高濃度發(fā)酵制備紅薯燃料乙醇的研究

第30卷第4期三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 30 No 42008年8月J of China Three Gorges Univ( Natural Sciences)高濃度發(fā)酵制備紅薯燃料乙醇的研究何華坤劉莉王紅霞晏濤羅希三峽大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,湖北宜昌443002)摘要:以紅薯為原料髙濃度發(fā)酵制備燃料乙醇,對各種影響因素進(jìn)行了實(shí)驗研究.通過(guò)單因素分析和正交實(shí)驗確定出實(shí)驗最佳工藝條件為:蒸煮條件:在130℃時(shí)蒸煮30min,加水比為水:鮮紅薯1:2;液化條件:加入a淀粉酶2%,70℃下液化2h;糖化條件:加糖化酶量2%,60℃下糖化4h;發(fā)酵條件:發(fā)酵液中KH2PO40.5%、MgSO40.2%、NaCl0.1%、CaCl20.2%、活性物質(zhì)A2%、活性物質(zhì)B1%,酵母接種量4%,在32℃發(fā)酵20h,34℃發(fā)酵52h.關(guān)鍵詞:紅薯;燃料乙醇;高濃度發(fā)酵;酵母中圖分類(lèi)號:TQ517.2文獻標識碼:A文章編號:1672-948X(2008)04-0067-05Study of Technology of Fermentation of Producing HighConcentration Fuel Alcohol with Fresh Sweet PotatoHe Huakun Liu Li Wang Hongxia Yan Tao Luo XiCollege of Chemistry Life Science, China Three Gorges Univ, Yichang, 443002, China)Abstract The influential factors on fermentation of high concentration alcohol using sweet potatoes as mateal are studied. The optimum conditions are obtained. The optimal cooking condition is the cooking tempera-ture of 130C under the mixed rate 1 :2 between water and fresh sweet potatoes; the optimal liquefying con-dition is the temperature of 70C for 2hr adding 2% liquefying enzyme; the optimal saccharification conditionis the temperature of 60C for 4hr adding 2% saccharifying enzyme; the fermentation condition is the temperature of 32C for 20hr and the temperature of 34 C for 52 hr under the additives KH, PO 0. 5%, MgSO,0. 2%, NaCI 0. 1%, CaC1, 0.2%, active matter A 2%, active matter B 1% with 4% yeastKeywords sweet potato; fuel alcohol; high concentration fermentation; yeast石油是當今世界的主要能源,是一種不可再生的海等城市已全部改用無(wú)鉛汽油化石燃料.一旦地球的石油儲存量被開(kāi)采及消耗完燃料乙醇是一種可再生的生物能源,在我國主要了,而現代工業(yè)技術(shù)一時(shí)又不能生產(chǎn)替代石油新產(chǎn)品用糧食作物玉米、小麥生產(chǎn),原料緊缺,因此拓展生物時(shí),其后果是不堪設想的.尋找可再生性的替代能源,質(zhì)原料,利用非糧食的淀粉生物質(zhì)或非淀粉的纖維素特別是新的液態(tài)燃料,已成為維持人類(lèi)社會(huì )可持續發(fā)生物質(zhì)作為原料,生產(chǎn)燃料乙醇,意義重大高淀粉紅展的緊迫任務(wù)特別是中國,開(kāi)發(fā)可再生的替代燃料,薯是一種工業(yè)用的能源作物,其淀粉含量在30%左減少對進(jìn)口的依賴(lài),以保障石油安全,維持可持續發(fā)右,用于制備燃料乙醇是南方地區的好選擇.但其工展,已成為當務(wù)之急(2藝主要采用玉米乙醇工藝,存在廢水排放大,分離能乙醇是來(lái)自可再生資源的最有發(fā)展前景的液態(tài)耗高等問(wèn)題燃料.在汽油中添加10%~15%酒精組成的復合燃實(shí)驗是在鮮紅薯制備燃料乙醇的專(zhuān)利技術(shù)(專(zhuān)料,稱(chēng)為汽油醇,為“無(wú)鉛汽油”之一種,近來(lái),北京、上利:申請號2065101249801公開(kāi)號CN19666A)基中國煤化工收稿日期:2007-12CNMHG聯(lián)系人:龔大春(1968—),男,副教授,博士研究生,主要研究方向為生物化工三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2008年8月礎上,通過(guò)解決紅薯燃料乙醇的濃醪發(fā)酵系列關(guān)鍵問(wèn)調加水比.液化:取一定量的淀粉酶在一定時(shí)間下對題,構建髙濃度發(fā)酵制備紅薯燃料乙醇新技術(shù).通過(guò)紅薯進(jìn)行糊化和液化.糖化:在一定溫度下糖化一定添加活性物質(zhì),減小酒精抑制,緩解髙滲透壓對酵母時(shí)間酵母活化:稱(chēng)取一定的酵母用2%葡萄糖溶液產(chǎn)酒的影響,最終實(shí)現紅薯的高濃度發(fā)酵進(jìn)行活化.發(fā)酵:將發(fā)酵醪裝入三角瓶,接種發(fā)酵,包扎好放入培養箱培養發(fā)酵72~96h.蒸出酒精,記錄1實(shí)驗材料與方法蒸出酒精的體積,溫度和酒精度,計算出酒率1.4分析檢測方法1.1材料和實(shí)驗設備(1)還原糖:DNS法測定(1)原料.紅薯:產(chǎn)地湖北宜昌,DNS法檢測得淀(2)pH值:酸度計測定粉含量20%以上,選擇成熟好,淀粉含量高、無(wú)霉爛、(3)酒度的測定.采用比重法.取出成熟發(fā)酵醪無(wú)病蟲(chóng)害的鮮紅薯100mL,置于250mL蒸餾燒瓶中,并用50mL水沖洗(2)酶制劑耐高溫α淀粉酶(不小于4000單位/量桶,加入圓底燒瓶中,常規蒸餾,收集100mL的蒸g):北京奧博星生物技術(shù)有限責任公司;糖化酶餾液,用酒精計溫度計讀取酒度和溫度,計算出醪液(500單位/g);湖南省津市市新型發(fā)酵有限責任公在20℃下的酒精度(4)紅薯中淀粉含量的測定.取試樣1.5~2g研3)實(shí)驗試劑.DNS試劑,硫酸銨,硫酸鎂,蛋白碎轉入250mL三角瓶加100mL的2%鹽酸溶液胨酵母抽提物,磷酸二氫鉀,活性物質(zhì)A,活性物質(zhì)瓶口上安回流冷凝器或長(cháng)玻璃管沸水浴3h.取出迅B活性干酵母,維生素B12,維生素C,氯化鈣速冷卻用20%氫氧化鈉溶液中和至中性或微酸性(4)實(shí)驗設備. Model Spx250B-z型生化培養箱,濾紙過(guò)濾,濾液用500mL容量瓶接收,用水充分洗滌L203電子天平,紫外/可見(jiàn)光分光光度儀,架盤(pán)藥物殘渣,然后用水定容,用DNS測溶液中糖含量,從而天平,DHG9140A型電熱恒溫干燥箱,氣相色譜儀.可轉算出紅薯原料中淀粉含量1.2實(shí)驗溶液的配制(5)水分測定0.將紅薯洗凈切碎,取10g放入(1)2%葡萄糖溶液的配制:準確稱(chēng)取2g無(wú)水葡蒸發(fā)皿中,于干燥箱中105℃溫度下干燥約4h.直到萄糖粉末(預先于100~105℃烘干),用水溶解,加5恒重為止衡重后測干重最后按以下公式計算:水分mL濃HCl,用水定容至100含量=(10-最后干重)/10(2)DNS溶液的配制:取6.3g的3,5-二硝基(6)出酒率的計算.計算公式如下:水楊酸溶于262mL2mol/L的氫氧化鈉溶液中.再出酒率=酒精體積X酒精含量×100%將此溶液與500mL含有182g酒石酸鉀鈉的熱水混合向該溶液中再加入5g重蒸酚和5g亞硫酸鈉,充15CO2失重分析分攪拌使之溶解,待溶液冷卻后,用水稀釋到1000取錐形瓶一個(gè)加入紅薯淀粉30g、糊化,加水到mL儲存于棕色試劑瓶中(需要在冰箱中放置一周方100mxL.加人a淀粉酶2%,于70℃水中液化2h,滅可使用)活5min,調pH值4.2.加入糖化酶2%,于70℃水中(3)液體培養基:KH2PO0.5%MgSO10.2%糖化4h.加入液體培養基中調pH4.0~4.5,接種活NaC10.1%、CaCl20.2%、(NH1)2SO10.5%,酵母化過(guò)的酵母4%控溫發(fā)酵并每小時(shí)稱(chēng)重一次錐形瓶抽提物5%維生素B2、維生素C各半片,活性物質(zhì)并記錄數據A2‰,蛋白胨3%,三梨醇1%7],1.6高濃度酒精發(fā)酵的影響因素及實(shí)驗研究結果1.3操作方法(1)還原糖濃度變化的研究.紅薯淀粉經(jīng)糊化,加1.3.1工藝流程水定容到100mL.加入a淀粉酶2%,于70℃水中液-淀粉酶化2h,滅活5min,調pH值4.2.加入糖化酶2%于70℃水中糖化4h.加入液體培養基中.調pH4.0紅薯→洗凈→蒸煮(130℃)→研碎(70℃)→糖化(60℃)→調4.5,接種活化過(guò)的酵母4%每3h測一次還原糖濃→發(fā)酵→蒸餾→成品酒精→測酒精度糖化酶度并中國煤化工CNMHG粉糊化后再加入1.3.2工藝操作2%的a淀粉酶于70℃水中液化2h,滅活5min,調原料的蒸煮:紅薯較和緩的條件下蒸煮,研碎并pH值4.2.加入糖化酶2%,于70℃水中糖化4h加第30卷第4期何華坤等高濃度發(fā)酵制備紅薯燃料乙醇的研究入液體培養基中.調pH4.0~4.5,接種活化過(guò)的酵和活性物質(zhì)A量的添加進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗母4%.每4h取樣稀釋至一定倍數后用血細胞計數設計.實(shí)驗因素水平表如表1所示板在顯微鏡上測其個(gè)數表1試驗因景、水平(3)活性物質(zhì)A對酵母產(chǎn)酒能力的影響.取錐水玉米醪酵母抽提物活性物質(zhì)A酵母量瓶?jì)蓚€(gè)各加入紅薯淀粉30g糊化加水到100mL再液化,糖化.向溶液中加入液體培養基,1號不加活性3%2%物質(zhì)A,2號加人2‰活性物質(zhì)A.調pH4.0~4.5,%啪接種用2%的葡萄糖溶液活化過(guò)的酵母4%.控溫發(fā)5%酵72h.蒸餾并測定酒精度1.10最佳發(fā)酵工藝的驗證(4)高滲透壓對酵母的影響2.取250mL錐形用本實(shí)驗所分析的最優(yōu)培養基成分,采用分步液瓶?jì)蓚€(gè),編號1,2.分別加紅薯淀粉30g液化糖化.化、同步糖化發(fā)酵條件進(jìn)行發(fā)酵.取一個(gè)錐形瓶,加入加入液體培養基:KHPO0.5%、MgSO40.2%、NaCl經(jīng)蒸煮,研碎的紅薯200g、糊化,調加水1:1.加入a0.1%、CaC20.2%、(NH1)2SO10.5%,1號不加活性淀粉酶2%于70℃水中分步液化2h,滅活5min,調物質(zhì)B,2號錐形瓶還加入1%活性物質(zhì)B.調pH4.5pH值4.2.加入糖化酶2%和液體培養基中.調pH5.5,接種用2%的葡萄糖溶液活化過(guò)的酵母4%.4.0~4.5,接種用2%的葡萄糖溶液活化過(guò)的酵母發(fā)酵72h.蒸餾并測定酒精度4%,控溫發(fā)酵72h1.7發(fā)酵工藝研究及實(shí)驗結果(1)分步液化對實(shí)驗的影響取兩個(gè)錐形瓶,編號2實(shí)驗結果與討論1,2各加入紅薯淀粉30g、100mL水.各加入a淀粉酶2%,1號一次液化于70℃水中液化3h.2號分32.1紅薯中淀粉含量的測定等份每隔1h加入總共液化3h.滅活5min.調pH值紅薯經(jīng)酸解后測得淀粉含量為18.6%,紅薯粉4.2.加入糖化酶2%,于60℃水中糖化4h.測定還原淀粉含量為80.4%糖濃度2.2水分測定2)同步糖化發(fā)酵工藝.取兩個(gè)錐形瓶,編號1,2紅薯在105℃下干燥至衡重后測干重測得紅薯各加入紅薯淀粉32g糊化,加水到100mL1號,2號水分含量為74.3%紅薯粉中水分含量為15,2%各加入a淀粉酶2%,于70C水中液化2h,滅活52.3co2失重分析min,調pH值4.2.1號加入糖化酶2%,于70℃水中依實(shí)驗步驟,每隔1h測定一次CO2失重記錄實(shí)糖化4h.2號加入糖化酶2%,于70℃水中糖化1h驗數據,以CO2失重值為縱坐標,反應時(shí)間為橫坐標向1、2號錐形瓶中加入液體培養基調pH4.5~繪制曲線(xiàn)圖,如圖1所示5,接種用2%的葡萄糖溶液活化過(guò)的酵母4%,0.066酵72h.蒸餾并測定酒精度0.0641.8對單因素試驗結果的分析0.062(1)蒸煮溫度影響因素的選擇與確定.分別在110℃、120℃、130℃溫度下對紅薯蒸煮30~45min0.058取充分研碎熟紅薯200g于1,2,3號錐形瓶中糊化,0.056調加水比經(jīng)2%的a淀粉酶70℃下液化2h,和2%的糖化酶60℃糖化4h,調pH到4.0~4.5,再以干重的4%的酵母量接種,發(fā)酵72h圖1CO2失重曲線(xiàn)(2)料液比影響因素的選擇與確定取200g熟紅由CO2失重曲線(xiàn)知在發(fā)酵開(kāi)始階段由于酵母進(jìn)薯3份,調加水比1:1,1:2,1:3,經(jīng)2%的a淀粉行厭氧發(fā)酵不斷產(chǎn)生CO2和酒精在22~24h進(jìn)入酶70℃下液化2h,和2%的糖化酶60℃糖化4主發(fā)中國煤化工重也最大以后由于pH到4.0~4.5,再以干重的4%的酵母量接種環(huán)境H一死亡發(fā)酵能力下降72h產(chǎn)酒CNMH低1.9正交實(shí)驗設計2.4高濃度酒精發(fā)酵的影響因素及實(shí)驗研究結果用正交實(shí)驗對不同酵母量,玉米醪酵母抽提物2.4.1還原糖濃度變化的研究70三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2008年8月按照實(shí)驗步驟,每3h測定一次還原糖濃度,以表3活性物質(zhì)B對產(chǎn)酒率的影響還原糖濃度變化為縱坐標,反應時(shí)間為橫坐標繪制曲所加物質(zhì)無(wú)活性物質(zhì)B活性物質(zhì)B(1%)線(xiàn)圖,如圖2所示出酒率%86.9%實(shí)驗研究表明向培養基中加入活性物質(zhì)B可降低葡萄糖高濃度影起的高滲透壓對酵母的影響,得到較高的出酒率2.5發(fā)酵工藝研究及實(shí)驗結果2.5.1分批液化工藝的研究對分批液化工藝的研究,測糖化結果還原糖濃度所得數據如表4所示表4分批液化對結果的影響圖2還原糖濃度變化曲線(xiàn)由實(shí)驗結果知隨著(zhù)發(fā)酵的進(jìn)行發(fā)酵液中的還原編號糖不斷被酵母利用產(chǎn)生酒精,實(shí)驗開(kāi)始階段酵母活性丕原糖,v%v21.5%3.7%強產(chǎn)酒較快,發(fā)酵后期酵母由于環(huán)境的變化酵母活性表3知采用分批液化紅薯,液化比較完全徹下降產(chǎn)酒能力降低通過(guò)實(shí)驗數據和還原糖濃度變化底.原料的利用率較高是工業(yè)生產(chǎn)的理想方案.實(shí)驗曲線(xiàn)知,在12~24h之間還原糖濃度急劇下降,是酵對分批液化與一次液化進(jìn)行了分析發(fā)現分批液化還母發(fā)酵產(chǎn)生酒精的主要時(shí)期原糖濃度明顯高于一次液化的結果2.4.2酵母菌細胞密度2.5.2同步糖化發(fā)酵工藝按照實(shí)驗步驟,以活酵母數為縱坐標,反應時(shí)間對同步糖化發(fā)酵工藝的研究所得數據如表5所為橫坐標繪制曲線(xiàn)圖,如圖3所示示5.5表5同步糖化發(fā)酵對產(chǎn)酒的影響編號殘還原糖,v0.235%0.15%酒精度,v%13.3%16%把2.5由表5知同步糖化發(fā)酵與分步糖化發(fā)酵相比同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)模式省了糖化工段,具有工藝簡(jiǎn)單發(fā)酵時(shí)間短;發(fā)酵速度快;醪液酒精濃度高.圖3計數觀(guān)察酵母生長(cháng)曲線(xiàn)2.6對單因素試驗結果的分析由活細胞數知酵母的主要生長(cháng)階段在21~23h,2.6.1蒸煮溫度影響因素的選擇與確定此時(shí)酵母生長(cháng)最快,活細胞數量最多,產(chǎn)酒能力最強將反應控制在不同的料液比條件下進(jìn)行反應,結是發(fā)酵的主發(fā)酵階段果見(jiàn)表6.2.4.3活性物質(zhì)A對酵母產(chǎn)酒能力的影響表6蒸煮溫度對最終發(fā)酵結果的影響表面活性劑活性物質(zhì)A對酵母產(chǎn)酒能力的影響編號的研究所得結果,見(jiàn)表2.蒸煮溫度/C130表2活性物質(zhì)A對產(chǎn)酒率的影響酒精度,v%v(20℃)12.7%13.1%13.6%所加物質(zhì)無(wú)活性物質(zhì)A活性物質(zhì)A(2%)出酒率/%64.769.3出酒率79.7%由表6蒸煮溫度為130C時(shí)淀粉轉化為溶解狀通過(guò)表2知活性物質(zhì)A的添加大大降低了酒精態(tài)底,使得淀粉在液化、糖化時(shí)水解成對酵母的抑制作用提高了酵母的耐酒能力增加了淀可發(fā)中國煤化工率較高粉的出酒率2.6.CNMHO確定2.4.4滲透壓的影響將反應控制在不同的料液比條件下進(jìn)行反應結對副營(yíng)養物影響的研究其結果如表3所示果見(jiàn)表7.第30卷第4期何華坤等高濃度發(fā)酵制備紅薯燃料乙醇的研究71表7加水比對最終發(fā)酵結果的影響關(guān)鍵問(wèn)題構建高濃度發(fā)酵制備紅薯燃料乙醇新技編號術(shù).采用雙酶法液化、糖化和控溫發(fā)酵技術(shù),獲得高濃物料:水度發(fā)酵工藝,解決葡萄糖高濃度對酵母生長(cháng)的影響;酒精度,v%v(20℃)14.1%12.6%通過(guò)添加活性物質(zhì),減小滲透壓,緩解滲透壓對酵母出酒率%71.9%74.3%76.2%產(chǎn)酒的影響,提高了酵母的抗酒精抑制作用.最終實(shí)表7數據顯示:最佳料水比是1:1.料水比太小現了紅薯的高濃度發(fā)酵將發(fā)酵酒度提高到15.1%酒度雖高但淀粉出酒率底,料水比增加出酒率增加但(2)實(shí)驗研究發(fā)現在紅薯發(fā)酵過(guò)程中加入酵母生酒精度下降.所以在實(shí)驗過(guò)程中應嚴格控制加水比.長(cháng)所需的碳源氮源、無(wú)機鹽、生長(cháng)因子,抗抑制劑等,2.7正交實(shí)驗設計其能補充酵母生長(cháng)所需的營(yíng)養元素,提高酵母抗酒精在液化和糖化及各營(yíng)養成分優(yōu)化的實(shí)驗結果的和滲透壓的能力增加紅薯高濃度發(fā)酵產(chǎn)酒率基礎上,用正交實(shí)驗對不同酵母量,玉米醪,酵母抽提(3)本實(shí)驗主要在以下3個(gè)方面取得突破:①同物和活性物質(zhì)A的添加進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗步液化糖化技術(shù);同步糖化發(fā)酵技術(shù);②超級耐高溫設計.結果見(jiàn)表8酒酵母在紅薯醪液中的生長(cháng)控制技術(shù);③高密度發(fā)酵表8正交試驗因素水平表L(3),發(fā)酵72h工藝條件的確定酒精度v%v殘還原出酒率ABC序號參考文獻:12.0%1.20%62.01234522213.1%0.60%66.8[1]謝林張禾美國考察漫談[J.釀酒科技,200(1):33313.4%0.47%68.3313.3%0.41%67.8[2]姜勇,李春玲,孫承國,等.對玉米生產(chǎn)酒精過(guò)程中酵212.5%0.93%63.7母影響因素的研究[門(mén).釀酒科技,2006(3):91-9313.0%0.82%66.3[3]章克昌發(fā)展燃料酒精的建議[門(mén)中國工程科73212.7%1.20%64.76):89-938322313.2%0.66%67.3[4]沈力勻.工業(yè)發(fā)酵分析[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,1112.6%0.71%64.21980:15-17K112.83%12.67%12.73%12.37%[5]楊斌,呂燕萍,高孔榮,等.蔗渣水解液發(fā)酵乙醇的研K212.93%12.93%13%12.93%究[J].生物工程學(xué)報,1997,13(4):380-386K312.83%13%12.87%13.3[6] 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