中外能源第5期SINO-GLOBAL ENERGY木薯千發(fā)酵生產燃料乙醇潛力研究梁瑋,施翔星(中國石油四川石化有限責任公司南充煉油廠,四川南充637000要在實驗室條件下研究木薯干發(fā)酵生產乙醇的潛力,以期為紅薯燃料乙醇項日的生產提供相關參考數(shù)據(jù)。以粉碎后的木警干為原料料水比為1:2.8,糖化所用的復合酶添加量為原料質量的04%,在35℃土1℃溫度下用酵母活化液(干酵母在33℃:1℃、40倍其質量的2%的葡萄糖溶液中活化6mn)發(fā)酵原料產乙醇,反應周期為7h。在此工藝條件下,酒精度達220%,乙醇產率為4832%,原料的T和VS利用率分別為7522%和800%。根據(jù)實驗研究結果,今后在紅薯燃料乙醇項目的運行和技改過程中諾要根據(jù)實際情況確定適宜的料水比范圍;酵母生理活性的高低是影響產酒率的重要因素,應根據(jù)生產狀況對其進行改進或創(chuàng)新,從而取得自己的知識產權;應通過氣相色譜法分析液相產物的成分,同時掌握發(fā)酵液的殘留糖含量和酵渣組成等情況,為副產物的充分利用和開發(fā)附加產品做準備關鍵詞木警燃料乙醇產酒率料水比酵母活化利用率副產物1前言酵效果的因素很多圍,在此僅就酵母活化液對生產當前,傳統(tǒng)化石燃料的大量消耗和隨之帶來的乙醇的影響進行探討。環(huán)境及氣候問題正嚴重困擾著人類社會的可持續(xù)表1木薯與紅薯干中主要成分對照表%發(fā)展,新能源的開發(fā)已勢在必行。與太陽能、風能相原料淀粉及可溶性糖粗纖維其他有機質「灰分醇是應用較成熟的生物能源技術口。第一代燃料乙2實驗材料與方法醇主要以玉米等糧食作物為發(fā)酵原料,因影響糧食21實驗材料安全其發(fā)展受限;現(xiàn)在國際社會所倡導的第二代燃211發(fā)酵原料料乙醇則是以非糧和纖維素秸稈為原料4。在我新鮮木薯(取自云南臨滄)采收后經(jīng)洗凈、切塊國,可用于生產第二代燃料乙醇的原料來源豐富,曬干,置于密封干燥處保存。實驗前將所用木薯塊包括各種農作物秸稈和薯類刮。200年底,由中糧進行粉碎,并進行原料成分分析。集團投資的以木薯為原料、年產20x10燃料乙醇21.2酵母項目在廣西北海投產,成為國內第一個非糧燃料乙實驗所用酵母為耐高溫釀酒干酵母,由湖北安醇生產項目琪酵母股份有限公司生產。在發(fā)酵之前需要對干酵中國石油四川石化南充煉油廠10×10t/a紅薯母進行活化。燃料乙醇項目既是集團公司涉足新能源領域的重2.13水解酶要舉措,也是建設綜合性國際能源公司和南充煉油為昆明某生物制劑公司生產的耐高溫a-淀粉廠實現(xiàn)轉型、可持續(xù)發(fā)展的組成部分。小試實驗研酶(液態(tài))和復合酶(由纖維素酶糖化酶等不同水解究是工業(yè)化生產的基礎。從原料組成上分析,木薯酶粉按一定比例配制而成)。和紅薯的成分比較接近(見表1),發(fā)酵的工藝路線中國煤化工相似,文章研究了在實驗室條件下木薯干發(fā)酵生產作者簡CNMHG南石妯學院石油加工乙醇的潛力,以期為今后紅薯燃料乙醇的生產提供專業(yè),目前主要從事石油化工情報研究工作。相關的參考數(shù)據(jù)。從原料到酵母,再到工藝,影響發(fā)E-ma:wliangepetrochina.com.cn中外能源SINO-GLOBAL ENERGY2010年第15卷22實驗工藝與方法個平行。221原料成分的測定A組:精確稱量1.00g千酵母溶于40mL的溫度用DNs法(3,5-二硝基水楊酸顯色反應)可測為35-40℃、濃度為2%的葡萄糖溶液中,先在37℃得原料中的可溶性總糖含量,根據(jù)GB/500910—的恒溫箱中培養(yǎng)20min,然后移至30℃的恒溫箱中2003測定原料中的粗纖維含量。發(fā)酵前,將粉碎后培養(yǎng)60min的木薯粉在控溫為105℃±5℃的恒溫箱中烘干至恒B組:精確稱量100g千酵母溶于40mL的溫度重可測得其總固體含量(TS值),再在控溫為550℃±為35-40℃、濃度為2%的葡萄糖溶液中,放人控溫20℃的馬弗爐中灼燒至恒重可測得其總有機質含為33℃±1℃的恒溫箱中培養(yǎng)60min后取用。量(vS值,該過程中有機質被燒掉,剩余的為無機④用棉塞塞緊瓶口后放入控溫為35℃左右的質灰分),見公式(1)、(2)發(fā)酵結束后用同樣方法對恒溫箱中進行發(fā)酵,每隔10h稱重一次,發(fā)酵時間殘渣進行TS值、s值的測定,即可計算出原料的控制在70-80h之間。利用率,見公式(3)、(4)⑤發(fā)酵結束后,對發(fā)酵液進行蒸餾,再進行酒Ts值=2×100%精度測量和原料利用率、產酒率的計算。酒精產率的計算公式如下:s值W2-W3Lx100%酒精產率=酒精原料總量×10%TS利用率=發(fā)前T質量發(fā)后下質量(3)223乙醇含量的測定將發(fā)酵液倒入500mL圓底燒瓶中,加人100mLVS利用率=發(fā)酵前s質量-發(fā)酵后Vs質量(4水混勻后進行常壓蒸餾,直至發(fā)酵液蒸干為止;用發(fā)酵前S質量式中:W1為烘干前樣品的質量;W2為烘干后樣品的燒瓶收集餾出液并(用容量瓶和移液管)測量餾出質量,W3為灼燒后樣品的質量。液的體積;再用酒精比重計測定餾出液的酒精濃度22.2發(fā)酵工藝和溫度,最后換算為20℃酒精度。由于釀酒酵母可利用的基質主要為單糖和二3實驗結果與分析糖,因此發(fā)酵前需對原料進行水解,使其中的淀粉、31發(fā)酵過程中CO2釋放量的變化粗纖維等多糖分解;為避免雜菌感染而影響發(fā)酵效從乙醇發(fā)酵的反應式(CH1O→2C2HOH+2CO2)果,還需對發(fā)酵液進行滅菌;釀酒酵母的最適合發(fā)可知,酵母通過自身代謝作用在產生乙醇的同時還酵溫度不宜高于37℃,故在高溫滅菌完畢后還需進將生成CO2,CO2會通過棉花塞釋放出來因此隨著行冷卻。發(fā)酵工藝流程如圖1所示(實際生產中還反應的進行,發(fā)酵液的質量會有所減少。由于CO2有脫水與儲罐兩項后續(xù)工序)的生成量與乙醇的產生量相對應,因而可通過檢測原料粉碎水解糖化藺冷卻厭氧發(fā)酵蒸CO2的變化量來觀察反應進度整個發(fā)酵過程中CO2釋放量的變化曲線如圖2圖1發(fā)酵工藝示意圖所示。從中可以看出,在一個周期中,兩組實驗的具體步驟如下:CO2釋放量呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,即在發(fā)酵初期①將50g粉碎的木薯干粉放入500mL的錐形釋放量較多,隨著反應的進行,釋放量逐漸減少,直瓶中,再向其中加入140mL約70的熱水和10mL至反應停止,不再有CO2釋放。這表明產乙醇的高耐高溫α-淀粉酶,播晃并混合均勻后封緊瓶口。峰期是在整個發(fā)酵反應的前期。對比CO2的釋放總②將錐形瓶放入滅菌鍋內蒸煮30mn-lh后量和發(fā)酵周期的長短后發(fā)現(xiàn),實驗組A的CO2釋放取出,冷卻至35℃左右(33~36℃)?？傊袊夯ど闪恳矊⑸儆冖巯蝈F形瓶中加入一定量的復合酶(按原料實驗CNMHG安驗組A的發(fā)酵質量的04%稱取)和10mL酵母活化液。根據(jù)酵母周期安良丁頭我組B,四從反酵效率上分析,實活化方式的不同將實驗分為A組和B組,每組設3驗組B產量高,周期短,反應狀態(tài)更佳。這也說明實第5期梁瑋等.木薯干發(fā)酵生產燃料乙醇潛力研究驗組B所用的干酵母活化法效果優(yōu)于實驗組A較秸稈類原料而言薯類中主要成分為淀粉,比粗纖維易于分解,在發(fā)酵過程中可以得到更充分的利實驗組A用間對于發(fā)酵而言,原料的利用率由兩方面因素決實驗組B定,一是原料的水解(糖化)程度,二是參與反應的微生物的活性。原料的糖化率和酵母的活性成為實際生產中必須重視的問題。原料TS和ⅤS利用率的計算是概括性指標,更準確的應該用DNs法測定在發(fā)酵前后料液含糖量的變化情況。圖2發(fā)酵過程中CO2釋放量變化曲線32原料的產酒量與利用率3不同實驗組原料利用率對照表實驗組A實驗組B不同實驗組的酒精度和乙醇產率見表2。發(fā)酵前Ts值,%88472不同實驗組酒精度與乙醇產率對照表發(fā)酵前TS質量/g項目餾出液量/mL酒精度,%乙醇戴/mL乙醇產率%發(fā)酵后T質量/g84B硯0.96實驗組ATS利用率,%26.10實驗組B發(fā)酵前vS值,%946394.6330.58發(fā)酵前ⅤS質量/g41.86從蒸餾出的餾出液總量上看,實驗組A的平均發(fā)酵后VS質量/g值比實驗組B多出6mL,兩組數(shù)據(jù)誤差在正常范圍VS利用率,%12內(小于10%)。在反應過程中,若發(fā)酵液感染雜菌4結論與建議導致反應狀態(tài)欠佳,液相中除乙醇外,還有揮發(fā)性以50g木薯干為原料,當料水比為1:28、復合有機酸(VFA)、乙酸乙酯等其他產物。生產燃料乙醇酶添加量為原料質量的04%、酵母活化液(干酵母和食用酒的區(qū)別在于,前者主要依靠酵母的作用以在33℃±1℃、40倍其質量的2%的葡萄糖溶液中活保證乙醇產量;后者則依靠釀酒酵母( Saccharomyces化60min)用量為10mL,在35℃±1℃溫度下發(fā)酵生cerevisiae)和其他微生物菌群的協(xié)同作用,產物中除產乙醇,反應周期70h。在此工藝條件下,酒精度達了乙醇,還有多種酯類(酒的芳香成分)。因此,前者到220%,乙醇總產量30.58mL,乙醇產率48.32%要求的滅菌程度更高。從表2中可知,將兩組餾出原料的TS和ⅤS利用率分別為752%和8001%液的酒精度進行比較,實驗組B在總量稍少的情況從實驗研究可得出,南充煉油廠今后在燃料乙下酒精度高出實驗組A,說明在同等滅菌條件下,醇項目的投產運行和技改過程中需要注意以下幾實驗組B的發(fā)酵狀態(tài)要優(yōu)于實驗組A,酵母活化液方面問題的實際效果更好。①投料濃度。該實驗是以薯干為原料,實際生隨著原料逐漸被消耗,可以觀察到發(fā)酵液由渾產中可能會用到鮮薯(涉及原料的儲存),原料含水濁變得澄清。以乙醇濃度為0.79gm計算,實驗組量不同,糖化后料液中的總糖濃度隨之不同,對料A、B所產乙醇的質量分別為20.62g和24.16g,按照液的pH值變化和發(fā)酵結果也會有影響。因此,需酒精產率和原料利用率計算公式得出實驗數(shù)據(jù),見要根據(jù)實際情況確定適宜的料水比范圍表3。對比表2、表3中數(shù)據(jù)可以看出,乙醇產率與②酵母活化。酵母生理活性的高低是影響產原料利用率呈正相關性,即實驗組B較A發(fā)酵效酒率的重要因素。文章所述的干酵母活化只是一種果更好,乙醇產率與原料的利用率均更高。實驗組Q簡單的方法,也可以自行培養(yǎng)、篩選出高活性的B的乙醇產率接近50%,原料的利用率超過70%,酵母。目前這方面的報道較多砌,可根據(jù)生產狀況對比其他原料(甜高粱秸稈、菊芋、鮮薯)在相似工藝進行中國煤化工知識產權。條件下的實驗數(shù)據(jù)69,已達到較優(yōu)化的水平。其CNMHG分析液相產物成原因首先是實驗中所用的原料為薯干,較鮮薯而言分理友酵液的線留糖含量、酵渣組成等情含水量少,在水解后糖類物質的濃度較大;其次是況,為副產物的充分利用和開發(fā)附加產品做準備中外能源SINO-GLOBAL ENERGY010年第15卷參考文獻:生物T程雜志,2008,28(7):139-142]孫振鉤中國生物質產業(yè)及發(fā)展取向門農業(yè)工程學報,2004,6]施翔星,黃遵錫,謝建,等農業(yè)有機廢棄物發(fā)酵制氫研究進20(5):1-5晨環(huán)境污染與防治,2008(10):1-62]譚天偉,王芳,鄧利生物能源的研究現(xiàn)狀及展望門現(xiàn)代化「7]馮威力國內首個非糧燃料乙醇裝置投產[N]中國化工報,工,2003(9):8-12.[3] Food And Agriculture Organization Of The United Nations8]靳艷玲,甘明哲,方揚,等鮮甘薯發(fā)酵生產高濃度乙醇的技The State of Food and Agriculture 2008(Biofuels: Prospects術[J應用與環(huán)境生物學報,2009,15(3):410-413Risks and Opportunities )IEB/ OL]. ftp∥fp.fao.org/ docrep/fao9李俊俊唐艷斌唐湘華等復合酶在芋粉發(fā)酵生產燃料0lf010o/0100epd乙醇中的應用門酸酒科技,2009(3):65-684]胡偉生物質燃料乙醇研究進展中國新技術新產品,200101李志軍,劉小民,劉代武等安琪超級釀酒干酵母在消精濃發(fā)酵中的應用[釀酒科技,2005(9):101-1065]李志軍生物燃料乙醇發(fā)展現(xiàn)狀、問題與政策建議[中國編輯張A Study into the Potential of Producing Fuel Ethanolby Fermentation of Cassava SliceLiang Wei, Shi xiangxing( Nanchong Refining Plant, Petro China Sichuan Petrochemical Co, Ld, Nanchong Sichuan 637000)[Abstract] Researchers conducted a laboratory study into the potential of producing ethanol by fermentationide reference data for projects using sweet potato to produce fuel ethanol. Cassavaslices were crushed and used as the raw material. The material/water ratio was 1: 28. The amount of compounddded for use in saccharification accounted for 0.4% of the weight of the raw material. Ethanol wasproduced by fermentation of the raw material in the presence of yeast activating agent(produced by activatingdried yeast in 2% glucose solution in an amount of 40 times that of dried yeast at a temperature of 33C*1C)at a temperature of 35*1C. The reaction cycle was 70 hours. The alcohol content of the product pro-duced was 22% and the yield of ethanol was 48.32%.The utilization rates of Ts and VS in the raw materi-al reached 75.22% and 80.01% respectively Based on the experimental results, it is recommended that theappropriate range of material/water ratios be determined according to specific conditions during the operationand technical upgrade of a fuel ethanol production project using sweet potato as raw material. Biological activ-ity of yeast is an important factor affecting the yield of alcohol. Improvement or innovation on the biologicalactivity of yeast according to specific production conditions is necessary to develop expertise. The compositionof liquid products produced should be assayed using the gas chromatographic method. The content of residualugar in the fermentation liquor and the composition of residues from the fermentation process should also beanalyzed to prepare for the use of byproducts and the development of addition product[Keywords] cassava; fuel ethanol; yield of alcohol; material/water ratio; yeast activation; utilization rate; byproduct中國煤化工CNMHG