甜高粱茎秆固态发酵生产燃料乙醇的工艺优化研究

第23卷第11期农业工程学报Vol 23 No 112242007年11月Transactions of the CSAENov.2007甜高粱茎秆固态发酵生产燃料乙醇的工艺优化研究薛洁,王异静2,贾士儒(1.天津科技大学生物工程学院,天津市重点工业微生物实验,天津300222;2.中国食品发酵工业研究院,北京100027)摘要;为了开发新型生物质能源研究了用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的工艺参数,在单因素试验的基础上用正交试验进行工艺参数的优化。结果表明发酵温度、pH值酵母营养盐对甜高粱秆固态发酵乙醇产率、起酵速度和发酵周期有显著影响;而酵母类型和装料系数只影响乙醇产率和起酵速度,对发酵周期无明显影响。试验中当装料系数为80%pH35、采用丹宝利酵母,添加营养盐2进行发酵时,最佳工艺参数为:发酵温度为22C或25℃,营养盐添加最为0.02%,酵母接种量为0.08%在此条件下发酵,最高酒精度可达66%(V/V)。该研究结果为中国燃料乙醇的发展提供科学依据关键词:锄高粱茎秆;燃料乙醇;固态发酵;酵营养盐;装料系数;乙醇产率中图分类号:S216.2;S514文蘇标识码:A文章编号:1002-6819(2007)11-0224-05薛洁,王异静贾士儒.甜高粱基秆固态发酵生产燃料乙酵的工艺优化研究[农业工程学报,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,刘荣厚等开展了甜高粱茎秆汁液固定化酵母乙醇发0引言酵的研究,确定了最适的营养盐添加比例;曹俊峰等在当今世界矿质能源日益短缺的情况下,生物质能就甜高粱汁乙醇发酵初步条件进行了研究,确定了液态的研究开发显得日益紧迫。燃料乙醇作为一种新型可再发酵生产乙醇的最佳工艺参数;张管生在甜高粱茎秆生清洁能源越来越受到各国政府的重视2,巴西已成制燃料乙醇工艺路线探讨中,提出了固态发酵生产燃料功的用甘蔗研发出乙醇燃料替代车用汽油,美国是世界乙醇的思路,但文章没有对具体工艺参数进行研究12上最大的以谷物(玉米)为原料生产燃料乙醇的国家,到现代固态发酵技术是在密闭的反应器中采用单一菌株2005年其燃料乙醇的产量已突破1400多万t。中国于纯种或限定菌株混合纯种进行发酵,克服了液态发酵原2000年开始启动燃料乙醇项目,并取得了初步成果),料加工复杂废水量大的缺点132,并且不同于传统敞但是目前中国燃料乙醇主要是以玉米为原料,存在着与开式固态发酵模式,有利于实现规模化工业化大生产。人争粮的问题生产成本较高,应用前最不容乐观因此本研究以甜高粱茎秆为原料,探讨了现代固态发酵技术考虑到中国的实际情况,寻求新的生产原料刻不容生产燃料乙醇的技术可行性,旨在为工业化生产绿色能源提供科学依据甜高梁作为能源作物是在世界能源紧缺,石油资源1材料与方法面临枯竭的严峻形势下提出的,已引起国际组织和一些国家政府的关注6。甜高粱属高效C4作物茎秆含糖1.1材料率高达18%~24%(汁液垂度),用甜高粱茎秆生产燃111甜高梁茎杆料乙醇,在国内外得到了广泛认可-0,中国“十一五来自中国海南省,采收后冷冻贮存。规划明确的把甜高粱秆生产燃料乙醇作为首选,甜高粱甜高粱茎秆物性参数的测定:由国家食品质量监督作为能源作物显示出诱人的前景检验中心测定,见表1。甜高粱虽有能源作物之称,但在中国尚没有大型甜衰1甜高粱茎秆物性参数Table 1 Physical property parameters of sweet sorghum stems高粲乙醇厂,利用甜高粱生产燃料乙醇是多国科学家攻指水分灰分总氮pH粗纤维总糖还原糖果胶质堆积比重关的焦点。国内外现有的报道主要集中在甜高粱茎标/%/%/%值%/%/%/%/kg·m-3秆汁液液态发酵工艺,对固态发酵技术的研究报道很含量60%0.124.5801.02.670.15255中国煤化工收稿日期:2006-12-27修订日期:200705-281.1CNMHG作者简介:薛洁(1974一),女高级工程师,博士研究生,主要从事葡萄酒聚酒方面的研充开发工作,北京市朝阳区霄云路32号中酵母1:澳福酒用干酵母,烟台马利酵母有限公司国食品发酵工业研究院,100027, Email: lxxuejic@126cm提供;酵母2:丹宝利酿酒高活性干酵母,广东丹宝利酵第11期薛洁等:甜高粱茎秆固态发酵生产燃料乙醇的工艺优化研究母有限公司提供;酵母3:酿酒酵母DV10,法国杰兔(北高梁秆的发酵现象,结果如表3所示京)工贸有限公司提供。酵母用2%的葡萄糖水30C活表3不同温度对甜高粱茎秆固态发酵的影响化1h备用。Table 3 Influences of different temperatures1.1.3酵母营养盐on solid-state fermentation of sweet sorghum stems营养盐1:复合发酵助剂 GO-Ferm,法国杰兔(北温度发酵时间/h京)工贸有限公司提供;营荞盐2:复合发酵助剂,中国42食品发酵工业研究院提供;营养盐3:磷酸二氢铵(分析150.673.5乙醇含质1.2试验方法/%(V/V)2.55.81.2.1工艺流程冷冻甜高粱茎秆→解冻→粉碎机粉碎→接入酵母,1578.5634.9311841.170.32072.432.574.370.16营养盐→控温固态发酵→固态蒸馏工艺操作要点73.7823.151.60.821)原料解冻后,切成2~3cm的小段,用间隙为3544.616.370.80.5cm的粉碎机粉碎。从表3数据可以看出,发酵温度影响甜髙粱秆的发2)将破碎的原料放入发酵容器中,装料系数大约酵。温度越高起酵越快发酵周期越短。当发酵温度为为80%35℃时,24h内的酒精度就可达4.5%(V/V);而同样3)添加0.09%已活化的活性干酵母2和002%的酒精度,当发酵温度为20℃时,却需要42h。试验中的酵母营养盐,充分搅拌混匀,调整pH值为3.5。25℃的发酵温度终酒精度最高(6.4%),高于25℃,最4)控制发酵室温度为25C,每天测酒精度的变化高酒精度逐渐下降;而发酵温度低于20c时,酵母繁殖及降糖速度5)发酵结束后,分离,进行固态蒸馏慢,达到最高酒精度所需时间长(66h),因此从终酒精度和发酵周期两方面考虑,最适的发酵温度范围为201.2.2试25℃,发酵时间为48h釆用单因素试验方法,分别研究了发酵温度、酵母表3中数据还显示,当发酵时间延长时,酒精度有类型酵母营养盐装料系数和pH值对发酵时间和乙降低的趋势,这是由于发酵初期酵母菌以原料中糖分醇产率的影响(单因素试验时,其他工艺参数按1.2.1作碳源代谢糖分转化为乙醇;酒精度达到最高后发酵要求)所有试验处理均设3个重复定时测酒精度和残原料中的大部分糖分已被转化,酵母菌处于饥锇状态糖变化。结合单因素试验结果和相关资料,正交试验因就有可能把发酵产物乙醇作为碳源,使之转化为酸,因素水平表见表2所示。表2正交试验因素水平表此发酵结東后应尽快进行蒸馏,防止乙醇的损失Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment2.2酵母类型对甜高粱茎秆固态发酵的影响菌种是燃料乙醇发酵中的关键因素,菌种的优良与因素水平否直接关系到燃料乙醇产率的高低。采用22℃的发酵发酵温度/℃酵母营养盐添加最/%酵母接种歌/%温度,酵母添加量为0.09%,发酵周期66h,对3种活220.020.08性干酵母的发酵情况进行了研兖,结果见图10.031.2.3测定方法P酒精度测定:取100g发酵样品,加水150mL,蒸←酵母I馏,收集蒸馏液100mL,比重瓶法测酒度,结果表示萨母2酵母3为%(V/V)。残糖测定:采用裴林试剂热滴定法。244248中国煤化工2结果与讨论CNMHG态发时的影响2.1发酵温度对甜高粱茎秆固态发酵的影响rent types of ye试验研究了15℃、20℃、25℃、30℃、35℃温度下甜on solid-state fermentation of sweet sorghum stem226农业工程学报2007年图1中显示,菌种类型影响甜高粱秆的发酵,3种不同种类的酵母相比较,其中添加酵母1的样品起酵快,24h内的酒精度可达到2.7%(V/V),而添加酵母2和酵母3的样品起酵速度基本一致,24h内的酒精度◆对照一营养盐分别为2.0%V/V)和1.9%V/V)。但从乙醇产率方背养盐2面来讲,酵母2的发酵性能最好,其最高酒精度可达到5.6%(V/)。三种菌种对发酵周期的影响无显著差异,在48h内基本发酵结束。在本实验中酵母2比较适发惭时间/h宜甜高粱秆的固态发酵图2酵母营养盐对甜高梁秆国态发酵的影响2.3酵母营养盐对甜高粱茎秆固态发酵的影响ig2 Influences of different types of nutrition salt在甜高粱茎秆中,氮源、无机盐不是很高,因此on solid-state fermentation of sweet sorghum stems为了保证酵母发酵的正常进行,必须添加适宜的酵母营图2显示,添加营养盐2的处理在42h内可达到养盐,营养盐可为发酵微生物提供良好的生长环境。实验中营养盐1、2为复合酵母营养盐,而营养盐3为最高酒精度,其他两个处理从发酵周期方面来讲与对照NHH2PO4各营养盐的添加量为0.02%,对照不添加无明显差异,因此三种营养盐相比,营养盐2的处理效果最好,营养盐1虽然发酵周期稍长,但最高乙醇产率营养盐样品,营养盐对甜高粱秆酒精度的影响见表4和营养盐2无显著差异因此从反应时间、乙醇产率来表4酵母营养盐对甜高粱苹秆固态发酵乙醉产率的影响看,添加适量的营养盐有助于在更短时间内使秸秆中的Table 4 Influences of different types of nutrition糖分得到更彻底的转化,缩短发酵周期,降低生产成本alt on ethanol yield rate in solid-state2.4装料系数对甜高粱茎秆固态发酵的影响fermentation of sweet sorghum stems在燃料乙醇的固态发酵中若装料系数过低,设备最高酒精度/%(V/v利用率低,增加了生产成本;若装料系数过高,发酵时产试验处理热很高,影响酵母的增殖,装料系数对固态发酵的影响对照04.73见图3营养盐25.9NH.H2P().5.1衰5方差分析Table 5 Analysis of variance一变异来源平方和自由度均方值户值处理间1,29000.430011.2170.0031处理内0.30670.0383总变Tukey法多重比较图3茉料系数对甜高粱囿态发酵的影响Fig 3 Influences of different filling coefficients处理5%显著水平1%极显著水平on solid-state fermentation of sweet sorghum stems背荞盐1NH,H,PO4从图3可以看出,装料系数对发酵周期的影响不甚明显各处理在48h内均达到最高酒精度;但装料系数对酒精度稍有影响,装料量越大,乙醇产率越高,可能的方差分析表结果表明,添加营养盐2的处理其最高原因有两个:(1)乙醇发酵属于厌氧发酵装料量越多乙醇产率与对照呈极显著差异,添加养盐1的处理与厌氧条件越好;(2)装料量越大,产热越多,酵母发酵越对照呈显著差异,而添加NHH2PO4样品的终乙醇产快牛产中.在排除发酵期间产热和体积增大率与对照相比无明显差异,这与张恩铭等的报道基本一因素中国煤化工数应设为80%致11另外营养盐不仅对固态发酵的终乙醇产率有2.5CNMH(的影响影响,而且也影响甜高梁秆的固态发酵周期,结果见图甜高粱秆的初始pH值直接影响乙醇酵母的生长代谢,影响燃料乙醇发酵的正常进行1,试验采用丹宝第11期薛洁等;甜高梁茎秆固态发酵生产燃料乙醇的工艺优化研究利活性于酵母,用1M稀硫酸调整pH值(原料初始pH6正交试验结果及计算分析值为4.5),发酵周期为66h。不同pH值对燃料乙醇产Table 6 Orthogonal experimental results and analysis率的影响见图4。温度/C营养盐/%接种量/%(v/v)0.010.08-4.5一3.5上2.525556.6.6I9.3发醇时间/h图4pH值对甜高粱秆困态发酵的影响T7TMMFig 4 Influences of different pH values on solid-state6.33fermentation of sweet sorghum stems图4显示,酵母的发酵性能受pH值高低的影响,3结论每一个特定菌种都有其适宜的pH值,在三个不同pH通过对甜髙粱秆固态发酵生产燃料乙醇的工艺参值处理中,酵母繁殖的最适pH值为35,此时酵母起酵快,发酵周期短。pH值3.5和2.5在66h内酒精度均数研究,得到如下结论:达到最高。但从最终乙醇的产率来讲,pH3.5值最高1)发酵温度影响甜高粱秆的固态发酵。温度过低,可能是秸秆中纤维素和半纤维素在酸性条件下易水解起酵慢,发酵周期长;温度过高,终乙醇产率低;最适发的缘故119。相反的,对照样品(pH值4.5)不仅起摩酵温度为酵温度为20~25℃,发酵周期为48h;慢,而且发酵周期比较长。因此为了获得高产量的乙醇,2)菌种类型影响甜高粱秆起酵速度和终乙醇产率,但对发酵周期无显著影响,本试验中最适的菌种为在固态发酵前应调整原料的pH值。2.6甜高粱秆最佳发酵条件的研究丹宝利乙醇酵母;单因素试验结果表明,发酵温度、酵母类型、酵母营3)酵母营养盐对终乙醇产率的影响达到极显著关养盐、装料系数和pH值都影响甜高粱秆的固态发酵系,其中营养盐2的效果最佳;本试验在单因素试验的基础上,确定好酵母菌种和营养4)装料系数影响甜高粱秆的固态发酵,试验中最盐后,调整原料pH值为35,研究发酵温度、酵母营养大装料系数可达到80%。5)pH值对甜高粱秆固态发酵的影响表现在三个盐添加量和酵母菌种添加量3个因素同时作用时对甜方面:起酵速度、最高酒精度和发酵周期和最适pH值高粱秆发酵的影响,以便确定最合适的发酵参数。为3.5。从表6可以看出,温度、营养盐、接种量3个因素的极差分别为0.07、0.20和0.16,由极差大小顺序排出6)当选用丹宝利乙醇酵母,使用酵母营养盐2时,最佳发酵条件为:发酵温度22℃或25C,营养盐添加量因素的影响大小为(从主到次):营养盐、接种量和温度为0.02%,酵母接种量为0.08%此时最高乙醇产率可根据表6中的平均值可得较好的生产条件是A2B2C2或ABC2,即发酵温度为22C或25℃,营养盐添加量为达66%(V/V0.02%,酵母接种量为0.08%,但从表1中数据可发现,当温度为22℃时,乙醇产率最高为6.6%,因此最合[1 Moreira Jose R. Goldmember,se. lcohol program[]适的发酵条件为发酵温度为22℃,营养盐添加量为Energy Policy,1999,27(4);229-245,002%,酵母接种量为0.08%,此时最高酒精度为6.6%[2] Von Sivers, Margareta, Zacchi,cuio. Ethanol(V/V)中国煤化工 economy.BorCNMHG-I4O农业工程学报2007年[3]李正西对使用乙醇汽油若下问题的一些探讨[].情报调酒精发酵的影响[]农业工程半报,2005.21(9):137研,2001,(4):30-34[4]徐锭明.甜高粱制燃料乙醇前景广阔[J]中国科技投资,[12]张管生甜高粱茎秆制燃料乙醇工艺路线探讨[门].中外能006,(12)[5]张金才,周福荣,张春华,等甜高梁的综合开发利用[J[13]姚跃飞,增柏全现代固态发酵技术在食品加工业中的应作物杂志,1999,(5):1-3用「,食品与机械,2005,21(6):89-92[6]宋高友,等.甜高粱的开发利用[A]全国高粲学术研讨会[14]张继泉郭利美,王瑞明.玉米枯秆发酵生产燃料酒精工艺论文选编,1996,8.探讨[]广州食品工业科技,2004,19(2):24-25.[7]曹俊峰,方博平,谷卫彬甜高粱汁酒精发酵初步研究[门.[15]宁喜斌,马志鸿,李达甜高粲茎汁成分的测定[J沈阳西北农业学报,2006,15(3):201-203农业大学学报,1995,(5):45-48[8] Mamma D, Koullas d, Fountoukidis g,etet. Bioet hanol[16]张恩铭,刘荣厚,孙涛,等营养盐对甜高粱茎秆汁液酒sweet sorghum: simultaneousccharification and精发酵的影响[]农机化研究,2005,(6):175-180.fermentation of carbohydrate by a mixed microbial culture[17]宋安东,张建成吴云汉,等,利用酒糟生物质发酵生产燃U ]. 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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中国煤化工CNMHG