甜高梁秸秆固态发酵生产燃料乙醇的工艺研究

2008No.144· Serial No.178China BrewingResearch Report甜高粱秸秆固态发酵生产燃料乙醇的工艺研究董永胜,刘同军(山东轻工业学院食品与生物工程学院,山东济南250353)摘要:利用选育的酎酸耐高温酵母Q-10,采用甜高粱秸秆固态发酵生产燃料乙醇。当接种量为5%发酵温度34℃、发酵起始pH40糖化酶和纤维素酶用量分别为0Ug原料和20U/g原料发酵周期4d时,乙醇产量达到65%v),小试试验乙醇产量达到64%WV),工业试验乙醇产量达到60%(vV)关键词:甜高粱秸秆:圉态发酵:燃料乙醇中图分类号:TS2622文献标识码:A文章编号:02545071(200801-00403Study on fuel ethanol production by solid-state fermentation of sorgo strawDONG Yongsheng, LIU Tongjun(Shandong Institute of Light Industry, Jinan 250353, China)Abstract: In this paper, an acid-resistant and high-temperature resistant yeast strain was used to solid-state fermentation (SSF)for fuel ethanol byusing sorgo straws as material. The optimal SSF conditions by using sorgo straw powder were 4.0 of initial pH, 34C of fermentation temperature, 5%of yeast application amount, 4 d of fermentation period, dosage of saccharification power was 50u per gram raw material and dosage of cellulase was20 U per gram raw material. on these conditions, ethanol concentration in medium reached 6. 5%. In small-scale production, ethanol concentrationreached 6.4% and in industrial production, ethanol concentration reached 6.0%Key words: sorgo straw: solid-state fermentation: fuel ethanol甜高粱是近年来一种新兴的糖料作物、饲料作物和能率;蒸馏后的酒糟中含有纤维素脂肪、蛋白质、氨基酸等源作物。甜高粱的适应性较高,一般在比较贫瘠的土地上物质,可作动物饲料,彻底解决乙醇发酵过程中的污染问都有较高的产量每公顷产鲜茎秆6090,比玉米高出05~题做到乙醇工业的清洁生产网。1.0倍,其茎秆中含汁量为60%-80%,汁液的糖度为10%~1材料与方法209%,汁液中溶有蔗糖、葡萄糖、果糖等糖份,还有淀粉、1.试验材料果胶、有机酸、树胶等非糖分以及细碎的残渣、腊质物、色1.1.1原料素等。甜高粱作为能源作物是在世界能源紧缺,尤其是甜高粱秸秆的水分含量为658%;总糖含量为122%石油资源面临枯竭的形势下提出的。甜高粱茎秆中含有1.1.2菌株的糖分,可以通过酵母发酵成酒精,再经蒸馏得到无水乙Q-10酵母菌:山东轻工业学院菌种保藏中心选育。醇,即可混合到汽油中成为汽车燃料,是一种非常理想的1.1.3固态发酵培养基再生和代粮能源作物。甜高粲秸秆粉100%,QNH)SO0.5%酵母膏0.2%,美国、巴西等国都开展了培育和种植甜高粱及其生产蛋白胨05%,均匀混合在005MPa下灭菌30min。降温燃料乙醇方面的研究与开发。我国也开始了以甜高粱秸至34℃备用。秆为原料生产燃料乙醇的技术研究和中试引。12测定方法目前甜高粱秸秆生产燃料乙醇的研究集中于液态发酒精度测定:蒸馏法酵法,而固态发酵生产乙醇的可行性研究和报道极少。甜总糖、还原糖测定:蓝·爱农法糖度计法。高粱秸秆液态生产乙醇的方法主要是将高粱秸秆压汁后,酸度测定:酸碱滴定法、精密pH试纸。用汁液直接进行液体发酵生产乙醇此法每公顷可产乙醇1,3试验方法375t6。液态发酵法的废液治理难度较大因受收获季131甜高粱秸秆固态发酵节的影响,压榨的汁液贮存成本高,从而可能导致生产难将斜面活化的Q-10酵母菌接种到麦芽汁培养液中,以连续;且秸秆利用不充分圆。若采用固态发酵发酵生产32℃培养16h后,接入到005MPa灭菌30min后降温的固受收获季节的影响就较小,进行大规模的生产就可能成态发酵培养基中进行发酵。分別确定固态发酵的酵母菌功。在固态发酵中,甜高粱秸秆经过粉碎可直接发酵,其用在发酵过程中既作原料,又作填充剂;并可在纤维素酶的维中国煤化立值、糖化酶用量和纤作用下,将纤维素可降解为葡萄糖,从而提高原料的利用1.3CNMHG收稿日期:2007-1015作者简介:董永胜964),男山东临胸人,副教授,研究方向为现代酿酒技术中国酿造2008年第1期研究报告总第178期·45·根据单因素实验结果以发酵时间(A)发酵温度(B)、23发酵时间对乙醇产量的影响(见图2)初始pH值(C)、酵母接种量(D)为乙醇产率的影响因子测定对乙醇发酵的影响采用L43)正交试验因素水平设计见表1,试验结果见表5。表1优化甜高梁秸秆固态发酵条件L3正交试验因素水平的设计Table 1. Factors and levels of ortnal test水平发酵时间发酵温度初始值酵母接种敏%0245酵时间/d图2发酵时间对乙醇产量的影响1.3.3甜高粱秸秆固态发酵生产试验Figure 2. Effects of fermentation time on ethanol yield按优化实验得出的工艺条件,在固态培养基中加入在32℃下培养16h的Q10酵母菌液以及糖化酶和纤维素由图2可知发酵的前3d乙醇的产量增长较快,发酵酶以乙酸调pH值为40,在34℃发酵时间4d。测定酒醅的第4d乙醇浓度达到最高值55%在其后的4d6d内乙醇产量没有增长,酵母的发酵基本上停止。因为高粱秸秆中乙醇的含量。中含有双糖和单糖,酵母不需经过糖化就可直接把糖分解2结果与讨论为乙醇但在固态发酵中,酵母可利用的糖包含于高粱秸2.1酵母菌接种量的确定表2Q10酵母接种量对高粱秸秆粉发酵的影秆组织间酵母的利用需要一定的传质过程并不如液态Table 2. Effects of yeast Q-10 inoculum on ethanol yield发酵过程那样迅速猛烈但也比淀粉质固态发酵速度快。接种量%乙醇产率%v)残余还原糖%24初始pH值对乙醇产量的影响(见图3)由表2表明随着Q-10酵母菌添加量的增加,乙醇产量也增加,但不很明显,为了抑制杂菌生长、提高发酵速度,试验中选取酵母添加量为5%22发酵温度对乙醇产量的影响(见图1)2.533.54455pH值图3pH值对乙醇产量的影令>8咖如55Figure 3. Effects of pH on ethanol yield由图3可知,当培养基的初始pH值<30时,酵母的乙醇发酵能力受到明显的抑制:当pH值为30时,乙醇产量就达到较高值约为最高值的909%;当p值为40时乙醇产量达到最高值,此后随pH值上升到5.0,乙醇的产发酵温度C量变化不大,说明Q-10酵母菌具有一定的耐酸性及适应图1发酵温度对乙醇产量的影响弱酸的环境其适宜的发酵pH值为40-50Figure 1. Effects of fermentation temperature on ethanol yield25糖化酶用量的确定由图1可知,利用耐高温Q-10酵母菌进行甜高粱秸表3糖化酶用量对乙醇产量的影响秆固态发酵时,在3℃~38℃产乙醇的量基本上是相同的Table 3. Effects of glucoamylase concentration on ethanol yield因为Q-10酵母菌是经过高温驯化而选育出来的,其在dh中国煤化工加量(U·g原料)38℃的高温下也能进行正常的乙醇发酵;低于30°℃时酵母的活性略低其生长繁殖较缓慢,形成乙醇的速度也较缓CNMHG 6.26.26.2慢。而当温度高于38℃时,酵母的衰老加快,发酵能力降由表3可以看出,甜高粱秸秆中含有的淀粉对乙醇产低,导致了乙醇产量的减少。量的影响。发酵结束时,乙醇产量最大增加了0.7%,增加·46· Serial No.178China BrewingResearch Report率为12.7%,由此确定糖化酶的用量为50U/g原料28甜高梁秸秆固态发酵生产乙醇的小试结果2.6纤维素酶用量的确定在密封及保温良好的发酵缸内(φ300cmx300cm,20L表4纤维素酶添加量对乙醇产量的影响进行固态乙醇发酵(环境温度22℃)。配料:甜高粱秸秆Table 4. Effects of cellulase concentration on ethanol yield纤维素酶量(U·g原料)粉10kg,005MPa蒸煮30min,降温到34℃,加已活化的1020304050Q-10酵母菌培养液500mL、糖化酶液200mL和纤维素酶醉产量%(w)55-5758585858液260mL。调pH值为40,入缸发酵4d。测得发酵酒醅中由表4可知,随着纤维素酶量的增加,乙醇产率也随的各项指标(表6)。计算可得甜高粱秸秆中的糖类的利用之增加,但增加幅度并不很大,当纤维素酶添加量为20U/g率为87.8%原料时,乙醇产量不再增加,此时乙醇产量增加了03%表6甜高梁秸秆粉的固态发酵结果提高了55%由此可估算出纤维素的水解率不足10%由于固态基质中纤维素结构的难分解性和在固态发酵中酶T6mp分乙醇含量%(wv)酸度%残还原糖%残总糖%11020活性降低(纤维素酶的最适温度为50℃左右,而固态基质的发酵温度却低于40℃),以及纤维素酶糖化过程中的生29甜高采秸秆国态发酵生产乙醇的工厂试验成物纤维二糖和葡萄糖的抑制作用,导致了用纤维素酶糖甜高粱秸秆固态发酵生产乙醇的工艺参数为每池原化纤维素时的速度缓慢以及水解率低,故乙醇产量的增加料量360g左右、蒸煮时间30mim酵母菌用量160L糖并不十分明显化酶乳液64L、纤维素酶乳液85L、入池糖度13Bx左右、27固态发酵工艺条件优化结果入池水分70%左右、调入池酸度为05入池温度20℃、发酵甜高粱秸秆固态发酵正交试验L(3)的结果及分周期4d.其工艺流程析见表5。酵母和酶液表5Q-10酵母菌株固态发酵条件L(3)正交试验的结果与分析甜高粱秸秆→粉碎→蒸煮杀菌→降温混合→发酵→蒸洒→粗酒精→Table 5. L,(3) orthogonal test and analysis for solid-state精馏→洒精试验号ABCD乙醇产量%(v/)表7固态发酵乙醇的工厂试验结果Table 7. Industrial solid-state fermentation for ethanol production2乙醇含量%(vV)出池酸度%出池水分%残还原糖量%2由表7可以看出:由于鲜高粱秸秆含水分较高,发酵结束时酒醅的水分高达75%左右,对可发酵糖的利用有一定的促进作用酸度在发酵结束时也有较大的升幅这14513.7140146对提高乙醇的产量有一定的负面作用。K215.1151152147发酵酒醅中乙醇浓度平均为60%,比实验室小试的K314615415014964%低04%,即乙醇产量下降了67%。说明同实验室的实k25033503350674900验条件相比,工厂化的生产由于不采用高温蒸煮过程、原k48675.13350004967料降温未用无菌空气而难以做到无菌状态以及起始温度0.200056604000.100较低都引起产酸细菌繁殖而导致发酵基质中的酸度升幅由表5比较极差R的大小可知发酵温度对乙醇产量大,消耗了部分的糖分而影响了乙醇的产量:同时在发酵后期酒醅的酸度较高,且含有一定数量的低分子脂肪的影响最大其次为初始pH值其他因素影响较小。大规酸,它们对酵母的发酵形成一定的抑制作用使乙醇产量模生产则应采取以较低起始温度的方法控制发酵温度。降低。据试验结果可计算出甜高粱秸秆中糖类的利用率甜高粱秸秆粉固态发酵生产乙醇的最佳工艺条件为发酵为825温度3℃,起始pH值为40,发酵时间4dQ-10酵母菌接3结中国煤化工种量为5%CNMHG的工艺条件为发酵温按优化试验的条件在固态发酵培养基中加入糖化酶度34,起始pH值为40,发酵时间4,Q-10酵母接种量5Ug原料和纤维素酶20Uυ/g原料,在发酵时间4d时,乙为5%。试验说明甜高粱秸秆固态发酵生产燃料乙醇在工醇产量达到65%(v)(下转第71页)经验交流中国酿造2008年第1期总第178期71采用快速发酵法使蛋白质等大分子进行快速分解。际生产中该样本的淋油状况及酱油产量。即发酵样本滤过分解完全结束后滤出一些酱汁将快速发酵的酱醪300mL,速度快、滤出体积较大的酱油产量更高。用中速滤纸在同比条件下过滤,孙后测量滤过体积,并3.3菌种香型的对比分析计算滤出氨基酸态氮含量,结果见表5。由表3可知So2大曲的香型中除曲香外,兼有淡淡的表5不同比例混合发酵过滤试验结果麦香、甜香及鸟苷酸味,没有参照菌沪酿3042的浊味,风Table 5. Results of filter tests for double-strain fermentation味愉悦;Ni2"大曲的香型一般,但其不良气味很弱,具有浓inoculated at different mixture ratio郁的鮮蘑菇味。二者以适当的比例进行混合发酵,可以掩盖试验号滤过体积mL滤出氦基酸态氮量/g恶味,并相互调和,其氨基酸的生成率以及酱油的香气类0.926型都好于沪酿3042参照菌,有利于提升酱油制品的风味。754055500034混合发酵结果分析0.742由表4和表5可知,So2和Ni2菌种混合比例为0.83682时,发酵样本的滤过体积滤出氨基酸态氮都可以达11241246到较高水平。说明2株菌种的促淋作用、双曲混合发酵互补作用,分解作用等各项指标达到最高水平4结果062541原料配比中确立榛子蛋白粕与麸皮的比例为7:3,配3结果与分析方中可用10%的淀粉代替部分麸皮3.1原料配比的确定42综合试验结果确定So2"、Ni》"菌株混合比例为8:2共采用3种原料配比、选用固态发酵法进行试验,由表同发酵生产的榛子蛋白粕酱油风味最佳。1可知,采用榛子蛋白粕与麸皮比例为7:3生产的酱油氨基酸含量较高。在固态发酵过程中,醅料有一定的通透性,参考文献:有利于发酵的顺利进行如果蛋白质原料过高麸皮量]李秀霞,翟登零,张海洋榛子的繁殖技术中国野生植物资源,少,影响通透性,导致醅温过高,影响酶的活性,容易使氨2000(4):51-52基酸发生羟氨反应,造成氨基酸的损失。[2]邵则夏,陆斌,黄汝昌等.榛子的开发利用门中国野生植物资源,1997(1):13-15.32菌种的优选[3]刘景圣,郑鸿雁,袁嫒,等.超临界CO2萃取榛子油工艺条件的研究由表2和表3可知,So2“和N2菌种效果比较明显[食品科学2003(8):96-98其制品氨基酸态氮含量高、发酵样本滤过体积较大。相同1孟额华护酸302米曲霉的纯化复牡中国调味品,2017:18投料量的发酵样本,滤出全氮、氨基酸态氮越高,其蛋白5]林祖申红曲的生产方法及其在调味品生产中的应用中国酸造质原料利用率越高。发酵样本的滤过试验可间接反映实005(10):l5-17(上接第46页)艺上是可行的,其生产工艺同普通白酒相同,白酒厂可在Brazil[C] World Fuel Ethanol Congress, 2001: 56.不改变生产条件的情况下利用原有的生产设备即可生产;阿4王艳秋,等甜高粱的用途及其发展前景[杂粮作物,2004,24同时蒸馏后的酒糟中含有纤维素、脂肪、蛋白质、氨基酸等(1):55-56物质,可加工生产动物饲料,也可再添加部分营养物质进康志河,等发展甜高梁生产,开创能源农业新时代门中国农学通报,行培养以获得高蛋白饲料,以解决燃料乙醇生产的污染问2005,21(1):340342.题,做到乙醇的清洁生产[6邹剑秋等新型绿色可再生能源作物一甜高粱及其育种策略门杂粮作物,2003(3):134-135参考文献门耿曙光荆忠胜张兴华影响酒精酵母产生乙醉耐性的因素门中国[黎大爵甜尚粱可甜高粱持续农业生态系统研究[中国农业科学,酸造,2004,138(9):8-10.2002,35(8):1021-10248]苏中国煤化工操作参数对秸杆固态发酵2]白志礼.农业科技与西部农业可持续发展战略[中国农业科技CNMH导报,2000,2(4):23-28订步研究[酸酒,2002,29I CORR L C Status of large scale production and use of fuel ethanol in[1o]天津轻工业学院等工业发酵分析M中国轻工业出版社,20:161