酒精发酵是葡萄酒酿造的核心环节，发酵时会产生大量纯度较高的二氧化碳气体，只有小部分会溶于酒中，若不及时将发酵产生的二氧化碳排出，发酵罐内皮渣帽会受压不断上升，不仅不利于果皮中色素、酚类和香气等特征物质的萃取，还可能发生冒罐现象[1]，导致葡萄酒质量和产量下降。若将二氧化碳直接排出发酵罐，会导致生产车间内二氧化碳浓度不断升高。正常情况下，空气中二氧化碳含量为0.04%，当人所处环境中的二氧化碳含量迅速增加超过5%时，会出现血压升高、心悸、眩晕、呼吸不畅的症状[2]；当二氧化碳含量＞10%时会有窒息危险[3]；当二氧化碳含量为17%～20%时，在几秒钟之内造成闪急式死亡，发酵企业中工人因操作不当误入含高浓度二氧化碳的发酵设备造成死亡的原因多为此类。因此，发酵车间需要进行通风处理，降低生产车间二氧化碳浓度，保证生产安全，但排出发酵罐的二氧化碳最终大部分会进入大气，导致温室效应加剧。
气候变暖对葡萄酒生产影响较大，导致葡萄采收期延长、果实组分变化（果实含糖量、pH值、K+浓度增加，花色苷总含量降低、香气成分发生改变）以及病害增加[4]，并影响葡萄酒生产工艺和葡萄酒感官品质。同时，因葡萄采收、运输及发酵生产等过程中各种资源消耗产生的二氧化碳[5-6]也影响着气候变化，RUGANI B等[7]对全球人为温室气体排放贡献的估算显示，葡萄酒生产过程中产生的二氧化碳约占全球人为温室气体年排放量的0.3%。若将酿造过程中的二氧化碳作为一种潜在碳源[8-9]，用于回收生产食品级二氧化碳[10-11]和碳酸钠[12]等相关产品，有助于实现“碳达峰”和“碳中和”[13]双碳减排目标。葡萄酒酿造中回收的二氧化碳可用于葡萄园吊袋式二氧化碳施肥[14]、葡萄运输和葡萄酒储存过程中隔绝氧气[15]及防霉抑菌[16]、葡萄酒生产时干冰低温浸渍[17-21]、制冷降温[22]、灌装线上的饮料添加剂[23]生产葡萄汽酒等。因此，回收利用葡萄酒酿造过程中产生的二氧化碳对酒庄转化升级走绿色低碳发展道路有重要意义。
综合考虑葡萄酒酿造过程中的生产安全、节能减排和降低企业生产成本等方面，本文阐明了葡萄酒发酵过程二氧化碳的产生机理及二氧化碳回收的理论产量，简述了常用的二氧化碳测定方法，总结了二氧化碳回收方法，对照啤酒厂、白酒厂、乙醇生产厂和国外葡萄酒厂的回收利用现状，提出适合我国葡萄酒企业酒精发酵环节二氧化碳回收利用方法，以期通过二氧化碳的回收与资源化利用，减少酒精发酵过程二氧化碳的排放，为实现葡萄酒行业绿色可持续发展，提升葡萄酒生产经济效益提供思路和理论支持。
1 葡萄酒酿造过程中二氧化碳产生机理及回收量分析
酒精发酵是非常复杂的生物化学过程，利用酿酒酵母将葡萄汁中的糖分转化生成乙醇和二氧化碳[24]。酒精发酵分为两个阶段，第一阶段复合糖被转化酶分解，得到葡萄糖和果糖；第二阶段，葡萄糖和果糖经糖酵解（embden-meyerhof-parnas，EMP）途径生成丙酮酸，在丙酮酸脱氢酶的作用下脱羧形成乙醛并释放二氧化碳，最后在乙醇脱氢酶的作用下乙醛进一步发生还原反应生成乙醇[25]。酒精发酵的总反应式[26]如下：
根据酒精发酵反应式，1分子六碳糖可产生2分子乙醇和2分子二氧化碳。理论上，酒精发酵生产1 t乙醇，能产生二氧化碳0.956 t[27]。则酿造1 t酒精度为11%vol的葡萄酒产生二氧化碳0.105 t，标准状况下，折合气体体积为5.3×104 L。假设以年产2 000 t葡萄酒（酒精度11%vol）的酒厂进行二氧化碳回收产量估算，预计发酵过程中产生210 t二氧化碳，标准状况下，折合体积为1.07×108 L，酒厂若以96%[10]的二氧化碳回收率计，可回收二氧化碳201.6 t，标准状况下，气体体积为1.02×108 L。
葡萄酒酿造时，葡萄汁中的糖约47%会被转化为酒精，43%会转化为二氧化碳，约10%用来合成甘油、有机酸、高级醇和酯类等其他化合物，其中形成的香气物质（有机酸、醛类、酯类等）约占酒精生成量的1%[28]。发酵过程中，产生的二氧化碳在发酵罐中溶解达到饱和状态后从发酵罐逸出，同时会带走部分水蒸气、酒精和香气物质[29]。因此，在葡萄酒酿造过程中回收二氧化碳的同时，可以尝试回收酒精和香气物质，将其用于葡萄酒调香，提升葡萄酒的品质，降低生产损耗。
2 酿造过程中二氧化碳的测定方法
监测酿造过程中二氧化碳产量，可以判断酵母发酵活力、预测底物浓度、检测发酵进程[30-31]；监测发酵车间和出渣时发酵罐内二氧化碳浓度[32]，可以保证生产环境及出渣安全；监测发酵罐排出口二氧化碳浓度，可以选择适宜的二氧化碳回收时间，设置回收设备的运行时长，减少二氧化碳回收系统能耗。
目前常用的测定二氧化碳方法有：滴定法[33]、失重法[34]和测压法[35]、气相色谱法[36-37]、半导体法[38]、电化学法[39]和红外光谱法[40-44]等。实验室常用酸碱双指示剂滴定法测定液体中溶解的二氧化碳含量；利用碱液吸收法[45]测定液体二氧化碳纯度；利用失重法或测压法可以监测发酵过程中二氧化碳生成量。一般大气中温室气体的含量和纯净气体中的二氧化碳杂质可利用气相色谱仪测定，灵敏度高、选择性强，但价格昂贵，设备庞大不易在线瞬时监测；电化学传感器和半导体传感器价格低廉，目前二氧化碳可检测量程最高可到20%vol，但稳定性和选择性较差，其中电化学传感器还有可用于测定液体中溶解二氧化碳浓度[46-47]的类型，可以用于监测碳酸化水平控制发酵产品质量等；非色散红外二氧化碳传感器可实现高浓度二氧化碳测定，量程最高可达100%vol，样品无需处理，测定速度快，但易受光源和水蒸气干扰，需要定期校准。
由于酒精发酵产生的二氧化碳气体纯度较高，一般占全部发酵气体的95%以上[48]。生产环境下，测定酿造过程中排出二氧化碳的浓度变化需要有较大量程二氧化碳浓度测定仪。非色散红外二氧化碳测定传感器技术较为成熟，测定范围广，操作简单并且可以做到手持式在线瞬时测定，比较适于酿造生产环境使用，高畅[49]利用该类型传感器实现了酒精发酵过程二氧化碳浓度变化的监测。
3 二氧化碳的回收利用
3.1 常见的二氧化碳回收方法
目前工业上常用的二氧化碳回收方法有吸收法（化学吸收、物理吸收、物理-化学吸收）[50-53]、吸附法（变压吸附、变温吸附）[54-56]、精馏法（吸附精馏、低温精馏）[57-58]和膜分离法[59-63]等。不同二氧化碳回收方法适用范围、特点及成本（参考大型工厂）见表1。不同类型工厂的原料气纯度及成分存在差异，每吨二氧化碳回收成本约在140～780元，一般产生高纯度二氧化碳的乙醇生产、合成氨和天然气加工行业的二氧化碳回收成本明显低于其他行业，平均每吨二氧化碳回收成本能比其他行业减少约199元[56]。一般溶剂吸收法适合富集回收低浓度二氧化碳，不太适用于酒精发酵产生的高浓度二氧化碳气体回收。变压吸附法、吸附精馏法以及低温精馏法均可回收酒精发酵过程中产生的二氧化碳，回收纯度可达到食品级，其中吸附精馏法既结合了吸附法能耗低的特点，又结合了精馏法分离效率高的特点，能在生产时调节二氧化碳产品为工业级或食品级，且回收成本较低，是比较经济有效的二氧化碳回收方法。膜分离法也可回收处理高浓度二氧化碳的气体，但膜材料寿命短，需要经常更换。不同行业选择二氧化碳回收方法时需要结合原料气的纯度及成分、所需二氧化碳产品的纯度以及生产成本等方面综合考虑，可以选择单一的二氧化碳回收方法，也可以几种方法结合使用。在葡萄酒酿造过程中分类回收发酵气中的酒精、香气和二氧化碳，可将膜分离法与吸附精馏法结合使用，利用膜分离法浓缩富集酒精和香气物质，吸附精馏纯化二氧化碳，既能回收酒精和香气物质，又能生产食品级二氧化碳产品，减少酿造过程中发酵气资源浪费。
表1 不同二氧化碳回收方法比较
Table 1 Comparison of different carbon dioxide recovery methods
3.2 酿酒行业二氧化碳的回收利用
根据国家统计局数据[64]，2021年1～12月，全国酿酒行业酿酒总产量为5 406.85万kL，在酿造期间产生了大量二氧化碳。酒精发酵产生的二氧化碳气体纯度较高，回收时不需要富集，只需要在净化阶段除去含量很少的杂质（水分和挥发性有机物等），酒精发酵产生的高纯度二氧化碳是良好的食品级二氧化碳产品生产气源，市场前景广阔。若将各酿酒行业发酵产生的二氧化碳回收，不但可以节能减排，还可以增加酿酒行业经济效益。啤酒厂一般将回收的二氧化碳直接在酒厂内部使用，用作啤酒生产中饮料添加剂和隔绝氧气的惰性保护气；白酒厂和乙醇生产厂一般回收二氧化碳生产食品级二氧化碳进行销售；国外葡萄酒厂尝试回收二氧化碳生产食品级二氧化碳和碳酸钠等化工产品。
3.2.1 啤酒厂二氧化碳回收
啤酒厂采用吸附精馏法回收二氧化碳，其流程如下：
一般回收系统[65]分为预处理、压缩、吸附干燥、冷凝、精馏和储存六个工段。将啤酒发酵产生的气体经过除沫器去除夹带的泡沫通入洗涤塔洗去气体中的水溶性杂质后，进入贮气囊（平衡回收系统压力）缓冲，经二氧化碳压缩机增压后送入活性炭吸附器除去乙醇等有机杂质、然后经分子筛干燥器除去水分后到冷凝器将二氧化碳液化、最后在提纯塔提纯后进入储气罐中储存备用。啤酒厂二氧化碳回收和使用平衡问题是做好节约能源和循环经济的重要部分[66]，目前，啤酒厂不断尝试优化回收措施，使啤酒回收量与使用量相匹配。王海明等[67]通过计算发现，当二氧化碳回收率达到72.4%时才能实现啤酒厂内二氧化碳的平衡使用，实际生产中若要实现啤酒厂内回收使用平衡则需要不断优化二氧化碳回收系统。
3.2.2 白酒厂二氧化碳回收
目前我国绝大部分白酒企业仍采用传统固态发酵工艺进行生产，原料在窖池中发酵，不能做到严格意义上的封闭，发酵过程中大量白酒成分和二氧化碳会分散到空气中。研究表明，白酒厂采用中压吸附法回收酒精发酵产生的二氧化碳，将发酵产生的二氧化碳经捕集器集中后经管路送入二氧化碳处理车间，利用高锰酸钾溶液吸收氧化去除有机物杂质，然后在中压低温（1.6～2.5 MPa、-25～-12 ℃）条件下，利用活性炭填料吸收塔除去残留有机杂质和怪味，经冷干器除水后将二氧化碳冷凝，进入储气罐组后经气体分配站将二氧化碳装入钢瓶，过磅称质量，保证二氧化碳装入量，获得食品级二氧化碳产品[68-69]。白酒厂二氧化碳使用较少，回收的食品级二氧化碳可作为新产品销售，既有助于减少碳排放、保证生产环境清洁安全，又能提高企业经济效益。
3.2.3 乙醇厂二氧化碳回收
乙醇厂以淀粉质原料、糖质原料、纤维质原料为主生产乙醇。生产乙醇时采用不同的二氧化碳回收方法生产食品级二氧化碳产品。李远[70]对比高压法、低压深冷法、变压吸附法和洗涤、吸附与低温精馏组合法，选择利用吸附与低温精馏组合法纯化回收酒精发酵气中的二氧化碳，该法综合了低压深冷法与精馏法的优点，得到的液体二氧化碳浓度较高并且稳定，一些低沸点的杂质可以稳定脱除，用清水提压洗涤代替高锰酸钾洗涤工艺，还减少了高锰酸钾溶液污染，比较适用于乙醇厂发酵气生产食品级液体二氧化碳。陈剑军等[71]通过对比不同精馏组合方式的工艺流程、机物料消耗、产量和一次性投资等方面，发现以酒精发酵气为原料气的前提条件下，全精馏法优于催化氧化精馏法和吸附精馏法。在保证二氧化碳产品质量的前提下，乙醇厂可以通过对不同的、成熟的二氧化碳回收方法自由组合，降低企业二氧化碳回收成本。
3.2.4 葡萄酒厂二氧化碳的回收
相较于前三类酒厂来说，葡萄酒厂对发酵环节的二氧化碳回收利用研究较少，多集中于葡萄酒行业碳足迹[72-75]的研究。对于酒精发酵产生的二氧化碳回收，MARCHI M等[10]根据意大利锡耶纳2015年的葡萄酒产量进行了估算，回收率以96%计，预计回收二氧化碳可以使锡耶纳温室气体净排放减少7.76%。GUEDDARI-AOURIR A等[12]在西班牙年产接近1万t的葡萄酒厂利用质量分数为50%的氢氧化钠溶液回收酒精发酵产生的二氧化碳，生产高需求化工产品——碳酸钠[76-77]，二氧化碳回收率为75.9%，同时生产过程中产生的余热被应用于热酿造工艺或卫生热水。
葡萄酒厂通常难以直接进行二氧化碳回收，一方面，酿酒生产中的半开放式发酵会导致二氧化碳直接排放到大气中，不易收集；另一方面，红葡萄酒发酵过程一般不能实现完全隔氧，为了保证酵母菌的正常生长，加强提取皮渣中的酚类物质，一般在发酵期间进行开放式倒罐，影响了发酵过程中二氧化碳的收集。对此，郭志君[78]设计了二氧化碳回收再利用系统，用不锈钢管道将发酵罐与储酒罐进行连接，发酵产生的部分二氧化碳导入储酒罐中作为惰性气体对葡萄酒进行保护，剩余二氧化碳通过三通阀回收到收集袋中待用。
葡萄酒发酵过程中二氧化碳释放会导致70%以上的挥发性化合物逸散[79-80]，为减少香气物质损失，可将发酵逸散的香气物质回收并重新添加到葡萄酒中。PEREIRA M J等[81]在乙醇质量分数为10%的饱和碳酸水溶液中添加乙酸乙酯、己酸乙酯、乙酸异戊酯、4-乙基苯酚和4-乙基愈创木酚五种组分模拟红葡萄酒发酵，将发酵产生的挥发性气体在-5 ℃冷凝时，可以回收87%4-乙基愈创木酚、22%4-乙基苯酚、16%乙酸乙酯和回收率＜4%的己酸乙酯和乙酸异戊酯；在-25 ℃冷凝时4-乙基愈创木酚的保留率＞80%，己酸乙酯回收率达到75%，4-乙基苯酚的回收率为50%，乙酸异戊酯和乙酸乙酯回收率＜20%，可以控制不同的冷凝温度对香气物质进行分馏分类回收。党国芳等[82]对葡萄酒发酵气中的酒精和香气物质收集，设置-1～5 ℃的冷凝温度收集发酵气中的酒精和香气物质，将收集液通过渗透汽化膜分离富集技术浓缩，即在膜的下游采用抽真空（4 000～8 000 Pa）加冷凝（-15～-10 ℃）的方式在膜上下游形成组分的蒸气分压差将收集液中的酒精和香气物质进行浓缩，浓缩后得到酒精度65%vol，挥发性香气物质总质量浓度3 409 mg/L的浓缩液，以体积分数1.5‰的浓缩液添加量对葡萄酒调香可被明显识别，并明显提升了葡萄烈酒的果香浓郁度和优雅度。丁晓斌等[83]先在-5～-30 ℃的温度下冷凝收集了葡萄酒发酵气中的香气物质用于调酒，再通过膜分离设备进一步分离混合气体收集二氧化碳，实现了葡萄酒发酵废气的分离收集与利用。丁晓斌等[83]从发酵气中回收的香气组分有乙醇、苯乙醇、己醇、2-甲基-1丙醇和3-甲基-1-丁醇等醇类物质，乙酸乙酯和辛酸乙酯等酯类物质，与党国芳等[82]回收的香气物质类型（辛酸乙酯、1-丙醇、乙酸乙酯和2,3-丁二醇）有所差别，这可能是由于葡萄品种、酿造工艺以及冷凝温度的不同导致的。
在综合各酒厂二氧化碳回收方法的基础上，提出了葡萄酒酿造过程中香气物质、酒精和二氧化碳分类回收流程设计图，如下所示：
因酒精发酵是一个连续过程，气体生成速率不断变化，经除沫器除去可能携带的泡沫，在缓冲气囊中缓冲暂存发酵气，当气体生成量可支持处理设备连续运行后，进行回收处理。回收处理共分为两部分，第一部分是酒精和香气物质冷凝回收，通过冷凝器将发酵废气中的酒精和香气物质等冷凝到储存罐，再经膜处理浓缩收集酒精和香气物质；第二部分是二氧化碳纯化回收，未被冷凝的混合气经吸附器吸附纯化后送到二氧化碳高压储罐中。若将回收的二氧化碳在酒厂内重复使用，可在酒厂内安装简单的分配系统，将高压容器中的二氧化碳输送到不同的葡萄酒生产阶段，如葡萄运输、保藏期间及生产阶段果实机械泵送、破碎、压榨等过程的隔氧保护、抗菌防腐、灌装时充气等。回收的二氧化碳在满足酒厂内部使用后过剩的部分可以直接通入氢氧化钠溶液中生产碳酸钠产品或者在吸附处理后增加精馏等处理进一步除去微量杂质，获得纯度99.9%以上的食品级二氧化碳产品。
4 结论
回收葡萄酒酿造过程中产生的高浓度二氧化碳，不仅可以减缓温室效应，改善工厂生产环境，还可以提高原料总利用率、降低成本、实现酒庄可持续发展。虽然葡萄酒生产的季节性，葡萄酒生产工艺和生产设备的独特性会对葡萄酒企业酿造过程二氧化碳回收产生限制，但葡萄酒企业可基于酿酒行业已有的回收利用实例，基于酒庄规模和二氧化碳的利用选择适配度高、经济有效的二氧化碳回收方法，充分回收利用葡萄酒酿造产生的发酵气资源，尽可能为酒庄创造经济效益。
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