木薯酒精发酵

木薯酒精发酵王国东201311805115随着中国经济的快速发展，能源的过度消耗与利用，造成石油、天然气、煤等不可再生化石能源的严重短缺，寻找替代能源迫在眉睫，可再生的生物能源具有广阔的市场前景。在我国，玉米、小麦、水稻、马铃薯、红薯等作物中的淀粉是传统的酒精生产原料，不仅生产成本昂贵又会影响国家粮食安全，为此酒精生产原料“非粮化”是发展趋势。因此，来源广泛、成本低廉的生物燃料酒精生产原料成为国内外研究与开发的重点。木薯粗生快长，适应性好，耐瘠、耐旱，能在边际土壤中生长，广泛种植于广西、云南、海南、广东、福建等省区，是我国南方一种非常重要的经济作物。同时，木薯淀粉(25％～35％)含量高又不与粮食争地，符合国家大力发展生物质能源的规划要求，作为可替代生物质能源，极具应用与发展前景，是一种极好的酒精生产原料目前，我国在木薯淀粉发酵生产酒精的研究与开发方面，莫丽春、赵江、陆雁、易弋等采用木薯粉和干片在低温水解和浓醪发酵等方面进行过较为详尽的研究，而在高温水解和稀醪发酵等方面研究报道还相对较少。木薯淀粉发酵生产酒精的最佳工艺条件为时间84h、温度40℃、硫酸铵用量1.2％和酵母用量15％，在此工艺条件下生产酒精，酒精值高达11.16％(V／V)，出酒率为52.19％，比玉米、小麦、水稻、马铃薯、红薯等淀粉质为原料的出酒率都高，说明木薯淀粉是一种生产酒精的极好原料。木薯已被世界公认具有很大发展潜力、很有前途的酒精生产的可再生资源。近年来，随着木薯原料用于生产酒精逐渐受到人们的重视，国内外学者都致力于木薯生产酒精工艺的研究。1木薯的预处理木薯原料在进行正式生产之前，必须预处理，以保证生产的正常进行和提高生产的效益，预处理包括除杂和粉碎两个工序。1.1原料除杂木薯在收获和干燥过程中，经常会掺夹泥土、沙石、粗纤维、金属杂质等杂质，这些杂质如果没有在正式投入生产之前清除，将严重影响生产的正常进行。石块和金属杂质会使粉碎机的筛板磨损或者损坏，造成生产的中断；机械设备运转部位，会因泥沙的存在而加速磨损，泥沙等杂质也会影响正常的发酵过程。所以用木薯原料生产酒精前必需进行除杂，以保证生产的正常进行和提高生产的效益。1.2原料粉碎木薯原料粉碎可以使原料的颗粒变小，原料的细胞组织部分破坏，淀粉颗粒部分外泄，增加原料的表面积，在进行水热处理时。加快原料吸水速度，降低水热处理温度，节约水热处理蒸汽；有利于淀粉酶与原料中淀粉分子的充分接触，促使其永解彻底，速度加快，提高淀粉的转化率；有利于物料在生产过程中的输送。酒精生产原料的粉碎按带水与否分为：干式粉碎和湿式粉碎，实际生产中多采用于式粉碎。国内酒精生产原料粉碎设备主要是锤片式粉碎机，合理的干式粉碎应采用粗碎和细碎两级粉碎工艺，在进入锤碎机前先经过粗碎，把大块原料初步打碎成小块原料，再经过锤碎机，将小块原料打碎成较细的粉末原料。湿式粉碎是指粉碎时将拌粉用水和原料一起加到粉碎机中去进行粉碎。2液化木薯淀粉中含直链淀粉17％，支链淀粉83％，淀粉浆的液化是将淀粉链打断，淀粉的网状结构被破坏，从而使淀粉浆的粘度降低，使淀粉水解为糖和糊精。传统的液化工艺采用高温高压蒸煮法。原料和水混均后，于130℃下进行高温高压处理。随着酶工程的发展，传统的高压高温蒸煮逐渐被取代，液化可分为有蒸煮方式和无蒸煮方式，现在的有蒸煮液化方式与传统的高温高压蒸煮液化方式有着本质的不同，它是建立在酶制剂技术上的一种液化方式。液化过程中广泛使用液化酶对原料进行液化处理。根据蒸煮温度和加酶品种的不同，目前的有蒸煮液化处理方式可分为三种，高温蒸煮、中温蒸煮和低温蒸煮，高温蒸煮会造成原料中可发酵性物质损失，且安全性差；中温蒸煮不易染菌，但冷却设备投资大，耐高温淀粉酶价格高，酒精成本高；低温蒸煮节约蒸汽和冷却水效果显著，可发酵性物质损失少，但糊化、糖化不彻底，易染菌，发酵升酸高。无蒸煮方式又称为生料发酵工工艺，凡是完全排除对淀粉质原料进行热处理的酒精生产工艺属于无蒸都煮方式。但是，目前生料发酵中液化，糖化效果比有蒸煮方式要低。3糖化糖化是将短的淀粉链即糊精转化为可发酵性糖，糖化分前糖化阶段和后糖化阶段，因为糖化过程的时间限制，不可能将全部的淀粉转化为糖，所以在发酵过程中还存在糖化过程，称为后糖化D1。糖化是一个复杂的生物化学变化过程，受糖化酶添加量、时间、温度等多种因素的影响。糖化酶在木薯酒精发酵中有很大的作用，它将木薯中的淀粉分解成可发酵性糖，以利于酵母酒精发酵。糖化酶的用量对酒精发酵有很大的影响，糖化酶的用量太少，会造成发酵不彻底；糖化酶太多，则增加了生产成本。糖化的效果不仅取决于糖化酶的添加量，而且与糖化时问有很大的关系，糖化时间不足，造成糖化不完全，不利于提高原料出酒率；糖化时间过长，会延长生产周期，降低设备的利用率。糖化温度的高低对糖化也有一定的影响。酶的化学本质蛋白质，反应温度高于适宜温度时，酶蛋白会逐渐产生变性而作用减弱，甚至丧失其催化活性，温度过低于适宜温度容易染菌，所以糖化温度的控制是非常重要的。历年来，从木薯酒精发酵的研究资料来看，糖化酶添加量一般控制在100-200U／g原料，糖化阶段的温度在58-62℃，糖化时间控制在30-60min。4木薯原料发酵生成乙醇目前木薯酒精发酵工艺主要有分别水解发酵工艺，同步.水解、发酵工艺，固定化细胞发酵工艺，生淀粉发酵工艺等。4．1分别水解发酵工艺(SHF)SHF法的工艺特点是糖化和发酵分别在不同的反应器中进行。当前木薯原料发酵生产酒精普遍采用的是SHF模式，SHF模式发酵速度较慢，一方面是由于发酵初期高的葡萄糖浓度对酵母发酵产生抑制，另一方面即使SHF模式中也存在后糖化过程，酵母自身不能利用淀粉，发酵结束除了取决于酵母利用葡萄糖的速度，还取决于发酵后期糖化酶的后糖化速度。SHF模式中，糖化后高的葡萄糖对糖化酶的抑制使其活性下降较快，造成后糖化作用弱，发酵时间延长翻。4．2同步水解、发酵工艺同步水解、发酵工艺即同步糖化发酵法。20世纪70年代，一些学者在研究纤维素发酵转化乙醇的过程中，为了防止糖积累和最终产物抑制，从而提高纤维素酶的催化水解效率，提出了同步糖化发酵(Ss硎莫式，受到了广泛的重视，各国学者进行了大量研究。采用SSF模式发酵淀粉原料生产酒精，省略了糖化工段，能耗降低；糖化和发酵在同一个反应器中进行，设备投资省；另外糖化和发酵同时进行，糖化生产的葡萄糖一经产生就被酵母利用，解除了产物抑制，保持了糖化酶的活性，有利于防止染菌。刘振等对木薯干原料同步糖化发酵生产乙醇的各影响条件进行研究，得出最优的工艺条件：原料粉碎粒度0.45ram，加水比2.8，100℃下蒸煮30rain，淀粉酶、糖化酶的添加量分别为180U／g，300％下发酵48h。并与普通的先糖化后发酵(SHF)生产模式进行了对比，认为SSF具有工艺简单、能耗低、发酵迅速、醪液酒精度高等众多优点，但是同步糖化发酵法存在糖化和发酵温度不协调等缺点。4．3固定化细胞发酵工艺固定化细胞发酵具有能使发酵罐内细胞浓度提高，细胞可连续使用，使最终发酵液酒精浓度得以提高。在游离发酵过程中，酵母随着醪液流出，造成酵母细胞迅速降低，发酵速度变慢。人们从固定化酶技术得到启发，使酵母一直停留在发酵罐中，保持高的反应速度。常用的方法有吸附、包埋、交联等，可用的固定载体多种多样，常用的载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。赵玲等闭以海藻酸钠为载体进行了固定化酵母流化床生物反应器木薯淀粉酒精的间歇发酵试验，得出发酵醪初糖浓度为15％-17％，经过9h的发酵，发酵醪酒精含量达到9.3％-9.6％(v／v)，酒精收率为87.35％-92.27％。反应器的乙醇生产能力为5.71-5.90g／Lh，残糖均低于1％，与常规的生产工艺相比极大地缩短发酵时间，提高生产强度2-3倍。李魁p睬用聚乙烯(PVA)为载体共固定化酵母菌细胞和糖化酶制剂，以木薯糖化醪为发酵底物在共固定化生物反应器中，控制发酵温度300℃，在糖化醪流加速率为9mL／h，停留时间3.1h和稀释速率为0.155h/L条件下进行酒精连续发酵，成熟发酵醪液残余总糖和残余还原糖含量均较低，游离细胞数较常规发酵低1个数量级以上，总糖利用率高达96.91％。80年代初，K.Esser等人率先提出利用某些具有强自身絮凝能力的菌株形成颗粒，以此作为一种固定化细胞的方法冈。这种技术被称为无载体细胞固定化技术，与通常的载体固定化方法相比，它具有如下优点：①固定化操作方法简单，无载体附加费，不消耗任何辅助材料，颗粒制各成本低；②与载体固定颗粒相比，细胞颗粒内部传质阻力小，有利于维持细胞的活性和发酵的进行；③反应器中菌体浓度高，可获得很高的生产强度。2000年，马悦等以一株粟酒裂殖酵母变异株在悬浮生物反应器内进行了以木薯淀粉糖化液为发酵底物的酒精清液连续发酵研究，得出了二级连续发酵系统可明显改善一级系统的不足，并取得了平均流加糖液浓度150g／L，发酵强度为9.7g／Lh，流出液酒精浓度72.7g／L，残糖浓度3.74g／L，总糖利用率90％的较好结果，并且整个系统中从未发现染菌现象，发酵操作稳定。4．4生淀粉发酵工艺生料酿酒就是指酿酒原料不用蒸煮，糊化直接将生料淀粉进行糖化和发酵，生料发酵在酿酒上已得到广泛应用，生产实践表明，与传统的酿酒方法相比：能耗低，生料酿酒可节约能源50％；成本低，降低成本37％；改善劳动条件，降低劳动强度30％左右；出率高，能提高出酒率20％-30％，酒质好等优点，但以生料发酵在木薯酒精生产中的研究比较少见。5结语随着是地球上化石能源贮量不断减少，能源紧缺问题日趋严重。为了人类的健康和可持续发展，很多国家都在寻求新的可再生替代能源，特别是交通燃料的替代品，使酒精的需求量不断增加。木薯作为一种工业原料，作为一种可再生资源，发展木薯燃料酒精可以缓解能源紧张的矛盾，具有良好的应用前景和现实意义。参考文献莫丽春,彭文,曾里.木薯粉制备燃料酒精的生料低温水解工艺研究[J].粮食与饲料工业,2012(3):30-32薛万伟,党选举,李鑫.木薯酒精发酵工艺的研究[J]-酿酒2005,33(4):39-40赵玲,孙清,刘荣厚等.固定化酵母流化床生物反应器木薯淀粉酒精发酵的研究[J].可再生能源,2005(01):16-19李魁酵.母菌与糖化酶共固定化木薯酒精连续发酵工艺研究[J].中国粮油学报,2005,20(01):36-40马悦,周祥山,吴佩琮.无载体固定化酵母细胞木薯淀粉质原料酒精连续发酵研究[J].微生物学报,2004,40(2):198-203李志平;庞宗文生木薯淀粉直接发酵生产酒精的发酵条件研究[J]-酿酒科技,2005(12):57-59匡钰,朱德明.我国木薯燃料酒精工业发展现状及建议[J].热带农业工程,2006(2):16-20