甜高粱茎秆生产燃料乙醇的研究

酿酒科技200年第7期(总第181期) LIQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No.7(Tol181)甜高粱茎秆生产燃料乙醇的研究金花,侯霖',刘一清,陆国军,陆军’,朴敬惠',古方成,李洪来2,樊孝印2,高雷2(1吉林省轻工业设计研究院,吉林长春130021;2吉林沱牌农产品开发有限公司,吉林吉林132101)摘要:对甜高梁茎秆原料生产燃料乙醇的工艺条件、残渣综合利用等进行了研究,确定了甜高粱茎秆汁液发酵生产燃料乙醇的最佳工艺条件:高梁汁锤度为20Bx(糖度17.8%)接种量为10%pH值4.5、发酵时间48h,发酵醪的酒精浓度可达10.2%以上,残糖1%以下。关键词:燃料乙醇;甜高梁茎秆;发酵中图分类号:TS2622;TS2614;TS2612文献标识码:A文章编号:1001-9286(2009)07-0017-04Study of Fuel Ethanol Production by Sweet Sorghum StalkJIN Hua, HOU Lin;, LIU Yi-qing, LU Guo-jun, LU Jun, PIAO Jing-huiGU Fang-cheng, LI Hong-lai, FAN Xiao-yin, and GAO Lei(I Jilin Provincial Light Industry Design Research Institute, Changchun, Jilin 130021;2. Jilin Tuopai Agricultural Products Development Co Ltd, Jilin, Jilin 132101, China)Abstract: The technical conditions of fuel ethanol production by sweet sorghum stalk and the comprehensive use of the production residue werestudied. Besides, the optimum technical conditions of fuel ethanol production by sweet sorghum stalk juice fermentation were determined as fol-lows: the brix of sorghum stalk juice as 20 Bx (sugar content was 17.8%), 10 inoculation quantity, pH value was 4.5, and alcohol concentra-tion could reach up to above 10. 2 after 48 h fermentation with residual sugar content less than 1%.Key words: fuel ethanol; sweet sorghum stalk; fermentation能源危机是当今社会发展面临的巨大挑战之一,中甜高粱。通过对甜高粱的加工与综合利用,基本上不产生国人口众多,以粮食作物为原料生产燃料乙醇,必将受到废弃物,从而形成一个良性的循环体系,不但提高了生产粮食安全的威胁。国家发改委公布的可再生能源中长期附加值,而且降低了燃料乙醇生产成本。既能保证我国的发展规划到2010年,中国的可再生能源在能源消费中的能源安全和粮食安全,又可以实现燃料乙醇的加工生产比重可望达到10%,2020年的发展目标为15%。在规划不与人争粮,不与粮争地,不与牲畜争饲料,不与其他产中提出非粮燃料乙醇为主的发展政策,而且明确了受粮业争原料,同时还对促进农民增收,加速产业化进程,确食产量和耕地资源制约,今后主要鼓励以甜高梁茎秆、薯保能源永续利用有着十分重要的意义类作物等非粮生物质为原料的燃料乙醇生产。目前,我国1材料与方法以粮食为原料的燃料乙醇产量可达到150万t,从2007年开始,为稳定粮食价格和粮食安全,以玉米为原料的燃1.1材料料乙醇不再新批项目。2007年下半年开始,全球农产品1.11原料价格大幅度上涨,在国内因粮食价格的“恢复性上涨”等醇甜1号:种植于松源,是国家“863成果-醇甜系因素,物价水平已被推高至10余年来的新高,因此,减少列”品种之一。1用粮食生产燃料乙醇,加大非粮乙醇生产成为我国燃料九甜梁二号:吉林市农科院培育,种植于吉林市。乙醇发展的方向。吉甜四号、吉甜五号:吉林省农科院培育,种植于公利用适合在盐碱地种植的可再生能源经济作物甜高主岭市梁茎秆中的糖汁生产燃料乙醇作为石油的代用品,籽粒1.1.2菌种作为粮食,榨汁后的残渣用于造纸或生物饲料用以饲养牛羊,牛羊产生的粪便用以还田,改善士壤的质量来种植能力強H曾中国煤化工筛选,选择酒精发醉CNMHG基金项目:科技部农业科技成果转化项目(200028100);吉林省科技计划支撑项目收稿日期:2009-05-05作者简介:金花(1968-),女,硕士研究生,研究员,一直从事生物质能源的研究工作,发表论文10余篇17酿酒科技2009年第7期(总第181期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No.7(ToLl81)11.3酶制剂221不同酵母菌种对高粱汁酒精发酵的影响糖化酶:江苏宏达酶制剂厂,酶活力100000U/mI在相同的试验条件下,不同的菌株发酵力不同。本液化酶:NOvo公司生产,酶活力35000U/mL。试验选用的4株酵母菌株,在锤度为20Bx(糖浓度为114主要设备及仪器17:8%)的甜高粱汁液中进行发酵试验,结果见图1。HHB11.500型电热恒温培养箱(型号:HH.B11.500;815「口酒精浓度()功率:600W);高压灭菌锅(型号:CRDX-280;功率■残糖(%2kW;电压:AC220V);往复式摇床;酒精计(标准温度20℃、上海医用仪表厂);三辊式压榨机(型号:T-305),产量:300kg/d;YZl48×160型压榨机,日处理甜高粱茎秆9t。12分析方法Y-1Y-2Y-3Y-41.2.1酒精度的测定取出100mL成熟发酵液于蒸馏瓶中,加入100mL图1不同菌种对甜高粱汁发酵的影响蒸馏水,蒸馏出100mL溶液,用酒精计(标温20℃)测酒由图1可知,所选的4株酵母菌对高粱汁发酵的精度。影响差异不大,Y-1菌株产酒精优于其他菌种,当锤1.22还原糖测定度为20·Bx(糖度17.8%)时,发酵液最终酒精浓度达采用斐林试剂滴定法,取发酵液10mL加入盛有斐102%vol,以下试验均以Y-1菌株作为试验菌株。林甲乙液各5mL和水20mL的三角瓶中,测定发酵液22甜高梁汁的不同浓度对发酵的影响的残还糖含量。发酵液的浓度对酵母菌株产酒精的速度和产酒精量2结果与讨论都有影响。以Y-1作为试验菌株进行不同底物浓度的发2.1发酵条件酵试验,结果见图2(每个数据为平行样的平均值)2.1.1原料灭菌e15「口酒精浓度()灭菌的方法有加热灭菌和添加防腐剂两种,本试验■残糖(%)采用加热灭菌法,使用高压灭菌锅对甜高粱茎秆汁液进行灭菌2.1.2无机盐的选择在发酵过程中添加营养盐可以改善酵母的生长环境,增加营养,达到促进发酵的目的。本实验选择无机氮16NH)sSO4作为发酵试验的氮源。糖锤度("Bx)2.1.3反应器转速的控制图2不同浓度的甜高梁汁对发酵的影响发酵器皿的转动主要目的是为了增加酵母菌与发由图2可知锤度在16~22Bx之间,发酵液中的酵原料间的接触面积,同时提供充足的溶解氧。转速酒精含量随着底物糖浓度的增加而增加。而当锤度大于过低,发酵时间延长,发酵不充分;转速过高,易使发25Bx时,发酵液中的酒精含量下降。这是由于发酵液中酵产物酒精挥发,过高的溶解氧浓度影响发酵的进糖汁锤度过高,其渗透压也高酵母菌体细胞在高渗透压行,使酒精发酵失败,形成其他酸类产物等。本试验选的发酵液中生长和代谢都会受到抑制,引起酵母细胞的定150rmin为试验通风培养阶段的转速,发酵阶段转损伤,从而使发酵液中酵母数量减少,死亡率高,影响最速选定为100rmin终发酵的效果。选择初始锤度为20Bx。22试验条件223不同接种量对甜高粱汁发酵的影响试验条件选择不同的接种量、不同糖汁浓度、置于不在发酵中接种量至关重要,选用锤度为20Bx(糖度同的温度条件下进行发酵。将盛有发酵液的500mL三中国煤化工%10%15%的接种量角瓶置于摇床中振荡发酵,温度控制在30℃,转速为进100r/min进行12h通风培养,之后进行48h厌氧发酵。CNMHG致科黑呼及断骨权人影响。接种量过小时,由于发酵结束后测定发酵醪的酒精含量及残还原糖。酵母数量不足,酒精产量少,发酵不彻底,残糖高,并且酵金花,侯霖,刘一清陆国军,陆军,朴敬患,古方成,李洪来,樊孝印,高雷·甜高梁茎秆生产燃杵乙醇的研究口酒精浓度(%)糖的浓度低时,糖化酶作用的底物浓度较低,糖化酶■残糖(%)的水解作用有限;但在高糖浓度下,底物浓度提高,糖化酶可以把部分底物双糖降解为单糖,促进了发酵的进行。此试验说明,可以根据甜高粱汁原料糖含量的不同,选择不同的工艺。在甜高粱汁锤度高于22Bx时,加入糖化酶以促进双糖的水解,糖汁发酵的效果会更好。接种量(%)2.26防腐剂及冷冻法对甜高粱汁发酵的影响图3不同接种量对甜高梁汁发酵的影响在甜高粱汁液制取燃料乙醇的技术中,原料的贮藏母易老化醪液易染杂菌;而接种量过大时,由于酵母的问题尚未得到很好解决,原料的保存已成为制约该技术数量较多需要更多的溶氧及糖大量的酵母生长消耗了发展的瓶颈。只有解决了保藏问题,才能延长甜高粱汁制大部分糖分虽然发酵时间可以缩短,但发酵液中的酒精取乙醇的生产周期提高设备利用率使甜高梁汁液制取含量会随接种量增大而下降由试验结果可知,在接种量乙醇更具有经济性为10%时,酵母活性较高,发酵效果较好。因此,10%接目前贮藏甜高粱茎秆的方法有将茎秆去叶切成短段种量为最佳条件。冷藏、用塑料薄膜覆盖并充以二氧化硫贮藏等。而关于高224不同初始pH值对甜高粱汁发酵的影响粱汁贮存的研究报道不多,据国外报道:将高粱汁浓缩至pH值在酵母的生长及发酵中都起着重要作用,p66Bx后就可以贮存较长时间但该方法耗能大很难在值主要通过影响菌株的生长条件、产酶能力及酶活力等生产中应用;此外还有冷冻保藏法及加入防腐剂法网。来影响发酵。由于酵母菌发酵的最适pH值是40~55,根据食品防腐保鲜原理,本实验探讨了加入适量的针对高梁汁发酵试验,在此范围内选择了4个不同的初苯甲酸钠对20Bx的甜高粱汁酒精发酵的影响。对照组始pH值,即404550和55;利用锤度20Bx(糖浓度不加防腐剂,则1个月后糖汁霉变。试验组分别加人了17.8%)的甜高粱汁进行发酵,结果见图4(为平均值)。01%~0.2%苯甲酸钠,冷藏1个月后进行发酵试验,结果见表1。象15「口酒精浓度(%)■残糖(%)表1防腐剂对甜高粱汁发酵的影响防腐剂加量(%)酒精含量(%)残糖(%)CO的量(g)0.100.10130.150.20从表1结果可以看出,防腐剂对抑制微生物在甜高图4不同初始pH值对甜高粱汁发酵的影响粱汁中的生长和繁殖有一定的效果,对甜高粱汁起到了保藏作用,茎秆汁液中加入0.1%以上苯甲酸钠,在室温从图4可看出,糖汁发酵初始pH值4050时,酒下没有霉变,茎秆汁液至少可贮存30d但是对添加苯甲精含量逐渐升高,当糖汁发酵初始pH值大于50时,酒酸钠贮存的甜高粱汁及对照组进行发酵试验结果表明精含量逐渐下降。因此,发酵初始pH值为4.5最好,而加入了0.1%以上苯甲酸钠,虽然抑制了杂菌,但也抑制且甜高粱汁液的自然pH在43左右,不需调pH,可降了酵母菌的生长繁殖酒精发酵不能正常进行,故采用此低成本。方法保存甜高粱汁液不可行。2.2.5添加糖化酶对甜高粱汁酒精发酵的影响为了解决甜高粱汁的保藏问题,又对甜高粱汁液进为了使酵母菌更好地利用甜高粱汁中的各种糖,进行冷冻处理在-18℃的条件下保存2个月解冻后进行行了添加糖化酶的试验(每个数据为平行样的平均值),酒精发酵试验(锤度20·Bx),其他条件与上述试验相同,糖化酶的作用并不明显,甜高粱茎汁中不仅含有大量的结果见图5。蔗糖,还含有一定量的葡萄糖和果糖,酵母菌可以先利rV山中国煤化工可以保存高粱汁同时用葡萄糖进行繁殖及提前进入发酵期,而汁液中的蔗糖这种CNMHG影响,因此汁液解冻则随着发酵的进行因酸度增大,蔗糖水解成葡萄糖进而后可以正常进行酒精发酵;发酵结束时冷冻与非冷冻样被酵母利用。品的发酵液中酒精含量相差不大。为原料的保存提供了酿酒科技2009年第7期(总第181期) LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY200No.7Tol81)15|口酒精浓度(%)大降低乙醇原料成本带来的风险。■残糖(%)232残纤维渣作饲料采取对残渣纤维进行处理或发酵,可生产粗饲料和乙醇,实现了茎秆的全价利用。3结论冷冻非冷冻由于甜高粱基质不同于淀粉基质(如玉米)本研究存汁方法主要采用甜高粱的茎秆汁液为原料进行乙醇发酵试验研图5.冷冻对甜高梁汁发酵的影响究,为甜高粱茎秆原料生产燃料乙醇的产业化推广提供了可靠的理论依据。有效的途径。与传统淀粉质原料乙醇生产相比较,采用甜高粱茎通过以上的条件试验,确定了甜高粱汁液酒精发酵秆为原料生产燃料乙醇及其综合利用,可以降低乙醇的的最佳工艺条件:甜高粱汁锤度为20Bx(糖度178%);生产成本100~700元,因此具有经济上的可行性。接种量为109%pH值45;发酵时间48h发酵后汁液的参考文献:酒精浓度可达102%以上,残糖1%以下。23残渣综合利用试验[黎大爵亟待开发的甜高粱酒精燃料[中国农业科技导报国内现在用玉米生产燃料酒精的成本居高不下,要2003,(4):48-51[2]黎大爵甜高粱可持续农业生态系统研究门中国农业科学,靠国家补贴。而甜高粱为原料的生产工艺不仅利用汁液2002,(8):1021-1024进行发酵生产乙醇还对残渣纤维进行综合利用如生产(3]王艳秋,朱翠云,卢峰等甜高巢用途及发展前景门杂粮作纸板、粗饲料、预处理后进行乙醇发酵等,不但实现了茎物,2004,24(1):55-56秆的全价利用,而且降低了酒精生产成本,从而使整个生[4张恩铭,刘荣厚孙清,等营养盐对甜高粱茎秆汁液酒精发酵产过程成为循环型经济模式。的影响[农机研究,2005,6):175-17723.1抄纸试验5]吕欣,段作营,毛忠贵氮源与无机盐对高浓度酒精发酵的影取甜高粱榨汁后产生的残渣纤维,经过加碱蒸煮、筛响[西北农林科技大学学报(自然科学版),2003,(4):41.选洗涤打浆后做手抄片,检测。具体操作如下:[6]曹俊峰姚堵盔,张小魁发酵甜高粱汁耐高浓度酒精酵母菌的选育西北植物学报,2001,21(5):109-1012.取甜高粱渣1000g(绝干),NaOH160g(NaOH以[7章克昌酒精与蒸馏酒工艺学DM]北京:中国轻工业出版社16%计),液比1:6,在实验室的蒸煮锅中蒸煮。110℃小1995.162-164放气到180℃保温2h放锅。所得浆料经筛选洗涤后8]宁喜斌,马志乱,李达甜高粱茎汁成分的测定门沈阳农业大打浆,打浆度40°SR,做手抄片。检测结果为:纸板的抗学学报,19953):45-48张指数为4723Nm/g;撕裂指数479mN·m3g,可以看9]赵立欣张艳丽沈丰菊能源作物甜高梁及其可供应性研究出,甜高粱茎秆在榨汁后产生的残渣纤维,经处理后所得[可再生能源,2005(4):37-40浆料完全可以满足造纸的要求副产品的该项利用,可大0张志诚等制浆造纸手册第三分册碱法制浆M北京:中国轻工业出版社,1988酿酒科技杂志社邮购书刊书刊名邮购价《酸酒科技精选(1980~1985)》20元册酿酒科技》2007年合订本《酿酒科技》2000年合订本65元册《酿酒科技》2008年合订本200元套《酿酒科技》2001年合订本70元册《酿酒科技》20年(月刊)180元年《酿酒科技》2002年合订本75元册《世界蒸馏酒的风味》6元册《酿酒科技》2003年合订本80元册《中国酒曲35元/册《酿酒科技》2004年合订本80元册《酸酒科技中国煤化工380元套《酿酒科技》2005年合订本120元/套《白酒的品CNMHG65元册《酸酒科技》2006年合订本150元套《中国名酒64元/册霄订阅以上书刊者,请直接汇款到本社邮购.地址:贵州省贵阳市沙冲中路58号(50007);电话:(0851)5796163;传真:(0851)5776394;联系人:吴萍20