釀酒科技2009年第7期(總第181期)-LIQUOR-MAKING- SCIENCE& TECHNOLOGY2009no.tol.18)甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇的研究金花1,侯霖1,劉一清,陸國(guó)軍1,陸軍,樸敬惠,古方成李洪來2,樊孝印2高雷2(1.吉林省輕工業(yè)設(shè)計(jì)研究院,吉林長(zhǎng)春13021:2.吉林沱牌農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)有限公司,吉林吉林132101)摘要:對(duì)甜高莖稈原料生產(chǎn)燃料乙醇的工藝條件、殘?jiān)C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:高粱汁錘度為20Bx(糖度178%)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(dá)10.2%以上,殘?zhí)?%以下。關(guān)鍵詞:燃料乙醇;甜高粱莖稈;發(fā)酵中圖分類號(hào):TS262.2TS261.4TS261.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-92862009)07-0017-04 Study of Fuel Ethanol Production by Sweet Sorghum Stalk JIN Hua', HOU Lin', LIU Yi-qing', LU Guo-jun', LU Jun', PIAO Jing-hui', GU Fang-cheng', LI Hong-lai, FAN Xiao-yin', and GAO Lei2 (1. 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 were studied. 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(jī)是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)之一中甜高粱。通過對(duì)甜高粱的加工與綜合利用,基本上不產(chǎn)生國(guó)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(guó)家發(fā)改委公布的可再生能源中長(zhǎng)期附加值,而且降低了燃料乙醇生產(chǎn)成本既能保證我國(guó)的發(fā)展規(guī)劃到2010年,中國(guó)的可再生能源在能源消費(fèi)中的能源安全和糧食安全,又可以實(shí)現(xiàn)燃料乙醇的加工生產(chǎn)比重可望達(dá)到10%,2020年的發(fā)展目標(biāo)為15%。在規(guī)劃不與人爭(zhēng)糧,不與糧爭(zhēng)地,不與牲畜爭(zhēng)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(zhēng)原料,同時(shí)還對(duì)促進(jìn)農(nóng)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(lì)以甜高粱莖稈、薯保能源永續(xù)利用有著十分重要的意義類作物等非糧生物質(zhì)為原料的燃料乙醇生產(chǎn)。目前,我國(guó)1材料與方法以糧食為原料的燃料乙醇產(chǎn)量可達(dá)到150萬t,從2007年開始,為穩(wěn)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(xiàng)目。2007年下半年開始,全球農(nóng)產(chǎn)品1.1.1原料價(jià)格大幅度上漲,在國(guó)內(nèi)因糧食價(jià)格的“恢復(fù)性上漲”等醇甜1號(hào):種植于松源,是國(guó)家“863成果-醇甜系因素,物價(jià)水平已被推高至10余年來的新高,因此,減少列”品種之一用糧食生產(chǎn)燃料乙醇,加大非糧乙醇生產(chǎn)成為我國(guó)燃料九甜梁二號(hào):吉林市農(nóng)科院培育,種植于吉林市。乙醇發(fā)展的方向。吉甜四號(hào)、吉甜五號(hào):吉林省農(nóng)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(jì)作物甜高主嶺市。粱莖稈中的糖汁生產(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?jiān)糜谠旒埢蛏镲暳嫌靡燥曫B(yǎng)本試驗(yàn)對(duì)4株酵母菌株進(jìn)行了篩選,選擇酒精發(fā)酵牛羊牛羊產(chǎn)生的糞使用以還田,改善土壤的質(zhì)量來種植能力強(qiáng)的酵母作為試驗(yàn)菌株?；痦?xiàng)目:科技部農(nóng)業(yè)科技果轉(zhuǎn)化項(xiàng)208B210071)林省科技計(jì)劃支項(xiàng)目(2080226收稿日期:2009-05-05作者簡(jiǎn)介:金花(1968-),女,碩士研究生,研究員,直從事生物質(zhì)能源的研究工作,發(fā)表論文10余篇。釀酒科技2009年第7期(總第181期)-LIQUOR-AKING- SCiENCE& TECHNOLOGY009no.tol8)1.1.3酶制劑2.2.1不同酵母菌種對(duì)高粱汁酒精發(fā)酵的影響糖化酶:江蘇宏達(dá)酶制劑廠,酶活力100000u/mL在相同的試驗(yàn)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(yàn)選用的4株酵母菌株,在錘度為20Bx(糖濃度為1.1.4主要設(shè)備及儀器17.8%)的甜高粱汁液中進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn),結(jié)果見圖1HH.B1.500型電熱恒溫培養(yǎng)箱(型號(hào):H.B11.50015口酒精濃度(%功率:600W);高壓滅菌鍋(型號(hào):CX-280;功率:出■殘?zhí)?%2kW;電壓:AC220V);往復(fù)式搖床;酒精計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)溫10度20℃、上海醫(yī)用儀表廠);三輥式壓榨機(jī)(型號(hào):T-305),產(chǎn)量:300kg/d;YZ148×160型壓榨機(jī),日處理甜高粱莖稈9t1.2分析方法y-1y-2y-3y-41.2.1酒精度的測(cè)定菌株取出100mL成熟發(fā)酵液于蒸餾瓶中,加入100mL圖1不同菌種對(duì)甜高粱汁發(fā)酵的彩響蒸餾水,蒸餾出100mL溶液,用酒精計(jì)(標(biāo)溫20℃)測(cè)酒由圖1可知,所選的4株酵母菌對(duì)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(dāng)錘1.2.2還原糖測(cè)定度為20Bx(糖度17.8%)時(shí),發(fā)酵液最終酒精濃度達(dá)采用斐林試劑滴定法,取發(fā)酵液10mL加入盛有斐10.2vol,以下試驗(yàn)均以Y-1菌株作為試驗(yàn)菌株林甲乙液各5mL和水20mL的三角瓶中,測(cè)定發(fā)酵液2.2.2甜高粱汁的不同濃度對(duì)發(fā)酵的影響的殘還糖含量。發(fā)酵液的濃度對(duì)酵母菌株產(chǎn)酒精的速度和產(chǎn)酒精量2結(jié)果與討論都有影響。以Y-1作為試驗(yàn)菌株進(jìn)行不同底物濃度的發(fā)2.1發(fā)酵條件酵試驗(yàn),結(jié)果見圖2(每個(gè)數(shù)據(jù)為平行樣的平均值)。2.1.1原料滅菌15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(yàn)■殘?zhí)?%采用加熱滅菌法,使用高壓滅菌鍋對(duì)甜高粱莖稈汁液進(jìn)10行滅菌。2.1.2無機(jī)鹽的選擇在發(fā)酵過程中添加營(yíng)養(yǎng)鹽可以改善酵母的生長(zhǎng)環(huán)境,增加營(yíng)養(yǎng),達(dá)到促進(jìn)發(fā)酵的目的。本實(shí)驗(yàn)選擇無機(jī)氮1618202225NH)2SO4作為發(fā)酵試驗(yàn)的氮源糖錘度(Bx)2.1.3反應(yīng)器轉(zhuǎn)速的控制圖2不同濃度的甜高粱汁對(duì)發(fā)酵的影響發(fā)酵器皿的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速酒精含量隨著底物糖濃度的增加而增加而當(dāng)錘度大于過低,發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng),發(fā)酵不充分;轉(zhuǎn)速過高,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),過高的溶解氧濃度影響發(fā)酵的進(jìn)糖汁錘度過高,其滲透壓也高,酵母菌體細(xì)胞在高滲透壓行,使酒精發(fā)酵失敗,形成其他酸類產(chǎn)物等。本試驗(yàn)選的發(fā)酵液中生長(zhǎng)和代謝都會(huì)受到抑制,引起酵母細(xì)胞的定150r/min為試驗(yàn)通風(fēng)培養(yǎng)階段的轉(zhuǎn)速,發(fā)酵階段轉(zhuǎn)損傷,從而使發(fā)酵液中酵母數(shù)量減少,死亡率高,影響最速選定為100r/min。終發(fā)酵的效果。選擇初始錘度為20x2.2試驗(yàn)條件2.2.3不同接種量對(duì)甜高粱汁發(fā)酵的影響試驗(yàn)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三17.8%)的發(fā)酵培養(yǎng)基,分別以5%、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(zhuǎn)速為進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn),其結(jié)果見圖3。100r/min進(jìn)行12h通風(fēng)培養(yǎng),之后進(jìn)行48h厭氧發(fā)酵。接種量對(duì)乙醇發(fā)酵有較大影響。接種量過小時(shí),由于發(fā)酵結(jié)束后測(cè)定發(fā)酵醪的酒精含量及殘還原糖。酵母數(shù)量不足,酒精產(chǎn)量少,發(fā)酵不徹底,殘?zhí)歉?并且酵金花,侯霖,劉一清,陸國(guó)軍,陸軍,樸敬惠,方成,李洪來,孝印,高雷·甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇的研究15口酒精濃度(%糖的濃度低時(shí),糖化酶作用的底物濃度較低,糖化酶創(chuàng)■殘?zhí)?%)的水解作用有限;但在高糖濃度下,底物濃度提高,糖化050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(yàn)說明,可以根據(jù)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51015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(%)2.2.6防腐劑及冷凍法對(duì)甜高粱汁發(fā)酵的影響圖3不同接種量對(duì)甜高粱汁發(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;而接種量過大時(shí),由于酵母的問題尚未得到很好解決,原料的保存已成為制約該技術(shù)數(shù)量較多,需要更多的溶氧及糖,大量的酵母生長(zhǎng)消耗了發(fā)展的瓶頸。只有解決了保藏問題,才能延長(zhǎng)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(shè)備利用率,使甜高粱汁液制取含量會(huì)隨接種量增大而下降。由試驗(yàn)結(jié)果可知,在接種量乙醇更具有經(jīng)濟(jì)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2.2.4不同初始pH值對(duì)甜高粱汁發(fā)酵的影響粱汁貯存的研究報(bào)道不多,據(jù)國(guó)外報(bào)道:將高粱汁濃縮至pH值在酵母的生長(zhǎng)及發(fā)酵中都起著重要作用,H66Bx后就可以貯存較長(zhǎng)時(shí)間,但該方法耗能大,很難在值主要通過影響菌株的生長(zhǎng)條件、產(chǎn)酶能力及酶活力生產(chǎn)中應(yīng)用;此外還有冷凍保藏法及加入防腐劑法。來影響發(fā)酵。由于酵母菌發(fā)酵的最適pH值是4.0~5.5,根據(jù)食品防腐保鮮原理,本實(shí)驗(yàn)探討了加入適量的針對(duì)高粱汁發(fā)酵試驗(yàn),在此范圍內(nèi)選擇了4個(gè)不同的初苯甲酸鈉對(duì)20Bx的甜高粱汁酒精發(fā)酵的影響。對(duì)照組始pH值,即4.0、4.5、5.0和5.5;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(yàn)組分別加人了17.8%)的甜高粱汁進(jìn)行發(fā)酵,結(jié)果見圖4(為平均值)。0.1%~0.2%苯甲酸鈉,冷藏1個(gè)月后進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn),結(jié)果見表1。15口酒精濃度(%殘?zhí)?%表1防腐劑對(duì)甜高粱汁發(fā)酵的影響防腐劑加量()酒精含量(%)殘?zhí)?%)CO2的量(g)050.106.04.28140.105.84.500.1500.20310044.555.5pH值從表1結(jié)果可以看出,防腐劑對(duì)抑制微生物在甜高圖4不同初始pH值對(duì)甜高粱汁發(fā)酵的影響粱汁中的生長(zhǎng)和繁殖有一定的效果,對(duì)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4.0~5.0時(shí),酒下沒有霉變,莖稈汁液至少可貯存30d但是對(duì)添加苯甲精含量逐漸升高,當(dāng)糖汁發(fā)酵初始pH值大于5.0時(shí)酒酸鈉貯存的甜高粱汁及對(duì)照組進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn),結(jié)果表明,精含量逐漸下降。因此,發(fā)酵初始pH值為4.5最好,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4.3左右,不需調(diào)pH,可降了酵母菌的生長(zhǎng)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(duì)甜高粱汁酒精發(fā)酵的影響為了解決甜高粱汁的保藏問題,又對(duì)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(yàn)(每個(gè)數(shù)據(jù)為平行樣的平均值,酒精發(fā)酵試驗(yàn)(錘度20Bx),其他條件與上述試驗(yàn)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(jié)果見圖5蔗糖,還含有一定量的葡萄糖和果糖,酵母菌可以先利由圖5結(jié)果可知,冷凍法不僅可以保存高粱汁,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方法對(duì)可發(fā)酵性糖的成分沒有影響,因此汁液解凍則隨著發(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(jié)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& TECHNOLOGY2009n.7tol.18)15口酒精濃度(%大降低乙醇原料成本帶來的風(fēng)險(xiǎn)。影■殘?zhí)?%2.3.2殘纖維渣作飼料10采取對(duì)殘?jiān)w維進(jìn)行處理或發(fā)酵,可生產(chǎn)粗飼料和乙醇,實(shí)現(xiàn)了莖稈的全價(jià)利用。53結(jié)論0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(yàn)研究,為甜高粱莖稈原料生產(chǎn)燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化推廣提供圖5.冷凍對(duì)甜高粱汁發(fā)酵的影響了可靠的理論依據(jù)。有效的途徑。與傳統(tǒng)淀粉質(zhì)原料乙醇生產(chǎn)相比較,采用甜高粱莖通過以上的條件試驗(yàn),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17.8%);生產(chǎn)成本100~700元因此具有經(jīng)濟(jì)上的可行性接種量為10%;pH值4.5;發(fā)酵時(shí)間48h。發(fā)酵后汁液的參考文獻(xiàn):酒精濃度可達(dá)10.2%以上,殘?zhí)?%以下。2.3殘?jiān)C合利用試驗(yàn)[1]黎大爵亟待開發(fā)的甜高粱酒精燃料中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2003,(4):48-51國(guó)內(nèi)現(xiàn)在用玉米生產(chǎn)燃料酒精的成本居高不下,要[2]黎大爵甜高粱可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)靠國(guó)家補(bǔ)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(duì)殘?jiān)w維進(jìn)行綜合利用如生產(chǎn)[3]王艷秋,朱翠云,盧峰,等甜高粱用途及發(fā)展前景雜糧作紙板、粗飼料、預(yù)處理后進(jìn)行乙醇發(fā)酵等,不但實(shí)現(xiàn)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(yǎng)鹽對(duì)甜高粱莖稈汁液酒精發(fā)酵產(chǎn)過程成為循環(huán)型經(jīng)濟(jì)模式。的影響[農(nóng)機(jī)研究,2005,(6):175-177.2.3抄紙?jiān)囼?yàn)5]呂欣,段作營(yíng),毛忠貴氮源與無機(jī)鹽對(duì)高濃度酒精發(fā)酵的影.取甜高粱榨汁后產(chǎn)生的殘?jiān)w維,經(jīng)過加堿蒸煮、篩響[西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,(4):41.[6]曹俊峰,姚堵鑫張小魁發(fā)酵甜高粱汁耐高濃度酒精酵母菌選、洗滌、打漿后做手抄片,檢測(cè)。具體操作如下:的選育西北植物學(xué)報(bào),2001,21(5):1009-1012取甜高粱1000g(絕),NaOH160g(NaOH以【章克昌酒精與蒸餾酒工藝學(xué)M北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,16%計(jì)),液比1:6,在實(shí)驗(yàn)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、滌后[8]寧喜斌,馬志亂,李達(dá)甜高粱莖汁成分的測(cè)定[沈陽農(nóng)業(yè)大打漿,打漿度40SR,做手抄片。檢測(cè)結(jié)果為:紙板的抗學(xué)學(xué)報(bào),1995,(3):45-48.張指數(shù)為47.23Nmg;撕裂指數(shù)4.79mnm2/g,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(yīng)性研究出甜高粱莖稈在榨汁后產(chǎn)生的殘?jiān)w維,經(jīng)處理后所得可再生能源20054):37-40漿料完全可以滿足造紙的要求。副產(chǎn)品的該項(xiàng)利用,大【10]張志誠(chéng)等制漿造紙手冊(cè)第三分冊(cè)堿法制漿M北京中國(guó)輕工業(yè)出版社,1988釀酒科技雜志社郵購書刊書刊名郵購價(jià)書刊名郵購價(jià)《釀酒科技精選(1980~1985)20元/冊(cè)《釀酒科技》2007年合訂本190元/套《釀酒科技》2000年合訂本65元/冊(cè)《釀酒科技》2008年合訂本200元/套《釀酒科技》2001年合訂本70元冊(cè)《釀酒科技》2009年(月刊)180元/年《釀酒科技》2002年合訂本75元冊(cè)《世界蒸餾酒的風(fēng)味》6元/冊(cè)《釀酒科技》2003年合訂本80元冊(cè)《中國(guó)酒曲》35元/冊(cè)《釀酒科技》2004年合訂本80元/冊(cè)《釀酒科技》世紀(jì)光盤(1980~2000年)380元/套《釀酒科技》2005年合訂本120元《白酒的品評(píng)》26.5元/冊(cè)《釀酒科技》2006年合訂本150元/套《中國(guó)名酒鑒賞》64元/冊(cè)需訂閱以上書刊者,請(qǐng)直接匯款到本社郵購地址貴州省貴陽市沙沖中路58號(hào)(550007);電話:(0851)5796163;傳真:(0851)5776394;聯(lián)系人:吳萍