第23卷第11期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報Vol 23 No 112242007年11月Transactions of the CSAENov.2007甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化研究薛潔,王異靜2,賈士儒(1.天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院,天津市重點工業(yè)微生物實驗,天津300222;2.中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院,北京100027)摘要;為了開發(fā)新型生物質(zhì)能源研究了用甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇的工藝參數(shù),在單因素試驗的基礎(chǔ)上用正交試驗進行工藝參數(shù)的優(yōu)化。結(jié)果表明發(fā)酵溫度、pH值酵母營養(yǎng)鹽對甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵乙醇產(chǎn)率、起酵速度和發(fā)酵周期有顯著影響;而酵母類型和裝料系數(shù)只影響乙醇產(chǎn)率和起酵速度,對發(fā)酵周期無明顯影響。試驗中當(dāng)裝料系數(shù)為80%pH35、采用丹寶利酵母,添加營養(yǎng)鹽2進行發(fā)酵時,最佳工藝參數(shù)為:發(fā)酵溫度為22C或25℃,營養(yǎng)鹽添加最為0.02%,酵母接種量為0.08%在此條件下發(fā)酵,最高酒精度可達66%(V/V)。該研究結(jié)果為中國燃料乙醇的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)關(guān)鍵詞:鋤高粱莖稈;燃料乙醇;固態(tài)發(fā)酵;酵營養(yǎng)鹽;裝料系數(shù);乙醇產(chǎn)率中圖分類號:S216.2;S514文蘇標(biāo)識碼:A文章編號:1002-6819(2007)11-0224-05薛潔,王異靜賈士儒.甜高粱基稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙酵的工藝優(yōu)化研究[農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,2311):224-228Xue Jie, Wang Yijing. Jia Shiru. Optimization of the technology for solid-state fermentation of sweet sorghum stemsproduce fuel ethanol [ J]. Transactions of the CSAE, 2007, 23(11): 224-228 (in Chinese with English abstract少,劉榮厚等開展了甜高粱莖稈汁液固定化酵母乙醇發(fā)0引言酵的研究,確定了最適的營養(yǎng)鹽添加比例;曹俊峰等在當(dāng)今世界礦質(zhì)能源日益短缺的情況下,生物質(zhì)能就甜高粱汁乙醇發(fā)酵初步條件進行了研究,確定了液態(tài)的研究開發(fā)顯得日益緊迫。燃料乙醇作為一種新型可再發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的最佳工藝參數(shù);張管生在甜高粱莖稈生清潔能源越來越受到各國政府的重視2,巴西已成制燃料乙醇工藝路線探討中,提出了固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料功的用甘蔗研發(fā)出乙醇燃料替代車用汽油,美國是世界乙醇的思路,但文章沒有對具體工藝參數(shù)進行研究12上最大的以谷物(玉米)為原料生產(chǎn)燃料乙醇的國家,到現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)是在密閉的反應(yīng)器中采用單一菌株2005年其燃料乙醇的產(chǎn)量已突破1400多萬t。中國于純種或限定菌株混合純種進行發(fā)酵,克服了液態(tài)發(fā)酵原2000年開始啟動燃料乙醇項目,并取得了初步成果),料加工復(fù)雜廢水量大的缺點132,并且不同于傳統(tǒng)敞但是目前中國燃料乙醇主要是以玉米為原料,存在著與開式固態(tài)發(fā)酵模式,有利于實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)化大生產(chǎn)。人爭糧的問題生產(chǎn)成本較高,應(yīng)用前最不容樂觀因此本研究以甜高粱莖稈為原料,探討了現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)考慮到中國的實際情況,尋求新的生產(chǎn)原料刻不容生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)可行性,旨在為工業(yè)化生產(chǎn)綠色能源提供科學(xué)依據(jù)甜高梁作為能源作物是在世界能源緊缺,石油資源1材料與方法面臨枯竭的嚴(yán)峻形勢下提出的,已引起國際組織和一些國家政府的關(guān)注6。甜高粱屬高效C4作物莖稈含糖1.1材料率高達18%~24%(汁液垂度),用甜高粱莖稈生產(chǎn)燃111甜高梁莖桿料乙醇,在國內(nèi)外得到了廣泛認可-0,中國“十一五來自中國海南省,采收后冷凍貯存。規(guī)劃明確的把甜高粱稈生產(chǎn)燃料乙醇作為首選,甜高粱甜高粱莖稈物性參數(shù)的測定:由國家食品質(zhì)量監(jiān)督作為能源作物顯示出誘人的前景檢驗中心測定,見表1。甜高粱雖有能源作物之稱,但在中國尚沒有大型甜衰1甜高粱莖稈物性參數(shù)Table 1 Physical property parameters of sweet sorghum stems高粲乙醇廠,利用甜高粱生產(chǎn)燃料乙醇是多國科學(xué)家攻指水分灰分總氮pH粗纖維總糖還原糖果膠質(zhì)堆積比重關(guān)的焦點。國內(nèi)外現(xiàn)有的報道主要集中在甜高粱莖標(biāo)/%/%/%值%/%/%/%/kg·m-3稈汁液液態(tài)發(fā)酵工藝,對固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的研究報道很含量60%0.124.5801.02.670.15255中國煤化工收稿日期:2006-12-27修訂日期:200705-281.1CNMHG作者簡介:薛潔(1974一),女高級工程師,博士研究生,主要從事葡萄酒聚酒方面的研充開發(fā)工作,北京市朝陽區(qū)霄云路32號中酵母1:澳福酒用干酵母,煙臺馬利酵母有限公司國食品發(fā)酵工業(yè)研究院,100027, Email: lxxuejic@126cm提供;酵母2:丹寶利釀酒高活性干酵母,廣東丹寶利酵第11期薛潔等:甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化研究母有限公司提供;酵母3:釀酒酵母DV10,法國杰兔(北高梁稈的發(fā)酵現(xiàn)象,結(jié)果如表3所示京)工貿(mào)有限公司提供。酵母用2%的葡萄糖水30C活表3不同溫度對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響化1h備用。Table 3 Influences of different temperatures1.1.3酵母營養(yǎng)鹽on solid-state fermentation of sweet sorghum stems營養(yǎng)鹽1:復(fù)合發(fā)酵助劑 GO-Ferm,法國杰兔(北溫度發(fā)酵時間/h京)工貿(mào)有限公司提供;營蕎鹽2:復(fù)合發(fā)酵助劑,中國42食品發(fā)酵工業(yè)研究院提供;營養(yǎng)鹽3:磷酸二氫銨(分析150.673.5乙醇含質(zhì)1.2試驗方法/%(V/V)2.55.81.2.1工藝流程冷凍甜高粱莖稈→解凍→粉碎機粉碎→接入酵母,1578.5634.9311841.170.32072.432.574.370.16營養(yǎng)鹽→控溫固態(tài)發(fā)酵→固態(tài)蒸餾工藝操作要點73.7823.151.60.821)原料解凍后,切成2~3cm的小段,用間隙為3544.616.370.80.5cm的粉碎機粉碎。從表3數(shù)據(jù)可以看出,發(fā)酵溫度影響甜髙粱稈的發(fā)2)將破碎的原料放入發(fā)酵容器中,裝料系數(shù)大約酵。溫度越高起酵越快發(fā)酵周期越短。當(dāng)發(fā)酵溫度為為80%35℃時,24h內(nèi)的酒精度就可達4.5%(V/V);而同樣3)添加0.09%已活化的活性干酵母2和002%的酒精度,當(dāng)發(fā)酵溫度為20℃時,卻需要42h。試驗中的酵母營養(yǎng)鹽,充分?jǐn)嚢杌靹?調(diào)整pH值為3.5。25℃的發(fā)酵溫度終酒精度最高(6.4%),高于25℃,最4)控制發(fā)酵室溫度為25C,每天測酒精度的變化高酒精度逐漸下降;而發(fā)酵溫度低于20c時,酵母繁殖及降糖速度5)發(fā)酵結(jié)束后,分離,進行固態(tài)蒸餾慢,達到最高酒精度所需時間長(66h),因此從終酒精度和發(fā)酵周期兩方面考慮,最適的發(fā)酵溫度范圍為201.2.2試25℃,發(fā)酵時間為48h釆用單因素試驗方法,分別研究了發(fā)酵溫度、酵母表3中數(shù)據(jù)還顯示,當(dāng)發(fā)酵時間延長時,酒精度有類型酵母營養(yǎng)鹽裝料系數(shù)和pH值對發(fā)酵時間和乙降低的趨勢,這是由于發(fā)酵初期酵母菌以原料中糖分醇產(chǎn)率的影響(單因素試驗時,其他工藝參數(shù)按1.2.1作碳源代謝糖分轉(zhuǎn)化為乙醇;酒精度達到最高后發(fā)酵要求)所有試驗處理均設(shè)3個重復(fù)定時測酒精度和殘原料中的大部分糖分已被轉(zhuǎn)化,酵母菌處于饑鋨狀態(tài)糖變化。結(jié)合單因素試驗結(jié)果和相關(guān)資料,正交試驗因就有可能把發(fā)酵產(chǎn)物乙醇作為碳源,使之轉(zhuǎn)化為酸,因素水平表見表2所示。表2正交試驗因素水平表此發(fā)酵結(jié)東后應(yīng)盡快進行蒸餾,防止乙醇的損失Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment2.2酵母類型對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響菌種是燃料乙醇發(fā)酵中的關(guān)鍵因素,菌種的優(yōu)良與因素水平否直接關(guān)系到燃料乙醇產(chǎn)率的高低。采用22℃的發(fā)酵發(fā)酵溫度/℃酵母營養(yǎng)鹽添加最/%酵母接種歌/%溫度,酵母添加量為0.09%,發(fā)酵周期66h,對3種活220.020.08性干酵母的發(fā)酵情況進行了研兗,結(jié)果見圖10.031.2.3測定方法P酒精度測定:取100g發(fā)酵樣品,加水150mL,蒸←酵母I餾,收集蒸餾液100mL,比重瓶法測酒度,結(jié)果表示薩母2酵母3為%(V/V)。殘?zhí)菧y定:采用裴林試劑熱滴定法。244248中國煤化工2結(jié)果與討論CNMHG態(tài)發(fā)時的影響2.1發(fā)酵溫度對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響rent types of ye試驗研究了15℃、20℃、25℃、30℃、35℃溫度下甜on solid-state fermentation of sweet sorghum stem226農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2007年圖1中顯示,菌種類型影響甜高粱稈的發(fā)酵,3種不同種類的酵母相比較,其中添加酵母1的樣品起酵快,24h內(nèi)的酒精度可達到2.7%(V/V),而添加酵母2和酵母3的樣品起酵速度基本一致,24h內(nèi)的酒精度◆對照一營養(yǎng)鹽分別為2.0%V/V)和1.9%V/V)。但從乙醇產(chǎn)率方背養(yǎng)鹽2面來講,酵母2的發(fā)酵性能最好,其最高酒精度可達到5.6%(V/)。三種菌種對發(fā)酵周期的影響無顯著差異,在48h內(nèi)基本發(fā)酵結(jié)束。在本實驗中酵母2比較適發(fā)慚時間/h宜甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵圖2酵母營養(yǎng)鹽對甜高梁稈國態(tài)發(fā)酵的影響2.3酵母營養(yǎng)鹽對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響ig2 Influences of different types of nutrition salt在甜高粱莖稈中,氮源、無機鹽不是很高,因此on solid-state fermentation of sweet sorghum stems為了保證酵母發(fā)酵的正常進行,必須添加適宜的酵母營圖2顯示,添加營養(yǎng)鹽2的處理在42h內(nèi)可達到養(yǎng)鹽,營養(yǎng)鹽可為發(fā)酵微生物提供良好的生長環(huán)境。實驗中營養(yǎng)鹽1、2為復(fù)合酵母營養(yǎng)鹽,而營養(yǎng)鹽3為最高酒精度,其他兩個處理從發(fā)酵周期方面來講與對照NHH2PO4各營養(yǎng)鹽的添加量為0.02%,對照不添加無明顯差異,因此三種營養(yǎng)鹽相比,營養(yǎng)鹽2的處理效果最好,營養(yǎng)鹽1雖然發(fā)酵周期稍長,但最高乙醇產(chǎn)率營養(yǎng)鹽樣品,營養(yǎng)鹽對甜高粱稈酒精度的影響見表4和營養(yǎng)鹽2無顯著差異因此從反應(yīng)時間、乙醇產(chǎn)率來表4酵母營養(yǎng)鹽對甜高粱蘋稈固態(tài)發(fā)酵乙醉產(chǎn)率的影響看,添加適量的營養(yǎng)鹽有助于在更短時間內(nèi)使秸稈中的Table 4 Influences of different types of nutrition糖分得到更徹底的轉(zhuǎn)化,縮短發(fā)酵周期,降低生產(chǎn)成本alt on ethanol yield rate in solid-state2.4裝料系數(shù)對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響fermentation of sweet sorghum stems在燃料乙醇的固態(tài)發(fā)酵中若裝料系數(shù)過低,設(shè)備最高酒精度/%(V/v利用率低,增加了生產(chǎn)成本;若裝料系數(shù)過高,發(fā)酵時產(chǎn)試驗處理熱很高,影響酵母的增殖,裝料系數(shù)對固態(tài)發(fā)酵的影響對照04.73見圖3營養(yǎng)鹽25.9NH.H2P().5.1衰5方差分析Table 5 Analysis of variance一變異來源平方和自由度均方值戶值處理間1,29000.430011.2170.0031處理內(nèi)0.30670.0383總變Tukey法多重比較圖3茉料系數(shù)對甜高粱囿態(tài)發(fā)酵的影響Fig 3 Influences of different filling coefficients處理5%顯著水平1%極顯著水平on solid-state fermentation of sweet sorghum stems背蕎鹽1NH,H,PO4從圖3可以看出,裝料系數(shù)對發(fā)酵周期的影響不甚明顯各處理在48h內(nèi)均達到最高酒精度;但裝料系數(shù)對酒精度稍有影響,裝料量越大,乙醇產(chǎn)率越高,可能的方差分析表結(jié)果表明,添加營養(yǎng)鹽2的處理其最高原因有兩個:(1)乙醇發(fā)酵屬于厭氧發(fā)酵裝料量越多乙醇產(chǎn)率與對照呈極顯著差異,添加養(yǎng)鹽1的處理與厭氧條件越好;(2)裝料量越大,產(chǎn)熱越多,酵母發(fā)酵越對照呈顯著差異,而添加NHH2PO4樣品的終乙醇產(chǎn)快牛產(chǎn)中.在排除發(fā)酵期間產(chǎn)熱和體積增大率與對照相比無明顯差異,這與張恩銘等的報道基本一因素中國煤化工數(shù)應(yīng)設(shè)為80%致11另外營養(yǎng)鹽不僅對固態(tài)發(fā)酵的終乙醇產(chǎn)率有2.5CNMH(的影響影響,而且也影響甜高梁稈的固態(tài)發(fā)酵周期,結(jié)果見圖甜高粱稈的初始pH值直接影響乙醇酵母的生長代謝,影響燃料乙醇發(fā)酵的正常進行1,試驗采用丹寶第11期薛潔等;甜高梁莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化研究利活性于酵母,用1M稀硫酸調(diào)整pH值(原料初始pH6正交試驗結(jié)果及計算分析值為4.5),發(fā)酵周期為66h。不同pH值對燃料乙醇產(chǎn)Table 6 Orthogonal experimental results and analysis率的影響見圖4。溫度/C營養(yǎng)鹽/%接種量/%(v/v)0.010.08-4.5一3.5上2.525556.6.6I9.3發(fā)醇時間/h圖4pH值對甜高粱稈困態(tài)發(fā)酵的影響T7TMMFig 4 Influences of different pH values on solid-state6.33fermentation of sweet sorghum stems圖4顯示,酵母的發(fā)酵性能受pH值高低的影響,3結(jié)論每一個特定菌種都有其適宜的pH值,在三個不同pH通過對甜髙粱稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝參值處理中,酵母繁殖的最適pH值為35,此時酵母起酵快,發(fā)酵周期短。pH值3.5和2.5在66h內(nèi)酒精度均數(shù)研究,得到如下結(jié)論:達到最高。但從最終乙醇的產(chǎn)率來講,pH3.5值最高1)發(fā)酵溫度影響甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵。溫度過低,可能是秸稈中纖維素和半纖維素在酸性條件下易水解起酵慢,發(fā)酵周期長;溫度過高,終乙醇產(chǎn)率低;最適發(fā)的緣故119。相反的,對照樣品(pH值4.5)不僅起摩酵溫度為酵溫度為20~25℃,發(fā)酵周期為48h;慢,而且發(fā)酵周期比較長。因此為了獲得高產(chǎn)量的乙醇,2)菌種類型影響甜高粱稈起酵速度和終乙醇產(chǎn)率,但對發(fā)酵周期無顯著影響,本試驗中最適的菌種為在固態(tài)發(fā)酵前應(yīng)調(diào)整原料的pH值。2.6甜高粱稈最佳發(fā)酵條件的研究丹寶利乙醇酵母;單因素試驗結(jié)果表明,發(fā)酵溫度、酵母類型、酵母營3)酵母營養(yǎng)鹽對終乙醇產(chǎn)率的影響達到極顯著關(guān)養(yǎng)鹽、裝料系數(shù)和pH值都影響甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵系,其中營養(yǎng)鹽2的效果最佳;本試驗在單因素試驗的基礎(chǔ)上,確定好酵母菌種和營養(yǎng)4)裝料系數(shù)影響甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵,試驗中最鹽后,調(diào)整原料pH值為35,研究發(fā)酵溫度、酵母營養(yǎng)大裝料系數(shù)可達到80%。5)pH值對甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵的影響表現(xiàn)在三個鹽添加量和酵母菌種添加量3個因素同時作用時對甜方面:起酵速度、最高酒精度和發(fā)酵周期和最適pH值高粱稈發(fā)酵的影響,以便確定最合適的發(fā)酵參數(shù)。為3.5。從表6可以看出,溫度、營養(yǎng)鹽、接種量3個因素的極差分別為0.07、0.20和0.16,由極差大小順序排出6)當(dāng)選用丹寶利乙醇酵母,使用酵母營養(yǎng)鹽2時,最佳發(fā)酵條件為:發(fā)酵溫度22℃或25C,營養(yǎng)鹽添加量因素的影響大小為(從主到次):營養(yǎng)鹽、接種量和溫度為0.02%,酵母接種量為0.08%此時最高乙醇產(chǎn)率可根據(jù)表6中的平均值可得較好的生產(chǎn)條件是A2B2C2或ABC2,即發(fā)酵溫度為22C或25℃,營養(yǎng)鹽添加量為達66%(V/V0.02%,酵母接種量為0.08%,但從表1中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度為22℃時,乙醇產(chǎn)率最高為6.6%,因此最合[1 Moreira Jose R. Goldmember,se. lcohol program[]適的發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度為22℃,營養(yǎng)鹽添加量為Energy Policy,1999,27(4);229-245,002%,酵母接種量為0.08%,此時最高酒精度為6.6%[2] Von Sivers, Margareta, Zacchi,cuio. Ethanol(V/V)中國煤化工 economy.BorCNMHG-I4O農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2007年[3]李正西對使用乙醇汽油若下問題的一些探討[].情報調(diào)酒精發(fā)酵的影響[]農(nóng)業(yè)工程半報,2005.21(9):137研,2001,(4):30-34[4]徐錠明.甜高粱制燃料乙醇前景廣闊[J]中國科技投資,[12]張管生甜高粱莖稈制燃料乙醇工藝路線探討[門].中外能006,(12)[5]張金才,周福榮,張春華,等甜高梁的綜合開發(fā)利用[J[13]姚躍飛,增柏全現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在食品加工業(yè)中的應(yīng)作物雜志,1999,(5):1-3用「,食品與機械,2005,21(6):89-92[6]宋高友,等.甜高粱的開發(fā)利用[A]全國高粲學(xué)術(shù)研討會[14]張繼泉郭利美,王瑞明.玉米枯稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精工藝論文選編,1996,8.探討[]廣州食品工業(yè)科技,2004,19(2):24-25.[7]曹俊峰,方博平,谷衛(wèi)彬甜高粱汁酒精發(fā)酵初步研究[門.[15]寧喜斌,馬志鴻,李達甜高粲莖汁成分的測定[J沈陽西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2006,15(3):201-203農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1995,(5):45-48[8] Mamma D, Koullas d, Fountoukidis g,etet. 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China National Research Institute of Food and Fermentation Industries, Beijing 100027, China)Abstract: In order to explore a new-style biological energysource, the technological parameters for production offuel ethanol with sweet sorghum stems were investigated. On the basis of single- factor experiment, the orthogonal experiment was conducted for the optimization of technological parameters. The results show that the fermen-tation temperature, ph value and nutrition salt make great impact on ethanol yields, initial rate of fermentationand fermentation period of solid-state fermentation of sweet sorghum stems. While the types of yeast and filling-coefficient only affected the ethanol yields and initial rate of fermentation, but had no impact on the period offermentation. Under the condition of filling-coefficient 80%, pH value 3. 5, the Danbaoli alcohol yeast and thenutrition salt 2, the optimized parameters were that the fermentation temperature, dosage of nutrition salt andinoculation dosage were 22C or 25C, 0.02% and 0. 08%, respectively. According the above mentioned optimumconditions for producing fuel ethanol, the highest alcohol degree was 6. 6%(V/V). The research provides ascientific basis for fuel ethanol developmentKey words: sweet sorghum stems; fuel ethanol; solid-state fermentation; nutrition salt: filling-coefficientiethanol yield rate中國煤化工CNMHG