木薯干发酵生产燃料乙醇潜力研究

中外能源第5期SINO-GLOBAL ENERGY木薯千发酵生产燃料乙醇潜力研究梁玮,施翔星(中国石油四川石化有限责任公司南充炼油厂,四川南充637000要在实验室条件下研究木薯干发酵生产乙醇的潜力,以期为红薯燃料乙醇项日的生产提供相关参考数据。以粉碎后的木警干为原料料水比为1:2.8,糖化所用的复合酶添加量为原料质量的04%,在35℃土1℃温度下用酵母活化液(干酵母在33℃:1℃、40倍其质量的2%的葡萄糖溶液中活化6mn)发酵原料产乙醇,反应周期为7h。在此工艺条件下,酒精度达220%,乙醇产率为4832%,原料的T和VS利用率分别为7522%和800%。根据实验研究结果,今后在紅薯燃料乙醇项目的运行和技改过程中諾要根据实际情况确定适宜的料水比范围;酵母生理活性的高低是影响产酒率的重要因素,应根据生产状况对其进行改进或创新,从而取得自己的知识产权;应通过气相色谱法分析液相产物的成分,同时掌握发酵液的残留糖含量和酵渣组成等情况,为副产物的充分利用和开发附加产品做准备关键词木警燃料乙醇产酒率料水比酵母活化利用率副产物1前言酵效果的因素很多围,在此仅就酵母活化液对生产当前,传统化石燃料的大量消耗和随之带来的乙醇的影响进行探讨。环境及气候问题正严重困扰着人类社会的可持续表1木薯与红薯干中主要成分对照表%发展,新能源的开发已势在必行。与太阳能、风能相原料淀粉及可溶性糖粗纤维其他有机质「灰分醇是应用较成熟的生物能源技术口。第一代燃料乙2实验材料与方法醇主要以玉米等粮食作物为发酵原料,因影响粮食21实验材料安全其发展受限;现在国际社会所倡导的第二代燃211发酵原料料乙醇则是以非粮和纤维素秸秆为原料4。在我新鲜木薯(取自云南临沧)采收后经洗净、切块国,可用于生产第二代燃料乙醇的原料来源丰富,晒干,置于密封干燥处保存。实验前将所用木薯块包括各种农作物秸秆和薯类刮。200年底,由中粮进行粉碎,并进行原料成分分析。集团投资的以木薯为原料、年产20x10燃料乙醇21.2酵母项目在广西北海投产,成为国内第一个非粮燃料乙实验所用酵母为耐高温酿酒干酵母,由湖北安醇生产项目琪酵母股份有限公司生产。在发酵之前需要对干酵中国石油四川石化南充炼油厂10×10t/a红薯母进行活化。燃料乙醇项目既是集团公司涉足新能源领域的重2.13水解酶要举措,也是建设综合性国际能源公司和南充炼油为昆明某生物制剂公司生产的耐高温a-淀粉厂实现转型、可持续发展的组成部分。小试实验研酶(液态)和复合酶(由纤维素酶糖化酶等不同水解究是工业化生产的基础。从原料组成上分析,木薯酶粉按一定比例配制而成)。和红薯的成分比较接近(见表1),发酵的工艺路线中国煤化工相似,文章研究了在实验室条件下木薯干发酵生产作者简CNMHG南石妯学院石油加工乙醇的潜力,以期为今后红薯燃料乙醇的生产提供专业,目前主要从事石油化工情报研究工作。相关的参考数据。从原料到酵母,再到工艺,影响发E-ma:wliangepetrochina.com.cn中外能源SINO-GLOBAL ENERGY2010年第15卷22实验工艺与方法个平行。221原料成分的测定A组:精确称量1.00g千酵母溶于40mL的温度用DNs法(3,5-二硝基水杨酸显色反应)可测为35-40℃、浓度为2%的葡萄糖溶液中,先在37℃得原料中的可溶性总糖含量,根据GB/500910—的恒温箱中培养20min,然后移至30℃的恒温箱中2003测定原料中的粗纤维含量。发酵前,将粉碎后培养60min的木薯粉在控温为105℃±5℃的恒温箱中烘干至恒B组:精确称量100g千酵母溶于40mL的温度重可测得其总固体含量(TS值),再在控温为550℃±为35-40℃、浓度为2%的葡萄糖溶液中,放人控温20℃的马弗炉中灼烧至恒重可测得其总有机质含为33℃±1℃的恒温箱中培养60min后取用。量(vS值,该过程中有机质被烧掉,剩余的为无机④用棉塞塞紧瓶口后放入控温为35℃左右的质灰分),见公式(1)、(2)发酵结束后用同样方法对恒温箱中进行发酵,每隔10h称重一次,发酵时间残渣进行TS值、s值的测定,即可计算出原料的控制在70-80h之间。利用率,见公式(3)、(4)⑤发酵结束后,对发酵液进行蒸馏,再进行酒Ts值=2×100%精度测量和原料利用率、产酒率的计算。酒精产率的计算公式如下:s值W2-W3Lx100%酒精产率=酒精原料总量×10%TS利用率=发前T质量发后下质量(3)223乙醇含量的测定将发酵液倒入500mL圆底烧瓶中,加人100mLVS利用率=发酵前s质量-发酵后Vs质量(4水混匀后进行常压蒸馏,直至发酵液蒸干为止;用发酵前S质量式中:W1为烘干前样品的质量;W2为烘干后样品的烧瓶收集馏出液并(用容量瓶和移液管)测量馏出质量,W3为灼烧后样品的质量。液的体积;再用酒精比重计测定馏出液的酒精浓度22.2发酵工艺和温度,最后换算为20℃酒精度。由于酿酒酵母可利用的基质主要为单糖和二3实验结果与分析糖,因此发酵前需对原料进行水解,使其中的淀粉、31发酵过程中CO2释放量的变化粗纤维等多糖分解;为避免杂菌感染而影响发酵效从乙醇发酵的反应式(CH1O→2C2HOH+2CO2)果,还需对发酵液进行灭菌;酿酒酵母的最适合发可知,酵母通过自身代谢作用在产生乙醇的同时还酵温度不宜高于37℃,故在高温灭菌完毕后还需进将生成CO2,CO2会通过棉花塞释放出来因此随着行冷却。发酵工艺流程如图1所示(实际生产中还反应的进行,发酵液的质量会有所减少。由于CO2有脱水与储罐两项后续工序)的生成量与乙醇的产生量相对应,因而可通过检测原料粉碎水解糖化藺冷却厌氧发酵蒸CO2的变化量来观察反应进度整个发酵过程中CO2释放量的变化曲线如图2图1发酵工艺示意图所示。从中可以看出,在一个周期中,两组实验的具体步骤如下:CO2释放量呈现出相同的变化规律,即在发酵初期①将50g粉碎的木薯干粉放入500mL的锥形释放量较多,随着反应的进行,释放量逐渐减少,直瓶中,再向其中加入140mL约70的热水和10mL至反应停止,不再有CO2释放。这表明产乙醇的高耐高温α-淀粉酶,播晃并混合均匀后封紧瓶口。峰期是在整个发酵反应的前期。对比CO2的释放总②将锥形瓶放入灭菌锅内蒸煮30mn-lh后量和发酵周期的长短后发现,实验组A的CO2释放取出,冷却至35℃左右(33~36℃)。总中国煤化工生成量也将少于③向锥形瓶中加入一定量的复合酶(按原料实验CNMHG安验组A的发酵质量的04%称取)和10mL酵母活化液。根据酵母周期安良丁头我组B,四从反酵效率上分析,实活化方式的不同将实验分为A组和B组,每组设3验组B产量高,周期短,反应状态更佳。这也说明实第5期梁玮等.木薯干发酵生产燃料乙醇潜力研究验组B所用的干酵母活化法效果优于实验组A较秸秆类原料而言薯类中主要成分为淀粉,比粗纤维易于分解,在发酵过程中可以得到更充分的利实验组A用间对于发酵而言,原料的利用率由两方面因素决实验组B定,一是原料的水解(糖化)程度,二是参与反应的微生物的活性。原料的糖化率和酵母的活性成为实际生产中必须重视的问题。原料TS和ⅤS利用率的计算是概括性指标,更准确的应该用DNs法测定在发酵前后料液含糖量的变化情况。图2发酵过程中CO2释放量变化曲线32原料的产酒量与利用率3不同实验组原料利用率对照表实验组A实验组B不同实验组的酒精度和乙醇产率见表2。发酵前Ts值,%88472不同实验组酒精度与乙醇产率对照表发酵前TS质量/g项目馏出液量/mL酒精度,%乙醇戴/mL乙醇产率%发酵后T质量/g84B砚0.96实验组ATS利用率,%26.10实验组B发酵前vS值,%946394.6330.58发酵前ⅤS质量/g41.86从蒸馏出的馏出液总量上看,实验组A的平均发酵后VS质量/g值比实验组B多出6mL,两组数据误差在正常范围VS利用率,%12内(小于10%)。在反应过程中,若发酵液感染杂菌4结论与建议导致反应状态欠佳,液相中除乙醇外,还有挥发性以50g木薯干为原料,当料水比为1:28、复合有机酸(VFA)、乙酸乙酯等其他产物。生产燃料乙醇酶添加量为原料质量的04%、酵母活化液(干酵母和食用酒的区别在于,前者主要依靠酵母的作用以在33℃±1℃、40倍其质量的2%的葡萄糖溶液中活保证乙醇产量;后者则依靠酿酒酵母( Saccharomyces化60min)用量为10mL,在35℃±1℃温度下发酵生cerevisiae)和其他微生物菌群的协同作用,产物中除产乙醇,反应周期70h。在此工艺条件下,酒精度达了乙醇,还有多种酯类(酒的芳香成分)。因此,前者到220%,乙醇总产量30.58mL,乙醇产率48.32%要求的灭菌程度更高。从表2中可知,将两组馏出原料的TS和ⅤS利用率分别为752%和8001%液的酒精度进行比较,实验组B在总量稍少的情况从实验研究可得出,南充炼油厂今后在燃料乙下酒精度高出实验组A,说明在同等灭菌条件下,醇项目的投产运行和技改过程中需要注意以下几实验组B的发酵状态要优于实验组A,酵母活化液方面问题的实际效果更好。①投料浓度。该实验是以薯干为原料,实际生随着原料逐渐被消耗,可以观察到发酵液由浑产中可能会用到鲜薯(涉及原料的储存),原料含水浊变得澄清。以乙醇浓度为0.79gm计算,实验组量不同,糖化后料液中的总糖浓度随之不同,对料A、B所产乙醇的质量分别为20.62g和24.16g,按照液的pH值变化和发酵结果也会有影响。因此,需酒精产率和原料利用率计算公式得出实验数据,见要根据实际情况确定适宜的料水比范围表3。对比表2、表3中数据可以看出,乙醇产率与②酵母活化。酵母生理活性的高低是影响产原料利用率呈正相关性,即实验组B较A发酵效酒率的重要因素。文章所述的干酵母活化只是一种果更好,乙醇产率与原料的利用率均更高。实验组Q简单的方法,也可以自行培养、筛选出高活性的B的乙醇产率接近50%,原料的利用率超过70%,酵母。目前这方面的报道较多砌,可根据生产状况对比其他原料(甜高粱秸秆、菊芋、鲜薯)在相似工艺进行中国煤化工知识产权。条件下的实验数据69,已达到较优化的水平。其CNMHG分析液相产物成原因首先是实验中所用的原料为薯干,较鲜薯而言分理友酵液的线留糖含量、酵渣组成等情含水量少,在水解后糖类物质的浓度较大;其次是况,为副产物的充分利用和开发附加产品做准备中外能源SINO-GLOBAL ENERGY010年第15卷参考文獻:生物T程杂志,2008,28(7):139-142]孙振钩中国生物质产业及发展取向门农业工程学报,2004,6]施翔星,黄遵锡,谢建,等农业有机废弃物发酵制氢研究进20(5):1-5晨环境污染与防治,2008(10):1-62]谭天伟,王芳,邓利生物能源的研究现状及展望门现代化「7]冯威力国内首个非粮燃料乙醇装置投产[N]中国化工报,工,2003(9):8-12.[3] Food And Agriculture Organization Of The United Nations8]靳艳玲,甘明哲,方扬,等鲜甘薯发酵生产高浓度乙醇的技The State of Food and Agriculture 2008(Biofuels: Prospects术[J应用与环境生物学报,2009,15(3):410-413Risks and Opportunities )IEB/ OL]. ftp∥fp.fao.org/ docrep/fao9李俊俊唐艳斌唐湘华等复合酶在芋粉发酵生产燃料0lf010o/0100epd乙醇中的应用门酸酒科技,2009(3):65-684]胡伟生物质燃料乙醇研究进展中国新技术新产品,200101李志军,刘小民,刘代武等安琪超级酿酒干酵母在消精浓发酵中的应用[酿酒科技,2005(9):101-1065]李志军生物燃料乙醇发展现状、问題与政策建议[中国编辑张A Study into the Potential of Producing Fuel Ethanolby Fermentation of Cassava SliceLiang Wei, Shi xiangxing( Nanchong Refining Plant, Petro China Sichuan Petrochemical Co, Ld, Nanchong Sichuan 637000)[Abstract] Researchers conducted a laboratory study into the potential of producing ethanol by fermentationide reference data for projects using sweet potato to produce fuel ethanol. Cassavaslices were crushed and used as the raw material. The material/water ratio was 1: 28. The amount of compounddded for use in saccharification accounted for 0.4% of the weight of the raw material. Ethanol wasproduced by fermentation of the raw material in the presence of yeast activating agent(produced by activatingdried yeast in 2% glucose solution in an amount of 40 times that of dried yeast at a temperature of 33C*1C)at a temperature of 35*1C. The reaction cycle was 70 hours. The alcohol content of the product pro-duced was 22% and the yield of ethanol was 48.32%.The utilization rates of Ts and VS in the raw materi-al reached 75.22% and 80.01% respectively Based on the experimental results, it is recommended that theappropriate range of material/water ratios be determined according to specific conditions during the operationand technical upgrade of a fuel ethanol production project using sweet potato as raw material. Biological activ-ity of yeast is an important factor affecting the yield of alcohol. Improvement or innovation on the biologicalactivity of yeast according to specific production conditions is necessary to develop expertise. The compositionof liquid products produced should be assayed using the gas chromatographic method. The content of residualugar in the fermentation liquor and the composition of residues from the fermentation process should also beanalyzed to prepare for the use of byproducts and the development of addition product[Keywords] cassava; fuel ethanol; yield of alcohol; material/water ratio; yeast activation; utilization rate; byproduct中国煤化工CNMHG