利用酒糟生物质发酵生产燃料乙醇的试验研究

第19卷第4期农业工程学报VO2782003年7月Transactions of the CSaeJuly 2003利用酒糟生物质发酵生产燃料乙醇的试验研究宋安东l2,张建威,吴云汉1,马向东(1.河南农业大学生物技术与食品科学学院,郑州4500052.农业部农村可再生能源重点开放实验室,郑州450002)摘要:研究了采用固态发酵工艺利用酒糟生物质生产燃料乙醇的工艺。向酒糟生物质中加λ0.05%液化酶,0.06%糖化酶,0.8%纤维素酶,0.4‰TH-AADY,调整酒糟生物质的酸度为3.0,含水率为60%,起始温度为22~24C,发酵周期为9d的条件下,燃料乙醇产率可达4.18%。中试结果表明,该工艺可正常生产燃料乙醇,产率为4.03%。本研究可以为酒糟生物质资源的合理利用、消除酒糟对环境的污染、开发可再生新能源提供一条新工艺关键词:酒糟生物质;发酵;燃料乙醇中图分类号:Q939文献标识码文章编号:1002-6819(2003)04-0278-041引言21%,糖分含量为0.8%2.2菌种。酒糟生物质( Distillers biomass,DB)是白酒生产过活性干酵母TH-AADY,由湖北宜昌食用酵母基程排放的废弃物,毎生产1t白酒(4θ度)就排放酒糟生地提供,用2%的葡萄糖溶液30℃活化h备用。酒精物质3~4t。我国是个饮料酒生产和消费的大国,仅白酵母1308( Saccharmyces cerevisia),由河南天冠集团提酒2001年产量就达到850万t,仅此一项毎年我国排放供,用豆芽汁葡萄糖培养基进行扩大培养,每代培养时酒糟生物质就达3000万t。酒糟生物质的含水率大间为24h,备用(60%~70%),酸度高(3.0左右),同时含有一定的残2.3酶制剂余糖分、淀粉,因此,酒糟生物质不易保存,极易腐烂变糖化酶(50000u/g)由(中外合资)无锡星达生物质,发酸发臭,造成了严重的环境污染同时酒糟生物质工程有限公司提供,液化酶(2000u/g)由北京美的生中的残余糖分、淀粉、丰富的纤维素和半纤维素等资源物技术有限公司提供,纤维素酶(2500u/g)由本实验也不能得到合理的利用,造成巨大的资源浪费。目前对室采用黑曲酶F2固体曲盘法生产于酒糟生物质的利用大都局限于烘干或直接作为饲料、2.4测定方法栽培食用菌等方面的初级利用,利用水平和利用率不燃料乙醇含量测定采用变性燃料乙醇国标高、附加值较低。因此,寻求一种新的酒糟生物质利用GB18350-2001,然后计算酒糟生物质的燃料乙醇产率途径是很有必要的(RFE);酸度测定用0.1NaOH滴定法;糖度测定用在当今传统化石能源的供给日益紧张,人类对使用DNS法;淀粉测定采用国标GB5009.9-85;纤维素测定传统化石能源所造成的严重环境污染有了充分认识的用国标GB5009.1085情况下,燃料乙醇( Fuel ethonal,FE)作为一种新型的2.5复合酶糖化效果研究可再生、清洁能源而越来越受到世人的重视2·3。巴西、燃料乙醇发酵的最终基质是可发酵性糖类,如葡萄美国、印度等国家已有近200万辆机动车使用燃料乙糖,在采用酒糟生物质生产燃料乙醇的过程中,酒糟生醇,我国的河南天冠集团率先倡导并推动了燃料乙醇的物质中的淀粉、纤维素和半纤维素可以在液化酶、糖化使用。目前燃料乙醇的生产主要以粮食或薯类为原酶和纤维素酶的作用下糖化产生可发酵性糖类。在p料,产品成本高利用酒糟生物质为原料生产燃料乙值为4.5~5.0,温度为30C时,采用表1设计的各种酶醇还很少报道。本文就通过固态发酵用酒糟生物质生产的比例来研究复合酶对酒糟生物质处理24h的效果,燃料乙醇的工艺技术进行了试验研究-。该试验的设计采用L(34)正交表进行,以糖化效果最好的组合来配比复合酶。2材料与方法表1试验因素水平表2.1材料Table 1 Experimental factors and levels酒糟生物质样品取自河南林河集团(生产浓香型白中国煤化工2酒),含水率64%,淀粉含量为8.9%,纤维素含量为CNMHGO.05%0纤维素酶(C0.8%收稿日期:200207-08基金项目:河南省科技厅重点攻关资助项目(0123011700作者简介:宋安东(1972-)男,河南宜阳人,讲师,博士生,主要从2.6发酵条件研究事发酵工闩荬环境工程、能源微生物学等的研究工作。郑州市采用不同的菌种,调整酒糟生物质不同的酸度,不河南农业大学生物技术与食品科学学院,450005同的含水率,在30C,300mL三角瓶中装入酒糟生物第4期宋安东等:利用酒糟生物质发酵生产燃料乙醇的试验研究质密闭发酵12d发酵过程中毎天取样测定发酵酒醅的述复合酶添加量,用生石灰来调整酒糟生物质的酸度,燃料乙醇产率,研究不同条件下酒糟生物质旳发酵情用 TH-AADY发酵12d。不同酒糟生物质起始酸度对燃料乙醇产率的影响结果如图2所示3结果与分析口 TH.AADU/1308/13.1复合酶糖化酒糟生物质的研究根据表1的安排,正交试验的结果如表2所示。表2糖化酒糟生物质试验结果Table 2 Experimental results of saccharification of DB组合糖度/%试验号1(0.01%)1(0.02%)1(0.6%)0.10.20.30.40.50.61.02(0.06%)2(0.8%)6.1823456783(0,1%)3(1.0%)2(0.05%)5.91图1菌种对燃料乙醇产率的影响Fig 1 Effect of strains on productivity of Fuel Ethonal(FE)3(0.1%)086217.1716.447Xxx822968吸5,725,486.045,740,212.02.22.4262.83.03.43.63.84.0由表2的试验结果可以看出在9个处理中,第2个组合糖化效果最好,酒糟生物质中糖度为6.18%,其次是第9个组合,糖度为图2酸度对燃料乙醇产率的影响Fig. 2 Effect of acidity on productivity of FE6.02%。从而可以确定第2个组合ABC2中的复合酶添加比例最佳,即酒糟生物质中添加0.05%液化酶图2表明了酒糟生物质起始酸度对燃料乙醇产率0.06%糖化酶,0.8%纤维素酶时,酒糟生物质中所产生有非常明显的影响,酸度过大或过小均严重制约着燃料的可发酵性糖类最多乙醇发酵的正常进行。从图可以看出,在酸度为3.0时,2)从全局大小R>R>RA可知,复合酶中对酒酒糟生物质的燃料乙醇产率最大,达到3.7%。在试验糟生物质糖化影响最大的是纤维素酶,其次是糖化酶,操作中添加θ.08%的生石灰就可调整酒糟生物质的酸影响最小的是液化酶。这一结论与酒糟生物质中所含有度为3.0的纤维素、淀粉的含量相符合3.4酒糟生物质中含水率对燃料乙醇产率的影响3.2不同菌种发酵的对比研究在燃料乙醇的固态法发酵中,发酵基质的含水率是菌种是燃料乙醇发酵中的关键因素,菌种的优良与影响酵母菌生长、酶活力、发酵过程的关键因素不同酒否直接关系到燃料乙醇产率的高低采用上述复合酶添糟生物质起始含水率对燃料乙醇产率的影响见图3。由加量,调整酒糟生物质的酸度为3.0,含水率为65%,发图3可知在酒糟生物质含水率为60%时,酒糟生物质酵周期为12d,对2种酵母菌发酵情况进行研究,结果的燃料乙醇产率最高,达到4.0%,随着含水率的增加,见图1燃料乙醇产率明显降低,含水率越大,燃料乙醇产率越接种量为0.4%时酒糟生物质的燃料乙醇产率最大,少能是由干过大的含水率影响了酵母菌正常生长从图1可以看出, TH-AADY的发酵性能较好,在低,这可中国煤化工达到3.9%。酒精酵母1308的发酵性能稍次,在接种量3.5发CNMHG为0.5%时,酒糟生物质的最大燃料乙醇产率为3.5%在以上研究的基础上,采用最佳的工艺条件,对发因此,在本次试验中采用活性干酵母TH-AADY。酵过程中发酵基质的糖分( Sugar,Su)、淀粉( Starch3.3酒糟生物质起始酸度对燃料乙醇产率的影响St)、纤维素( Cellulose,Ce)、燃料乙醇产率等进行测定,酒糟劣锕舶起始酸度直接影响着酒精酵母的生结果如图4图4表明了发酵过程中随着发酵周期的延长代谢,影响着燃料乙醇发酵的正常进行。我们采用上长发酵基质中的淀粉、纤维素的下降趋势酒糟生物质农业工程学报2003年口 TH.AADU/‰活化3℃cADN53液化酶葡萄糖溶液么么么么么入池]发酵生物质」含水率605.纤维素酶24℃成品分析30.40.50.61.0接种量图5酒糟生物质发酵生产燃料乙醇工艺流程Fig 5 Flow chart of FE produced by DB fermentation图3含水率对燃料乙醇产率的影响Fig 3 Effect of water content on productivity of FE物质的酸度,同时调整含水率,而后在45~50C加入合适的复合酶。2)待酒糟生物质温度降至30~35C时接入经活化-RFE/3-△Ce20-St/1Su/z的菌种,拌匀。3)酒糟生物质温度降至24~26℃开始入池,保证酒糟生物质入池后起始温度在22~24C,入池后盖好塑料布,密闭。4)酒糟生物质发酵周期为9d。5)发酵完毕即可进行蒸馏,蒸馏时由于酒糟生物质发酵醅的含水量太大,需要添加10%稻壳进行疏松,1234567891011121314保证蒸馏效果。3.7经济效益分析图4发酵过程中基质组分的变化采用本研究结果,毎吨酒糟生物质投入生产燃料乙Fig 4 Changes of media composition during醇的经济效益分析如表3所示,分析表3可知,本项目fermentation process具有明显的经济效益。推广该项目,每年我国的3000万t白酒酒糟生物质资源可盈利1.1亿元中可发酵性糖类的变化情况以及燃料乙醇产率的变化表3经济效益分析表情况。从图中可以看出,发酵基质中的淀粉和纤维素在Table 3 Analysis of economic benefits开始的3d内下降很快,之后淀粉基本保持不变,估计是液化酶和糖化酶作用完的缘故,总过程中淀粉下降了液化酶2%;而纤维素在第4、5d不下降,之后又经历了一个下糖化酶酒糟生物质纤维素酶降的时期,到第9d后保持不变,这是由于开始是纤维加工成本菌种素酶的作用,中间由于糖类含量高而抑制了纤维素酶对生石灰0,064底物的作用,当糖类转化成燃料乙醇后,糖类的含量减工人工资25.1875少,解除了抑制作用,从而纤维素又有一部分被糖化,总5.87574过程中纤维素下降了4%。糖分的变化是先升高,第2d合计76.32724达到高峰,之后逐渐下降并趋近于零,这一现象与淀粉单价/元·k12,84纤维素的糖化和糖分转化成燃料乙醇的过程是相匹配燃料乙醇产值/元价值/元净盈利/元6.51276汋,最终残糖为0.9%。随着发酵周期的延长,酒糟生物益本比质的燃料乙醇产率也随之升高,到第Ωd时达到峰值注:ν、蓍的数据依据依据河南林河集团2001~2002年平均财务报4.18。总之在酒糟生物质的发酵过程中,淀粉、纤维素都得到了不同程度的利用;发酵周期可以确定为9d3.6发酵工艺流程及操作要点中国煤化工根据以上试验配合工业化生产的基本思路和经4结HCNMHG验,我们在天冠集团、河南林河集团、河南宝丰酒业集团1)通过向酒糟生物质中加入0.05%液化酶进行了中试,工艺流程如图50.06%糖化酶,0.8%纤维素酶,0.4‰TH-AADY,调整在上述工艺流程的实际生产实践中,操作要点如酸度为3.0含水率为60%采用固态发酵在起始温度22~24C,发酵周期为9d时,酒糟生物质的燃料乙醇根据前面试验结果,先加入生石灰调整酒糟生产率可达403%第4期宋安东等:利用酒糟生物质发酵生产燃料乙醇的试验研究2)本研究是利用农产品加工业废弃物生物转化生之我见[].中国工程科学,2001,3(5):44~45产清洁能源燃料乙醇的新工艺,适合于我国各类白酒企6]王革华.我国生物质能利用技术展望J.农业工程学报业的酒糟生物质能转换利用,对消除酒糟污染,开发生1999,15(4):19~2物质能资源开辟了一条新途径[7]章克昌.发展“燃料乙醇”的建议[].中国工程科学,2000,2[参考文献][8]宋安东,张世敏,宋崇义.绿色木霉T1纤维素酶在大曲酒丢糟中应用的研究[].酿酒,2001,(4):51~521]李政一,周定,侯文华.酒糟资源化研究.环境科学学报2001,20(增刊):145~149[9 Zaldivar J. Nielsen J, Olsson J. Fuel ethanol productie[2 Moreira, Jose R. Goldemberg, Jose, Alcohol programfrom lignocellulose: a challenge for metabolic engineeringand process integration [ J]. Appl Microbiol BiotechnolJ]. Energy Policy,1999,27(4):29~2452001Jul;56(1~2):17~34[3 Von Sivers, Margareta: Zacchi, Guido. Ethanol from[10 Gang C S, Cao N J. Du J, et al. Ethanol productionlignocellulosics: a review of the economy[J].Bioresourcefrom renewable resources [J]. Adv Biochem Eng[4]章克昌.酒精与蒸馏酒工艺学[M].北京:中国轻工业出版Biotechnol,1999;65:207~4111]王福亭,农业试验设计与统计分析[M].北京:农村读物社,1997.出版社,19915]倪维斗,李政,靳晖.对用生物质原料生产燃料用乙醇Fuel ethanol production by distiller biomass fermentationSong Andong, Zhang Jianwei, Wu Yunhan, Ma Xiangdong(1. Biotechnical & Food Science College, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450005, ChinaKey Laboratory of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Zhengzhou 450002, China)Abstract The technology of fuel ethanol production by solid fermentation with distiller biomass was studied. Theield of fuel ethanol reached 4. 18% under the condition as follows: a-amylase 0. 05%, glucoamylase 0.06%cellulase 0.8%. TH-AADY 0. 4%o, the acidity of distiller biomass was 3. 0, the water content was 60% and theinitial temperature was 22-24 C; the fermentation lasts 9 days. The middle test shows that 4. 03 fuel ethanolcould be taken by this technology normally. This study provided a new way to utilize distiller biomass resourcesefficiently, eliminate environmental pollution of distiller biomass and exploit renewable energyKey words: distiller biomass: fermentation: fuel ethanolH中国煤化工CNMHG