甜高梁秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝研究

2008No.144· Serial No.178China BrewingResearch Report甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝研究董永勝,劉同軍(山東輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,山東濟南250353)摘要:利用選育的酎酸耐高溫酵母Q-10,采用甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。當接種量為5%發(fā)酵溫度34℃、發(fā)酵起始pH40糖化酶和纖維素酶用量分別為0Ug原料和20U/g原料發(fā)酵周期4d時(shí),乙醇產(chǎn)量達到65%v),小試試驗乙醇產(chǎn)量達到64%WV),工業(yè)試驗乙醇產(chǎn)量達到60%(vV)關(guān)鍵詞:甜高粱秸稈:圉態(tài)發(fā)酵:燃料乙醇中圖分類(lèi)號:TS2622文獻標識碼:A文章編號:02545071(200801-00403Study on fuel ethanol production by solid-state fermentation of sorgo strawDONG Yongsheng, LIU Tongjun(Shandong Institute of Light Industry, Jinan 250353, China)Abstract: In this paper, an acid-resistant and high-temperature resistant yeast strain was used to solid-state fermentation (SSF)for fuel ethanol byusing sorgo straws as material. The optimal SSF conditions by using sorgo straw powder were 4.0 of initial pH, 34C of fermentation temperature, 5%of yeast application amount, 4 d of fermentation period, dosage of saccharification power was 50u per gram raw material and dosage of cellulase was20 U per gram raw material. on these conditions, ethanol concentration in medium reached 6. 5%. In small-scale production, ethanol concentrationreached 6.4% and in industrial production, ethanol concentration reached 6.0%Key words: sorgo straw: solid-state fermentation: fuel ethanol甜高粱是近年來(lái)一種新興的糖料作物、飼料作物和能率;蒸餾后的酒糟中含有纖維素脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸等源作物。甜高粱的適應性較高,一般在比較貧瘠的土地上物質(zhì),可作動(dòng)物飼料,徹底解決乙醇發(fā)酵過(guò)程中的污染問(wèn)都有較高的產(chǎn)量每公頃產(chǎn)鮮莖稈6090,比玉米高出05~題做到乙醇工業(yè)的清潔生產(chǎn)網(wǎng)。1.0倍,其莖稈中含汁量為60%-80%,汁液的糖度為10%~1材料與方法209%,汁液中溶有蔗糖、葡萄糖、果糖等糖份,還有淀粉、1.試驗材料果膠、有機酸、樹(shù)膠等非糖分以及細碎的殘渣、臘質(zhì)物、色1.1.1原料素等。甜高粱作為能源作物是在世界能源緊缺,尤其是甜高粱秸稈的水分含量為658%;總糖含量為122%石油資源面臨枯竭的形勢下提出的。甜高粱莖稈中含有1.1.2菌株的糖分,可以通過(guò)酵母發(fā)酵成酒精,再經(jīng)蒸餾得到無(wú)水乙Q-10酵母菌:山東輕工業(yè)學(xué)院菌種保藏中心選育。醇,即可混合到汽油中成為汽車(chē)燃料,是一種非常理想的1.1.3固態(tài)發(fā)酵培養基再生和代糧能源作物。甜高粲秸稈粉100%,QNH)SO0.5%酵母膏0.2%,美國、巴西等國都開(kāi)展了培育和種植甜高粱及其生產(chǎn)蛋白胨05%,均勻混合在005MPa下滅菌30min。降溫燃料乙醇方面的研究與開(kāi)發(fā)。我國也開(kāi)始了以甜高粱秸至34℃備用。稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研究和中試引。12測定方法目前甜高粱秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的研究集中于液態(tài)發(fā)酒精度測定:蒸餾法酵法,而固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的可行性研究和報道極少。甜總糖、還原糖測定:藍·愛(ài)農法糖度計法。高粱秸稈液態(tài)生產(chǎn)乙醇的方法主要是將高粱秸稈壓汁后,酸度測定:酸堿滴定法、精密pH試紙。用汁液直接進(jìn)行液體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇此法每公頃可產(chǎn)乙醇1,3試驗方法375t6。液態(tài)發(fā)酵法的廢液治理難度較大因受收獲季131甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵節的影響,壓榨的汁液貯存成本高,從而可能導致生產(chǎn)難將斜面活化的Q-10酵母菌接種到麥芽汁培養液中,以連續;且秸稈利用不充分圓。若采用固態(tài)發(fā)酵發(fā)酵生產(chǎn)32℃培養16h后,接入到005MPa滅菌30min后降溫的固受收獲季節的影響就較小,進(jìn)行大規模的生產(chǎn)就可能成態(tài)發(fā)酵培養基中進(jìn)行發(fā)酵。分別確定固態(tài)發(fā)酵的酵母菌功。在固態(tài)發(fā)酵中,甜高粱秸稈經(jīng)過(guò)粉碎可直接發(fā)酵,其用在發(fā)酵過(guò)程中既作原料,又作填充劑;并可在纖維素酶的維中國煤化立值、糖化酶用量和纖作用下,將纖維素可降解為葡萄糖,從而提高原料的利用1.3CNMHG收稿日期:2007-1015作者簡(jiǎn)介:董永勝964),男山東臨胸人,副教授,研究方向為現代釀酒技術(shù)中國釀造2008年第1期研究報告總第178期·45·根據單因素實(shí)驗結果以發(fā)酵時(shí)間(A)發(fā)酵溫度(B)、23發(fā)酵時(shí)間對乙醇產(chǎn)量的影響(見(jiàn)圖2)初始pH值(C)、酵母接種量(D)為乙醇產(chǎn)率的影響因子測定對乙醇發(fā)酵的影響采用L43)正交試驗因素水平設計見(jiàn)表1,試驗結果見(jiàn)表5。表1優(yōu)化甜高梁秸稈固態(tài)發(fā)酵條件L3正交試驗因素水平的設計Table 1. Factors and levels of ortnal test水平發(fā)酵時(shí)間發(fā)酵溫度初始值酵母接種敏%0245酵時(shí)間/d圖2發(fā)酵時(shí)間對乙醇產(chǎn)量的影響1.3.3甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)試驗Figure 2. Effects of fermentation time on ethanol yield按優(yōu)化實(shí)驗得出的工藝條件,在固態(tài)培養基中加入在32℃下培養16h的Q10酵母菌液以及糖化酶和纖維素由圖2可知發(fā)酵的前3d乙醇的產(chǎn)量增長(cháng)較快,發(fā)酵酶以乙酸調pH值為40,在34℃發(fā)酵時(shí)間4d。測定酒醅的第4d乙醇濃度達到最高值55%在其后的4d6d內乙醇產(chǎn)量沒(méi)有增長(cháng),酵母的發(fā)酵基本上停止。因為高粱秸稈中乙醇的含量。中含有雙糖和單糖,酵母不需經(jīng)過(guò)糖化就可直接把糖分解2結果與討論為乙醇但在固態(tài)發(fā)酵中,酵母可利用的糖包含于高粱秸2.1酵母菌接種量的確定表2Q10酵母接種量對高粱秸稈粉發(fā)酵的影稈組織間酵母的利用需要一定的傳質(zhì)過(guò)程并不如液態(tài)Table 2. Effects of yeast Q-10 inoculum on ethanol yield發(fā)酵過(guò)程那樣迅速猛烈但也比淀粉質(zhì)固態(tài)發(fā)酵速度快。接種量%乙醇產(chǎn)率%v)殘余還原糖%24初始pH值對乙醇產(chǎn)量的影響(見(jiàn)圖3)由表2表明隨著(zhù)Q-10酵母菌添加量的增加,乙醇產(chǎn)量也增加,但不很明顯,為了抑制雜菌生長(cháng)、提高發(fā)酵速度,試驗中選取酵母添加量為5%22發(fā)酵溫度對乙醇產(chǎn)量的影響(見(jiàn)圖1)2.533.54455pH值圖3pH值對乙醇產(chǎn)量的影令>8咖如55Figure 3. Effects of pH on ethanol yield由圖3可知,當培養基的初始pH值<30時(shí),酵母的乙醇發(fā)酵能力受到明顯的抑制:當pH值為30時(shí),乙醇產(chǎn)量就達到較高值約為最高值的909%;當p值為40時(shí)乙醇產(chǎn)量達到最高值,此后隨pH值上升到5.0,乙醇的產(chǎn)發(fā)酵溫度C量變化不大,說(shuō)明Q-10酵母菌具有一定的耐酸性及適應圖1發(fā)酵溫度對乙醇產(chǎn)量的影響弱酸的環(huán)境其適宜的發(fā)酵pH值為40-50Figure 1. Effects of fermentation temperature on ethanol yield25糖化酶用量的確定由圖1可知,利用耐高溫Q-10酵母菌進(jìn)行甜高粱秸表3糖化酶用量對乙醇產(chǎn)量的影響稈固態(tài)發(fā)酵時(shí),在3℃~38℃產(chǎn)乙醇的量基本上是相同的Table 3. Effects of glucoamylase concentration on ethanol yield因為Q-10酵母菌是經(jīng)過(guò)高溫馴化而選育出來(lái)的,其在dh中國煤化工加量(U·g原料)38℃的高溫下也能進(jìn)行正常的乙醇發(fā)酵;低于30°℃時(shí)酵母的活性略低其生長(cháng)繁殖較緩慢,形成乙醇的速度也較緩CNMHG 6.26.26.2慢。而當溫度高于38℃時(shí),酵母的衰老加快,發(fā)酵能力降由表3可以看出,甜高粱秸稈中含有的淀粉對乙醇產(chǎn)低,導致了乙醇產(chǎn)量的減少。量的影響。發(fā)酵結束時(shí),乙醇產(chǎn)量最大增加了0.7%,增加·46· Serial No.178China BrewingResearch Report率為12.7%,由此確定糖化酶的用量為50U/g原料28甜高梁秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的小試結果2.6纖維素酶用量的確定在密封及保溫良好的發(fā)酵缸內(φ300cmx300cm,20L表4纖維素酶添加量對乙醇產(chǎn)量的影響進(jìn)行固態(tài)乙醇發(fā)酵(環(huán)境溫度22℃)。配料:甜高粱秸稈Table 4. Effects of cellulase concentration on ethanol yield纖維素酶量(U·g原料)粉10kg,005MPa蒸煮30min,降溫到34℃,加已活化的1020304050Q-10酵母菌培養液500mL、糖化酶液200mL和纖維素酶醉產(chǎn)量%(w)55-5758585858液260mL。調pH值為40,入缸發(fā)酵4d。測得發(fā)酵酒醅中由表4可知,隨著(zhù)纖維素酶量的增加,乙醇產(chǎn)率也隨的各項指標(表6)。計算可得甜高粱秸稈中的糖類(lèi)的利用之增加,但增加幅度并不很大,當纖維素酶添加量為20U/g率為87.8%原料時(shí),乙醇產(chǎn)量不再增加,此時(shí)乙醇產(chǎn)量增加了03%表6甜高梁秸稈粉的固態(tài)發(fā)酵結果提高了55%由此可估算出纖維素的水解率不足10%由于固態(tài)基質(zhì)中纖維素結構的難分解性和在固態(tài)發(fā)酵中酶T6mp分乙醇含量%(wv)酸度%殘還原糖%殘總糖%11020活性降低(纖維素酶的最適溫度為50℃左右,而固態(tài)基質(zhì)的發(fā)酵溫度卻低于40℃),以及纖維素酶糖化過(guò)程中的生29甜高采秸稈國態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工廠(chǎng)試驗成物纖維二糖和葡萄糖的抑制作用,導致了用纖維素酶糖甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝參數為每池原化纖維素時(shí)的速度緩慢以及水解率低,故乙醇產(chǎn)量的增加料量360g左右、蒸煮時(shí)間30mim酵母菌用量160L糖并不十分明顯化酶乳液64L、纖維素酶乳液85L、入池糖度13Bx左右、27固態(tài)發(fā)酵工藝條件優(yōu)化結果入池水分70%左右、調入池酸度為05入池溫度20℃、發(fā)酵甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵正交試驗L(3)的結果及分周期4d.其工藝流程析見(jiàn)表5。酵母和酶液表5Q-10酵母菌株固態(tài)發(fā)酵條件L(3)正交試驗的結果與分析甜高粱秸稈→粉碎→蒸煮殺菌→降溫混合→發(fā)酵→蒸灑→粗酒精→Table 5. L,(3) orthogonal test and analysis for solid-state精餾→灑精試驗號ABCD乙醇產(chǎn)量%(v/)表7固態(tài)發(fā)酵乙醇的工廠(chǎng)試驗結果Table 7. Industrial solid-state fermentation for ethanol production2乙醇含量%(vV)出池酸度%出池水分%殘還原糖量%2由表7可以看出:由于鮮高粱秸稈含水分較高,發(fā)酵結束時(shí)酒醅的水分高達75%左右,對可發(fā)酵糖的利用有一定的促進(jìn)作用酸度在發(fā)酵結束時(shí)也有較大的升幅這14513.7140146對提高乙醇的產(chǎn)量有一定的負面作用。K215.1151152147發(fā)酵酒醅中乙醇濃度平均為60%,比實(shí)驗室小試的K314615415014964%低04%,即乙醇產(chǎn)量下降了67%。說(shuō)明同實(shí)驗室的實(shí)k25033503350674900驗條件相比,工廠(chǎng)化的生產(chǎn)由于不采用高溫蒸煮過(guò)程、原k48675.13350004967料降溫未用無(wú)菌空氣而難以做到無(wú)菌狀態(tài)以及起始溫度0.200056604000.100較低都引起產(chǎn)酸細菌繁殖而導致發(fā)酵基質(zhì)中的酸度升幅由表5比較極差R的大小可知發(fā)酵溫度對乙醇產(chǎn)量大,消耗了部分的糖分而影響了乙醇的產(chǎn)量:同時(shí)在發(fā)酵后期酒醅的酸度較高,且含有一定數量的低分子脂肪的影響最大其次為初始pH值其他因素影響較小。大規酸,它們對酵母的發(fā)酵形成一定的抑制作用使乙醇產(chǎn)量模生產(chǎn)則應采取以較低起始溫度的方法控制發(fā)酵溫度。降低。據試驗結果可計算出甜高粱秸稈中糖類(lèi)的利用率甜高粱秸稈粉固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的最佳工藝條件為發(fā)酵為825溫度3℃,起始pH值為40,發(fā)酵時(shí)間4dQ-10酵母菌接3結中國煤化工種量為5%CNMHG的工藝條件為發(fā)酵溫按優(yōu)化試驗的條件在固態(tài)發(fā)酵培養基中加入糖化酶度34,起始pH值為40,發(fā)酵時(shí)間4,Q-10酵母接種量5Ug原料和纖維素酶20Uυ/g原料,在發(fā)酵時(shí)間4d時(shí),乙為5%。試驗說(shuō)明甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇在工醇產(chǎn)量達到65%(v)(下轉第71頁(yè))經(jīng)驗交流中國釀造2008年第1期總第178期71采用快速發(fā)酵法使蛋白質(zhì)等大分子進(jìn)行快速分解。際生產(chǎn)中該樣本的淋油狀況及醬油產(chǎn)量。即發(fā)酵樣本濾過(guò)分解完全結束后濾出一些醬汁將快速發(fā)酵的醬醪300mL,速度快、濾出體積較大的醬油產(chǎn)量更高。用中速濾紙在同比條件下過(guò)濾,孫后測量濾過(guò)體積,并3.3菌種香型的對比分析計算濾出氨基酸態(tài)氮含量,結果見(jiàn)表5。由表3可知So2大曲的香型中除曲香外,兼有淡淡的表5不同比例混合發(fā)酵過(guò)濾試驗結果麥香、甜香及鳥(niǎo)苷酸味,沒(méi)有參照菌滬釀3042的濁味,風(fēng)Table 5. Results of filter tests for double-strain fermentation味愉悅;Ni2"大曲的香型一般,但其不良氣味很弱,具有濃inoculated at different mixture ratio郁的鮮蘑菇味。二者以適當的比例進(jìn)行混合發(fā)酵,可以掩蓋試驗號濾過(guò)體積mL濾出氦基酸態(tài)氮量/g惡味,并相互調和,其氨基酸的生成率以及醬油的香氣類(lèi)0.926型都好于滬釀3042參照菌,有利于提升醬油制品的風(fēng)味。754055500034混合發(fā)酵結果分析0.742由表4和表5可知,So2和Ni2菌種混合比例為0.83682時(shí),發(fā)酵樣本的濾過(guò)體積濾出氨基酸態(tài)氮都可以達11241246到較高水平。說(shuō)明2株菌種的促淋作用、雙曲混合發(fā)酵互補作用,分解作用等各項指標達到最高水平4結果062541原料配比中確立榛子蛋白粕與麩皮的比例為7:3,配3結果與分析方中可用10%的淀粉代替部分麩皮3.1原料配比的確定42綜合試驗結果確定So2"、Ni》"菌株混合比例為8:2共采用3種原料配比、選用固態(tài)發(fā)酵法進(jìn)行試驗,由表同發(fā)酵生產(chǎn)的榛子蛋白粕醬油風(fēng)味最佳。1可知,采用榛子蛋白粕與麩皮比例為7:3生產(chǎn)的醬油氨基酸含量較高。在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中,醅料有一定的通透性,參考文獻:有利于發(fā)酵的順利進(jìn)行如果蛋白質(zhì)原料過(guò)高麩皮量]李秀霞,翟登零,張海洋榛子的繁殖技術(shù)中國野生植物資源,少,影響通透性,導致醅溫過(guò)高,影響酶的活性,容易使氨2000(4):51-52基酸發(fā)生羥氨反應,造成氨基酸的損失。[2]邵則夏,陸斌,黃汝昌等.榛子的開(kāi)發(fā)利用門(mén)中國野生植物資源,1997(1):13-15.32菌種的優(yōu)選[3]劉景圣,鄭鴻雁,袁嬡,等.超臨界CO2萃取榛子油工藝條件的研究由表2和表3可知,So2“和N2菌種效果比較明顯[食品科學(xué)2003(8):96-98其制品氨基酸態(tài)氮含量高、發(fā)酵樣本濾過(guò)體積較大。相同1孟額華護酸302米曲霉的純化復牡中國調味品,2017:18投料量的發(fā)酵樣本,濾出全氮、氨基酸態(tài)氮越高,其蛋白5]林祖申紅曲的生產(chǎn)方法及其在調味品生產(chǎn)中的應用中國酸造質(zhì)原料利用率越高。發(fā)酵樣本的濾過(guò)試驗可間接反映實(shí)005(10):l5-17(上接第46頁(yè))藝上是可行的,其生產(chǎn)工藝同普通白酒相同,白酒廠(chǎng)可在Brazil[C] World Fuel Ethanol Congress, 2001: 56.不改變生產(chǎn)條件的情況下利用原有的生產(chǎn)設備即可生產(chǎn);阿4王艷秋,等甜高粱的用途及其發(fā)展前景[雜糧作物,2004,24同時(shí)蒸餾后的酒糟中含有纖維素、脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸等(1):55-56物質(zhì),可加工生產(chǎn)動(dòng)物飼料,也可再添加部分營(yíng)養物質(zhì)進(jìn)康志河,等發(fā)展甜高梁生產(chǎn),開(kāi)創(chuàng )能源農業(yè)新時(shí)代門(mén)中國農學(xué)通報,行培養以獲得高蛋白飼料,以解決燃料乙醇生產(chǎn)的污染問(wèn)2005,21(1):340342.題,做到乙醇的清潔生產(chǎn)[6鄒劍秋等新型綠色可再生能源作物一甜高粱及其育種策略門(mén)雜糧作物,2003(3):134-135參考文獻門(mén)耿曙光荊忠勝張興華影響酒精酵母產(chǎn)生乙醉耐性的因素門(mén)中國[黎大爵甜尚粱可甜高粱持續農業(yè)生態(tài)系統研究[中國農業(yè)科學(xué),酸造,2004,138(9):8-10.2002,35(8):1021-10248]蘇中國煤化工操作參數對秸桿固態(tài)發(fā)酵2]白志禮.農業(yè)科技與西部農業(yè)可持續發(fā)展戰略[中國農業(yè)科技CNMH導報,2000,2(4):23-28訂步研究[酸酒,2002,29I CORR L C Status of large scale production and use of fuel ethanol in[1o]天津輕工業(yè)學(xué)院等工業(yè)發(fā)酵分析M中國輕工業(yè)出版社,20:161