木薯乙醇浓醪发酵工艺进展

综述专论化工科技,2014,22(2):70~73Science & TECHNOLOGY IN CHEMICAL INDUSTRY木薯乙醇浓醪发酵工艺进展刘海军,张钧,王继艳',马中义1,徐友海',肖天雄3,王龙辉1,胡世洋1,岳军',惠继星1(1.中国石油吉林石化公司研究院,吉林吉林132021;2.中国石油吉林石化公司仓储中心,吉林吉林132021;3.天津大学化工学院,天津300072)摘要:木薯是我国现阶段可以大规模工业利用、经济上可行的非粮燃料乙醇生产原料,具有广阔的发展前景。作者从木薯原料的除砂、优良酿酒酵母的选育、降低物料粘度、优化发酵工艺条件等关键性因素着手,介绍了木薯乙醇浓醪发酵的技术现状、发展趋势及存在的问题。关键词:木薯;乙醇;浓醪发酵中图分类号:S216.2文献标识码:A文章编号:1008-0511(2014)020070-04木薯是热带作物,与马铃薯和红薯并称为世技术的重要进展,不仅可以节约拌料水、降低蒸汽界三大薯类作物。木薯根为块状,呈柱形或纺锤能耗、提高设备利用率,还可以降低废醪液处理形,块根表面是一层棕色或淡黄色的表皮,块根质量,从而降低生产成本,目前已经成为国内外乙醇地松脆,淀粉较纯,不仅可以作为食物及动物饲行业的研究热点1。料,还广泛应用于工业中作为原料使用。木薯光合作用能力强、耐干旱、耐酸性土壤,适宜在贫瘠2木薯乙醇浓醪发酵工艺难点的土地种植,被誉为“淀粉之王”,鲜木薯块根中淀木薯乙醇浓醪发酵具有较高的初始糖浓度和粉质量分数为30%~35%,木薯干(2.5~2.8t鲜乙醇浓度,会对酵母产生抑制作用,同时木薯乙醇木薯可晒制1t木薯于)中淀粉质量分数可达原料中泥沙等杂质含量高,醪液粘度大物料输送72%~77%,以木薯为原料生产乙醇比玉米、小困难,不利于连续性生产。因此,与其它淀粉质原麦、甘蔗等更经济,是一种具有很大发展潜力的粮料相比,实现木薯乙醇浓醪发酵的技术难点更多。食替代资源。近年来随着人们对木薯原料生产影响木薯浓醪发酵的因素是多方面的,目前国内乙醇的重视,国内外学者都纷纷致力于木薯乙醇外一些科研机构及乙醇生产企业从木薯原料的除工艺的研究木薯乙醇浓醪发酵技术也成为研究砂、优良酿酒酵母的选育、降低物料粘度、优化培热点。养基成分、温度、pH等发酵关键性因素等方面着1木薯乙醇浓醪发酵工艺特点手,以改进木薯乙醇浓醪发酵的生产工艺2.1除砂传统木薯乙醇生产工艺是高能耗、高水耗的木薯在收获和干燥过程中,经常会掺夹泥土、过程。为了有效降低能耗和水耗,提高发酵罐的沙石、粗纤维金属等杂质,为了将木薯原料(木薯生产能力,可以通过浓醪发酵提高发酵醪中乙醇干和鲜木薯)中的淀粉充分释放出来,提高转化浓度来实现,即采用高浓度(固形物质量浓度>率,以保证木薯乙醇生产过程的正常进行及提高270g/L)的醪液进行发酵浓醪发酵是乙醇生产生产效益,这些杂质必须要在生产前清除,否则将严重影响生产的正常进行,如石块和金属杂质会*基金项目:中国石油科技管理部基金项目(2011A造成粉碎机筛板的磨损或损坏,导致生产中断;泥作者简介:刘海军(1967-),男,吉林公司研究院高级工程刂国石油林沙会加速机械设备运转部位的磨损以及影响正常主要研究方向为微生物菌种诱变与筛选、生物催化与转化,现从事燃料乙醇領的发酵过程中国煤化工常先进行筛收稿日期:2013-12-15选,再进行磁CNMH去除原料中第2期刘海军,等.木薯乙醇浓醪发酵工艺进展·71的较大杂质和泥沙;磁选是利用永磁马蹄铁除去液粘度。 Jones等研究了浓醪发酵过程中蛋白原料中的铁屑、铁钉、螺母等磁性杂质。生产中,酶对粘度的影响纤维素酶或β葡聚糖酶用于水需要定期对原料除砂设备进行清理,防止杂质积解β葡聚糖,可大大降低醪液粘度,由2460BU聚过多,影响除杂效果。可降至420BU。2.2降低醪液粘度2.3选育优良酿酒酵母菌种木薯浓醪发酵随着粉浆固形物浓度的提高由于木薯乙醇浓醪发酵过程中的底物糖浓度醪液的粘度迅速增加,物料流动性变差给醪液的和产物乙醇浓度高,使得发酵体系中具有较高的搅拌、输送、加热与冷却带来了很大困难,因此,降渗透压,易对酿酒酵母产生毒害作用,使得木薯低高浓度物料的粘度是实现木薯浓醪发酵的关键乙醇浓醪发酵对酵母菌株的要求极为苛刻因此,一步,其中料水比、原料颗粒度和液化酶用量是影选育生产能力强、耐高渗透压副产物少的优良酵响料液粘度的重要因素。(1)随着料水比的增加,母菌种是实现木薯乙醇浓醪发酵的关键。在调浆和加热糊化过程中高含量的淀粉吸水越木薯乙醇浓醪发酵过程中高的乙醇浓度会对多,物料的流动性越差,粘度越大。隋祎等考察酵母菌株产生毒性,影响其生长、发育和生产能了料水比对木薯乙醇浓醪发酵的醪液粘度的影力,因此提高酵母对乙醇的耐受性是十分必要的。响,结果表明,在糊化过程中料水质量比为2.35,易弋等通过筛选得到两株最佳乙醇耐受型酿酒比2.87时的醪液粘度明显增加。(2)木薯原料淀酵母菌株,其乙醇耐受能力远远高于出发菌株,均粉颗粒越小,淀粉吸水的膨胀能力越强,有利于彻可在v(乙醇)=9%的培养基中生长,是一株非常底糊化,但同时增加了醪液的粘度,且增加了原料有潜力的应用于浓醪发酵的酵母菌株。利用固定的粉碎能耗,因此并非木薯原料的颗粒越小越好,化酵母进行木薯乙醇浓醪发酵是当代的一种高新当粉碎粒度达到2.4×103cm时,颗粒度对粘度技术,可大大增加反应速度,提高生产能力,具有的影响不再明显。目前有些企业采用木薯原料粗较高的工业应用价值。伍彦华等0对固定化酵细相结合的方式,以提高醪液流动性3。(3)液化母进行选育,得到4株浓醪发酵生产乙醇的酵母酶的用量直接影响醪液的粘度。陆婷婷等对木菌株,以木薯为原料,考察其浓醪发酵性能。结果薯浓醪发酵的粘度进行了研究,实验结果表明,液表明,其中自絮凝酵母FY具有较高的耐渗透化酶的用量为10U/g(一个AGU单位是指在25压、产乙醇能力,且糖转化率高、残糖低、甘油产量℃、pH=4.3、反应时间30min条件下,每分钟水少,最终α乙醇)=15.7%。木薯乙醇浓醪发酵解1微克分子麦芽糖所需的酶量)木薯粉时,醪液时,温度是影响酵母生产能力的敏感因素,低温时具有较好的流动性。伍时华等对液化条件进行酵母的产酒率随温度的升高而增加但当温度过优化,确定了最佳液化酶加入量为10U/g木薯高时,酵母的产酒率下降,因此可以通过筛选耐高粉,液化温度和时间分别为105℃和2h,此条件温酵母提高酵母生产能力,陆雁等筛选到一株下醪液粘度低,木薯淀粉液化效果充分。隋祎产酒率高、温度耐受性好的耐髙温酵母,并对高温等2对糊化过程中不同加酶量下醪液粘度的变化浓醪发酵工艺进行了研究,得到的最佳生产工艺条进行了研究,表明当温度较高时(85、90、95℃),件为料水质量比为1:2,液化糖化后冷却至37℃,在同一温度下,高温淀粉酶用量(8~14U/g)越pH=4.0,接种量为5%,发酵64h后,最高低,醪液粘度越低。另外,为了改善醪液流动性,g(乙醇)=15.54%,v(残总糖)=2.73容元平等采用预处理过的糖蜜水解液对木薯粉2.4优化发酵工艺条件调浆进行浓醪发酵醪液流速增大约50%,最终通过优化木薯浓醪发酵过程中的关键工艺条发酵液成熟醪液中乙醇体积分数为15.5%,实现件,可以显著提高酵母的活性和生产能力,也是实了较好的浓醪发酵效果。现木薯浓醪发酵的重要手段。培养基中营养物质为了避免醪液粘度越来越大,在糖化前对糖的添加量在浓醪发酵过程中起着至关重要的作化酶进行预处理有助于高固含物的糊化及增加液用。申乃坤等对木薯浓醪发酵生产乙醇的培固比(。纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶和阿拉养条件和培养中国煤化工筛选,得到伯糖酶等细胞壁降解酶及果胶降解酶可以降低醪了影响木薯浓CNMHG,分别为糖化工科技第22卷化酶用量、肌醇浓度和料水比,并优化得到的最佳法均有良好的经济性及可持续发展性。Bai等工艺条件为糖化酶用量为92.4U/g淀粉,肌醇的研究了由连续搅拌反应器和3个串联管式反应器添加量为0.065%,料水质量比为1:2.97,发酵组成的发酵系统,结果表明该系统应用于浓醪发48h后,g(乙醇)=15.02%,经优化后,g(乙醇)酵可达到较好效果。提高了25%。易弋等优化了木薯浓醪发酵的Bao yingling等1使用统计方法学优化了液化工艺条件,确定的最佳液化条件为料水质量木薯浓醪同步糖化发酵过程中的水解和发酵条比为1:2.3,液化酶用量为10U/g,液化温度和件,其中质量浓度颗粒度、初始pH和发酵温度时间分别为105℃和2h,达到较好液化效果最是影响发酵效果的重要因素通过优化在质量分终g(乙醇)=16.9%。可同化氮素在发酵过程中数为40%颗粒度为3.9×10-2pm、初始pH为起着重要作用,是培养基中的重要营养成分,添加5.5及发酵温度为27℃条件下,最终w(乙醇)从游离氨基氮不仅可以提高发酵液中乙醇的最终浓8.21%增加至15.03%,与模型预测值相吻合度,还增加菌体数量。 Fan Qiang Wang等1对培养基中Mg2+、甘氨酸酵母膏、生物素、乙醛和3结束语蛋白胨含量进行了优化,使用非线性步进式回归木薯浓醪发酵是一种具有巨大应用价值的乙分析建立了一个预测性数学模型其中Mg2和醇发酵技术,对提高效益、节约能源有积极的促进蛋白胨的浓度是关键影响因素,培养基中50作用。目前,木薯浓醪发酵技术有了一定的研究mmol mg2+和质量分数为1.5%的蛋白胨可使发进展,但仍存在很多技术障碍限制木薯浓醪发酵酵48h后最终φ(乙醇)从14.2%增加至17%。的因素是多方面的除了木薯原料的除杂、高浓度Petra bafrncova等在浓醪乙醇发酵培养基中物料的输送、耐高糖、高酒分优良酵母菌种的选育添加了过量的可同化氮素使得φ(乙醇)最终提等困难,还有木薯浓醪发酵产生的发酵废醪如何高了17%缩短发酵时间至28h,乙醇产率提高分离,高浓度有机废水如何处理等问题同样是今了50%以上。后面临的技术挑战。因此木薯乙醇浓醪发酵工艺木薯浓醪发酵时,酿酒酵母对温度的变化较的研究需要更多的科学研究投入和支持,以便为为敏感,当处于低温状态时,酿酒酵母的发酵能力未来的规模化生产提供成熟的技术支撑。与温度的变化成正比,当温度较高时,酿酒酵母呈[参考文献现钝化状态,乙醇的生成速率减慢。另外,发酵体系中丰富营养物质的供应也是浓醪发酵的关键,zation of bioethanol production during simultaneous sac-若营养物质缺乏,将导致乙醇浓度降低。因此,适clarification and fermentation in very highgravity cassava宜的发酵温度与充足的营养物质有利于浓醪发酵mash[J]. Antonie van Leeuwenhoek, 2011. 99(2): 329-339的顺利进行。易弋等在优化的木薯粉液化糖2]隋伟刘璐王君高等木薯酒精浓醪发酵液化过程中节能化工艺的基础上,分析了培养基成分以及温度、减排的研究[J].酿酒科技,2012,216(6):41-43pH等条件对木薯浓醪发酵的影响。实验结果表飞3]钟浩,谭兴和熊兴耀,等马铃薯粉液化的影响因素研究[J].食品工业科技,2008,29(2):98-100.明,发酵培养基中w(尿素)=0.25%,p(MgSO4[4]陆婷婷,伍时华,易戈,等.高浓度木薯粉浆糊化液化粘度的7H2O)=0.45g/L,p(KH2PO4)=1.5g/L,研究[].食品工业科技,2010,31(11):132-135.p(CaCl)=0.20g/L,发酵最适温度为33℃,初[5]伍时华蒋常德易戈等木薯酒精浓醒发酵中液化条件的始pH值为4.5,酵母菌接种量按体积分数为优化[].食品科学,2007,28(10):381-38310%发酵时间48h。最终发酵成熟醪乙醇体积61容元平,廖兰,伍时华,等用糖水解液对木薯粉调浆进行分数为17.2%淀粉利用率达91%。浓醪酒精发酵工艺研究[J].安徽农业科学,2010,38(16):在浓醪发酵中通常缺少适宜酵母生长的生理8643-8644环境,可以通过改进过程工程设计及操作以提高[7] Pradeep Puligundla, Daniela Smogrovicova, Vijaya SarathiReddy Obulam, et al. Very high gravity(VHG) ethanolic乙醇的产率。如增加新厂发酵罐串联系统的数量,或者增加发酵罐中的挡板可以显著减少整体发酵液的返混以及减轻乙醇的抑制效应。这些方1144.YHbrewingte[J] Journal of中国煤化工,2011,38:1133CNMHG第2期刘海军,等.木薯乙醇浓醪发酵工艺进展·73[8] Jones AM, Ingledew WM. Fuel alcohol production: optimi-gravity fermentation [J]. Biotechnology Letters, 2007, 29zation of temperature for eff cient very-high gravity fermen-233-236.tation[JJ. Applied and Environmental Microbiology 1994, [15] Petra Bafrncova, Petra Bafrncova, Iveta Slavikova, et al. Im60:1048-1051.provement of very high gravity ethanol fermentation by[9]易弋,黎娅,容元平.酒精耐受型酿酒酵母菌的诱变筛选media supplementation using Saccharomyces cerevisiae[J].[].安徽农业科技,2009,37(34):1676016762Biotechnology Letters, 1999, 21: 337-341.[10]伍彦华覃红梅崔师泰等.固定化酵母的选育及在木薯浓16]易弋,黎娅,伍时华.木薯粉酒精浓醪发酵条件的优化[醵发酵生产燃料乙醇中的性能对比[J.酿酒科技,2010中国酿造,2008,200(23):61-69193(7):31-38[17] Bai FW. Chen LJ, Anderson WA, et al. Parameter oscilla-[11]陆雁,秦艳李明松,等.木薯淀粉高温浓醪发酵酒精工艺的tions in very high gravity medium continuous ethanol fer-研究[].酿酒科技,2009,183(9):23-28mentation and their attenuation on multi-stage packed col[12]申乃坤,王青艳,陆雁,等.木薯淀粉高温高浓度生产酒精的umn bioreactor system[J]. Biotechnology and Bioengineer工艺研究[J.酿酒,2009(5):47-51ing,2004,88:558-56[13]易弋蒋常德伍时华等木薯酒精浓醪发酵液化糖化工艺18] Bao yingling, Yan Zongcheng, Wang honglin,etal. Optimi的研究[].安徽农业科学,2008,36(25):11091-11092zation of bioethanol production during simultaneous sac-[14] Fan Qiang Wang, Cui Juan Gao, Chiang, et al. Opticharification and fermentation in very high-gravity cassavamization of an ethanol production medium inmash[JI Antonie van Leeuwenhoek, 2011, 99: 329-339Progress on high-gravity ethanol fermentation process of cassavaLiu Haijun, Zhang Jun2, Wang Jiyan, Ma Zhongyi, Xu youhai'Xiao Tianxiong, Wang Longhui, Hu Shiyang, Yue Jun, Hui Jixing(1. Research Institute of Jilin Petrochemical Company, PetroChina, Jilin 132021, China; 2. Stor.age Center of Jilin Petrochemical Company, Petro China, ilin 132021, China; 3. School of chemicalEngineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: The cassava is non-staple fuel ethanol production raw material which can be used for large-cale production and economically viable in our country at this stage The cassava as the raw materialto produce fuel ethanol has broad prospects for development. This paper started with the key factorsexisting in high-gravity ethanol fermentation process of cassava such as the desanding the cassava rawmaterial, breeding the excellent Saccharomyces cerevisiae, reducing the viscosity of material, optimizingthe fermentation conditions, to summarize the review of the technology status, development trend andexisting problems for high-gravity ethanol fermentation process of cassava.Key words: Cassava; Ethanol; High-gravity fermentation中国煤化工CNMHG