处理、发酵、蒸馏和产物回收。理论上，每克淀粉能得到约0.511 g的乙醇，但由于细胞自身代谢消耗，以及一些抑制产物的存在，实际产量即使在理想实验条件下也只能达到理论值的90%~95%。参照文献报道的方法，用15%稀酸处理筛选后的高淀粉浮萍干粉，以Saccharomycescerevisiae作为发酵菌种进行乙醇发酵，结果乙醇产量为146.7±10 mg/g，以此作为后文模拟分析的参考理论值。
鉴于淀粉类原料的乙醇规模化发酵技术目前已经比较成熟，本文在工艺选择上尽可能考虑文献报道较多，效益高且相对成熟稳定的方法。此外，考虑到浮萍质乙醇发酵工艺与利用玉米产乙醇技术有许多相似之处，因此，在工艺设计上也借鉴了玉米乙醇工艺的一些子系统。
1.3工业仿真系统的建立
1.3.1研究对象与系统边界
本文选取以浮萍淀粉质为主要原料，年产15万t生物乙醇的汽车燃料发酵工厂为研究对象。对应地，功能单元设定为用于驱动生物燃料汽车所需的生物乙醇及其副产物，包括发酵酒糟(DDGS)、杂醇（乙酰丙酸、甲酸、糖醛等）、CO：等。为了综合评估该技术的产业化，本文引入生命周期分析ISO DIS (IS014000)框架，汇总浮萍淀粉质为原料的燃料乙醇生产的整个生命周期内的所有投入与产出，以建立系统边界进行进一步分析。
系统边界是生命周期分析的出发点，决定哪些阶段需要被纳入计算之中，成为系统的一部分。本文研究边界时选取应用广泛的RMEE，即相对质量一能量一价值方法(The relative mass-energy-econonuc method)，在给定的界定比率(cut-off ra-tio)上选择需要纳入研究的工艺步骤。Marlo的流程图解释了RMEE方法的计算步骤，其中，RMEE方法的界定比率(ZRMEE)定义为下一个步骤所消耗的上一个步骤质量、能量或者价值的百分比，从功能单位开始推算，只要任何一项大于界定比率则会被纳入系统。本文假设煤炭是电力和高温蒸汽的唯一能量来源。按照Marlo的建议，本文在0.05界定比率上确定系统边界（图1）并根据结果进行讨论和调整。根据确定的系统边界，本研究系统所涵盖的生命周期包括原料生产收获、运输.Z．醇生产转化3个阶段，其中乙醇生产转化包括预处理、发酵、蒸馏脱水3个子阶段。
1.3.2发酵厂建模与模拟
浮萍发酵生产乙醇模型包括超稀酸与水解酶相结合预处理浮萍，水解物上清液发酵以及二级蒸馏塔产物回收3个主要反应模块。表2列出了各反应阶段的主要过程参数。
原料预处理过程主要是在高温酸碱状态下对原料浆液破壁水解以释放可溶性还原糖。由于浮萍淀粉含量高且纤维素含量低，采用温和的超稀酸(ELA)处理相对普通酸处理能够降低有毒物质（如乙酰丙酸，甲酸，糠醛和呋喃等）的生成，提高酵母发酵效率，具有更大优势。稀酸处理后的浆液经中和后加入水解酶进一步糖化，模拟反应主要参考NERL推荐的酶水解条件，实际应用中须注意避免掺杂Cu2+,Hg2+，Al3+等对水解酶有毒的重金属离子。
发酵菌株选用乙醇发酵广泛使用的工程菌Z mobilis,该菌株能够将葡萄糖和木糖发酵为乙醇，鉴于已经报道过许多转基因细菌和酵母菌可以通过戊糖和己糖代谢途径产生乙醇，模型设定随着基因工程技术发展的情境下，发酵菌株Z. mobilis也能够实现类似的代谢途径。经过糖化的浆液在三级反应罐中发酵，规模逐级放大二初级曝气罐中需投放有机碳、氮源（酵母提取物等）并适当供氧以提高菌种的生长速度，二、三级反应罐为厌氧发酵罐，加装的气体洗涤器能够回收食品级二氧化碳副产物。经厌氧发酵和固液分离后，大部分的葡萄糖和木糖都能够被转化为乙醇.同时杂菌代谢产生的少量乙酸，乳酸，杂醇油也存在于发酵上清液中，含有丰富蛋白质和纤维素的发酵残渣则须进一步分离干燥，作为DDGS饲料副产物。
乙醇的产物回收是通过二级蒸馏塔和分子筛共同实现的，而且为了确保蒸馏塔和分子筛能够稳定工作，二次蒸馏前需要调整乙醇的浓度，维持稳定持续的15%的乙醇输入。此外，燃料乙醇通常需与5%~l0%的变性剂（汽油）混合成为乙醇汽油。
实验模拟软件采用Intelligen SuperPro De-signer.v8.5版本(Intelligence Inc., SCotch Plains,NJ)，该软件与Aspen Plus样广泛运用于各类化学、生物工程模拟中，根据给定的工作情景，能够同时进行反应过程模拟和质能平衡核算。主要装置的价格来源于市场报价以及基于物料成本的估算（SuperPro Designer。软件自带）。本文在已经设定完成的模型上，运用软件在0.05容错率基础上迭代计算，直到系统到达平衡点。
2结果与讨论
2.1模拟系统平衡点
设计年产规模为15万t的浮萍淀粉质乙醇发酵厂，调整浮萍干粉进料规模，经SuperPro De-signerv8.5迭代模拟计算得到系统平衡点上的浮萍进料规模约为200 t/h，浮萍原料到乙醇成品平均耗时约4d，燃料乙醇产量为18.6~18.8 t/h，对应产能为14.8万t/a，系统模拟产率为理论产率的63.74%。
2.2清单数据分析结果
2.2.1功能单位静态核算
功能单位是系统的主要目标输出，同时也是系统边界选择的起点，因此有必要核算功能单位包含的质量、能量与货币流及其对应阈值。表3估算了功能单位（15万t/a浮萍淀粉质生物乙醇及其副产物）对应的质量、能量与货币流，同时列出了ZRMEEE在0.05水平上的阈值。从功能单位开始推算，任何一项工艺大于该界定比率都会被纳入系统用于建模。
2.2.2能耗清单核算
结合模拟系统平衡点的结果，对浮萍淀粉质乙醇全生命周期能量投入进行核算，假定标准情景：浮萍采用富营养有机废水并适量添加化肥培育，池塘建设尽可能临近发酵厂，运输距离由单产决定，固定资产线性摊销，生产设备的使用年限以20 a计。结合SuperPro Designer平台对预处理、发酵、蒸馏脱水3个阶段的模拟结果，核算得出每吨浮萍质燃料乙醇生命周期各阶段能耗及其构成（图2），发现能耗集中在原料生产与收获(43.5%)和运输(34.8%)两个阶段。
原料生产与收获过程能耗主要来源于化肥添加与池塘用水；运输阶段能耗主要源于养殖池塘基建运输过程的燃油以及浮萍原材料运输耗费。每发酵产出一吨浮萍淀粉质乙醇，需要消耗（折合标准煤）：燃油151.70kg，池塘用水77.14 kg，尿素61.76 kg，电力57.67 kg。
燃料乙醇能耗清单考虑的是浮萍淀粉质乙醇各阶段直接或间接消耗的化石能源热值总和，既包括直接能源形式如电、柴油等消耗的能量，也包括消耗物资的生产能耗及设备生产分配到单位产品的能耗。以燃烧潜热（CH）计算的总能效系数（EER）指标来评价单位化石能源消耗昕产出的生物乙醇能量，计算公式为
EER 标准CH产出[单位燃料乙醇]／CH投入[∑单位燃料乙醇全生命同期能耗]
不考虑副产品能量回收情况下，系统全生命周期能效系数EER标准约为2.10。出于经济考虑，饲料用DDGS的能量并未包括在内，但若以DDGS作为生物气原料，整个系统的能效比率会有更大的优势。
进一步分析乙醇发酵阶段的投入产出物质能量（生成焓）平衡（SuperPro Designer@ v8.5软件自带）得出，尽管浮萍干重l.54xl06 t/a和水资源4.78 xl06 t/a是最主要的物质流来源，但高温蒸汽、添加物和分子筛贡献了大部分产品相关的能量投入（电力主要用于设备运行，因而未包括其中），大部分能量最终流向了生物乙醇、C02和污泥等产物。相关碳平衡计算表明：整个系统能够实现正的CO2捕获（浮萍碳含量大约占干重的0.45%．但不同的气候条件下碳含量也有差别），按动态平衡点上的浮萍进料规模进料，每小时约有23.2 t的净CO2捕获并转化为生物燃料和其它副产品，相当于年捕获约50万t发电标煤碳排放。
2.2.3成本清单核算
标准情景下浮萍淀粉质乙醇全生命周期成本投入核算结果表明，每吨浮萍质乙醇的全生命周期成本约为735.14$，与商业化玉米乙醇价格相差不大。图3为全周期各阶段单位燃料乙醇成本投入核算分析，从图3可以看出，运输(28.O%)和乙醇蒸馏脱水与副产物回收(28.1%)两个阶段累计贡献了413.23 $/t的成本支出。浮萍淀粉质乙醇发酵每产出一吨燃料乙醇，需要成本投入：燃油203.78$．池塘占地176.12$，高温蒸汽129.53$，人力77.87$。
原料阶段浮萍干粉到厂成本为32 $/t，相比玉米、木薯等粮食作物具有较大优势。在运输阶段，由于标准情景下需要临近发酵厂开挖池塘生产浮萍，工程量较大，泥土挖掘运输过程中消耗大量的燃油需摊销在运输成本中（约占总运输成本的78.5%）；而在蒸馏脱水与副产物回收阶段，除蒸馏塔等大型设备的固定成本摊销外，维持蒸馏塔运转所需的高温蒸汽是该阶段主要成本来源（约占该阶段成本的55.3%）。
浮萍作为发酵工艺的主要原料，其价格对乙醇生产成本的影响不可忽视。若假设浮萍原料由购买取得，基于5%的资金成本和17%增值税率设定，利用SuperPro Designer。v8.5软件对原料价格对发酵项目利润进行敏感性分析。
浮萍原料价格为50$/t水平时系统模拟显示，初始总投资为4.70xl08$的发酵厂年利润预计为6.56xl07$，项目回收期约为5.95 a。图4所示为其它条件不变情况下，浮萍干粉价格对燃料乙醇成本和项目回收期的影响。
项目利润的敏感性分析结果表明，浮萍干粉到厂价格在32～82 $/t时项目能够实现净收益，DDGS和燃料乙醇是最主要的利润来源，另外部分收益来自发酵过程回收的食品级CO2。
如图4所示，随着浮萍价格上升，燃料乙醇成本和项日回收期都在增加，其中项目成本回收期呈指数增长。当浮萍价格高于82 $/t时，由于燃料乙醇经济成本高于市场价而出现亏损，项目净值变为负值，可见较高的浮萍原料价格可能严重削减项目的竞争力。
2.3改进与替代方案评估
如前所述，标准情景下需要在发酵厂附近修建池塘并添加化肥以保证浮萍的高产出，但因此也在生产前期产生了较大的能耗与经济成本。若考虑采用农业灌溉塘或鱼塘替代浮萍养殖池塘，避免前期池塘的工程建设，则可以显著降低该阶段的能耗。假设替代情景：浮萍在灌溉塘或鱼塘中培育，因水质要求不再添加化肥，单产降至标准情景的一半，其它因素不变。
采用相同方法对替代情景进行能耗和成本清单核算（图2，图3），发现一方面分散化养殖导致成本增加，主要是更多的人力与运输开支：另一方面，尽管依然是原料生产收获(38.0%)和运输过程(28.5%)所耗用的能量最多，但绝对值已大幅低于标准情景。不考虑副产品能量回收情况下，系统全周期能效系数EER替代约为3.20，能量效率比标准情况高出34.5%。综合而言，由于浮萍还具有吸附重金属、吸收氮磷、制作鱼鸭饲料等多种用途，两种情景在不同的情况下各有优势：标准情景适合处理重金属、氮磷含量较高的有机废水，一般可以布局在污水处理厂或啤酒发酵厂附近；替代情景能够有效利用已有的灌溉塘、鱼虾养殖塘空间，发酵副产物DDGS可以制作成饲料反哺农村养殖业，适合布局在淡水养殖比较密集的区域。
表4归纳了不同生物质原料生命周期经济成本和总能源效率。
从表4中数据可以看出，浮萍能效明显高于其它淀粉和糖类原料，经济成本上略低于玉米乙醇，与木薯乙醇成本接近。与其它生物质燃料相比，不同情景下的浮萍发酵生产乙醇工艺无论在能效上还是成本上都具有优势。传统玉米、木薯、甘蔗等粮食（糖料）作物的耕作成本推高了相应乙醇燃料的生产成本；木质纤维素为原料的乙醇生产，纤维素糖化依然是目前工艺的瓶颈，预处理（即从生物质到可发酵糖的转化的过程）在整个乙醇生产中成本高达30美分／加仑。
3结论
本文在ISO DIS (IS014000)框架下，为全面评估浮萍淀粉质乙醇发酵技术的产业化，对产能规模为15万t/a的发酵项目进行全生命周期动态建模分析。Superpro Designer流程模拟模型基于严格热力学意义上的物耗、水耗、能耗，综合质能平衡计算结果可作为浮萍淀粉质乙醇产业化可行性的重要依据。项目经济性和能源利用效率核算分析表明：
①结合Superpro Designer。软件对发酵过程模拟结果，整个浮萍淀粉质乙醇发酵系统在平衡点上的产量为18.6～18.8 t/h，对应产能为14.8万t／a，总能源效率约为2.10．单位燃料乙醇产出成本为735$/t（若计人副产品价值为464.7$/t）。与大多数可再生生物能源相比，浮萍淀粉质乙醇发酵技术具有一定优势。
②设定的标准情境下，通过识别系统中对能效、成本或环境影响较大的一些阶段或工艺发现：浮萍发酵生产乙醇的主要物质消耗为水、煤炭、建材：主要能量消耗为燃油、池塘用地、化肥、电力以及人力：最终成本主要来自燃油、池塘及附属设施的基建维护、高温蒸汽以及人力成本支出；浮萍养殖池塘基建摊销是总成本最大贡献因子，占整个运营成本的22.1%；此外，原料浮萍成本贡献90%以上的原料成本来源，仅以成本价计就占到整个运营成本的16.6%．相对较高的浮萍干粉原料成本占比是浮萍燃料乙醇技术产业化应用的一大经济障碍。
③对于分散化浮萍养殖的替代性分析，发现利用鱼塘或灌溉塘能够避免浮萍养殖池塘基建支出，提高能源效率，但由于单产降低、原料运输和
人力成本的增加，项目的总成本会略微增加。总的来说，两种情景在不同的情况下各有优势：高污染、富营养污水充足情况下适合标准情景；而替代情景更适合于水产养殖密集的乡村地区。
4摘要：
文章在生命周期框架上提出满足物料、能量守恒的工艺建模和动态模拟方法，以此评价浮萍发酵生产乙醇技术的产业化应用前景。通过采集筛选高淀粉株，测定其生理特征，并结合相关乙醇发酵研究，综合估算各阶段工艺反应参数。运用superpro Designer软件对年产规模为15万t的浮萍淀粉质乙醇发酵厂进行模拟核算后表明：单位浮萍干重（淀粉含量约为35.7%）乙醇发酵产率为理论产率(146.7±10 mg/g)的63.74%，总能效系数为2.10，项目回收期为4.79a。浮萍乙醇成本上略低于玉米乙醇，与木薯乙醇接近，但与其他乙醇原料相比具有明显的能效优势
