木薯小麥混合發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇研究

李永恒 蘇云 崔春生 李海浪 胡子超 孫成龍 唐青青 秦宏韜

【關(guān)鍵詞】木薯;小麥;酒精;發(fā)酵;DDGS

【中圖分類號(hào)】TQ223.122 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）10-0037-03

酒精是目前世界上生產(chǎn)歷史最悠久、產(chǎn)量最大的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品[1]。木薯是廣西豐富的生物質(zhì)資源，符合國(guó)家的非糧能源戰(zhàn)略。我國(guó)人口眾多、資源貧乏，在較長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期里，國(guó)家的糧食供應(yīng)還將處于平衡偏緊狀態(tài)，決定了我國(guó)只能發(fā)展以非糧為主的生物燃料乙醇。廣西具有豐富的生物質(zhì)資源，其中木薯的種植和產(chǎn)量均占全國(guó)的70%以上，發(fā)揮地方資源優(yōu)勢(shì)，將木薯轉(zhuǎn)化為燃料乙醇，既符合國(guó)家“不與人爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地”的非糧生物能源發(fā)展戰(zhàn)略，也符合廣西經(jīng)濟(jì)的發(fā)展實(shí)際[2]。目前，我國(guó)小麥主要是用來(lái)加工小麥淀粉，利用小麥生產(chǎn)酒精的報(bào)道也很少。小麥含淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪等成分，營(yíng)養(yǎng)豐富，食用價(jià)值很高。目前，國(guó)內(nèi)的小麥生產(chǎn)在某些年份和某些地區(qū)相對(duì)過(guò)剩，甚至出現(xiàn)了陳化小麥，用小麥為原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精，主要考慮到陳化小麥不適于食用，而小麥的營(yíng)業(yè)成分高，需要提升其綜合利用的價(jià)值。小麥酒精糟是小麥在生產(chǎn)酒精過(guò)程中的主要副產(chǎn)物，干物質(zhì)中粗蛋白含量約占39%[3]，并且含有豐富的氨基酸和多種微量元素等[4-5]，可直接飼喂豬、牛等動(dòng)物，通常是烘干生產(chǎn)小麥酒精糟[6]。

2015年，國(guó)家開始消化超期存儲(chǔ)和“蓆茓囤”存儲(chǔ)糧食，對(duì)于不適于進(jìn)入食品鏈的糧食亟須處置。根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略需求和廣西原料市場(chǎng)，木薯、小麥、玉米全稻谷等多元化原料共線制備燃料乙醇是亟待攻關(guān)的課題。廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司在年產(chǎn)20萬(wàn)t木薯燃料乙醇裝置的基礎(chǔ)上，開發(fā)多元化原料共線制備燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)。為了探究多元化原料高效制備燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)政策和原料市場(chǎng)變化，實(shí)施多元化原料高效共線制備燃料乙醇。實(shí)現(xiàn)由單一原料生產(chǎn)燃料乙醇到多元化原料隨時(shí)切換生產(chǎn)燃料乙醇，這需要克服預(yù)處理工藝、液化發(fā)酵、精餾、廢醪處理等全流程瓶頸問(wèn)題，使之滿足多元化原料生產(chǎn)燃料乙醇，需要對(duì)多元化原料生產(chǎn)燃料乙醇難題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

本文主要是針對(duì)木薯和小麥混合發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇進(jìn)行研究，為公司大規(guī)模使用混合原料生產(chǎn)燃料乙醇進(jìn)行發(fā)酵研究及酒糟的綜合利用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

小麥粉、木薯粉通過(guò)1.8 mm篩網(wǎng)，杰能科淀粉酶（杰能科中國(guó)生物工程有限公司生產(chǎn)）、隆科特糖化酶（山東隆科特酶制劑有限公司生產(chǎn)）、酸性蛋白酶（廣西樂(lè)酵生物科技有限公司生產(chǎn)），超級(jí)釀酒高活性干酵母（安琪酵母股份有限公司生產(chǎn)），安菌泰（柳州龍?zhí)┛萍加邢薰旧a(chǎn)）;氨水（含氮17%）、0.25%葡萄糖、0.5%次甲基藍(lán)指示劑、斐林試劑、20%氫氧化鈉、20%鹽酸、65%硫酸，其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

儀器包括高效液相色譜（美國(guó)戴安公司生產(chǎn)）、快速水分測(cè)定儀（日本AND公司生產(chǎn)）、恒溫水浴鍋（榮華儀器有限公司生產(chǎn)）、50 L三聯(lián)中試發(fā)酵罐（上海高機(jī)生物工程有限公司生產(chǎn)）、精密型臺(tái)式pH/電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x（梅特勒-托利多公司生產(chǎn)）、分析天平（湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司生產(chǎn)）、電子天平（梅特勒-托利多公司生產(chǎn)）、可控溫電爐、黏度計(jì)（型號(hào)為NDJ-5S）、搖床（上海智城分析儀器制造有限公司生產(chǎn)）、容量瓶、三角瓶等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 木薯小麥混合液化、糖化發(fā)酵工藝流程

木薯小麥混合液化、糖化發(fā)酵工藝流程如圖1所示。

木薯小麥混合發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇是以木薯、小麥為原料，按比例混合后進(jìn)行調(diào)漿、液化、發(fā)酵等工序制備而成，具體工藝簡(jiǎn)述如下：木薯、小麥分別粉碎，過(guò)1.8 mm篩網(wǎng)，加水拌料調(diào)漿，獲得固形物含量≥28%的粉漿。液化階段添加淀粉酶，85～87 ℃保溫液化2.0 h。液化醪冷卻降溫后，添加糖化酶、酸性蛋白酶、安菌泰、活性干酵母等輔料，按發(fā)酵試驗(yàn)條件直至結(jié)束。

1.3.2 調(diào)漿

小試試驗(yàn)：取木薯粉、小麥粉分別檢測(cè)水分，稱量木薯粉、小麥粉并放置于3 L的玻璃缸中，混合均勻;調(diào)漿水按中水15%、清液35%、工藝水50%的比例混合，稱取調(diào)漿水加入盛有木薯粉、小麥粉的玻璃缸中，配制固形物含量為28%的粉漿，添加淀粉酶（0.14 kg/t粉）、氨水（4.8 kg/t粉），用65%硫酸調(diào)節(jié)pH值至5.60，攪拌均勻，調(diào)漿完畢。

中試試驗(yàn)：取木薯粉、小麥粉分別檢測(cè)水分，稱量木薯粉、小麥粉放置于50 L的不銹鋼夾套鍋中，調(diào)漿水按中水15%、清液35%、工藝水50%的比例混合，稱取調(diào)漿水加入盛有木薯粉、小麥粉的不銹鋼夾套鍋中，啟動(dòng)攪拌機(jī)，配制固形物含量為28%的粉漿，添加淀粉酶（0.14 kg/t粉）、氨水（4.8 kg/t粉），用65%硫酸調(diào)節(jié)pH值至5.60，攪拌均勻，調(diào)漿完畢。

1.3.3 液化

小試試驗(yàn)：調(diào)漿完成后，將玻璃缸放進(jìn)溫度為85～87 ℃的水浴鍋中，水位與玻璃缸液位持平或略高，玻璃缸粉漿攪拌轉(zhuǎn)速調(diào)至260 r/min，粉漿溫度達(dá)到85～87 ℃后開始計(jì)時(shí)，液化2.0 h。液化完畢后，將3 L玻璃缸取出放在冷卻水（冷卻水中加冰袋）中冷卻至32 ℃，用65%硫酸調(diào)節(jié)pH值至4.40，進(jìn)入添加輔料環(huán)節(jié)。

中試試驗(yàn)：不銹鋼夾套鍋內(nèi)調(diào)漿完成后，排完夾套余水，緩慢開啟蒸汽預(yù)熱，待夾套內(nèi)冷氣排完，關(guān)閉排污閥，蒸汽正常開啟，將粉漿加熱至85～87 ℃開始計(jì)時(shí)，液化2.0 h。液化完畢后，用65%硫酸調(diào)節(jié)pH值至4.40，將液化醪打入發(fā)酵罐內(nèi)，啟動(dòng)發(fā)酵罐攪拌機(jī)，開啟冷卻水，冷卻至30 ℃，進(jìn)入添加輔料環(huán)節(jié)。

1.3.4 發(fā)酵

小試試驗(yàn)：液化醪pH值調(diào)至4.40后，溫度為30 ℃，依次稱量輔料安菌泰（5 ppm）、糖化酶（0.68 kg/t粉）、酸性蛋白酶（0.06 kg/t粉）、發(fā)利干酵母（0.05%液化醪）加入液化醪中，并均勻攪拌，分裝到500 mL三角瓶中，瓶口封8層紗布，用膠圈扎緊，放置搖床培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，在溫度為30 ℃，轉(zhuǎn)速為120 r/min條件下培養(yǎng)8.0 h;培養(yǎng)8.0 h后培養(yǎng)箱溫度調(diào)至33 ℃發(fā)酵，持續(xù)至72 h結(jié)束，取樣成熟醪檢測(cè)發(fā)酵指標(biāo)。

中試試驗(yàn)：液化醪冷卻至30 ℃，依次稱量輔料安菌泰（5 ppm）、糖化酶（0.68 kg/t粉）、酸性蛋白酶（0.06 kg/t粉）、發(fā)利干酵母（0.05%液化醪）加入液化醪中，發(fā)酵罐攪拌機(jī)連續(xù)運(yùn)行，發(fā)酵溫度由冷凍水控制，前8.0 h溫度控制在30 ℃，8.0～72 h溫度控制在33 ℃，發(fā)酵結(jié)束，取樣檢測(cè)發(fā)酵指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 液化試驗(yàn)結(jié)果

在粉漿濃度為28%的條件下，原料液化2.0 h，添加0.14 kg/t粉淀粉酶，小試、中試液化終點(diǎn)碘試結(jié)果對(duì)比顯示滿足發(fā)酵底物要求（結(jié)果如圖2所示），液化效果較好。中試高溫液化時(shí)水分蒸發(fā)較大，導(dǎo)致液化醪固形物含量有所增加，但與小試實(shí)驗(yàn)液化相比其固形物含量相差較大，液化醪黏度也有所升高。由表1可以看出，小試液化醪黏度為406.18 mPa·S，中試液化醪黏度為495.0 mPa·S，該黏度液化出料能力不受限制。

2.2 發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，50%小麥粉與50%木薯粉混合發(fā)酵中試實(shí)驗(yàn)，殘總糖高于小試，但殘糊精、殘淀粉優(yōu)于小試試驗(yàn);50%小麥粉與50%木薯粉混合發(fā)酵中試實(shí)驗(yàn)酒精度達(dá)到14.90% vol，小試實(shí)驗(yàn)酵母糖耗率較高，但糖醇轉(zhuǎn)化率明顯低于中試實(shí)驗(yàn)。發(fā)酵后醪液黏度為156.74 mPa·S，黏度與小試試驗(yàn)相差不大。

2.3 木薯與小麥混合發(fā)酵廢醪液研究

發(fā)酵成熟醪廢醪用80目濾布進(jìn)行漏斗過(guò)濾，中試實(shí)驗(yàn)過(guò)濾速度較快，清液COD含量為73 250 mg/L，與小試實(shí)驗(yàn)相差不大（見表3）。將廢醪烘干粉碎后測(cè)量其指標(biāo)，各理化指標(biāo)見表4，蛋白含量較高，絕干蛋白高達(dá)27%左右，表明木薯小麥制備的DDGS是一種良好的蛋白飼料，纖維、灰分低。

3 結(jié)論

小麥粉和木薯粉混合發(fā)酵酒精度達(dá)到13.70% vol，發(fā)酵后醪液黏度也較低，黏度為129.50 mPa·S，清液COD含量為73 250 mg/L。將廢醪烘干制成飼料后，蛋白含量較高，絕干蛋白高達(dá)27.12%，纖維為12.55%、灰分為9.45%，脂肪（絕干）為1.00%。

中試實(shí)驗(yàn)液化醪固形物為33.20%，酒精度為14.90% vol，殘總糖為3.06%（較高），由于發(fā)酵罐攪拌混合均勻，因此殘糊精殘淀粉較低。中試實(shí)驗(yàn)過(guò)濾速度較快，清液COD含量為73 250 mg/L，清液總固形物為7.70%，廢醪固形物為14.10%，都較高，絕干蛋白高達(dá)27.02%，和小試試驗(yàn)差不多，粗脂肪、纖維、灰分比小試試驗(yàn)都稍微增高。

綜合小試、中試試驗(yàn)研究可以看出，木薯小麥混合發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇工藝是可行的，陳化小麥出廠價(jià)為1 200元左右，可以有效降低原料成本，同時(shí)小麥中的蛋白質(zhì)可以提高混合DDGS的蛋白質(zhì)含量和飼料的附加值，為提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益開辟了新途徑。

參 考 文 獻(xiàn)

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