玉米乙醇生料發(fā)酵中試工藝條件探索

袁敬偉，從志會(huì)，劉 輝，梁春慧

（中糧生化能源(肇東)有限公司，黑龍江肇東151100）

玉米乙醇生料發(fā)酵中試工藝條件探索

袁敬偉，從志會(huì)，劉 輝，梁春慧

（中糧生化能源(肇東)有限公司，黑龍江肇東151100）

研究了中試水平玉米乙醇發(fā)酵的傳統(tǒng)工藝與生料工藝對(duì)比。在拌料工序增加新型抑菌劑浸泡大大改善生料工藝抑菌效果。采用傳統(tǒng)工藝，兩步調(diào)節(jié)pH值，發(fā)酵72 h酵母死亡率達(dá)到99%。采用生料工藝，單糖緩慢釋放有利于酵母的繁殖與乙醇生產(chǎn)，發(fā)酵79 h酵母死亡率約70%，酵母死亡率顯著下降，乙醇濃度可達(dá)15.8%vol以上，比傳統(tǒng)熟料工藝高4.6%，生料工藝較傳統(tǒng)工藝出酒率更高。

玉米； 中試； 生料發(fā)酵； 抑菌； 出酒率

目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化的生物乙醇絕大部分屬第一代燃料乙醇[1]，第一代乙醇是以玉米等淀粉質(zhì)為原料發(fā)酵制得的可再生能源[2]，已經(jīng)在能源領(lǐng)域脫穎而出，并越來(lái)越顯示出廣闊和深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。我國(guó)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)至2001年開始試點(diǎn)運(yùn)行以來(lái)，收效良好[3]。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，已建及在建成產(chǎn)能已超過(guò)200萬(wàn)t，產(chǎn)業(yè)規(guī)模居世界第三。國(guó)內(nèi)目前主要乙醇生產(chǎn)工藝為雙酶法熟料發(fā)酵，玉米采用半干法脫臍后進(jìn)行粉碎，玉米臍經(jīng)過(guò)預(yù)榨提油后進(jìn)行成粕回混后，混合粉進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)[4]。

由于全球原油市場(chǎng)不景氣、酒精下游行業(yè)發(fā)展緩慢及政策變化等原因?qū)е履壳熬凭珒r(jià)格低迷。通過(guò)不斷利用新技術(shù)如生料發(fā)酵技術(shù)等合理控制生產(chǎn)成本，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排[5]，并提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。生料發(fā)酵技術(shù)與雙酶法熟料發(fā)酵相比具有如下多種優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約蒸煮（噴射）液化所需要的能耗；生料工藝除了可以節(jié)約能源外，還可以大幅提高發(fā)酵濃度而不必過(guò)分擔(dān)心黏度問(wèn)題[6-7]。高濃度酒精發(fā)酵工藝具有高發(fā)酵率、高轉(zhuǎn)化率、低殘?zhí)呛凸?jié)約能源等特點(diǎn)，可大幅度增加產(chǎn)量，降低體系中的一次水消耗，減低干燥能耗，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益；一步加酶調(diào)節(jié)pH值也簡(jiǎn)化操作流程及降低輔料消耗；同時(shí)生料過(guò)程葡萄糖逐步緩慢釋放，因此可以進(jìn)行濃醪發(fā)酵而降低較高的初始還原糖濃度和高滲透壓對(duì)酵母的生長(zhǎng)抑制[8-10]。通過(guò)生料發(fā)酵工藝能提高原料利用率和淀粉出酒率，對(duì)節(jié)約酒精生產(chǎn)成本意義顯著，生料濃醪又可減少污染物排放，在環(huán)保方面具有一定優(yōu)勢(shì)；但由于無(wú)法解決原料粉碎、雜菌控制和生產(chǎn)工藝等諸多問(wèn)題[11-13]，而未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

本研究以不同工藝玉米混合粉為原料，對(duì)不同工藝的發(fā)酵中試過(guò)程進(jìn)行研究；同時(shí)研究拌料工藝增加新型抑菌劑浸泡對(duì)生料工藝抑菌效果的影響。并對(duì)全玉米粉進(jìn)行中試對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證生料發(fā)酵的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器

原料：取工廠生產(chǎn)線全玉米粉粉碎過(guò)篩，粒度90%通過(guò)40目；生產(chǎn)線半干法前提油返粕混合粉粒度90%通過(guò)20目（返粕比例15%左右）；混合粉經(jīng)再次粉碎過(guò)篩粒度90%通過(guò)40目。

實(shí)驗(yàn)用主要輔料：諾維信三代淀粉酶、蘇宏糖化酶、生料復(fù)合酶、安琪超級(jí)釀酒高活性干酵母、尿素、青霉素等。

混合標(biāo)準(zhǔn)品：麥芽三糖、麥芽糖、葡萄糖、果糖、琥珀酸（丁二酸）、乳酸、甘油、乙酸、乙醇，均為色譜級(jí)標(biāo)準(zhǔn)品，Sigma公司。斐林甲乙液、0.5%次甲基藍(lán)指示劑。0.25%葡萄糖溶液。pH指示劑、0.1 mol/L碘液等。

儀器設(shè)備：50 L全自動(dòng)智能發(fā)酵罐，上海保興；梅特勒AL204分析天平；梅特勒PL4002分析天平、NDJ-5S黏度計(jì)，上海一恒；HWS-28水浴鍋；pH計(jì)；搖床；Agilent 1260液相色譜；sigma3-18k離心機(jī)；尼康50I顯微鏡等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 拌料液化

按照30%干物濃度稱一定量底物原料至50 L發(fā)酵罐中，加入85%的一次水、15%清液至總體系為35 kg。

熟料工藝：按照傳統(tǒng)的雙酶法先將物料pH值調(diào)整至5.2，加入諾維信新型淀粉酶，在85℃下保溫3 h后降溫至32℃，然后調(diào)pH4.5左右；添加蘇宏糖化酶、氮源及活化好的干酵母于32℃發(fā)酵。

生料工藝：將物料pH值直接調(diào)整至4.5，加入諾維信生料復(fù)合酶，在60℃保溫1 h后降溫至32℃。

1.2.2 酵母活化

按照0.05%加入安琪超級(jí)釀酒高活性干酵母，35℃活化20 min。

1.2.3 發(fā)酵

加入糖化酶、酵母活化液、尿素等輔料，開始發(fā)酵，轉(zhuǎn)速120 r/min，溫度32℃，發(fā)酵90 h。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)

斐林試劑法檢測(cè)發(fā)酵后殘還原糖、殘總糖、過(guò)濾總糖；酵母測(cè)定：顯微鏡下觀察，血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)；干物質(zhì)：快速水分測(cè)定儀檢測(cè)；液相色譜法[14]檢測(cè)麥芽三糖、麥芽糖、葡萄糖、果糖、琥珀酸、乳酸、甘油、乙酸、乙醇等。

2 結(jié)果與討論

2.1 以混合粉為原料不同工藝對(duì)發(fā)酵中試過(guò)程的影響

對(duì)比熟料工藝，生料工藝流程更為簡(jiǎn)化，方便操作。且溫度始終維持在60℃左右，玉米糊化溫度為65～72℃，生料酶直接作用淀粉顆粒所以物料黏度始終處于較低的水平。而熟料工藝液化溫度維持在85℃，隨著溫度進(jìn)一步升高，淀粉顆粒開始迅速膨脹，當(dāng)溫度升高到65～72℃之間時(shí)，淀粉顆粒的體積可膨脹到原來(lái)的50倍以上，在此糊化過(guò)程中，醪液黏度顯著增大，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備負(fù)荷增大，輸送困難，換熱效率大大下降，發(fā)酵的換熱不好會(huì)影響整個(gè)工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)[15]等等。

不同工藝液化醪檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，熟料工藝與生料工藝玉米超高濃度醪液可溶性干物質(zhì)對(duì)比，熟料工藝的可溶性干物達(dá)到27.1 Bx，液化黏度198 mpa·s；生料工藝的可溶性干物僅為9.4 Bx，黏度140 mpa·s。高濃度的可溶性物質(zhì)會(huì)對(duì)體系中的滲透壓、水活度、溶氧、酵母的活性等各方面產(chǎn)生負(fù)面影響，從而不利于發(fā)酵的進(jìn)行。從液化醪色譜檢測(cè)數(shù)據(jù)也能看出生料工藝所水解出來(lái)的還原糖和總糖等值，較低的還原糖更適合酵母的代謝生長(zhǎng)。

在發(fā)酵過(guò)程中醪液殘總糖、殘還原糖變化情況見圖1。由圖1可知，熟料工藝在發(fā)酵17 h時(shí)發(fā)酵很劇烈，總糖濃度下降，之后趨于平緩。在72 h時(shí)發(fā)酵基本結(jié)束。而在生料發(fā)酵過(guò)程中，從發(fā)酵17 h開始，殘還原糖就一直處于較低的水平。在玉米生料發(fā)酵的條件下，糖化產(chǎn)生的葡萄糖會(huì)立即被具有種群優(yōu)勢(shì)的酵母利用，因而還原糖很少積累，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的邊糖化邊發(fā)酵，也抑制了雜菌的生長(zhǎng)。生料工藝甘油的產(chǎn)量也遠(yuǎn)低于熟料工藝（圖2），表明由于生料工藝可溶性干物質(zhì)較少，體系中的滲透壓很低，生料過(guò)程中酵母細(xì)胞內(nèi)的受氫體乙醛的產(chǎn)生比傳統(tǒng)工藝快且量多，代謝途徑不再朝甘油方向進(jìn)行，與傳統(tǒng)工藝相比，生料過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)物大幅降低。

表1 不同工藝液化醪檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 不同工藝條件發(fā)酵過(guò)程色譜還原糖

圖2 不同工藝條件發(fā)酵過(guò)程甘油含量

2.2 新型生料工藝對(duì)發(fā)酵中試抑菌升酸情況影響

由于生料發(fā)酵工藝始終處于低溫狀態(tài)，沒有經(jīng)過(guò)高溫蒸煮殺菌的過(guò)程，因此生料發(fā)酵的染菌問(wèn)題一直是制約生料發(fā)酵的一個(gè)瓶頸[16-17]。山東九九集團(tuán)及吉林乾安酒精廠曾采用過(guò)生料技術(shù)，但由于染菌等問(wèn)題，而不能用于生產(chǎn)，被迫停產(chǎn)。引起發(fā)酵染菌的原因很多，如設(shè)備腐蝕、管路穿孔死角、閥門滲漏、空氣過(guò)濾器失效、環(huán)境惡化、種子帶菌、操作不當(dāng)?shù)?。在酒精發(fā)酵工藝中，帶入雜菌的主要來(lái)源是原料及向其中添加的酶制劑，如玉米粉碎不夠徹底、混料不勻時(shí)容易結(jié)塊，使團(tuán)塊中心部位“夾生”，包埋有活菌導(dǎo)致染菌，因此對(duì)原料的抑菌至關(guān)重要。本研究采用生料發(fā)酵新工藝技術(shù)，在玉米粉進(jìn)行拌料后增加一個(gè)殺菌流程，在料液中加入5 ppm的安菌泰，溫度控制在50℃下維持2 h左右，對(duì)玉米粉充分溶解潤(rùn)濕，將夾生包塊全部打散，充分發(fā)揮抑菌劑作用，從源頭上進(jìn)行滅菌。

圖3為生料工藝和熟料工藝進(jìn)行50 L中試放大試驗(yàn)過(guò)程總有機(jī)酸含量變化曲線。從圖3可看出，當(dāng)采用前期殺菌的生料工藝進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，對(duì)比熟料工藝，在相同的初始pH值條件下，其總有機(jī)酸含量一直處于較低的水平。前文也介紹了獨(dú)特生料發(fā)酵的工藝自身有避免染菌的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了工藝的可行性，發(fā)酵也更容易控制，為生料發(fā)酵工業(yè)化產(chǎn)業(yè)化提供了新的思路。

圖3 不同工藝條件發(fā)酵過(guò)程有機(jī)酸含量對(duì)比

2.3 出酒率對(duì)比

對(duì)比相同配料濃度（30%）的兩種工藝發(fā)酵結(jié)束時(shí)的乙醇含量（圖4），生料工藝酒分比熟料工藝高4.6%，生料工藝淀粉出酒率為54.41%，而熟料工藝淀粉出酒率為52.14%。生料工藝出酒率顯著提高，且殘總糖含量也較熟料要偏低。

不同工藝發(fā)酵過(guò)程乙醇變化曲線見圖5。由圖5可知，從發(fā)酵開始到發(fā)酵90 h結(jié)束，生料發(fā)酵的酒分一直處于高的狀態(tài)，在前文已經(jīng)介紹的熟料工藝中，液化及發(fā)酵整個(gè)過(guò)程都水解出較高的可利用糖，較高濃度滲透壓可能會(huì)制約酵母的增殖而不產(chǎn)酒。而生料工藝使得更多的糖轉(zhuǎn)化成酒精。熟料工藝在65 h接近發(fā)酵終點(diǎn)時(shí)，生料工藝發(fā)酵在79 h時(shí)乙醇含量為15.80%vol，后期略降。

圖4 不同工藝發(fā)酵結(jié)束酒分對(duì)比

圖5 不同工藝發(fā)酵過(guò)程酒分變化曲線

2.4 不同中試工藝玉米酵母發(fā)酵對(duì)比

對(duì)比兩種工藝發(fā)酵初期酵母死亡率區(qū)別不大，但從發(fā)酵41 h以后，熟料的酵母死亡率明顯增加，熟料工藝發(fā)酵72 h時(shí)酵母死亡率達(dá)到99%，而生料工藝發(fā)酵79 h時(shí)酵母死亡率達(dá)到70%，發(fā)酵90 h酵母死亡率達(dá)到86%（圖6）。隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，酒分增大。生料工藝酵母死亡率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熟料工藝，有利于酵母產(chǎn)酒。

圖6 不同工藝發(fā)酵過(guò)程酵母死亡率對(duì)比

生料工藝的酵母數(shù)比傳統(tǒng)工藝少，表明生料工藝用于合成酵母的糖耗低于熟料工藝。熟料工藝在發(fā)酵過(guò)程酵母數(shù)高達(dá)5.5億個(gè)/mL，大量的可發(fā)酵性糖被用于酵母的增殖。過(guò)量的酵母對(duì)產(chǎn)酒不利。在熟料工藝中，液化后較高的還原糖導(dǎo)致酵母營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩從而會(huì)造成酵母過(guò)快生長(zhǎng)，體積較大，后期產(chǎn)生酒精的能力不強(qiáng)，且加速衰老死亡。在生料工藝中，酵母數(shù)均保持在2億/mL左右，有利于酵母產(chǎn)酒。生料發(fā)酵初期淀粉顆粒較多（圖7），但在發(fā)酵24 h左右，較大的淀粉顆粒已經(jīng)在生料復(fù)合酶的水解作用下所剩不多，發(fā)酵90 h時(shí)，在顯微鏡下已觀察不到淀粉顆粒，說(shuō)明水解較為完全。生料工藝在發(fā)酵過(guò)程中一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖7 生料發(fā)酵過(guò)程鏡檢酵母圖

2.5 全玉米粉生料發(fā)酵工藝中試試驗(yàn)

選取同一時(shí)期的全玉米粒進(jìn)行粉碎加工相同粒度的玉米粉（40目約90%過(guò)篩率）進(jìn)行生料發(fā)酵工藝研究。生料工藝發(fā)酵檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 全玉米粉生料工藝發(fā)酵檢測(cè)數(shù)據(jù)

由表2可以看出，在生料工藝情況下，混合粉略高于全玉米粉的殘淀粉，殘淀粉高低是衡量酒精發(fā)酵完全程度的重要指標(biāo)[18-20]。殘淀粉偏高意味著產(chǎn)酒率偏低，糖分不能有效的轉(zhuǎn)化為酒精，造成原料的損失。控制殘淀粉及總糖水平是酒精企業(yè)提高出酒率，提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組沒有很大的差別，生料全玉米粉的發(fā)酵酒分略高于生料混合粉，可見全玉米粉在生料發(fā)酵工藝中更具優(yōu)勢(shì)。

3 總結(jié)與展望

通過(guò)生產(chǎn)工藝優(yōu)化及原料處理技術(shù)進(jìn)步，能夠解決制約玉米生料發(fā)酵的瓶頸問(wèn)題，如節(jié)能減排、染菌問(wèn)題[21]等。本研究通過(guò)玉米生料發(fā)酵工藝中試實(shí)驗(yàn)，配料干物30%，在79 h時(shí)酵母死亡率70%，較傳統(tǒng)工藝顯著降低；發(fā)酵醪液乙醇濃度為15.8%vol以上，比傳統(tǒng)熟料工藝高4.6%，有效抑制生料發(fā)酵染菌問(wèn)題，且驗(yàn)證了全玉米粉及混合粉為原料的生料發(fā)酵可行性方案，為玉米生料酒精發(fā)酵產(chǎn)業(yè)化提供了新思路。

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Pilot-Scale Test of Fermentation of Uncooked Corn Flour to Produce Ethanol

YUAN Jingwei,CONG Zhihui,LIU Hui and LIANG Chunhui
（COFCO Bio-Energy(Zhaodong)Co.Ltd.,Zhaodong,Heilongjiang 151100,China)

corn;pilot-scale test;fermentation of uncooked corn flour;bacteriostatic;liquor yield

TS262.2；TS261.4；TS261.2

A

1001-9286（2017）12-0088-05

10.13746/j.njkj.2017300

2017-11-10

袁敬偉（1973-），男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事谷物發(fā)酵生產(chǎn)酒精及生物質(zhì)能源方面的研究工作。

優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間：2017-11-23；地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20171123.1306.001.html。

AbsAbstract:In this study,we compared in pilot scale the traditional fermentation process of corn ethanol and the new process with uncooked corn flour as raw material.A new type of bacteriostatic agent was added in the mixing process,which improved the antibacterial effect of uncooked corn flour.During the traditional fermentation process,after the two-step pH adjusting and 72 h fermentation,yeast mortality rate reached 99%.During the fermentation process of uncooked corn flour,yeast mortality rate was about 70%after 79 h fermentation,while ethanol concentration reached up to 15.8%vol(4.6%higher than that of traditional process).The new process achieved higher liquor yield.(Trans.by HUANG Xiaoli)