基于高压压榨技术的酒糟固液分离工艺优化与技术经济分析

梁婉

摘 要：酒糟中的有价物质如氨基酸、粗蛋白、淀粉等多存在于沉淀物中，传统稻壳分离工艺需要加水对酒糟浸水处理后再将稻壳分离出来，增加了后续处理工艺的处理量，造成了极大的能源浪费。本文提出的采用深度脱水设备对酒糟进行固液分离，工艺流程简便，能耗低，处理成本较传统工艺节省47%。未来还可通过对设备过滤系统的优化设计，进一步降低能耗和运行成本。

关键词：酒糟；固-液分离；高压压榨；资源化

Optimization of Solid-Liquid Separation Process and Technical-Economic Analysis for Distillery Waste Based on High-Pressure Squeeze Technology

Liang Wan

Abstract：The valuable substances such as amino acids, crude protein and starch in the distilled grain mostly exist in the sediment. The traditional process needs to add water to the distilled grain and then separate the rice husk, which increases the processing capacity of the subsequent treatment process and causes a great waste of energy. In this paper, the solid-liquid separation of the distilled grain by deep dewatering equipment is simple, low energy consumption and 47% less cost than the traditional process. In the future, energy consumption and operating costs can be further reduced by optimizing the design of the equipment filtration system.

Key words: Distilled grains; Solid-liquid separation; High pressure squeeze; Resource utilization

引言

酒糟，是粮谷类作物发酵蒸馏之后的副产物。根据产生来源不同，可分为酿酒行业酒糟和工业乙醇酒糟^[1]。酿酒行业多采用高粱或小麦、大麦、玉米、大米、黑麦等混合物，通过加入酒曲、糖化酶等发酵剂，经蒸煮、糖化发酵、蒸馏等工序后产生酒糟，其成分包括未能发酵完全的淀粉、蛋白质、纤维素、有机酸、氨基酸、维生素、脂肪、酒用风味物质、酚类化合物、含氮化合物、杂环类化合物等^[2]。新鲜酒糟水分含量高，酸度大，若任其排放，不及时处理就会腐败变质，严重污染环境，同时也是一种极大的资源浪费。

长期以来，酒糟主要直接用作农家饲料。随着科技进步及饲料工业总体水平的提高，鲜酒糟中的营养结构已不能满足饲养业科学喂养的需求及规模发展的需要。一些大型白酒企业为了节粮降耗，加大了科技开发力度和资金投入解决酒糟处理问题，如酒糟干燥技术、生产生物菌纤维素、谷壳分离技术、菌体蛋白生产技术等均取得了较大进展并形成了一定的生产规模^[3]-[6]。传统的稻壳分离技术是将酒糟与水混合、搅拌后与粮渣分离，进入稻壳脱水机脱水。脱水后的稻壳仍具有60%以上的水分，脱水减量化程度较低，同时由于含有大量的水分和有机质，脱水后的稻壳稳定化程度低，极易腐败，不能达到资源化目的。

本研究利用深度脱水装备研究直接将酒糟压榨脱水，该设备多用在污泥脱水中，在极细颗粒的分段挤压、固液高效分离中取得了良好的应用效果，该设备相较于传统的技术，固液分离更加彻底、工艺流程更加简便，本文即根据小试和中试的实验结果分析了该设备的在酒糟固液分离当中的适用性及经济性，并对未来应用中需要解决的关键问题提出了分析和展望。

1 固液分离工艺及设备

酒糟中的氨基酸等物质一般以小颗粒固体的形式存在于酒糟沉淀物或者部分水溶性氨基酸存在于液体中，酒糟中的稻壳类物质则主要为难降解的粗纤维。研究发现，酒糟沉淀物中的氨基酸含量与原酒糟相比提高了近一倍^[7]，淀粉含量也提高了50%以上^[8]。

在酒糟资源化利用过程中应考虑将“水+沉淀物”形成的浆液和稻壳分离开，后续从浆液中提取淀粉、蛋白质、纤维素、有机酸、氨基酸、维生素、脂肪、酒用风味物质等，稻壳类物质则可以进一步烘干处理回用至前端酿酒工艺中、制备活性炭^[9]或者焚烧减量，得到蒸汽资源等。

由于酒糟中既含有颗粒较粗大的稻壳又含有极细的沉淀物，需要将这两类物质分离开才能实现下一步的资源化利用，因此高效、低能耗的固液分离技术是酒糟实现资源化利用的关键。

图1 基于高压压榨固液分离的酒糟资源化利用路径

本次脱水中主要使用的是污泥深度脱水设备，其固液分离过程可概括如下：（1）物料在进料端摊铺整形机构的作用下，形成均匀的“过滤层”；（2）液压驱动上下压板并逐渐加压，挤压过滤层，液体在压力作用下沿着过滤层孔道流出；（3）在下滤布拦截作用下，液体及小颗粒物质透过滤布孔径流出，稻壳等粗颗粒被拦截在滤布上，在滤布内-外两侧完成固-液分离；（4）压榨完成后，泥饼物料经出料机构简单打散后输送至指定地点。

污泥深度脱水设备的高压可提供固液快速分离的动力，同时在处理过程中不用外加水，实现浆液与稻壳筛分的同时，还可实现有效物质的富集，减少后续处理工艺中的设备投入，降低处理成本，实现节能、高效的酒糟资源化利用。

2 “固-（浆）液”分离效果

酒糟是稻壳和水、细颗粒等组成的混合物，细颗粒润湿后吸附于稻壳表面，传统的固液分离设备如真空法，很难克服其吸附力、毛细力，通过提高机械压力的方法则可以增加滤饼的比阻，从而提高固液分离的效率。

由于沉淀物细颗粒是被液体冲刷从稻壳中剥离的，因此，可以以稻壳物料的含水率表征物料的“固-（浆）液分离”效果。

2.1 小试试验

尽管本设备可以对泥饼施加较高的压力，但考虑到稻壳与拟分离的浆液本身粒径差距较大，因此只需要实现过滤作用即可，在恒压过滤系统中，一般20min内即从过滤向压密过渡^[10]。

恒压过滤基本方程（Ruth方程）可表述为：

式中：t为过滤时间，V为累计滤液体积，μ为滤液粘度，α为滤饼比阻（反映滤饼的可压缩性），ρ为滤液密度，s为悬浮液中固相颗粒的质量分数，A为有效过滤面积，ΔP为过滤压差，R_m为过滤介质（滤布）的阻力。

该方程描述了恒压条件下过滤时间与滤液量之间的定量关系。方程右侧第一项代表滤饼阻力引起的过滤时间，其与滤液体积的平方成正比；第二项代表过滤介质阻力引起的过滤时间，与滤液体积成正比。滤饼比阻 α是关键参数，其值大小取决于物料性质（如颗粒尺寸、可压缩性）及操作压力。对于酒糟这类由稻壳与细颗粒组成的非均质物料，在压榨初期，细颗粒随液体透过滤布，形成初始滤饼，此时滤饼阻力较小。随着压榨进行，细颗粒在滤布表面不断沉积，滤饼增厚且可能被压实，导致比阻 α增大，过滤速率下降。本研究中小试试验观察到的“进料厚度增加导致分离效果变化”以及“避免进入压密阶段”的现象，均可通过该方程中滤饼比阻与过滤面积、压差等变量的关系进行定性解释。该理论框架为分析高压压榨分离酒糟的工艺参数优化提供了依据。

为避免压密阶段的能耗浪费，试验选取常规压榨压力20MPa，压榨时间15min，比较了进料厚度为2、4、6、8、10cm时的“固-（浆）液分离”效果，如图2所示。由试验结果可以看出，随着进料厚度的增加，酒糟脱水效果先增强后减弱，即脱水后酒糟含水率先随着进料厚度的增加而降低，进料厚度8cm时可得到最佳脱水效果。进料厚度达到10cm时，脱水酒糟的含水率增加，即固液分离效果变差。由恒压过滤基本方程可知，滤饼比阻越大，固液分离效果越差，当进料厚度达到10cm时，大量的携带细颗粒的浆液被滤布截留，形成了压密层，影响了“固-液（浆）分离”效果，如图3所示。

图2 进料厚度对酒糟物料的固-液分离效果的影响

图3 酒糟压榨固-液分离示意图

进料厚度增加，细颗粒+水分形成的浆液总量增加，随着压榨的进行，细颗粒逐渐被截留，形成了压实层，过滤阻力增加，系统能耗增加。由于污泥颗粒细小的特性，深度脱水设备过滤系统采用了特殊的滤材，可以有效的截留小颗粒物质，在放大试验中，选用了该滤材对酒糟进行了固液分离效果评估。

2.2 中试放大

小试实验的结果表明，8cm物料层既能保证足够的过滤面积，又避免了过厚时细颗粒过早堵塞滤布孔隙形成致密层，从而维持了较好的渗透性。

由于干燥稻壳具有相当可观的热值，本分析中采用了压榨前后水分、热值的变化来综合评估酒糟中稻壳和小分子浆液的分离效果。水分越低、热值越高说明稻壳的分离程度越高。

随后进行了中试放大试验，在优化参数下，酒糟经压榨后含水率从60%降至40%以下，低位热值显著提升，表明稻壳的燃料特性得到改善。同时，分离出的浆液中有价物质得到富集，为后续提取创造了有利条件。试验证实了该设备用于酒糟固液分离的可行性。单批次处理量大约为725kg压榨前后酒糟的水分、热值如表1所示。

表1 酒糟压榨前后的水分、热值统计

名称	水分（%）	高位热值（cal/g）	低位热值（cal/g）
酒糟-压榨前	60.29	4327	1387
酒糟-压榨后	38.01	4109	2066

从挤压脱水的情况来看，由于高压压榨对稻壳表面水膜的剥离作用，脱水后酒糟含水率可下降至40%以下，低位热值可提升至2000 cal/g以上。固-液分离后稻壳的脱水干燥成本大大下降，极大地方便了稻壳的进一步处置。

3 技术经济分析

为综合评价新工艺的经济性，本文构建了物料平衡模型并进行了成本测算。传统工艺需额外补水以分离稻壳，导致后续稻壳烘干与浆液处理负荷大。相比之下，高压压榨工艺无需外加水，直接从源头减少了处理量。

经试验检测，酒糟的堆积密度为0.42t/m³，采用传统的洗脱工艺时，需要的水量至少要浸没酒糟，因此其需水量为0.58t水/t酒糟。按照如图4所示的路线比较传统酒糟分离工艺和深度脱水设备“固-液（浆）分离”的能耗、水耗等情况。

图4 传统稻壳分离和深度脱水设备固液分离路线的物料平衡线路图

按照传统工艺，需要补充水以帮助稻壳和沉淀物细颗粒进行分离，简单筛分后的稻壳含水率仍然较高，甚至有可能高于原酒糟的含水率。本次测算中，按照筛分前后稻壳含水率不变，离心后的上清液循环回用至前端浸水工艺中，运行过程中只需要补充少量水。基于工业企业典型水电价格及设备运行参数进行估算，传统工艺处理每吨酒糟的综合成本约为182元，而高压压榨工艺的成本约为96元，成本降低约47%。此外，新工艺因免去了浸水步骤，大幅减少了新鲜水消耗与后续高含水率稻壳的烘干能耗，具有显著的节能与减排潜力。技术经济分析表明，该工艺在降低处理成本的同时，也符合清洁生产与资源节约的理念。

表2 传统稻壳分离与深度脱水设备固液分离技术经济对比

名称	传统工艺		深度脱水设备固液分离技术
浸水	需要，后续少量补水	0.5-2.4元/t酒糟	不需要
过筛	需要	/	不需要
溶液离心或沉降	需要	0.72元/t 酒糟	需要	0.48元/t 酒糟
稻壳烘干	需要	180元/t酒糟	需要	68.4元/t酒糟
机械压榨脱水	不需要	/	需要	27元/t酒糟
合计成本		~182元/t酒糟		~96元/t 酒糟

备注：根据工业企业用电、用水成本均值，1）按照水价4元/t，电价1元/度；2）稻壳烘干采用热泵技术，一般是0.3kWh/kg水；3）深度脱水设备总功率78kw，按照进料厚度8cm，每小时挤压4次计算。

4 结论与建议

本文针对酒糟传统分离工艺耗水高、能耗大的问题，探索了高压压榨技术用于酒糟固液分离的可行性，通过试验研究了其分离效果并进行了技术经济分析。

主要结论如下：1）高压压榨技术能够在不外加水的条件下，有效实现酒糟中稻壳与浆液的分离，同时使浆液中的有价物质得到一定富集；2）通过工艺参数优化，可获得较好的分离效果，使稻壳含水率明显降低，有利于其后续资源化利用；3）与传统稻壳分离工艺相比，该技术因免去了浸水步骤，显著降低了新鲜水消耗以及后续稻壳烘干与浆液处理的能耗，处理成本有较大幅度下降。

基于以上研究，提出以下建议：1）后续可针对不同原料来源、不同季节的酒糟特性，进一步研究并优化压榨压力、保压时间等关键操作参数；2）为提升处理效率与降低运行能耗，未来研究的重点可放在设备过滤系统的优化上，例如改进滤布材质或结构；3）建议开展更长时间的连续运行试验，考察设备在处理酒糟时的运行稳定性、维护周期及对分离效果的长效性，为实际工程应用积累数据。

参考文献

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