玉米生料发酵生产燃料乙醇工艺研究

2009 No.7.128 Serial No.208China BrewingExperience Exchanges玉米生料发酵生产燃料乙醇工艺研究卢晓霆',张太日2,闫俊,贾鹏'(1.长春工业大学化学与生命科学学院,吉林长春130012;2.吉林省石油化工设计研究院，吉林长舂130021;3. 吉林省轻工业设计研究院,吉林长眷130021)摘要:对玉米生料发酵生产 燃料酒精工艺进行了研究。通过正交试验得到生料发酵工艺最佳条件:酵母0.3%,糖化酶200 Ug,纤维素酶0.15%,料水比12.5,搅拌为140 r/min,发酵温度29C.在此条件下，进行10L发酵罐试验,发酵时间120 h左右,最终淀粉利用率为93%左右。考虑到综合技术与经济效益,最终的最佳条件确定为:酵母0.2%,糖化酶250 U/g,纤维素酶0.1%,料水比1:2.5,搅拌为140 r/min,发酵温度29C,发酵时间为85 h~95 h.关键词:玉米;生料发酵:燃料酒精:工艺中图分类号: TQ92文献标识码: B文章编号:0254 -5071(2009)07-0128 -04Fuel alcohol production technology with the fermentation of uncooked corn flourlu Xiating, ZHANG Tair3, YAN Jur, JIA Peng'(1. The College of Chemistry and Life Sciences, Changchun Industral University, Changchun 130012, China;2. Jjin Province Petrocbemical Industry Design and Rescarch Institute, Changchun 130012, China;3. Jilin Province Light Industy Design and Research Instiute, Changchun 130012, China)Abstract: Fuel alcobol production technology witbh the fermentation of uncooked corm flour was studied in this paper. The results were as fllowing:through the orthogonal experiment, the optimum conditions of uncooked corm fermentation were 0.3% yeast, 200 U/g sacchanifying enzyme, 0.15%cellulase, the ratio of material t切o water 1 : 2.5, the stiming speed 140 r/min, and the fermentation temperature 29C. Under tbese conditios, the fer-mentation was processed in a 10 L fermenter, and through the fermeatation period of 120 h, the final utilization ratio of starch is 93% or so. Takingthe comprebensive techological and economic beneft into consideration, the optimum conditions are designed as 0.2% yeast, 250 U/g saccbarifyingenzyme, 0.1% ellulase, the ratio of material to water 1 : 2.5, the stiring spee 140/min, the fermeatation temperature 29C, and the fermentationperiod85 h~95 h.Key words: corn; fermeotation of uncooked com; fuel alcobhol; technology“能源危机”使人们开始认识到廉价的原油是会用完1.1.1材料的，利用可再生资源(如粮食或植物纤维)发酵生产燃料酒脱脂玉米粉(黄):市售(水分(15.8+0.5)%,淀粉含量精,作为生物能源来代替或部分代替汽油是可行的。酒精(71+1)%);安琪酿酒高活性干酵母:湖北宜昌产;a -淀是一种具有较高辛烷值的含氧化合物,向汽油中添加粉酶(液化酶2000U/g):湖南省津市市新型发酵有限责任5%~ 10%无水酒精,其辛烷值可提高2-~3",发动机不需任公司生产:糖化酶(0000U/g):无锡市酶制剂厂生产:纤维何改动,不会减少发动机动力,而且还有助于汽油的充分素酶(0000U/g)、果胶酶(0000U/g)、 酸性蛋白酶燃烧,降低汽车尾气中-氧化碳、碳氢化合物及硫的排放,(0000U/g):肇东国科北方酶制剂有限公司生产。有利于环境保护。1.1.2 设备传统的酒精生产工艺的能耗很高,尤其是其高压蒸煮10L全自动发酵罐:上海保兴生物设 备有限公司生工段的能耗、气耗占整个生产工序能量投入的30%- 40%产;气浴恒温摇床THZ -82B:江苏省金坛市医疗仪器厂;左右网,并且由此而产生的生产冷却用水量猛增也使酒精电热恒温千燥箱,湖北省黄石市医疗器械厂生产;恒温水的生产成本增加。淀粉质原料生料发酵生产酒精取消了蒸浴锅;电子天平(精确至0.0001g) ;分析天平;托盘天平(精煮工段和冷却糖化工段,从而大幅度降低蒸汽和水的消耗确至0.1g);托盘天平(最大量程8kg)●及减少设备的使用,进一步简化工艺, 使劳动强度大幅下1.2方法降,降低生产成本周。本试验采用脱脂玉米粉为原料,进行1.2.1生料发酵生产燃料酒精工艺流程生料发酵生产燃料酒精的工艺研究。脱胚玉米粉→调浆-加入酶制剂及酵母-生料发酵一蒸馏一脱1材料与方法1.1材料与设备中国煤化工收稿日期: 2009-05-03TYHCNMHG基金项目:吉林省教育厅十- -五'科研规划项目(吉教科合字(2007)第105号)作者简介;卢晓霆(1963-),男,吉林长春人，副教授,主要从事食品、生物工程产品的开发研究、设计与教学工作。2009年第7期中国酿造经验交流总第208期.129-1.2.2操作要点由图1可以看出，随粉浆浓度增大,淀粉利用率增加:摇瓶试验:称取100g玉米粉置于500mL三角瓶中，随着糖化酶 用量增加,淀粉利用率增加,这和RASMUS D加入一定量的酵母、糖化酶和蒸馏水等,将三角瓶置于恒等0报道的结论相同。并且以瓶(3)料水比1:2.5,糖化酶用温摇床.上进行发酵;每隔- -定时间测发酵液 pH值、可溶量250U/g时,淀粉利用率最高为91.8%。由此表明以生料性固形物、酒精度、酸度等指标，并计算淀粉利用率。发酵生产酒精是完全有可能的。发酵罐试验:称取2kg玉米粉置于10L发酵罐中,加2.1.2生料较高粉浆浓度发酵罐试验入一定量的酵母、糖化酶和蒸馏水等,开动搅拌进行恒温10L发酵罐中加入玉米粉2kg,酵母0.2%，糖化酶发酵;每隔一定时间测发酵液pH值、可溶性固形物、酒精250U/g, 料水比12.5, 140r/min搅拌,无蒸煮,在29C进行度、酸度等指标,并计算淀粉利用率。发酵罐试验,结果见图2。1.2.3分析方法+酒精度士淀粉利用辜玉米粉水分分析:常压烘箱干燥法!.玉米粉淀粉含量1619分析:酸水解法网:玉米粉脂肪含量分析:索式提取法内:玉=9米粉蛋白质含量分析:凯氏定氮法{;发酵醪pH测定:pH-85试纸法;发酵醪可溶性固性物含量:手持糖量计法:发酵醪-80酒精度:密度计法网:发酵醪酸度:酸碱滴定法;发酵醪残75量余还原糖:直接滴定法::淀粉利用率=实际淀粉出酒率/17理论淀粉出酒率，理论淀粉出酒率为每100kg淀粉理论上应产无水酒精56.78kg'。10 20 30 40 50 60 70 80 901001 101202结果与分析时间/h围2较高粉浆浓度生料发酵曲线2.1不同粉浆浓度、不同糖化酶添加量生料发酵试验Figure 2. Fermentation curves of uncooked com slumry of由于生料发酵完全省去了蒸煮和糖化冷却工段,因此higher concentration将节约大量的蒸气和冷却水，从而降低生产成本。2.1.1粉浆浓度、糖化酶量对发酵的影响由图2可以看出，前44h发酵速度快,44h后发酵速每500mL三角瓶中加入玉米粉100g,酵母0.2%,[(1)度缓慢，发酵84h的酒精度为13.5%vol,淀粉利用率为料水比1:2.5, 糖化酶150 U/g; (2)料水比12.5,糖化酶87.9%,残余还原糖为0.4g/100mL(醪液) ,这时的淀粉利用200U/g; (3)料水比12.5,糖化酶250U/g; (4)料水比1:3,串和低温蒸煮最佳条件下(60C同时液化、糖化60min)发糖化酶150U/g; (5)料水比13,糖化酶200U/g; (6)料水比酵所得的最终淀粉利用率(88.2%)几乎相当。说明蒸煮过1:3, 糖化酶250 U/g; (7)料水比1:3.5,糖化酶150U/g; (8)程是完全可以省去的。料水比1:3.5,糖化酶200U/g; (9)料水比13.5,糖化酶2.2.添加纤维素酶、果胶酶、酸性蛋白酶生料发酵试验250U/g; ] 140r/min搅拌,无蒸煮,在29C进行摇瓶试验。发2.2.1 纤维素酶、果胶酶、酸性蛋白酶对发酵的影响酵84h后的结果见图1..每500mL三角瓶中加入玉米粉100g,酵母0.2%,糖+酒精度←淀粉利用事化酶250U/g,[(1)料水比1:3,纤维素酶0.1%; (2)料水比6r1951:3,果胶酶0.05%; (3)料水比1:3,酸性蛋白酶0.05%; (4)4.料水比1:2.5, 纤维素酶0.1%; (5)料水比1:2.5, 果胶酶0里0.05%; (6)料水比1:2.5, 酸性蛋白酶0.05%; ]140r/min搅35 e拌,无蒸煮,在29C进行摇瓶试验。发酵84h后的结果见80图3.75由图3可以看出,生料发酵随粉浆浓度增加,淀粉利用率增加,并且在瓶(4)料水比12.5、纤维素酶0.1%时，70可使淀粉利用率高达95.4%。这说明生料较高粉浆浓度发酵时。添加纤维考酶可T伸淙粉利用率明显增加。试验序号2.22中国煤化工素酶发酵罐试验圈1粉桨浓度、糖化酶量对发酵的影响YHC NMHG,酵母0.2%，糖化酶Flgure 1. Effect of com slury concentation and glucoamylase250U/g,纤维素酶0.1%, 料水比1:2.5, 140r/min搅拌,无dosage on fermentation2009 No.7.130 Serial No.208China BrewingExperience Exchanges+酒精度+淀粉利用率蒸煮,在29C发酵,结果见图4.由图4可以看出,前47h发酵速度快,47h-118h发酵速度缓慢.在发酵76h时,酒精度为14.4%vol,淀粉利用率互12为88.7%,残余还原糖为0.32g/100mL(醪液)。在发酵93h90旺88实时，酒精度为15.0%vol, 淀粉利用率为92.4%,残余还原糖为0.26g/100mL(醪液)。在发酵118h时,酒精度为15.2%vol,淀粉利用率为93.6%，残余还原糖为0.20g/100mL(醪2+液)。93h后的发酵速度已经变得极为缓慢,可以认为发酵瓶(1)瓶(②)瓶(3)瓶(4)瓶(⑤)瓶(6)93h已经发酵完全。由该试验进一步看出添加纤维素酶可试验序号使淀粉利用率明显增加。圈3纤维素酶、果胶酶、酸性蛋白酶对发酵的影响2.3正交试验对生料发酵条件优化Figure 3. Effect of cllulase, pectase and acid protease为了研究进-步提高淀粉利用率，降低酵母、糖化on fernentation酶、纤维素酶用量和增大粉浆浓度进行发酵的可能性,以十酒精度+淀粉利用率酵母添加量、糖化酶添加量、纤维素酶添加量、料水比为496因素,做L(39正交试验,以淀粉利用率为指标，对生料发2[92酵条件进行优化。90102.3.1正交试验摇瓶试验表1优化生料发酵条件的正交试验因素与水平Table 1. Factors and Levels table of the orthogonal test8280A酵母B糖化酶c纤维素酶D料水平添加量/%添加量/(U-L")添加量/%水比0102030405060708090100110120时间h.1s00.05:20.2000.112.5图4添加纤维素酶生料发酵曲线0.3so0.15:3Figure 4. Fermentation curves of uncooked com slury with ellulose表2优化生料发酵条件的正交试验结果Table 2. Results of the orthogonal test试测定项目验AD可溶性固形物/酒精度/ 酸度/淀粉利用南/号pH值%%vol).115013.59.16.70.29292.92001:254.08.0.26195.72501:7.0.25992.42.40.22891.7.010.07.3).19496.31:2.514.60.247).31S08.015.00.2826.13.00.21796.10.L.09.07.00.30094.6K281.0281.3284.1283.8283.1288.1282.0287.5K，287.4282.1285.4280.2中国煤化工93.794.7ka94.496.094.095.8MHCNMHG95.193.4R2.12.31.22009年第7期中国酿造经验交流总第208期.131.每500mL三角瓶中加入玉米粉100g， 发酵温度为+酒精度+淀粉利用率29C,搅拌为140r/min, 发酵时间96h。正交试验因素水平16]921490见表1,正交试验摇瓶试验结果见表2。88由正交试验结果的极差分析可知,各影响因素指标的36墨主次顺序为D>B>A> C;从平均值上分析正交试验的最82窦佳工艺条件为AB2C,D2,即酵母添加量0.3%,糖化酶添加-80岁量200U/g,纤维素酶添加量0.15%,料水比1:2.5.17/762.3.2正交试验结果发酵罐验证试验10L发酵罐中加入玉米粉2kg，酵母0.3%，糖化酶10 20 30 40 50 60 70 80 9010010120时间/h200U/g,纤维素酶0.15%， 料水比1:2.5, 140r/min搅拌,无團6降低糖化酶用量生料发酵曲线蒸煮,在29C发酵，结果见图5。Figure 6. Fermentation curves of uncooked com flour slumywith reduced glucoamylase dosage7952.4生料发酵工艺与传统工艺的蒸气、水消耗情况的比较14-12节省蒸气和水是生料发酵工艺的-一个显著优点。为了85黑表现出这- -优点，下面将对生料发酵工艺与传统工艺的蒸8}80莫汽、水消耗情况作-比较m, 结果见表3.75第表3生料发酵工艺与传统工艺的蒸气、水消耗情况的比较470Table 3. Comparison on steam and water consumption of uncookedcom flour slurry fermentation technology and conventional10 20 30 40 50 60 70 80 901001 10120fermentation technology时间/生产1t酒精生料发醇工艺15 验证试验生料发酵曲线(96%vol)的消耗节省量Figure 5. Proof test of uncooked com flour stumy项目名称生料发传统节省 节省fermentation curves醇工艺工艺蒸气/g_水kg_由图5可以看出，前47h发酵速度快,47h后发酵速原料/kg26192729料水比1:2.513度缓慢。发酵至95h时酒精度为14.5%vol, 淀粉利用率为拌料水/kg65478188164192.0%,残余还原糖为0.38g/100mL(醪液)。其最终淀粉利燕煮工段蒸汽用率93.0%比在酵母0.2%，糖化酶250U/g,纤维素酶消耗kg14360.1%，料水比1:2.5 的条件下进行发酵所得最终淀粉利用糖化冷却工段冷却水45124率93.6%稍低,在该条件下的发酵速度也比在酵母0.2%，糖化酶250U/g,纤维素酶0.1%,料水比1:2.5的条件下进酒母发酵工段冷却水26245333337088消耗kg .行发酵的速度相对要慢，并且其酵母和纤维素酶用量也相蒸馏工段醪塔加热1623223815对要多一些,虽然糖化酶用量相对稍少,但其综合成本要蒸气消耗Ag高一些，因此其经济效益要差-一些。淀粉出酒率1%55.32.3.3降低糖化酶用量发酵罐试验节省蒸气、节省水量205153853降低糖化酶用量可进一步降低生产成本,故进行此试总计/kg验。10L 发酵罐中加入玉米粉2kg,酵母0.2%，糖化酶通过生料发酵工艺与传统工艺的蒸气、水消耗情况的200U/g,纤维素酶0.1%，料水比1:2.5, 140r/min搅拌,无蒸比较可看出，生料发酵工艺每生产1t酒精(96%vol)可节煮,在29C发酵,结果见图6。由图6可以看出,将糖化酶用量由250U/g减少至省蒸气2051kg,节省水53853kg.虽然这只是估算出的数200yg后,发酵至92h时酒精度为14.2%vol,淀粉利用率字,具体的节省蒸气、节省水的量还需通过实际试验和生为89.8%,残余还原糖为0.397g/100mL(醪液)。其最终酒产比中国煤化工发酵工艺可明显节约精度为14.3%vol, 淀粉利用率90.4%,不论是发酵速度还蒸气3结论YHCNMHG是最终淀粉利用率都低于糖化酶为250U/g时。故糖化酶3.1淀粉利用率随着糖化酶添加量增加而增加，随着粉浆用量以250U/g为宜。2009 No.7.132. Serial No.208China BrewingExperience Exchanges高浓发酵后稀释啤酒质量的改善武斌,黄盟盟3,薄文飞,周广田”(1.济南市质量技术监督局，山东济南25000; 2.山东轻工业学院食品与生物工程学院，山东济南250353)摘要:近年来, 高浓发酵后稀释工艺被越来越多的啤酒厂所采用，市场涌现出大量低浓度啤酒。高浓发酵后稀释工艺与常规酿造相比,具有可在不增加糖化、发酵设备的基础上大幅度提高啤酒产量的优势。但高浓发酵后稀释工艺也存在明显缺陷,如稀释后的低浓度啤酒泡持性较差、口味较淡、风味不协调等。该文分析了上述缺陷的形成原因，并提出了后修饰等改善措施。关键词:低度啤酒;高浓发酵:后稀释;后修饰中图分类号:TS262.5文献标识码: B .文章编号:0254- -5071(2009)07-0132-03Improvement on the quality of diluted beer after high gravity fermentationWU Bin', HUANG Mengmeng, BO Wenfeir, ZHOU Guangtian"(1. Jinan Bureau ofQuality and Technical Superision, Jinan 250002, China;2. College of Food and Biological Engineering, Shandong Instiute of Light Industry, Jinan 250353, China)Abstnact: Recently, in the wake of using high gravity fermentation technology in brewery, more and more beer brands of low concentration appear.Compared with conventional technology, breweries which use high gravity fermeotation tecbnology could increase the beer production considerablywithout saccharification and fermentation equipments addition. This technology also has some shortage, such as low foam stability, thin flavor, naggedaroma and so on. In the paper, the reason of shortage of diluted beer was discussed and modifcation also was presented.Key words: low concentration beer, high gravity fermeotation technic; dilution; modification1高浓稀释啤酒的质量缺陷和20°P麦汁使用100 %大麦麦芽糖化，发酵和后熟阶段1.1泡持性较差都在正常条件下进行,最后均稀释到酒精度5%vol,测定高浓酿造一个明显缺陷是啤酒泡持性较差。如129P啤 酒泡持性HRV,结果20°P啤酒的HRV值比12°P啤酒收稿日期: 2009-03-03作者简介:武斌(1966-) ,男,山东济南人,主要从事食品质量检验和分析技术的研究工作;周广田●副教授,通讯作者。浓度增大而增加，在料水比1:2.5,糖化酶添加量250U/g3.4通过纯生料发酵工艺与传统工艺的蒸气、水消耗情况时,淀粉利用率相对较高;并且在较高粉浆浓度生的比较,可看出纯生料发酵工艺可以大大减少蒸气和水的料发酵时,添加纤维素酶可明显提高淀粉利用率。用量,这样将大大降低酒精生产成本。3.2通过正交试验对生料发酵工艺进行优化得到的最佳条3.5玉米生料发酵工艺还需进行更大规模的试验，以证明其件为:酵母0.3%,糖化酶200U/g,纤维素酶0.15 %,料水比工业应用的可能性。另外,发酵时间长，糖化酶用量大并且需12.5, 140r/min搅拌,发酵温度29C.在此条件下，进行要添加其他辅助酶制剂,受杂菌污染的危险性较大,还有如10L发酵罐试验，发酵时间120h 左右，最终淀粉利用率为何进行连续化生产等问题，需要进-步研究解决。93%左右。通过试验可知发酵95h以后发酵速度已经变得参考文献:极为缓慢,可以认为发酵95h已经发酵完全,所以发酵时[1]贾树彪，李盛贤,吴国峰新编酒精工艺学[M]北京:化学工业出版社,间85h~95h已经足够。.2004.3.3由正交试验所得的最佳条件下的糖化酶消耗量虽然相[2]薛正莲.玉米生粉酒精发酵的研究[].安徽机电学院学报, 196,112);对较小，但是纤维素酶和酵母消耗量相对较大,而且其发68-71.酵速度相对较慢(相对于酵母0.2%,糖化酶250 U/g,纤维[3]汪江波，薛海燕，邹玉玲,等酶制剂的添加对早籼稻谷生料发酵生产素酶0.1%，料水比1:2.5, 140r/min搅拌,发酵温度29C的酒精的影响[J.中国酿造, 2005(4);15-17.[4]王福荣.酿酒分析与检测[M].北京:化学工业出版社, 2005.条件下)。所以根据各影响因素主次顺序,综合技术与经济效益[5]章克I中国 煤花主轻工业出版社1995[6JRASICeizaion of very high gavity得出最终的最佳工艺条件为:酵母0.2%，糖化酶250U/g,etha IfYHC N M H Gr gucoayloe doege.pre-纤维素酶0.1 %，料水比1:2.5, 140/min搅拌,发酵温度scaificion and yeast strain [] Applicd Microbiol Biot,2005,68(9);29C,发酵时间为85h-~95h.622- 629.