甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇的研究

釀酒科技200年第7期(總第181期) LIQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No.7(Tol181)甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇的研究金花,侯霖',劉一清,陸國軍,陸軍’,樸敬惠',古方成,李洪來(lái)2,樊孝印2,高雷2(1吉林省輕工業(yè)設計研究院,吉林長(cháng)春130021;2吉林沱牌農產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有限公司,吉林吉林132101)摘要:對甜高梁莖稈原料生產(chǎn)燃料乙醇的工藝條件、殘渣綜合利用等進(jìn)行了研究,確定了甜高粱莖稈汁液發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的最佳工藝條件:高梁汁錘度為20Bx(糖度17.8%)接種量為10%pH值4.5、發(fā)酵時(shí)間48h,發(fā)酵醪的酒精濃度可達10.2%以上,殘糖1%以下。關(guān)鍵詞:燃料乙醇;甜高梁莖稈;發(fā)酵中圖分類(lèi)號:TS2622;TS2614;TS2612文獻標識碼:A文章編號: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能源危機是當今社會(huì )發(fā)展面臨的巨大挑戰之一,中甜高粱。通過(guò)對甜高粱的加工與綜合利用,基本上不產(chǎn)生國人口眾多,以糧食作物為原料生產(chǎn)燃料乙醇,必將受到廢棄物,從而形成一個(gè)良性的循環(huán)體系,不但提高了生產(chǎn)糧食安全的威脅。國家發(fā)改委公布的可再生能源中長(cháng)期附加值,而且降低了燃料乙醇生產(chǎn)成本。既能保證我國的發(fā)展規劃到2010年,中國的可再生能源在能源消費中的能源安全和糧食安全,又可以實(shí)現燃料乙醇的加工生產(chǎn)比重可望達到10%,2020年的發(fā)展目標為15%。在規劃不與人爭糧,不與糧爭地,不與牲畜爭飼料,不與其他產(chǎn)中提出非糧燃料乙醇為主的發(fā)展政策,而且明確了受糧業(yè)爭原料,同時(shí)還對促進(jìn)農民增收,加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,確食產(chǎn)量和耕地資源制約,今后主要鼓勵以甜高梁莖稈、薯保能源永續利用有著(zhù)十分重要的意義類(lèi)作物等非糧生物質(zhì)為原料的燃料乙醇生產(chǎn)。目前,我國1材料與方法以糧食為原料的燃料乙醇產(chǎn)量可達到150萬(wàn)t,從2007年開(kāi)始,為穩定糧食價(jià)格和糧食安全,以玉米為原料的燃1.1材料料乙醇不再新批項目。2007年下半年開(kāi)始,全球農產(chǎn)品1.11原料價(jià)格大幅度上漲,在國內因糧食價(jià)格的“恢復性上漲”等醇甜1號:種植于松源,是國家“863成果-醇甜系因素,物價(jià)水平已被推高至10余年來(lái)的新高,因此,減少列”品種之一。1用糧食生產(chǎn)燃料乙醇,加大非糧乙醇生產(chǎn)成為我國燃料九甜梁二號:吉林市農科院培育,種植于吉林市。乙醇發(fā)展的方向。吉甜四號、吉甜五號:吉林省農科院培育,種植于公利用適合在鹽堿地種植的可再生能源經(jīng)濟作物甜高主嶺市梁莖稈中的糖汁生產(chǎn)燃料乙醇作為石油的代用品,籽粒1.1.2菌種作為糧食,榨汁后的殘渣用于造紙或生物飼料用以飼養牛羊,牛羊產(chǎn)生的糞便用以還田,改善士壤的質(zhì)量來(lái)種植能力強H曾中國煤化工篩選,選擇酒精發(fā)醉CNMHG基金項目:科技部農業(yè)科技成果轉化項目(200028100);吉林省科技計劃支撐項目收稿日期:2009-05-05作者簡(jiǎn)介:金花(1968-),女,碩士研究生,研究員,一直從事生物質(zhì)能源的研究工作,發(fā)表論文10余篇17釀酒科技2009年第7期(總第181期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No.7(ToLl81)11.3酶制劑221不同酵母菌種對高粱汁酒精發(fā)酵的影響糖化酶:江蘇宏達酶制劑廠(chǎng),酶活力100000U/mI在相同的試驗條件下,不同的菌株發(fā)酵力不同。本液化酶:NOvo公司生產(chǎn),酶活力35000U/mL。試驗選用的4株酵母菌株,在錘度為20Bx(糖濃度為114主要設備及儀器17:8%)的甜高粱汁液中進(jìn)行發(fā)酵試驗,結果見(jiàn)圖1。HHB11.500型電熱恒溫培養箱(型號:HH.B11.500;815「口酒精濃度()功率:600W);高壓滅菌鍋(型號:CRDX-280;功率■殘糖(%2kW;電壓:AC220V);往復式搖床;酒精計(標準溫度20℃、上海醫用儀表廠(chǎng));三輥式壓榨機(型號:T-305),產(chǎn)量:300kg/d;YZl48×160型壓榨機,日處理甜高粱莖稈9t。12分析方法Y-1Y-2Y-3Y-41.2.1酒精度的測定取出100mL成熟發(fā)酵液于蒸餾瓶中,加入100mL圖1不同菌種對甜高粱汁發(fā)酵的影響蒸餾水,蒸餾出100mL溶液,用酒精計(標溫20℃)測酒由圖1可知,所選的4株酵母菌對高粱汁發(fā)酵的精度。影響差異不大,Y-1菌株產(chǎn)酒精優(yōu)于其他菌種,當錘1.22還原糖測定度為20·Bx(糖度17.8%)時(shí),發(fā)酵液最終酒精濃度達采用斐林試劑滴定法,取發(fā)酵液10mL加入盛有斐102%vol,以下試驗均以Y-1菌株作為試驗菌株。林甲乙液各5mL和水20mL的三角瓶中,測定發(fā)酵液22甜高梁汁的不同濃度對發(fā)酵的影響的殘還糖含量。發(fā)酵液的濃度對酵母菌株產(chǎn)酒精的速度和產(chǎn)酒精量2結果與討論都有影響。以Y-1作為試驗菌株進(jìn)行不同底物濃度的發(fā)2.1發(fā)酵條件酵試驗,結果見(jiàn)圖2(每個(gè)數據為平行樣的平均值)2.1.1原料滅菌e15「口酒精濃度()滅菌的方法有加熱滅菌和添加防腐劑兩種,本試驗■殘糖(%)采用加熱滅菌法,使用高壓滅菌鍋對甜高粱莖稈汁液進(jìn)行滅菌2.1.2無(wú)機鹽的選擇在發(fā)酵過(guò)程中添加營(yíng)養鹽可以改善酵母的生長(cháng)環(huán)境,增加營(yíng)養,達到促進(jìn)發(fā)酵的目的。本實(shí)驗選擇無(wú)機氮16NH)sSO4作為發(fā)酵試驗的氮源。糖錘度("Bx)2.1.3反應器轉速的控制圖2不同濃度的甜高梁汁對發(fā)酵的影響發(fā)酵器皿的轉動(dòng)主要目的是為了增加酵母菌與發(fā)由圖2可知錘度在16~22Bx之間,發(fā)酵液中的酵原料間的接觸面積,同時(shí)提供充足的溶解氧。轉速酒精含量隨著(zhù)底物糖濃度的增加而增加。而當錘度大于過(guò)低,發(fā)酵時(shí)間延長(cháng),發(fā)酵不充分;轉速過(guò)高,易使發(fā)25Bx時(shí),發(fā)酵液中的酒精含量下降。這是由于發(fā)酵液中酵產(chǎn)物酒精揮發(fā),過(guò)高的溶解氧濃度影響發(fā)酵的進(jìn)糖汁錘度過(guò)高,其滲透壓也高酵母菌體細胞在高滲透壓行,使酒精發(fā)酵失敗,形成其他酸類(lèi)產(chǎn)物等。本試驗選的發(fā)酵液中生長(cháng)和代謝都會(huì )受到抑制,引起酵母細胞的定150rmin為試驗通風(fēng)培養階段的轉速,發(fā)酵階段轉損傷,從而使發(fā)酵液中酵母數量減少,死亡率高,影響最速選定為100rmin終發(fā)酵的效果。選擇初始錘度為20Bx。22試驗條件223不同接種量對甜高粱汁發(fā)酵的影響試驗條件選擇不同的接種量、不同糖汁濃度、置于不在發(fā)酵中接種量至關(guān)重要,選用錘度為20Bx(糖度同的溫度條件下進(jìn)行發(fā)酵。將盛有發(fā)酵液的500mL三中國煤化工%10%15%的接種量角瓶置于搖床中振蕩發(fā)酵,溫度控制在30℃,轉速為進(jìn)100r/min進(jìn)行12h通風(fēng)培養,之后進(jìn)行48h厭氧發(fā)酵。CNMHG致科黑呼及斷骨權人影響。接種量過(guò)小時(shí),由于發(fā)酵結束后測定發(fā)酵醪的酒精含量及殘還原糖。酵母數量不足,酒精產(chǎn)量少,發(fā)酵不徹底,殘糖高,并且酵金花,侯霖,劉一清陸國軍,陸軍,樸敬患,古方成,李洪來(lái),樊孝印,高雷·甜高梁莖稈生產(chǎn)燃杵乙醇的研究口酒精濃度(%)糖的濃度低時(shí),糖化酶作用的底物濃度較低,糖化酶■殘糖(%)的水解作用有限;但在高糖濃度下,底物濃度提高,糖化酶可以把部分底物雙糖降解為單糖,促進(jìn)了發(fā)酵的進(jìn)行。此試驗說(shuō)明,可以根據甜高粱汁原料糖含量的不同,選擇不同的工藝。在甜高粱汁錘度高于22Bx時(shí),加入糖化酶以促進(jìn)雙糖的水解,糖汁發(fā)酵的效果會(huì )更好。接種量(%)2.26防腐劑及冷凍法對甜高粱汁發(fā)酵的影響圖3不同接種量對甜高梁汁發(fā)酵的影響在甜高粱汁液制取燃料乙醇的技術(shù)中,原料的貯藏母易老化醪液易染雜菌;而接種量過(guò)大時(shí),由于酵母的問(wèn)題尚未得到很好解決,原料的保存已成為制約該技術(shù)數量較多需要更多的溶氧及糖大量的酵母生長(cháng)消耗了發(fā)展的瓶頸。只有解決了保藏問(wèn)題,才能延長(cháng)甜高粱汁制大部分糖分雖然發(fā)酵時(shí)間可以縮短,但發(fā)酵液中的酒精取乙醇的生產(chǎn)周期提高設備利用率使甜高梁汁液制取含量會(huì )隨接種量增大而下降由試驗結果可知,在接種量乙醇更具有經(jīng)濟性為10%時(shí),酵母活性較高,發(fā)酵效果較好。因此,10%接目前貯藏甜高粱莖稈的方法有將莖稈去葉切成短段種量為最佳條件。冷藏、用塑料薄膜覆蓋并充以二氧化硫貯藏等。而關(guān)于高224不同初始pH值對甜高粱汁發(fā)酵的影響粱汁貯存的研究報道不多,據國外報道:將高粱汁濃縮至pH值在酵母的生長(cháng)及發(fā)酵中都起著(zhù)重要作用,p66Bx后就可以貯存較長(cháng)時(shí)間但該方法耗能大很難在值主要通過(guò)影響菌株的生長(cháng)條件、產(chǎn)酶能力及酶活力等生產(chǎn)中應用;此外還有冷凍保藏法及加入防腐劑法網(wǎng)。來(lái)影響發(fā)酵。由于酵母菌發(fā)酵的最適pH值是40~55,根據食品防腐保鮮原理,本實(shí)驗探討了加入適量的針對高梁汁發(fā)酵試驗,在此范圍內選擇了4個(gè)不同的初苯甲酸鈉對20Bx的甜高粱汁酒精發(fā)酵的影響。對照組始pH值,即404550和55;利用錘度20Bx(糖濃度不加防腐劑,則1個(gè)月后糖汁霉變。試驗組分別加人了17.8%)的甜高粱汁進(jìn)行發(fā)酵,結果見(jiàn)圖4(為平均值)。01%~0.2%苯甲酸鈉,冷藏1個(gè)月后進(jìn)行發(fā)酵試驗,結果見(jiàn)表1。象15「口酒精濃度(%)■殘糖(%)表1防腐劑對甜高粱汁發(fā)酵的影響防腐劑加量(%)酒精含量(%)殘糖(%)CO的量(g)0.100.10130.150.20從表1結果可以看出,防腐劑對抑制微生物在甜高圖4不同初始pH值對甜高粱汁發(fā)酵的影響粱汁中的生長(cháng)和繁殖有一定的效果,對甜高粱汁起到了保藏作用,莖稈汁液中加入0.1%以上苯甲酸鈉,在室溫從圖4可看出,糖汁發(fā)酵初始pH值4050時(shí),酒下沒(méi)有霉變,莖稈汁液至少可貯存30d但是對添加苯甲精含量逐漸升高,當糖汁發(fā)酵初始pH值大于50時(shí),酒酸鈉貯存的甜高粱汁及對照組進(jìn)行發(fā)酵試驗結果表明精含量逐漸下降。因此,發(fā)酵初始pH值為4.5最好,而加入了0.1%以上苯甲酸鈉,雖然抑制了雜菌,但也抑制且甜高粱汁液的自然pH在43左右,不需調pH,可降了酵母菌的生長(cháng)繁殖酒精發(fā)酵不能正常進(jìn)行,故采用此低成本。方法保存甜高粱汁液不可行。2.2.5添加糖化酶對甜高粱汁酒精發(fā)酵的影響為了解決甜高粱汁的保藏問(wèn)題,又對甜高粱汁液進(jìn)為了使酵母菌更好地利用甜高粱汁中的各種糖,進(jìn)行冷凍處理在-18℃的條件下保存2個(gè)月解凍后進(jìn)行行了添加糖化酶的試驗(每個(gè)數據為平行樣的平均值),酒精發(fā)酵試驗(錘度20·Bx),其他條件與上述試驗相同,糖化酶的作用并不明顯,甜高粱莖汁中不僅含有大量的結果見(jiàn)圖5。蔗糖,還含有一定量的葡萄糖和果糖,酵母菌可以先利rV山中國煤化工可以保存高粱汁同時(shí)用葡萄糖進(jìn)行繁殖及提前進(jìn)入發(fā)酵期,而汁液中的蔗糖這種CNMHG影響,因此汁液解凍則隨著(zhù)發(fā)酵的進(jìn)行因酸度增大,蔗糖水解成葡萄糖進(jìn)而后可以正常進(jìn)行酒精發(fā)酵;發(fā)酵結束時(shí)冷凍與非冷凍樣被酵母利用。品的發(fā)酵液中酒精含量相差不大。為原料的保存提供了釀酒科技2009年第7期(總第181期) LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY200No.7Tol81)15|口酒精濃度(%)大降低乙醇原料成本帶來(lái)的風(fēng)險?！鰵執?%)232殘纖維渣作飼料采取對殘渣纖維進(jìn)行處理或發(fā)酵,可生產(chǎn)粗飼料和乙醇,實(shí)現了莖稈的全價(jià)利用。3結論冷凍非冷凍由于甜高粱基質(zhì)不同于淀粉基質(zhì)(如玉米)本研究存汁方法主要采用甜高粱的莖稈汁液為原料進(jìn)行乙醇發(fā)酵試驗研圖5.冷凍對甜高梁汁發(fā)酵的影響究,為甜高粱莖稈原料生產(chǎn)燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化推廣提供了可靠的理論依據。有效的途徑。與傳統淀粉質(zhì)原料乙醇生產(chǎn)相比較,采用甜高粱莖通過(guò)以上的條件試驗,確定了甜高粱汁液酒精發(fā)酵稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇及其綜合利用,可以降低乙醇的的最佳工藝條件:甜高粱汁錘度為20Bx(糖度178%);生產(chǎn)成本100~700元,因此具有經(jīng)濟上的可行性。接種量為109%pH值45;發(fā)酵時(shí)間48h發(fā)酵后汁液的參考文獻:酒精濃度可達102%以上,殘糖1%以下。23殘渣綜合利用試驗[黎大爵亟待開(kāi)發(fā)的甜高粱酒精燃料[中國農業(yè)科技導報國內現在用玉米生產(chǎn)燃料酒精的成本居高不下,要2003,(4):48-51[2]黎大爵甜高粱可持續農業(yè)生態(tài)系統研究門(mén)中國農業(yè)科學(xué),靠國家補貼。而甜高粱為原料的生產(chǎn)工藝不僅利用汁液2002,(8):1021-1024進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)乙醇還對殘渣纖維進(jìn)行綜合利用如生產(chǎn)(3]王艷秋,朱翠云,盧峰等甜高巢用途及發(fā)展前景門(mén)雜糧作紙板、粗飼料、預處理后進(jìn)行乙醇發(fā)酵等,不但實(shí)現了莖物,2004,24(1):55-56稈的全價(jià)利用,而且降低了酒精生產(chǎn)成本,從而使整個(gè)生[4張恩銘,劉榮厚孫清,等營(yíng)養鹽對甜高粱莖稈汁液酒精發(fā)酵產(chǎn)過(guò)程成為循環(huán)型經(jīng)濟模式。的影響[農機研究,2005,6):175-17723.1抄紙試驗5]呂欣,段作營(yíng),毛忠貴氮源與無(wú)機鹽對高濃度酒精發(fā)酵的影取甜高粱榨汁后產(chǎn)生的殘渣纖維,經(jīng)過(guò)加堿蒸煮、篩響[西北農林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,(4):41.選洗滌打漿后做手抄片,檢測。具體操作如下:[6]曹俊峰姚堵盔,張小魁發(fā)酵甜高粱汁耐高濃度酒精酵母菌的選育西北植物學(xué)報,2001,21(5):109-1012.取甜高粱渣1000g(絕干),NaOH160g(NaOH以[7章克昌酒精與蒸餾酒工藝學(xué)DM]北京:中國輕工業(yè)出版社16%計),液比1:6,在實(shí)驗室的蒸煮鍋中蒸煮。110℃小1995.162-164放氣到180℃保溫2h放鍋。所得漿料經(jīng)篩選洗滌后8]寧喜斌,馬志亂,李達甜高粱莖汁成分的測定門(mén)沈陽(yáng)農業(yè)大打漿,打漿度40°SR,做手抄片。檢測結果為:紙板的抗學(xué)學(xué)報,19953):45-48張指數為4723Nm/g;撕裂指數479mN·m3g,可以看9]趙立欣張艷麗沈豐菊能源作物甜高梁及其可供應性研究出,甜高粱莖稈在榨汁后產(chǎn)生的殘渣纖維,經(jīng)處理后所得[可再生能源,2005(4):37-40漿料完全可以滿(mǎn)足造紙的要求副產(chǎn)品的該項利用,可大0張志誠等制漿造紙手冊第三分冊堿法制漿M北京:中國輕工業(yè)出版社,1988釀酒科技雜志社郵購書(shū)刊書(shū)刊名郵購價(jià)《酸酒科技精選(1980~1985)》20元冊釀酒科技》2007年合訂本《釀酒科技》2000年合訂本65元冊《釀酒科技》2008年合訂本200元套《釀酒科技》2001年合訂本70元冊《釀酒科技》20年(月刊)180元年《釀酒科技》2002年合訂本75元冊《世界蒸餾酒的風(fēng)味》6元冊《釀酒科技》2003年合訂本80元冊《中國酒曲35元/冊《釀酒科技》2004年合訂本80元冊《酸酒科技中國煤化工380元套《釀酒科技》2005年合訂本120元/套《白酒的品CNMHG65元冊《酸酒科技》2006年合訂本150元套《中國名酒64元/冊霄訂閱以上書(shū)刊者,請直接匯款到本社郵購.地址:貴州省貴陽(yáng)市沙沖中路58號(50007);電話(huà):(0851)5796163;傳真:(0851)5776394;聯(lián)系人:吳萍20