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)學院食品與生物工程學院,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,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)關鍵詞:甜高粱秸稈:圉態(tài)發(fā)酵:燃料乙醇中圖分類號: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、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,可作動物飼料,徹底解決乙醇發(fā)酵過程中的污染問都有較高的產(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、樹膠等非糖分以及細碎的殘渣、臘質物、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,可以通過酵母發(fā)酵成酒精,再經(jīng)蒸餾得到無水乙Q-10酵母菌:山東輕工業(yè)學院菌種保藏中心選育。醇,即可混合到汽油中成為汽車燃料,是一種非常理想的1.1.3固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)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發(fā)。我國也開始了以甜高粱秸至34℃?zhèn)溆?。稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術研究和中試引。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(jié)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(yǎng)液中,以連續(xù);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(yǎng)16h后,接入到005MPa滅菌30min后降溫的固受收獲季節(jié)的影響就較小,進行大規(guī)模的生產(chǎn)就可能成態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中進行發(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)過粉碎可直接發(fā)酵,其用在發(fā)酵過程中既作原料,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作者簡介:董永勝964),男山東臨胸人,副教授,研究方向為現(xiàn)代釀酒技術中國釀造2008年第1期研究報告總第178期·45·根據(jù)單因素實驗結果以發(fā)酵時間(A)發(fā)酵溫度(B)、23發(fā)酵時間對乙醇產(chǎn)量的影響(見圖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表1,試驗結果見表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)酵時間發(fā)酵溫度初始值酵母接種敏%0245酵時間/d圖2發(fā)酵時間對乙醇產(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)化實驗得出的工藝條件,在固態(tài)培養(yǎng)基中加入在32℃下培養(yǎng)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)量增長較快,發(fā)酵酶以乙酸調pH值為40,在34℃發(fā)酵時間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)量沒有增長,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過程并不如液態(tài)Table 2. Effects of yeast Q-10 inoculum on ethanol yield發(fā)酵過程那樣迅速猛烈但也比淀粉質固態(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(見圖3)由表2表明隨著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、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(yǎng)基的初始pH值<30時,酵母的乙醇發(fā)酵能力受到明顯的抑制:當pH值為30時,乙醇產(chǎn)量就達到較高值約為最高值的909%;當p值為40時乙醇產(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,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)過高溫馴化而選育出來的,其在dh中國煤化工加量(U·g原料)38℃的高溫下也能進行正常的乙醇發(fā)酵;低于30°℃時酵母的活性略低其生長繁殖較緩慢,形成乙醇的速度也較緩CNMHG 6.26.26.2慢。而當溫度高于38℃時,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,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(yǎng)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,乙醇產(chǎn)量不再增加,此時乙醇產(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)基質的發(fā)酵溫度卻低于40℃),以及纖維素酶糖化過程中的生29甜高采秸稈國態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工廠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(shù)為每池原化纖維素時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作用酸度在發(fā)酵結束時也有較大的升幅這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%,比實驗室小試的K314615415014964%低04%,即乙醇產(chǎn)量下降了67%。說明同實驗室的實k25033503350674900驗條件相比,工廠化的生產(chǎn)由于不采用高溫蒸煮過程、原k48675.13350004967料降溫未用無菌空氣而難以做到無菌狀態(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:同時在發(fā)酵后期酒醅的酸度較高,且含有一定數(shù)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(guī)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(jù)試驗結果可計算出甜高粱秸稈中糖類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(yǎng)基中加入糖化酶度34,起始pH值為40,發(fā)酵時間4,Q-10酵母接種量5Ug原料和纖維素酶20Uυ/g原料,在發(fā)酵時間4d時,乙為5%。試驗說明甜高粱秸稈固態(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)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)酵法使蛋白質等大分子進行快速分解。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濾,孫后測量濾過體積,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)酵過濾試驗結果麥香、甜香及鳥苷酸味,沒有參照菌滬釀3042的濁味,風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?shù)谋壤M行混合發(fā)酵,可以掩蓋試驗號濾過體積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0.926型都好于滬釀3042參照菌,有利于提升醬油制品的風味。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,發(fā)酵樣本的濾過體積濾出氨基酸態(tài)氮都可以達11241246到較高水平。說明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)酵法進行試驗,由表同發(fā)酵生產(chǎn)的榛子蛋白粕醬油風味最佳。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)酵的順利進行如果蛋白質原料過高麩皮量]李秀霞,翟登零,張海洋榛子的繁殖技術中國野生植物資源,少,影響通透性,導致醅溫過高,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.榛子的開發(fā)利用門中國野生植物資源,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2003(8):96-98其制品氨基酸態(tài)氮含量高、發(fā)酵樣本濾過體積較大。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原料利用率越高。發(fā)酵樣本的濾過試驗可間接反映實005(10):l5-17(上接第46頁)藝上是可行的,其生產(chǎn)工藝同普通白酒相同,白酒廠可在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同時蒸餾后的酒糟中含有纖維素、脂肪、蛋白質、氨基酸等(1):55-56物質,可加工生產(chǎn)動物飼料,也可再添加部分營養(yǎng)物質進康志河,等發(fā)展甜高梁生產(chǎn),開創(chuàng)能源農業(yè)新時代門中國農學通報,行培養(yǎng)以獲得高蛋白飼料,以解決燃料乙醇生產(chǎn)的污染問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雜糧作物,2003(3):134-135參考文獻門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中國[黎大爵甜尚粱可甜高粱持續(xù)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究[中國農業(yè)科學,酸造,2004,138(9):8-10.2002,35(8):1021-10248]蘇中國煤化工操作參數(shù)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(xù)發(fā)展戰(zhàn)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)學院等工業(yè)發(fā)酵分析M中國輕工業(yè)出版社,20:161