甜菜制燃料乙醇生产工艺的研究

2010No.7160 Serial No 220China BrewingExperience Exchanges甜菜制燃料乙醇生产工艺的研究李魁,路洪义2(1河南工业大学粮油重点实验室与工程中心,河南郑州450052;2河南工业大学生物工程学院河南郑州450052)摘要:以甜菜为原料采用固定化酵母细胞发酵生产燃料乙醇。所得最佳工艺条件为培养液糖浓度为16%硫酸铵05gL磷酸二氢钾008gL,硫酸亚铁000gyL,a淀粉酶用量为Ug糖化酶用量为150Ug,发酵液适宜pH值为45,固定化凝胶颗粒填装量为50%发酵醪酒精度为12.3%v,总糖利用率9691%关键词:甜菜;固定化细胞;酒精发酵中图分类号:TQ9206文献标识码:B文章编号:0254-50712010)07-01Processing technology of fuel ethanol with sugar beetLI Kui!, LU Hongyi?(. Key Laboratory of Grain Oil and Engineering Centre in Henan University of Technology, Zhengzhou 4500522. College of Bioengineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450052, China)Abstract: Fuel ethanol was produced using sugar beet as the raw material by immobilized yeast fermentation. The optimum procedures were asfollows: concentration of sugar in medium was at 16%, and the optimum addition of inorganic salts were: ammonium 0.5 g/L, potassium dihydrogenphosphate 0.08 g/L, ferrous sulfate 0.004 g/L. addition of a-amylase was Sw/g glucoamylase 150 U/g. Adjusting pH to 4. 5 and filling rate of the gelparticles was 50%. Concentration of alcohol in fermentation broth was 12.3 %(V/v)and the utilization of total sugar was 96.91%ey words: suger beet; immobilized cells; alcoholic fermentation甜菜( Beta vulgaris)又名菾菜,属藜科( Familia固定化酵母细胞活化增殖培养基:葡萄糖20g,玉米Chenopodiaceae)甜菜属( Genus Beta).原产于欧洲西部和浆液3omL,硫酸铵0.5g,磷酸二氢钾002g,硫酸亚铁南部沿海,是除甘蔗外的一个主要糖源也是我国的主要009,0加水至100nL,常规高压灭菌后冷却吸氧备用。糖料作物之玉米浆液的制备:L水中加入30g玉米粉,加热为甜菜块根的主要化学组成成分分析表明,总糖17.3%,水(02)℃,加入a-淀粉酶液化35mim,冷却降温至(55±2)分759%纤维素、半纤维素33%果胶质23%蛋白质及其加入糖化酶糖化50min,即为玉米浆液。他含氮物质15%,灰分0.6%由于甜菜生物学产量和含糖分批发酵培养基:甜菜原浆、玉米浆液和硫酸铵用自量较高,也是目前世界新兴的、具有很大发展潜力的燃料来水配成不同浓度,升温至90℃后加入α-淀粉酶液化,然乙醇生产原料之后冷却为(50±2)℃,调pH值为35,添加果胶酶水解其中的目前,我国酒精工业多以糖蜜原料或淀粉水解液进果胶,2h后加糖化酶糖化。糖化醪经过滤、常规高压灭菌行酒精发酵本研究重点考察了固定化酵母细胞的方法,后冷却吸氧备用对影响甜菜酒精连续发酵工艺的各种因素进行了探讨,连续发酵培养基:依照分批发酵确定的最佳培养基确定了甜菜制燃料乙醇的最佳工艺技术条件并为我国配方按照分批发酵培养基制备方法制备燃料乙醇工业的发展探索出一条新路12研究方法1材料与方法1.2.l酵母菌细胞的固定化11材料将适量活性干酵母置于30℃无菌水中化开后,按比例酒精活性干酵母:“安琪牌耐高温活性干酵母;甜菜:与含有06%海藻酸钠的6%聚乙烯醇水溶液混匀,再用注由山西金利缘生物制品有限公司提供;α-淀粉酶(酶活力射器逐滴滴入含1%氯化钙的5%硼酸液中,制成直径为为20000/mL)、糖化酶酶活力为100001mL):隆大生物3mm左右的固定化凝胶颗粒,固化50min,滤出固定化凝工程有限公司生产;聚乙烯醇QPVA-124):日本进口国内胶颗粒,用生理盐水洗涤3次,浸入无菌水中备用分装;海藻酸钠(化学纯):上海市上海化学试剂站分装厂1.22固定化酵母细胞的增殖出品;无水氯化钙(分析纯):北京市北京红星化工厂出品。将固守化母细欧颗粒田无菌水浸洗5次加入中国煤化工收稿日期:201003-17作者简介:李魁1952)男教授研究方向为食品与发酵工程CNMHG8庄名扬再论美拉德反应产物与中国白酒的香和味酿酒科技,程伟沈卓崇,等,低度酱香郎酒生产工艺研究及展望0055):3438酿酒科技,20078):88-922010年第7期经验交流中国酿造总第220期4161同体积的固定化酵母活化增殖培养基,于30℃、120r/min通以糖浓度16%玉米浆液用量为30m几为固定值,设气振荡培养,13h后酵母细胞开始增殖。当培养时间至24h计硫酸铵浓度分别为0.3gL、04gL、0.5gL、0.6gL、0.7g/L时,游离酵母数为3.8×10个/mL以上,即完成增殖过程08gL的6个试验组进行酒精发酵作为硫酸铵添加量的1.2.3酒精分批发酵优选,结果见表2以分批发酵培养基对游离细胞、固定化细胞进行酒精分批发酵,发酵温度30℃,发酵时间72h。表2硫酸铵添加量对甜菜酒精发酵的影响Table 2. Effect of addition of ammonium sulphate on alcoholic1.24固定化生物催化剂酒精连续发酵fermentation with sugar beet将备好的连续发酵培养基用蠕动泵恒速输入固定化硫酸铵浓度/(gL)030405060.708物反应器中,控制发酵温度30℃,在糖化醪流加速率为蒸馏酒精度%vl16917520.1188173160165mLh、停留时间32h和稀释速率0165h条件下进行酒发酵醪酒度%vol1021312212011.7109精连续发酵。还原糖/(gL)1931861391.431.521.5713分析检测方法残总糖/(gL240237233236243245发酵醪中总糖和还原糖的测定: Lanc-Eynon法;酒精度的测定间:将三角瓶中的发酵成熟醪置于500mL蒸馏烧由表2可知硫酸铵添加量以0.5gL为宜。低于05gL瓶中,量取100mL的蒸馏水清洗3角瓶将清洗液倒入蒸时可能因氮素营养供应不足而造成酵母发酵不良;而硫酸馏烧瓶中,装上冷凝管,用100mL量筒作接受器进行蒸馏,铵添加量>0.5g/L时,可能因氮素营养过剩而引起酵母增收集馏出液100mL,控制酒温20℃,用酒精计直接读数.发殖过快发生早衰,其发酵结果亦不理想酵醪酵母细胞数的测定:血球计数板法。213硫酸铵与无机盐对固定化酵母细胞生长繁殖的影响14简要工艺流程固定化酵母细胞的生长繁殖与无机盐的添加剂量有玉米浆液、硫酸铵着密切的关系,尤其以甜菜糖为碳源的酒精发酵,适宜的甜菜→清洗→磨浆→过滤→配料→灭菌→固定化细胞发酵→蒸馏→无机盐可以补充酵母细胞所需的营养,促进其生长繁殖因此研究选定硫酸铵、磷酸二氢钾和硫酸亚铁作为试验残渣3因素。各试验因素水平见表3。饲料配料脱水、变性→燃料乙醇表3正交试验因子与水平2结果与讨论Table 3. Factor and levels of orthogonal experimental design2.1培养基配方的确定水平A硫酸铵/(g"L) B KH PO(g"L) C FesO.(g"L21l发酵液糖浓度的确定设计发酵液糖浓度分别为12%13%、14%15%000416%、17%、18%的7个试验组,进行酒精发酵。发酵结束测定发酵醪酒精度,结果见表1。根据所确定的因素与水平,选择正交表L3进行试表1发酵液不同糖浓度对酒精产率的影响验,结果见表4,方差分析见表5Table 1. Effect of concentration of sugar on yield of alcohol由表4极差数值(R)可以看出,硫酸铵的添加剂量>糖浓度%12131415161718磷酸二氢钾>硫酸亚铁,由此可知,在酵母菌的培养过程发酵醪酒精度%o0102113122120117109107中,各影响因素主次顺序为硫酸铵>磷酸二氢钾>硫蒸馏酒精度%ol961.7126139143142140酸亚铁,其最佳添加剂量分别为硫酸铵05g/L,磷酸二氢残糖/g“L)2492072092022.1223279钾008g,硫酸亚铁0001gL。由表5可知,NH)SOA、KH2POA、FeSO43因素引起的由表1可知,发酵液糖浓度为16%时酒精产率最高。发偏差平方和分别为0153、0.144和0.133,均方为0765酵液糖浓度高于16%的2个试验组,酒精产率并没有增加,0072和00665·对应的F值=7657,0、665>Fo=19,说明检测发酵醪残糖,均高于其他试验组,其原因可能是因为3因素中国煤化工显影响发酵液糖浓度高而导致发酵环境滲透压偏高、溶氧差,酵2l4CNMHG母细胞增殖速度缓慢,在限定的发酵时间内未能充分利酵母菌适宜在偏酸性环境中生长,因此,设计环境pH用糖所致。值分别为303540、45、50、55的6个试验组。环境pH值212硫酸铵添加量的确定对甜菜酒精发酵的影响见表62010No7162. Serial No 220China BrewingExperience Exchanges4正交试验结果表7固定化凝胶颗粒填装量对酒精产量的影响Table 4. Results of orthogonal designTable 7. Effect of filling rate of gel particles on yield of alcohol试验号A硫度铵/ B KH, PO. C FeSO,细胞数凝胶颗粒填装量/(g“L)(xl0个mL)蒸馏洒精度%20921.322522221.7000200038的0由表7可知,当发酵温度为30℃、固定化凝胶颗粒填装量为50%时,酒精的产量较其他试验组高。因此,固定0.0041.12化凝胶颗粒填装量应以50%为宜。23固定化酵母细胞酒精连续发酵按照最佳培养基配方将糖化醪泵入生物反应器中在糖化醪流加速率为169mL/h、停留时间为31h稀释速2.08率为0155h条件下进行酒精发酵。发酵结束后,取成熟发2.59酵醪作各项发酵指标测定,结果见表8。表8固定化酵母细胞酒精连续发酵结果30Table 8. Resuits of continuous alcoholic fermentation表5方差分析结果游离细胞数/游离细胞游离细胞醪液酒精残总糖/残还原糖(个·mL)出芽率%死亡率%度%vol(gL)(gL)Table 5. Results of variance analysis39×10163未检出13因素偏差平方和自由度均方F值显著性NH)SO40.1530076576.5显著由表8可知,研究成熟发酵醪液残余总糖和残余还原KH__ PO. 0.140072糖含量均较低,游离细胞数较常规发酵低1个数量级以上FesO0.133222200665665显著总糖利用率高达991%,充分表明了固定化酵母细胞酒误差0001精连续发酵的优点。表6环境pH值对甜菜酒精发酵的影响24聚乙烯醇(PVA)凝胶颗粒稳定性的确定Table 6. Efect of pH on alcoholic fermentation with beta vulgaris研究连续发酵30d后终止,用蒸馏水连续清洗3次固定化凝胶颗粒然后对其检査,未发现有破损现象,凝胶颗粒检测项目30354.0455055仍具有良好的机械强度。由此表明,以聚乙烯醇qPVA)为蒸馏酒度%vo17318920220519.7载体的共固定化方法是可行的。发酵醪酒度/%vol11211.712512712.011,3残还原糖/(g097093096092097096参考文献残总糖(g?272272632622692720余小军以甜菜为原料酒母长条件的研究门酸酒科技,199(4)27-28.由表6可知,醪液pH值对酒精发酵有一定影响。当醪2史淑,程大友,马凤鸣,等生物质能源作物能源甜菜的开发利用液pH值为4045时,酒精发酵效果良好,出酒率高于其3]王克明王雪筠固定化双菌种发酵乙酸的研究门中国酿造,1995他试验组。由于糖化酶的最适pH值为4045,发酵过程5):3537随即调整醪液pH值可以提髙糖化酶糖化效率。当环境pH黄祥斌于淑娟制糖工艺中的淀粉检测研究[中国甜菜糖业,201值低于或高于4045时,则不利于酵母的发酵作用,产(4):1-32酒率较低[5]孙长平段钢.酒精工业中的新型酶制剂及其应用技术酿酒22固定化酵母细胞凝胶颗粒填装量的确定2007,34:73-80.设计酵母菌固定化凝胶颗粒填装量为30%[6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,200450%、60%、70%的5个试验组。发酵温度30℃,发酵时间72h,闭结果见表7。中国煤化工sbCNMHG《中国酿造》2009年被评为中国科技核心期刊