木薯——生物乙醇生产的新原料

木薯——生物乙醇生产的新原料段钢,许宏贤, Shetty JK(丹尼斯克·杰能科,江苏无锡,214028)摘要从全球范围来看,生物乙醇的生产导致了对农作物需求的持续增长。过去大部分农作物主要用于食品和饲料,种植规模受到隈制;现在随着生物乙醇生产对原料的需求,使农作物得到了新的应用,而种植规模的扩大将给农民带来更多的收入。木薯,在热带和亚热带,特别是在土地相对贫瘠,其他农作物产量相对较低的地区广泛种植,过去常常被当作食品和饲料。文中的经济分析和新技术的介绍表明,木暮是一种非常有竟争力的生物乙醇生产原料关键词木暮,生物乙醇,晦制剂,节能,增效从本质上讲,凡含有淀粉的农作物在酶的作用下各样的高附加值产品5n,详见图1所示。都可以转化成葡萄糖,从而可生产各类以葡萄糖为源木薯被誉为淀粉之王,按干基计算含有80%以头的生物化工产品,其中包括生物乙醇。在美国用于上的淀粉。大部分用木薯根生产淀粉的工厂由农民生物乙醇生产的主要原料是玉米,在欧洲则为小麦、建造。用木薯根生产淀粉的具体的过程包括洗涤、黑麦和大麦,在亚洲的许多地区则广泛使用玉米、高除泥和去沙去皮等一系列的洗涤和碾压,以分离纤维粲和小麦。木薯在植物分类学上属双子叶植物纲和淀粉( Dicotyledoneae)、蔷薇亚纲( rosidae)、大戟目木薯淀粉的悬浮液需用大量的水进行彻底冲洗( Euphorbiales)、大戟科( Euphorbiaceae)、木薯属离心分离,然后干燥。通常4~5t淀粉含量25%(Mnio)植物,属内有150多个种,其中仅木薯30%的新鲜木薯根可以生产出1t干淀粉。木薯淀粉( Manihot esculenta crantz)为唯一的栽培种,别名木的生产耗水量巨大,同时生产过程中产生大量的不溶蕃薯,树薯,西班牙文名为Yuca, Tapioca和Mani-性残渣如皮和浆柏,而这些残渣需要进一步处理以避oc,英文名为 Cassava.木薯及其亲缘种都是低地的免对环境的污染热带灌木,起源于热带美洲。它生长在热带和亚热在过去的5年中,全球范围乙醇市场得到了显著带,在土地相对贫瘠,其他农作物产量相对较低的地的增长,并由于下列因素的推动而有继续发展的可区种植广泛[1,0能-10。当今世界上木薯的产量已经突破2亿t,每公顷不断增长的原油和汽油价格;产量高的可达60t低的只有5t,平均水平在每公顷各国对减少进口燃料的愿望;25~30t。木薯成熟后收获期很长,可在地下储存24农村经济的发展;生产淀粉或其他产品的企业提供了保证。而另一方多当地农民组织发展更紧密产销一体化的愿个月,某些品种甚至可达36个月,这就为用新鲜木薯面,新鲜木薯也被加工成木薯干片、木薯干粒和用于舞税收的激励;饲料生产的木薯干粉。根据FAO提供的数据,木薯新能源浪潮的政治企愿;产品2005年的分布如下:非洲54%亚洲27%,拉丁投资的坚实回报;各种不同淀粉质/糖质原料生产可再生燃料美洲18%。尼日利亚和泰国是世界上最大的木薯生的能力产国。成熟的木薯通常有50%的根、30%木质茎*通过使用生物乙醇减少温室气体排放;和20%软质部分和叶子1。淀粉含量很高的根被进可再生乙醇生产能量的正平衡一步加工成木薯干片、木薯干粒、木薯淀粉以及各种He生产讨程伏化;中国煤化工第一作者:工学博士收稿日期:2008-05-09NMHG106|2o0o4No8(oa2综逵与专题评木蕃淀粉薯于片或粒直接利用木萼皮和浆液蒸煮,烧烤直接利用酒精:燃料柠檬酸干燥:木薯籽混合肥料种彰菇甜点变性淀粉乙醇:酒水,工业级或医药级乙醇乙酰化:调料、速冻食品、汤料、馅饼皮、胶水联:沙拉调料、头、青、纸张、纺织氧化:糖果、汤料、沙拉调料、纺织有机酸阳离子:纸张、纺织柠檬酸甜味剂氛基酸及其行生物葡萄糖欄精:糖果、饮料,药品、冰淇淋山梨醇:牙新赖氨酸图1木薯根高附加值产品的加工南美乙醇的生产主要在巴西,所用原料为甘蔗和糖蜜在北美美国是生物乙醇生产的推动者在过去1木薯作为乙醇生产原料的特性的几年里每年以2位数的速度增长,并且这种增长趋1.1主要生产原料的产量和成本对比势在今后的3~5年仍将保持。图2显示的是美国历如表1所示,生产生物乙醇所用的不同农作物在史上生物乙醇的产量,总体的平均年增长率在14%产量、价格、乙醇产率和副产品加工等方面有着明显左右,而近5年的年增长率达到21%。的差异。值得一提的是,过去绝大部分农作物的生产800是为了在食品/饲料行业的使用,因此并没有为了生物乙醇的生产在产量、成本、淀粉含量生产过程等方联o0oo000面进行优化。甘蔗和玉米在巴西和美国分别被作为能源作物,这是个非常好的例子。技术进步、政府支HULl持、市场发展三者的有机结合,大大促进了诸如玉米小麦、甘蔗/甜菜等农作物的产量提高和成本降低,从∮押∮φ∮押∮小小心而使源于农作物生产的生物乙醇可以在成本和产量上与漫千有沖牛产的燃料相音学,除了提高糖淀粉图2美国历史燃料乙醇产量(MLPY)的产来源;能源协会的CNMHG类似的产量增加和成本降低也是可能的,从表1可以看到,与其他主要200年第34卷第8期(菊24期)107的乙醇生产作物相比,木薯的每公顷乙醇的产量和每公顷的收入是非常具有竞争力的。表1生物乙醇主要产量和成本对比农作物产量/t;(h价格/$·t1收入/s·(hm2)-1乙醇产量/几tf乙醇产量/L,(hm2)1副产物甘蔗15~21050~150090~1006300~7500甘蔗渣,酵母甜菜76~1101824~2750玉米8.5~9.570~100595~950385~4003272~3800DDGS2.5~4.9114~118378~390945~1911谷朊粉,酵母20~6020~30400~1800160~1803200~108001.2玉米和木薯于片的对比分析,木薯作为一种备选的乙醇生产农作物,与其他凡是谷物,如玉米除含有淀粉外,还含有大量的谷物及甘蔗/糖蜜一样,有着巨大的发展空间蛋白质、脂肪和油,作为食品和动物饲料可提供大表3木薯与玉米乙醇经济性对比的营养。另一方面,如表2所示,干燥后木薯根的淀粉含量比玉米高由于淀粉含量的高低是乙醇产出高每公顷产量/t每吨作物价格/$低的决定性因素,所以与玉米相比,二者均为干物时每公顷作物收人/$相等量的木薯可以比玉米生产出更多的乙醇。因此每吨作物糖产量/kg作为能源作物,未来木薯可能比玉米有更好的经济效每公顷作物糖产量/t益。譬如说,木薯乙醇生产中副产品如DDS价值每吨作物乙醇产量几L每公顷作物乙醇产量/L提高,会吸引更多人的关注。每升乙醇原料成本/0.21表2玉米和木薯干片的对比%每升乙醇副产品收益/$组成玉米木薯干片每升乙醇生产过程费用/$分每升乙醇生产成本/S淀粉(千基)75~85每公顷土地按乙醇0.6$L的收益1,311蛋白质(干基)8~141.5~3.0脂肪(干基)灰分(干基)2木薯乙醇生产粗纤维(干基)3.0~4.0年产500万L乙醇工厂经济估算1.3木薯与玉米乙醇经济性对比如前所述,木薯乙醇生产效益最大化的办法应通如表1所示,农作物的产量随着土地情况、地理过综合措施的采用(如农作物品种改良、成分品质的位置、品种、耕作方法的不同而有所不同。表3的数提高生产过程的优化等),然而生产规模,包括工厂据是木薯与玉米乙醇生产经济性对比的典型实例。规模、土地、市场、当地经济等诸多因素对木薯生产生从表3可以看出,每公顷土地作物产出生产的乙醇收物乙醇也有着重要的影响。表4所示是以木薯为原入,木薯和玉米是非常接近的。然而,这2种作物的料年产500万L乙醇工厂的经济初步分析。值得产量和成本在很多方面是不同的,如:每公顷土地湿提的是,这种估计是在全年使用木薯的基础上进行木薯的产量比干玉米的高,而价格干玉米的比湿木薯的,然而实际上,有许多问题值得商榷。如:的高,考虑这一因素每公顷种植木薯的收入比玉米(1)工厂全年是否都使用木薯为生产原料?是少。每公顷土地作物的糖产量和相应比例的乙醇产否会使用其他原料?在进入工厂前木薯是否砍碎晒量木薯也少于玉米。然而对乙醇生产成本影响最大千;的是原材料的价格,即农作物的价格,所以木薯乙醇(2)工厂能否使用刚收获的新鲜木薯生产仍有着吸引人的前景。但如前所述,乙醇生产中(3)副产物的处理是作为动物饲料、肥料,还是副产品也对整个生产成本有影响。木薯乙醇生产的厌氧发酵;副产品DDS其营养成分低于玉米乙醇生产中的副产(4)最后,木薯乙醇工厂在经济上的可行性最终品DDGS,生产成本也高。并且木薯乙醇的生产过程取决什H中国煤化工其费用也高于玉米。然而生产过程的优化设计也许CNMHG产的经济效益应该可以使木薯乙醇生产的总成本最终低于玉米。综上不错108200yo34No8(tota248)表4年产500万L木薯乙醇工厂经济估算2.3木薯干酶法低能耗水解生产乙醇过程5×106/L木薯干片低温过程生产乙醇的研究由杰能科丹每公顷土地产量/t每吨作物价格/$尼斯克全球谷物应用实验室完成,概述如下:25每吨作物乙醇产量几L通常来讲,木薯干片含有12%~15%的水分和每公顷土地糖产量/kg67502%~5%的沙子,木薯干片经锤式粉碎机粉碎,使颗每公顷土地乙醇产量几L粒度至少50%通过30目筛。加水调浆,控制配料浓每升乙醇原料价格/$0.17每升乙醇副产品收益/S度25%~32%之间,调节pH5.5,加入耐高温a淀粉每升乙醇生产过程费用/$0.21酶(如杰能科的 SPEZYMETM Xtra,添加量0.1~每升乙醇生产成本/s0.360.25kg/MT),然后将醪液升温至70~75℃,维持1每年运行总费用/百万每年乙醇收入按0.6$L计/百万~2h至反应完全,然后降低醪液温度至30~32℃,每年种植土地需要/hm2调节pH4.2,加入糖化酶(如杰能科的 DISTIL每年作物收获量ltLASE L-400,添加量1.0kg/MT),同时添加酵母每年作物收入/百万$每公顷土地残余干生物京/t和尿素(800pg/g),发酵周期48h,发酵过程的不同每公顷土地可提供生物素能量/百万BTU时期采样,用HPLC方法进行乙醇含量测定。生产每升乙醇所提供的生物素能量/BTU375752.2木薯作为生物乙醇生产原料的分析如表1和表2中的比较和分析,木薯作为生物乙醇的生产原料非常有潜力,尤其是在东南亚和非洲如生产工序简化,并有相对较好的经济效益,农民将从生产木薯干片或木薯干粉转向生产附加值更高产品,如燃料乙醇(1-13。新鲜的木薯根通常含有30%时间h左右淀粉和5%的可发酵性糖。木薯干片含有约图3不同干物浓度对木薯干片乙醇产量的影响80%的淀粉,这一点和大米非常相似如图3所示,乙醇含量随着发酵时间的延长逐步在亚洲的一些国家许多工厂采用木薯根生产工增加在发酵72h,28%和32%千物浓度发酵醪中乙业乙醇。传统的工艺如下,木薯根通过洗涤除沙除醇浓度分别达到最大值12%和14%。泥,碾成稀浆然后过筛。浆液在耐压的蒸煮机中通过传统的酶法工艺通常采用直接或间接蒸汽对醪稀释的硫酸得到进一步水解,直到总糖浓度达到15%~17%,调节pH值以后再接人酵母发酵3~液进行加热,醪液的温度往往高于100℃,液化需在95~98℃维持90~120min,然后60℃糖化8~12h4d,采用酸法水解木薯根得到可发酵性糖生产乙醇生产葡萄糖。传统工艺能耗高,可发酵性糖在高温过的方法,一般1t木薯根可以生产70~110L纯乙醇°程中损失大,所以在乙醇生产程中,能降低整个生产以木薯根为原料生产出来的乙醇通常是工业乙醇,或成本的低能耗工艺显得十分重要和必要[2。者是用于特殊的领域如化妆品、溶剂、药品等的乙醇。以木薯根为原料生产出来的乙醇如果想食用,应该2.4鲜木薯酶法低温水解生产乙醇过程以前,鲜木薯不用于乙醇生产,主要原因是由于别注意去除其中的氢氰酸酸法水解淀粉生产葡萄糖现在已经被酶法水解黏度问题,而黏度是由于鲜木薯中除了淀粉、蛋白所替代。酶法水解是粉浆和耐高温淀粉酶混合后通和脂肪外,还含有较多的纤维、非淀粉类多聚糖和可过喷射器得到糊精,然后加入糖化酶水解成葡萄糖。发酵糖等等,水分占75%以上,因此基本上不能再高浓度的葡萄糖糖浆进一步发酵生产乙醇。与酸法向系统内添加更多的水,否则发酵出的乙醇的浓度水解相比,酶法水解有许多优点。在200年,Duan会很低。传统的工艺过程由于要在高温下进行,使得生产过程,与传统的用高浓度的葡萄糖糖浆发酵相入大的醪液难以用泵正常输送,换热器难以有效等门证明用木薯干片经高温液化后边糖化边发酵的黏中国煤化工低酶对研磨过的鲜比,发酵周期大大缩短。木薯CNMHG解酶和酵母一同发酵取得了很好的效果。200年第4卷第8(总第28)109mentation of cassava starch by Zymomonas mobilis[J].3结论NRRL E4286,2001以木薯为原料的生物乙醇生产已被提到议事日7 Ernesto del Rosario, Roberto L Wong. Conversion of程。由于全球乙醇市场的持续增长,传统用于食品和dextrinized cassava starch into ethanol using cultures of饲料的地产农作物找到新的生产应用领域。本文同Aspergillus awamori and Saccharomyces cerevisiae [J]Enzyme Microb Technol, 1984, 6: 60-64过经济分析认为,木薯是一种有竞争力的乙醇生产原8 Shetty J K, Oreste Antero, Nigel Dunn Coleman. Tech-材料木薯是一种非常有竞争力的生物乙醇生产原料,nological Advances in Ethanol Production[J]. Internation-能给种植者带来可观的经济收入。其原因是木薯种al Sugar Journal, 2005, 107: 1283植适应性强产量高,如果通过基因诱变进一步增产9 Shetty J K, Oreste Antero, Nigel Dunn Coleman. Paper和加强各种病害防治,并得到当地政府的支持,木薯Presented at International Conference on Biofuel[C]. 2005作为生物乙醇生产原料必将给当地农民增加就业机FEw Kansas City, MO, USA会和增加经济收入。但是这一切都必需建立在生物10 Leng r, Wang C, Zhang C,eta. Life cycle inventory乙醇的生产过程优化的基础上以获得更高收益and energy analysis of cassava based Fuel ethanol in Chna[J]. J Cleaner Production, 2008, 16: 374-384鲁考文献11 Zhiyuan Hua, Piqiang Tana, Gengqiang Pub. Multi-objective optimization of cassava based fuel ethanol used1 Cock, J H. Cassava, a basic energy source in the tropicsas an alternative automotive fuel in Guangxi, China[J][刀]. Science,1982,218:755~762Applied Energy, 2006, 38 : 819-8402 Duan G, Shetty jK. Novel Enzyme For Tapioca Fermen12 Du D, Hub Z, Pua G, et al. Energy efficiency and po-hol without high Temperature Cook-tentials of cassava fuel ethanol in guangxi region of Chinaing[M]. Bangkok: Proceedings of Pacific Ethanol and Bio-U]. Energy Conversion and Management, 2006, 47,1686~16993 Bellotti A C, Smith L Lapointe S L Recent advances incassava pest management[J]. Annu Rev Entomol, 199913 Nguyen T L T, Gheewala S H. Fossil energy, environ-mental and cost performance of ethanol in Thailand]. J44:343~7Cleaner Production, 2008, 16: 1 814-1 8214fao,2004,www.faostat.faoorg5 Howeler, R, 2004 Cassava Production, Trends in Cassava 14 Duan G, Xu S, Shetty J. Alcohol process from fresh cas-sava[C]. 4th European Bioethanol Meeting, DetmoldProduction[C]. Processing and Marketing Paper PresenGermany, 2008ted at TTFiTA6 Nellaiah h, Karan T, Gunasekaran P. Ethanol fer-Cassava -an Alternative Raw Material for Bioethanol ProductionDuang Gang, Xu Hongxian, Shetty JK(Danisco Genencor, Wuxi 214028, China)abSTRaCt The demand for bioethanol from agricultural raw materials has been increasing continuously.Local indigenous crops that have traditionally been grown on a limited scale for a much less demand on foodand feed will find a new application outlet in biorefineries and offer a higher economic value to the farmersFor example, Cassava, also commonly called Tapioca (Manihot )is a perennial woody shrub with an edibleroot used in food and feed formulations and grown in many parts of tropical and subtropical areas especially inplaces where the soil is relatively poor and other crop yields are low. Based on the economic estimates presented in this paper, it appears that cassava can be a competitiveof bringing in additional income offers a significant incentive to中国煤化eton. The potentialKey words Tapioca/Cassava, bioethanol, enzymes, energCNMH1102008vol34№o.8(rota248