甜高粱汁液制备燃料乙醇的研究

品开发与献旋品型技甜高粱汁液制备燃料乙醇的研究周美静,王颉’,牟建楼(河北农业大学食品科技学院,保定071000摘要:以可溶性固形物浓度为16%的甜高梁茎杄汁液为材料,通过单因素试验确定适宜的氮源为硫酸铵;对发酵过程中pH值、接种量、温度对酒精度的影响进行硏究;通过正交试验,最终确定利用甜高梁糖汁生产酒精的发酵条件为:初始pH50、接种量10%、温度30℃、发酵48h,可获得10.0%(v/)的酒精。关键词:甜高梁汁;酒精发酵;燃料乙醇中图分类号:TS262.2文献标识码:B文章编号:1005-9989(200809-0108-04Study on producing fuel ethyl alcohol by sweet sorghum juiceZHOU Mei-jing, WANG Jie, MU Jian-lou(Food Science and Techniques College of Hebei Agriculture University, Baoding 071000)Abstract: In this article, sweet sorghum stem pole juice with the soluble solid shape density of 16%, wastaken as the material. Take(NH)2SO. as nitrogen source was determined through the single factor expenment. To study the effect of different pH value, the temperature, the time on the alcohol yields, the orthogonalexperiment was carried out. The suitable fermentation condition were as following: pH5.0, inoculation volume10%, the temperature at 30 C, time 48 h, may obtain 10.0%(v/v)alcohol.Key words: sweet sorghum juice; alcohol fermentation; fuel ethyl alcohol始于20世纪70年代的“能源危机”使人们开利用包括生物质能在内的可再生能源资源,开发和利始认识到,廉价的原油是会用完的。一直以来,石油用生物能源已成为一种战略选择。燃料乙醇正逐渐成作为一种重要的战略能源物资,在世界经济活动中为化石燃料的替代品,它既能摆脱天然能源的限制扮演着不可或缺的重要角色。由于石油价格的飚升又能减少环境污染。目前世界上23的酒精被用作燃而形成的世界石油危机严重地影响世界经济发展。料叫。这对于建立持续发展的能源系统,促进社会经19%6年以来,石油价格走高态势显而易见。随着经济的发展和生态环境的改善具有重大意义济的快速发展,能源问题正在成为困扰中国经济发往汽油中添加酒精作为燃料始于第一次世界大展的一大难题。当前国际油价高位运行,中国油气战,到1921年德国的混合酒精生产量已达到21000供需矛盾突出。据国土资源部预计,按照目前我国t,但20世纪50年代初期由于大量便宜石油的出现能源需求的增长速度,石油开采年限为15年,远远而停止了生产。自从70年代中期发生石油危机以来,低于世界51年的平均水平。因此,用现代技术开发各国又开始关注生物酒精燃料,使其发展得到了大大中国煤化工收稿日期:200801-23通讯作者CNMHG基金项目:保定市科技局项目(07NXX)。作者简介:周美静(1982一),女,硕士研究生,研究方向为生物质能源。M9208食品翻技品发与机的加强。美国于1992年开始鼓励使用乙醇作新配方4个处理,每处理重复3次,各处理互为对照。汽油的充氧剂,从而极大地促进了美国燃料乙醇的生处理1:在300mL的三角瓶中加入16°Bmix的甜产。1999年12月,美国能源部再一次颁布了关于实高粱汁200mnL,硫酸铵1.0g,接入活化好的菌种20施“生物质转化酒精”项目的计划。同时,世界各国mL,30℃培养48h后测酒精度特别是欧美等发达国家,纷纷开始制定生物质资源逐处理2:在300mL的三角瓶中加入16Brix的甜步替代石油资源的科技与产业发展规划24。我国高粱汁200m、尿素0447g,接入活化好的菌种202001先后批准建设4个以消纳陈化粮为主要目的的mL,30℃培养48h后测酒精度燃料乙醇企业,并示范推广“燃料乙醇汽油”的应处理3:在300mL的三角瓶中加入16Brix的甜用,开创了我国较大规模应用可再生能源液体燃料高粱汁200mL、碳酸氢氨0.857g,接入活化好的菌的局面。考虑到我们国家的粮食安全,2006年国家种20mL,30℃培养48h后测酒精度。发展和改革委员会下发紧急通知,要求我国生物燃处理4:在300mL的三角瓶中加人16Bix的甜料乙醇项目的原料应坚持以非粮为主,重点支持木高粱汁200mL、磷酸二氢氨10g,接入活化好的菌薯、甜高粱以及纤维资源等非粮原料产业发展,燃种20mL,30℃培养48h后测酒精度料乙醇生产应建立多元结构的原料资源体系。甜高125适宜硫酸铵浓度的确定将可溶性固形物为粱收获时,每公顷除可收获高粱籽粒6t外,还可16%的甜高粱汁200mL加入到300mL的三角瓶中收获可溶性固形物含量17%-22%的秸秆75-300按10%的接种,设以下4个处理,分别加入硫酸铵t,并且耐盐碱、抗倒伏S,适宜大面积推广种植。0、0.3%、06%、0%,每处理重复3次,各处理互本研究以甜高粱秸秆汁液为原料,研究发酵条件对为对照,30℃培养48h后,测酒精度。酒精发酵的影响,旨在为利用甜高粱秸秆生产燃料1.2.6适宜发酵时间的确定将可溶性固形物为乙醇提供理论依据。16%的甜高粱汁200mL加入到300mL的三角瓶中按10%的接种,30℃培养,12h后开始测二氧化碳1材料与方法失重和酒精度,每6h测一次,直到发酵48h,重1.1试验材料复3次。菌种:丹宝利酿酒高活性干酵母,由东糖集团1.2.7适宜发酵温度的确定将可溶性固形物为1东莞市丹宝利酵母厂出品;甜高梁来源:河北农业大的甜高粱汁200mL加入到300mL的三角瓶中,按学标本园。10%的接种,设定18、25、30、35、38℃下5个处MgSO、CaCl2、KH2PO、NH)SO:分析纯,天理,重复3次,互为对照,培养48h,测酒精度津市天大化工试验厂;PRI01数字折光仪: JAPAN12.8适宜的发酵pH值的确定将可溶性固形物为ATAGO CO,LTD;电子天平:北京赛多利斯天平有16%的甜高粱汁200mL加入到300mL的三角瓶中限公司;生化培养箱:广东省医疗器械厂;三辊式榨按10%的接种,调节发酵液起始pH分别为3.0、40、汁机:利宝达厨具机械厂;HZQ-F全温震荡培养箱:50、6.0、70、80,重复3次,互为对照,30℃培哈尔滨市东联电子技术开发有限公司;超净工作台:养48h后,测酒精度。北京半导体设备一厂。129适宜的接种量的确定将可溶性固形物为16%1.2试验方法的甜高粱汁200mL加入到300mL的三角瓶中,设12I甜高梁糖含量的测定直接滴定法。定4个处理接种量分别为5%、10%、15%、20%,重122酒精含量的测定准确量取100mL发酵液加复3次,互为对照,30℃培养48h后,测酒精度。入500mL圆底蒸馏烧瓶中,再加入50mL水后进行12.10正交实验为了考察不同发酵条件对乙醇发蒸馏,用100mL量简收集馏出液,定容至100mL,酵的影响,试验选择温度、接种量、pH3因素,用L用酒精计(标准温度20℃),测酒精度,同时测定(3正交表安排试验,因素水平对照表见表1。用温度,然后换算成20℃时的酒精度。10%菌种,以(NHSO4为氮源,在30℃、pH5,发酵1.23适宜菌种活化时间的确定将可溶性固形物48h后测定发酵液酒精度,每处理重复3次。为16%的甜高粱汁200mL加入到300mL的三角瓶表1正交因素水平对照表中,按10%的接种量、硫酸铵为0.6%,30℃培养,因素每2h用血球计数板计数一次,确定菌数,确定生中国煤化工pHC空列D长曲线。TYHCNMHG1.24适宜氮源的确定为了筛选适宜的氮源,以硫酸铵、尿素、碳酸氢氨和磷酸二氢氨为氮源,设以下15Na. 9. 2食品裂技健品开发与机1211试验结果分析方法采用SRS10for养元素,一般氮源分为无机氮源和有机氮源两类windows统计软件,差异显著水平为005。由于有机氮源成本较高,因而选择无机氮源作为发酵培养基的氮源,其中尿素和硫酸铵是最常用2结果与分析的氮源。2.1菌种活化时间由图2可知,通过比较尿素、硫酸铵、碳酸氢氨和磷酸二氢氨4种氮源对酒精发酵的影响,当氮源为硫酸铵时酒精度显著高于其他的氮源(p<005。因此,确定适宜的氮源为硫酸铵。23不同硫酸铵浓度对发酵结果的影响1012141618氮源是构成和一些代谢产物的必需营时间h养元素,相同氮源不同浓度对发酵结果也有不同的图1菌种活化时间的确定由图1可知,菌种生长速度逐渐加快,当培养06%时酒精度随之增高,当硫酸铵浓度增大到09%时,酒精度略有下降。当浓度为0.6%时酒精度显著殖能力强;培养14h之后酵母生长平稳;当培养18高于其他4水平(∞<05。因此确定硫酸铵的适宜添h后,酵母生长开始出现下降的情况,进入衰退期。加量为06%。因此确定适宜的培养时间为12-14h。2.2不同氮源对发酵结果的影响氮源是构成菌体物质和一些代谢产物的必需营06浓度%硫酸铵尿素碳酸氢氨磷酸二氢氨图3不同(NH4)SO4浓度对甜高粱汁液酒精度的影响图2不同氮源对酒精度的影响24不同发酵时间对发酵结果的影响表2不同发酵时间对发酵结果的影响时间h酒精度(vv%257.7.9二氧化碳失质量/g0.34520.30180.2960.2040.780.1350.25006700350.0278由表2可知,从发酵开始到48h时,酒精度是酒精度显著高于其他4水平(p<005)。因此,确定甜随着发酵时间逐渐升高的;当到达48h时,酒精度高粱汁液适宜的发酵温度为30℃达到最高;在48h之后,酒精度的变化微小,并有所下降,一部分酒精经代谢成了酸。48h时的酒精度显著高于其他水平(p<0.05),二氧化碳失质量在01gh以下时判定发酵基本结束,从而可以确定发酵时。因此,确定适宜的发酵时间为48h1825不同发酵温度对发酵结果的影响温度r℃微生物的生长和产物合成均需在其各自适合的图4不同温度对酒精度的影响温度下进行,温度也是保证酶活性的重要条件,因26不同初始pH对发酵结果的影响此,发酵过程中必须保证最适宜的温度环境。由图4长和产物合成的非常重要的状态可知,利用甜高粱茎杆汁液生产酒精,发酵温度从参数中国煤化工此,必须控制发8℃到30℃酒精度随之升高;当温度从30℃上升酵初CNMHG状态。由图6可到38℃,酒精度呈下降趋势。发酵温度在30℃时,知,初始pH值从30到50时,酒精度逐渐升高,9200食品型技良品开发与机当糖汁发酵初始pH值大于50时,酒精度显著下对发酵液酒精度的影响差异极显著p<0.0,为了提降。当pH为5.0时酒精度显著高于其他水平高发酵液的酒精度,适宜的营养盐组合为AB4C2因(p<0.05)。因此,确定甜高粱汁液适宜的发酵初始此,确定甜高粱秸秆汁液适宜的发酵条件为:发酵温pH值为50度30℃,初始pH为5,接种量10%。3结论表4方差分析表变异来源平方和自由度均方温度3.42171*事接种量9.16916*率误差图6不同p值对酒精度的影响本试验以可溶性固形物浓度为16%的甜高粱2.7不同接种量对发酵结果的影响杆汁液为材料,通过比较硫酸铵、尿素、碳酸氢氨和磷酸二氢氨确定适宜的氮源为硫酸铵,并通过单因素试验确定了硫酸铵的添加量为0.6%。就不同的pH值、接种量、温度、时间条件下发酵甜高梁汁对酒精得率的影响进行了研究,并进行15正交试验,最终确定利用甜高粱汁液生产酒精的发接种量%酵条件:初始pH50、接种量10%、温度30℃、时图7不同接种量对酒精度影响间48h,最终可获得10.00%(v/)的酒精。由图7可知,接种量由5%到10%,酒精度随接从试验中可以看出,利用摇瓶发酵具有一定的种量增大逐渐升高,当接种量从10%增加到20%,局限性,发酵体积有限,误差大。因此,需要进一步酒精度变化不大并略有降低,接种量为10%时酒精扩大发酵试验,为实现丁业化生产奠定基础。利用生度显著高于其他各水平(p<0.05)。因此,确定甜高粱物质发酵生产燃料乙醇作为替代能源,缓解能源危汁液发酵的适宜的接种量为10%。机,同时增加了社会的经济效益,保护了大气环境,2.8正交试验具有十分广阔的生产前景。表3酒精发酵正交试结果参考文献:因素实验号酒精度(vh[1]黄宇彤世界燃料酒精生产形势酿酒,2001,28(5):24dimir V Zverlov, Wolfgang HBiofuels from microbes[J]. Appl Microbiol Biote-chnol200777:23-353[3] Carlos A Cardona, oscar J Sanchez. Fuel ethanol produc950tion: Process design trends and integration opportunities2Bioresource Technology, 2007, 98: 2415-2457[4] Ghasem N, Habibollah Y, Ku S, et al. Ethanol fermentation in an immobilized cell reactor usinn Sacchanrom yces9.00erevisiae[J]. Bioresource Technolony, 2004. 11: 56-58k7.167766759337833S]黎大爵甜高梁可持续农业生态系统研究卩中国农业科86678.26793337833学,2002,3(58:1021-1024776776678.33379336]蔡定城酿酒工业分析手册M北京:轻工业出版社19880.50]张恩铭刘荣厚孙清营养盐对甜高粱茎杆汁液酒精发酵的影响门农机化研究,20056175-177发酵条件对甜高粱秸秆发酵燃料乙醇酒精度的影响如表3、表4所示。对表3结果进行直观分析,中国煤化工A、B、C和D4因素对发酵液酒精度影响的主次顺CNMHG序为C>A>B,方差分析结果表明,A、B、C3因素提高生活品质C No 9 111