超貯稻谷半連續(xù)濃醪發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇工藝研究

武國慶，吳德旺，沈乃東，趙二永，張宏嘉，郭 翠，周錦怡，李紅波，李冬敏，佟 毅2，，4

（1.中糧營養(yǎng)健康研究院，北京 102209；2.國家能源生物液體燃料研發(fā)中心，北京 102209；3.中糧生物科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233010；4.玉米深加工國家工程研究中心，吉林 長春 130033）

生物燃料乙醇作為一種綠色可再生車用燃料，在改善大氣環(huán)境、支持“三農(nóng)”建設(shè)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了重要作用。自2017年9月國家發(fā)展改革委、國家能源局、財政部等十五部委下發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》以來，國內(nèi)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，產(chǎn)量在多年徘徊在200萬t左右后，2019年達(dá)到284萬t[1]。盡管受疫情影響，2020年燃料乙醇產(chǎn)量再創(chuàng)歷史新高，達(dá)到約290萬t。

在生產(chǎn)發(fā)展的同時，也清醒看到尚存在的差距。與國外先進(jìn)技術(shù)相比，國內(nèi)燃料乙醇技術(shù)主要有兩點差別。一是裝置發(fā)酵工藝，與美國90%以上裝置采用間歇發(fā)酵工藝不同，國內(nèi)有近一半裝置（產(chǎn)能）采用連續(xù)/半連續(xù)發(fā)酵工藝[2]。二是成熟醪酒份有差距。美國裝置普遍采用濃醪發(fā)酵酒份在17%vol～18%vol[3-5]，而國內(nèi)通常在13%vol～16%vol，尤其是連續(xù)/半連續(xù)發(fā)酵工藝，酒份通常只有13%vol～14%vol[6-9]。

近十幾年來，美國燃料乙醇行業(yè)對間歇發(fā)酵技術(shù)不斷創(chuàng)新，通過酶與酵母性能的提升、高濃拌料液化工藝、同步糖化發(fā)酵工藝、新設(shè)備開發(fā)、能量耦合、工藝集成、開發(fā)聯(lián)產(chǎn)品等手段持續(xù)提高了成熟醪酒份和淀粉出酒率[10-11]。與間歇發(fā)酵相比，連續(xù)發(fā)酵工藝設(shè)備投資少，利用率高，連續(xù)生產(chǎn)易操控[12]，但因易染菌，且受限于發(fā)酵過程中酵母比生長速率與稀釋速率的平衡關(guān)系，難以在相同發(fā)酵周期內(nèi)達(dá)到間歇濃醪發(fā)酵同樣水平的高酒份[13]。半連續(xù)發(fā)酵工藝融合了連續(xù)發(fā)酵與間歇發(fā)酵的部分優(yōu)勢，較好的權(quán)衡了設(shè)備利用率、染菌和發(fā)酵酒份之間的關(guān)系，在國內(nèi)酒精發(fā)酵領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[7，14-16]，但因其主發(fā)酵期仍然采用連續(xù)發(fā)酵工藝，酒份普遍偏低，通常不超過14%vol，尚有提升的潛力。

生物乙醇濃醪發(fā)酵是指在發(fā)酵底物固形物含量大于300 g/L，發(fā)酵終點乙醇濃度高于15%vol的發(fā)酵技術(shù)[17]。濃醪發(fā)酵因兼具目標(biāo)產(chǎn)物濃度高和生產(chǎn)速率高的特點，在降低能耗與水耗、提高產(chǎn)能、降低成本方面優(yōu)勢明顯，一直是酒精發(fā)酵工業(yè)的一個重要發(fā)展方向。一般而言，成熟醪酒份每提高1個百分點，蒸汽消耗會降低約300 kg/t酒精，水耗會降低約0.7 t/t酒，經(jīng)濟(jì)效益顯著，因此也是企業(yè)提高自身競爭力的研究熱點[7，18-19]。

近些年來，我國稻谷連年豐收，但也引起超儲的問題。稻谷不易儲存，其宜儲存年限約為3年[20-21]。超期儲存的陳化糧不能作為口糧，只能經(jīng)工業(yè)轉(zhuǎn)化來消納[22]。因此及時消納大量陳稻谷成為國內(nèi)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)支持“三農(nóng)”事業(yè)的一項重要使命。近期，陳化稻谷作為乙醇生產(chǎn)原料已在國內(nèi)多套裝置使用，年消納量可超過300萬t[23-25]，但稻谷乙醇成熟醪酒份普遍偏低，鮮有超過14%vol。

針對上述問題，中糧營養(yǎng)健康研究院聯(lián)合中糧生物科技（安徽）股份有限公司沫河口分廠（簡稱中糧安徽沫河口分廠）開發(fā)全糙米半連續(xù)濃醪發(fā)酵技術(shù)，利用脫殼稻谷（糙米）為原料，首先在實驗室開展半連續(xù)發(fā)酵小試工藝優(yōu)化實驗，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)工廠生產(chǎn)工藝，進(jìn)行高濃粉漿拌料、噴射液化、同步糖化半連續(xù)發(fā)酵，提高乙醇發(fā)酵濃度，實現(xiàn)了企業(yè)提質(zhì)增效的目標(biāo)，為現(xiàn)有乙醇企業(yè)的技術(shù)開發(fā)提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

超貯稻谷：中糧安徽沫河口分廠；玉米：安徽蚌埠地區(qū)收購；α-淀粉酶（14萬U/g）：杰能科（中國）生物工程有限公司；糖化酶（25萬U/g）：山東隆大生物工程有限公司；尿素：陜西陜化煤化工集團(tuán)有限公司；酸性蛋白酶（10萬U/g）：山東隆大生物工程有限公司；安菌泰：柳州龍?zhí)┛萍加邢薰荆怀夅劸聘呋钚愿山湍福喊茬鹘湍腹煞萦邢薰?；葡萄糖：山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司；鹽酸、硫酸、氫氧化鈉、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、亞甲基藍(lán)指示劑：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；酚酞指示劑：北京化工廠。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BIOTECH-5JG*1-2JG*2-5JG*5連續(xù)/半連續(xù)發(fā)酵小試設(shè)備：上海保興生物設(shè)備工程有限公司；ME2002電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PB-21 pH計：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；PC-E6000數(shù)顯恒溫水浴鍋：常州榮華儀器制造有限公司；DL-1萬用電爐：林茂科技（北京）有限公司；B203生物顯微鏡：重慶奧特光學(xué)儀器有限責(zé)任公司。

1.3 方法

1.3.1 半連續(xù)發(fā)酵小試

在實驗室采用定制設(shè)備模擬實際生產(chǎn)線工藝，針對糙米原料，對發(fā)酵原料的葡萄糖當(dāng)量（dextrose equivalent，DE）值、發(fā)酵氮源尿素和蛋白酶用量、糖化酶用量進(jìn)行了小試發(fā)酵研究，并從中選取了典型的三個批次發(fā)酵結(jié)果。該設(shè)備由1個進(jìn)料罐，2個酒母擴(kuò)培罐，3個連續(xù)發(fā)酵罐與2個間歇罐組成，半連續(xù)發(fā)酵小試實驗流程如下：

（1）單獨(dú)糖化發(fā)酵試驗

第一批次首先模擬工廠原單獨(dú)糖化半連續(xù)發(fā)酵工藝，小試采用干物為30.5%的糙米液化醪單獨(dú)糖化至DE值為40，糖化酶用量0.7 g/kg原料，然后進(jìn)行酒母擴(kuò)培和連續(xù)發(fā)酵，其中尿素用量0.75 g/kg原料，蛋白酶用量0.05 g/kg原料。

（2）單獨(dú)糖化發(fā)酵酵母氮源營養(yǎng)供應(yīng)優(yōu)化

第二批小試仍采用干物為30.5%的糙米液化醪單獨(dú)糖化至DE值為40。為了給酵母提供更多氮源[26]，在第一批次基礎(chǔ)上分別增加尿素和蛋白酶用量至1.5 g/kg原料和0.1 g/kg原料。

（3）同步糖化發(fā)酵中酵母碳源營養(yǎng)供應(yīng)優(yōu)化

為優(yōu)化酵母碳源營養(yǎng)供應(yīng)，第三批小試直接采用DE為20的液化醪進(jìn)行同步糖化發(fā)酵，并提高糖化酶用量至0.91 g/kg原料。

1.3.2 工業(yè)應(yīng)用試驗

試驗結(jié)果在中糧安徽沫河口分廠30萬t/年工業(yè)裝置上進(jìn)行了應(yīng)用驗證。該裝置原設(shè)計以玉米為原料，成熟醪酒份為13.5%vol。采用玉米干法預(yù)處理（預(yù)留半干法）、噴射液化及半連續(xù)發(fā)酵、三塔壓差熱耦合節(jié)能精餾、兩級串聯(lián)管束干燥、干燥機(jī)尾氣為主要熱源的順流/混流蒸發(fā)等工藝技術(shù)。目前，該裝置現(xiàn)已改為用陳化稻谷生產(chǎn)燃料乙醇，增加了稻谷脫殼的相關(guān)設(shè)備，其工藝流程及操作要點如下：

操作要點：

脫殼粉碎拌漿：水稻原料經(jīng)礱谷機(jī)脫殼成糙米，糙米經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，糙米粉和一次工藝水、回配清液在拌料絞龍內(nèi)按一定料水比拌漿，控制粉漿干物質(zhì)含量30%～31%，絞龍內(nèi)調(diào)節(jié)粉漿pH為5.6～5.8，添加α-淀粉酶（0.6 kg/t酒）。

液化：絞龍內(nèi)粉漿料在粉漿罐預(yù)熱至65 ℃左右，然后進(jìn)行噴射液化（90～92 ℃），再經(jīng)過液化閃蒸后進(jìn)入液化罐（88～90 ℃，2.5 h），液化結(jié)束調(diào)節(jié)pH至4.0～4.4，經(jīng)換熱器降溫至28～32 ℃，得到糙米液化醪。

同步糖化發(fā)酵：液化醪在流入酒母罐前添加糖化酶、尿素、酸性蛋白酶[10-13]和抑菌劑，酒母罐內(nèi)的酵母在29 ℃條件下培養(yǎng)10 h后以45%接種量與液化醪一同進(jìn)入一級連續(xù)發(fā)酵罐，一級罐控制30～31 ℃，發(fā)酵液停留12 h左右從罐底泵入二級發(fā)酵罐，二級罐控溫31～32 ℃，二級發(fā)酵罐滿后泵入三級發(fā)酵罐，控溫31～33 ℃，三級罐滿后泵入間歇發(fā)酵罐控溫31～32 ℃。發(fā)酵總時間約65 h，得到糙米發(fā)酵成熟醪。

精餾：精餾工段采用三塔差壓工藝，粗塔為負(fù)壓操作，組合塔為常壓操作，精塔為加壓操作。成熟醪經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入粗塔蒸餾，粗塔塔頂酒氣一部分回流，一部分預(yù)熱后給精餾塔進(jìn)料。粗塔側(cè)線采出醪液經(jīng)換熱加熱后進(jìn)入組合塔，組合塔中部采出淡酒一部分回流，一部分預(yù)熱后去精餾塔進(jìn)一步提純。組合塔頂部酒氣一部分回流，一部分采出進(jìn)入分子篩脫水入乙醇成品罐。組合塔與精餾塔中部引出雜醇油，精餾塔塔頂汽冷凝后一部分給精餾塔回流，一部分泵至組合塔頂部回流。

干燥：精餾提取乙醇產(chǎn)品后，從組合塔塔底和粗塔塔底排出的糙米廢醪液，經(jīng)臥螺離心機(jī)機(jī)分離，得到清液和濕糟，清液經(jīng)蒸發(fā)濃縮塔得到DDS糖漿，濕糟與清液濃縮物混合進(jìn)入管束干燥機(jī)干燥，即可得到糙米干酒糟及可溶物（distillers dried grains with solubles，DDGS）成品。

1.3.3 分析檢測

淀粉含量測定：按照GB/T 5009.9—2016《食品中淀粉的測定》中的方法；水分、粗脂肪、粗纖維、蛋白質(zhì)含量測定：按照GB/T 18868—2002《飼料中水分、粗蛋白質(zhì)、粗纖維、粗脂肪、賴氨酸、蛋氨酸快速測定》中的方法；殘?zhí)呛繙y定：按照斐林試劑法[27]；外觀糖度、酒精度、揮發(fā)酸、酸度等指標(biāo)測定按照酒精廠常規(guī)分析測定方法。殘淀粉、殘糊精含量計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 原料檢測

稻谷與玉米原料的化學(xué)組成見表1。由表1可知，脫殼稻谷（糙米）淀粉含量為70.74%，高于玉米淀粉含量，顯著高于未脫殼稻谷淀粉含量。未脫殼稻谷淀粉含量低，僅為55.37%，纖維含量高，其成熟醪酒份通常約為13%vol，難以實現(xiàn)濃醪發(fā)酵[25]。因此，本研究采用糙米進(jìn)行實驗，以提高發(fā)酵終點酒份，并減少工藝過程中設(shè)備磨損[28-29]。另一方面，由于糙米蛋白質(zhì)含量高，粗纖維含量低，粉漿干物質(zhì)含量過高會影響到后續(xù)的廢醪分離與干燥，影響DDGS的產(chǎn)品質(zhì)量。通過研究表明，全糙米粉漿干物質(zhì)含量在30%～31%較為適宜。

表1 超儲稻谷的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of overstored rice

2.2 半連續(xù)發(fā)酵小試結(jié)果

全糙米小試半連續(xù)發(fā)酵結(jié)果見表2。由表2可知，第一批次經(jīng)過36 h的連續(xù)發(fā)酵和34 h的間歇發(fā)酵，發(fā)酵終點酒份為14.46%vol，殘總糖為2.09%，殘還原糖為0.46%，殘?zhí)呛科摺３醪椒治鲈蚴怯捎谔岣吡税l(fā)酵底物濃度，采用高DE糖化醪進(jìn)行擴(kuò)培，底物抑制對酵母活性產(chǎn)生影響，發(fā)酵過程中還原糖釋放快、酵母代謝慢，造成后期殘?zhí)欠e累，影響發(fā)酵結(jié)果。

表2 全糙米小試半連續(xù)發(fā)酵結(jié)果Table 2 Continuous fermentation results of whole brown rice

因處于生長期的酵母產(chǎn)酒速率是非生長期的30倍[30]，給酵母足夠營養(yǎng)供應(yīng)以保持其生長性能非常重要。尿素可為酵母提供直接無機(jī)氮源，快速滿足酵母生長需要，保持酵母處于高發(fā)酵強(qiáng)度水平，提高抵抗高滲透壓的能力；蛋白酶可有效水解原料中的蛋白質(zhì)和多肽，為酵母提供有機(jī)氮源，促進(jìn)酵母生長，增強(qiáng)產(chǎn)酒能力，另外蛋白酶水解原料中的蛋白質(zhì)后，有利于糖化酶作用，增加醪液中的可利用糖[31-32]。由表2可知，通過對初始原料DE和氮源優(yōu)化，第二批發(fā)酵終點酒份提高至14.88%vol，殘總糖降低至1.55%，殘還原糖降低至0.24%，殘淀粉和殘糊精也有所降低，但仍未達(dá)到理想水平。

同步糖化發(fā)酵工藝在間歇濃醪發(fā)酵中常被采用，有研究認(rèn)為同步糖化發(fā)酵中控制糖化速率與酵母發(fā)酵速率的一致性是個難點[33]，糖化速率快，高濃葡萄糖對酵母菌形成高滲透壓，使酵母發(fā)酵速率遲緩，易造成單糖積累；糖化速率慢，缺乏碳源易造成酵母生長不旺盛。在發(fā)酵過程中，菌體生長、乙醇生成、能量產(chǎn)生三者緊密聯(lián)系，需要有機(jī)協(xié)同。由表2可知，經(jīng)過第三批發(fā)酵小試，終點酒份達(dá)到15.09%vol，殘總糖降低至1.21%，殘還原糖降低至0.18%，過濾總糖由第一批的1.46%降低至0.70%，殘淀粉和殘糊精也均降低至較低水平，分別為0.46%和0.47%。

綜上所述，通過由“糖化-半連續(xù)發(fā)酵”工藝調(diào)整為“同步糖化半連續(xù)發(fā)酵”工藝，并提高酵母氮源營養(yǎng)供應(yīng)和糖化酶用量，發(fā)酵終點酒份最終突破15%vol，各項殘?zhí)侵笜?biāo)較優(yōu)，在小試水平實現(xiàn)了半連續(xù)濃醪發(fā)酵。

2.3 工業(yè)應(yīng)用試驗

在中糧安徽沫河口分廠30萬t/年半連續(xù)發(fā)酵工業(yè)裝置上，用全糙米共進(jìn)行10個批次的生產(chǎn)試驗，結(jié)果見表3。

表3 全糙米生產(chǎn)酒精發(fā)酵結(jié)果Table 3 Results of ethanol fermentation with brown rice

本次試驗中取消了原有的糖化過程，采用同步糖化工藝緩慢釋放還原糖，使還原糖產(chǎn)生速率與酵母代謝速率盡可能匹配，避免底物抑制以及前期發(fā)酵過于劇烈，熱量集中釋放加速酵母衰老、死亡等問題，為實現(xiàn)濃醪發(fā)酵創(chuàng)造條件。

在酒精生產(chǎn)過程中，成熟醪殘總糖是衡量酒精液糖化、發(fā)酵完全程度的重要指標(biāo)之一[34]，其中殘淀粉代表著液化是否完全，殘還原糖表示發(fā)酵的水平優(yōu)劣，總酸代表染菌程度。隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，糖分含量不斷下降，在發(fā)酵結(jié)束后殘余的糖分越少，說明發(fā)酵效果越好，意味著淀粉出酒率越高。由表3可知，整體發(fā)酵水平較為穩(wěn)定，平均殘總糖含量為1.29%，最低殘總糖1.08%；平均還原糖含量0.22%、殘淀粉含量0.39%、殘糊精含量0.57%、酸度8.47 °T、揮發(fā)酸0.35 g/L，達(dá)到了濃醪發(fā)酵生產(chǎn)酒精的指標(biāo)要求。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

對全糙米生產(chǎn)燃料乙醇的能耗成本進(jìn)行分析。裝置設(shè)計之初產(chǎn)能為30萬t/年，成熟醪酒份為13.5%vol。而實際生產(chǎn)成熟醪酒份提至15.36%vol后，結(jié)合中水回用，噸酒蒸汽消耗降低約300 kg，水耗降低約3 t，產(chǎn)能增加約2萬t/年。按照公用工程消耗成本降低估算，噸酒降低成本約40元，結(jié)合產(chǎn)能增加帶來的效益按噸酒利潤500元估算，僅此兩項預(yù)計可為企業(yè)增效超過2 000萬元/年。

4 結(jié)論

使用全糙米進(jìn)行半連續(xù)小試發(fā)酵制備乙醇的研究，經(jīng)過中糧安徽沫河口分廠30萬t/年裝置工業(yè)試驗證實，全糙米發(fā)酵成熟醪平均酒精度15.36%vol、平均殘總糖1.25%，殘還原糖0.21%，實現(xiàn)了半連續(xù)工藝的濃醪發(fā)酵。與裝置設(shè)計值相比，成熟醪酒份提高1.8%，水耗與汽消耗顯著降低，噸乙醇成本降低約40元，裝置產(chǎn)能增加約2萬t，預(yù)計每年可為企業(yè)增效超過2 000萬元，值得在行業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。