紅薯生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研究

第29卷第4期湖南科技學(xué)院學(xué)報Vol 29 No 4008年4月Jourmal of Hunan University of Science and EngineeringAp:2008紅薯生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研究朱薇傅學(xué)正12管天球!毛友輝歐陽(yáng)小蕓羅靜瑤(1.湖南科技學(xué)院,湖南永州425100:2中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院,湖南長(cháng)沙4100833湖南唐人神肉制品有限公司,湖南株洲412000摘要:本研究選用紅薯為原料,采用生料發(fā)酵工藝生產(chǎn)燃料乙醇,研制出了一種適合紅薯生料發(fā)酵用的復合酶,其最優(yōu)組合為糖化酶20U鄺g、淀粉酶20U/g、蛋白酶5U/g、果膠酶5U/g。同時(shí)對影響紅薯生料發(fā)酵的主要因素進(jìn)行了研究,確定了生料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙酶的最佳工藝條件,即料水比為25:1、初始pH為42、發(fā)酵溫度為32°C、發(fā)酵時(shí)間為7天,關(guān)鍵詞:生料發(fā)酵;燃料乙醇;復合酶;紅著(zhù)中圖分類(lèi)號:Q81文獻標識碼:A文章編號:1673-2219(2008)040047-03近年來(lái),隨著(zhù)石油資源日趨嚴重不足,人類(lèi)正面臨著(zhù)能500公斤,最高畝產(chǎn)15000公斤,淀粉含量287%,按測算每源供應短缺、燃料安全和環(huán)境污染壓力的嚴峻挑戰"。因此,公頃可產(chǎn)95度燃料乙醇8噸以上,玉米每公頃僅產(chǎn)35噸,甜高世界各國都在加速新能源的開(kāi)發(fā)利用;我國“十一五”規劃粱、甘蔗、木薯每公頃產(chǎn)5啦。由此可見(jiàn),選擇單位面積產(chǎn)和國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要(2006~2020年)也將能量高、淀粉含量高的良種紅薯作為乙醇的生產(chǎn)原料是發(fā)展燃料源的開(kāi)發(fā)利用置于重點(diǎn)領(lǐng)域的首位在尋找各種新能源的過(guò)程乙醇的首選方案中,乙醇作為一種高效、清潔的可再生能源,再次成為各國科鑒于以上原因,本研究選用紅暮為原料,采用生料發(fā)酵技工作者的普遍關(guān)注和研究熱點(diǎn)。來(lái)制備乙醇,探討了復合酶、料水比、pH、溫度及發(fā)酵時(shí)間乙醇的生產(chǎn)方法可以歸納為發(fā)酵法和水合法兩大類(lèi),目等各因素對發(fā)酵過(guò)程的影響,最終確定了其最佳的生產(chǎn)條件。前世界各國主要以發(fā)酵法為主,這是一種古老的生物技術(shù)有著(zhù)悠久的歷史。然而傳統的發(fā)酵工藝存在兩高兩低一差”1材料與方法的缺點(diǎn),即能量消耗高,生產(chǎn)成本高,淀粉糖化率低,出酒率1.1材料低,經(jīng)濟效益差,尤其在20世紀50年代,隨著(zhù)石油的大規模開(kāi)11.1菌種和酶制劑采利用,高成本的乙醇逐漸被人們淡忘。直至1973年第一次出活性干酵母:潮南科技學(xué)院可再生能源研究所保藏?，F石油危機,巴西、美國率先倡導“汽油醇”,即在汽油中加入糖化酶:酶活力5000g2,無(wú)錫酶制劑廠(chǎng)生產(chǎn)。定比例無(wú)水乙醇而形成的一種高效清潔燃料。隨后,世界各淀粉酶(酶活力2000U·mL),無(wú)錫酶制劑廠(chǎng)生產(chǎn)國為了避免今后再受到能源的影響,也都紛紛加入了汽油醇的纖維素酶(酶活力100U·g"),無(wú)錫酶制劑廠(chǎng)生產(chǎn)。研發(fā),并提出了許多新的方法和工藝價(jià)。其中生料發(fā)酵(即蛋白酶(酶活力500000g),湖南津市新型發(fā)酵有限責無(wú)蒸煮發(fā)酵)以其工藝流程簡(jiǎn)單、易操作,尤其是其摒棄了傳任公司生產(chǎn)統工藝中的高溫蒸煮工序(這一工序占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所耗能量果膠酶(酶活力20000g4),湖南津市新型發(fā)酵有限任的30%~40%),從而大幅度節省能量及設備,使單位生產(chǎn)成本公司生產(chǎn)。大大降低,被譽(yù)為乙醇工業(yè)的一大突破及重要發(fā)展方向。然l2原料而,生料發(fā)酵作為一新工藝,同樣也存在許多的問(wèn)題。由于生以湖南永州市培育的良種紅薯超然“966”制成的蔣千為原料發(fā)酵沒(méi)有經(jīng)過(guò)熟料發(fā)酵蒸煮過(guò)程中的液化處理和殺菌處理,料經(jīng)粉碎過(guò)60目篩其淀粉含量為6952%,水分含量為967%,因此對原料及其生產(chǎn)技術(shù)的要求相對較高?，F在國內外常用的粗蛋臼0.31%,粗脂肪047%,粗纖維14.25%。原料有玉米、小麥、甜高粱、甘蔗、木薯等112,使用紅薯12方法的并不多見(jiàn)。其實(shí)紅薯是單位面積產(chǎn)能量最高的生物質(zhì)原料,12l工藝條件的選擇及其工藝流程以湖南永州市為例,其培育的良種紅薯超然“966”般畝產(chǎn)生料發(fā)酵的本質(zhì)是一個(gè)生化反應的過(guò)程,當原輔料確定后,工藝條件就成為影響生料酸酒的主要因素。本研究主要收稿日期:2007-10-12對發(fā)酵用的復合酶種類(lèi)及其數量、料水比、PH、糖化發(fā)酵溫基金項目:科技部科技型中小企業(yè)創(chuàng )新基金資助項目度、糖化發(fā)酵時(shí)間等工藝條件進(jìn)行了探討,其工藝流程如下內容[07c26214301758]。紅薯干→粉碎→加水調配→調節pH值→加復合酶→通氣作者簡(jiǎn)介:朱薇(1976-),女,湖南科技學(xué)院生命科培養→發(fā)酵→成熟醪液→蒸餾出酒學(xué)與化學(xué)工程系教師,碩士,主要從事食品化學(xué)與營(yíng)養及生1.22發(fā)酵液制備及發(fā)酵方法物質(zhì)能源研究稱(chēng)取一定量的干紅薯粉加水配成一定濃度,用HSO4調節47成不同的pH,加入不同比例的復合酶及酵母攪拌均勻,然后酶的最適溫度為30℃,本實(shí)驗考慮到溫度對復合酶的綜合影置于不同溫度下發(fā)酵,最后測定各項指標響,故選用了以下各溫度作為發(fā)酵溫度,具體見(jiàn)表3123實(shí)驗結果的分析測定及其數據統計處理方法表3不同溫度對發(fā)酵的影響(習坦,n=5)123.1實(shí)驗結果的分析測定方法Table 3 Effect of different temperature to the fermentation殘還原糖和殘總糖的測定采用DNS法測定。(x±,n=5)酸度用0.1 mol/L NaOH滴定測定升幅總糖pH值用pHs-2精密酸度計測定溫度(℃出酒率(%)(g10om)(gmn酒度按國標GBT10781測定。15-2521459:0913.79淀粉出酒率=95%(v)酒精產(chǎn)量(kg)/淀粉量(kg)23721±0.780.73100%。2958.3±0.811.2.3.2數據統計處理方法由表3中數據顯示,在溫度為1525°之間,淀粉利用率高其實(shí)驗數據統計分析采用SP30軟件進(jìn)行單因素多水平殘余糖量也較小,但是出酒率很低,達不到預先效果;當溫度和多因素多水平分析,數據以均數±標準差(X)表示,取為3538℃c時(shí),不僅產(chǎn)酒事低,同時(shí)淀粉利用率也低,殘余糖<0.05為差異具有顯著(zhù)性,P>005為無(wú)顯著(zhù)性差異量高;當溫度為32°C時(shí),出酒率最高,且效果顯著(zhù)(p<0.05)24發(fā)酵時(shí)間對發(fā)酵的影響2結果與分析發(fā)酵時(shí)間的長(cháng)短對酒精度、酸度、還原糖皆有影響。本實(shí)21不同料水比對發(fā)酵的影響驗在不同時(shí)間取樣對其進(jìn)行測定,結果如表4。發(fā)酵醪液濃度的大小直接影響到基質(zhì)中酶及酵母的代謝表4發(fā)酵時(shí)間對發(fā)酵的影響(又±s,m=5)活動(dòng)。同時(shí),合理的濃度對提高出酒率、設備利用率及降低篚Tb4 Effect of time to the fermentatio(卻,n=5)耗也是非常重要的。本實(shí)驗以紅薯的淀粉利用率為指標對實(shí)驗發(fā)酵時(shí)間升幅出酒率丕原糖結果進(jìn)行比較,其結果如表所示天)酸度(%)(g0omL)(g/0mn)708043表1不同料水比對發(fā)酵的影響(習±s,nTablel Effect of water to the fermentation (X+s, n=5)3461.22.12試驗號料水比升酸出酒率淀粉利用率15幅度實(shí)驗結果顯示,隨著(zhù)發(fā)酵時(shí)間的不斷增加,乙醇不斷地增:22368.2±21686.l加,發(fā)酵時(shí)間到第7天,出酒率達到最高為708%;隨后,出酒1:2528719±25286率又慢慢地下降。其中原可能是酵母菌在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生多種3.2542±3.15832有機酸,特別是乙酸的生成會(huì )消耗部分乙醇,同時(shí)有機酸與乙從表可以看出,料水比在1:2和1:25時(shí)淀粉利用率相差不醇發(fā)生酯化反應也消耗部分乙醇所以乙醇的量隨著(zhù)發(fā)酵時(shí)間大,但從出酒率的角度出發(fā)顯然料水比為1:25時(shí),出酒率更的增加呈先上升后下降的趨勢。此外,由表還可知,在發(fā)酵時(shí)高(p<00)。另外,在發(fā)酵過(guò)程中還可以看到,加水量越大,間到第7天時(shí),其殘余糖量也是最小的(p005)發(fā)酵液沉淀越嚴重,從而影響發(fā)酵效果;同時(shí)考慮到較高濃度25復合酶的確定的醪液發(fā)酵可以節省能源和提高設備的利用率,而且對抑制雜由于酵母自身沒(méi)有糖化酶系傳統的工藝一般經(jīng)過(guò)蒸煮使菌也有利故選用料水比125,在以后實(shí)驗中均采用此水料比。淀粉液化、糖化后再進(jìn)行發(fā)酵。而采用生料進(jìn)行發(fā)酵,由于原22初始pH對發(fā)酵的影響料中淀粉顆粒周?chē)街?zhù)大量的粗纖維、粗蛋白、果膠等物質(zhì),發(fā)酵醪液的pH對酵母的生命活動(dòng)有顯著(zhù)影響,因為營(yíng)養阻礙糖化酶與淀粉作用,使得乙醇的生產(chǎn)效率很低。為了解決物質(zhì)進(jìn)入細胞的速度與醪液的pH值有關(guān),同時(shí)pH對酶活也有此問(wèn)題,許多學(xué)者通過(guò)添加復合酶來(lái)促進(jìn)糖化酶的作用叫,本影響,酵母的最適pH為4~5.本實(shí)驗調節了不同發(fā)酵液的初文前期的實(shí)驗也表明,添加淀粉酶、蛋白酶、果膠、纖維素pH進(jìn)行發(fā)酵,實(shí)驗重復次數n=5,結果見(jiàn)表2酶對紅薯生料發(fā)酵都有一定的促進(jìn)作用。為了獲得最佳的酶組表不同pH值對發(fā)酵的影響(又s,n=5)合,促進(jìn)糖化作用,本實(shí)驗采用L(4)表對各種酶進(jìn)行了正交實(shí)Table2 Effect of different pH to the fermentation( X*s, n=5).驗。實(shí)驗在料水比為25:1、初始pH為42、溫度為32c的工藝升幅出酒率還原糖條件下進(jìn)行,以淀粉出酒率為指標,具體的因素水平如表5所示酸度(%)(g/10omL)(g/l0omL)表5復合酶生料發(fā)酵因素水平表58(自然)33321±235361Table5 Factors and parameters of the composite enzyme28723±267ooked fermentation25583±3.055.3lADE從表2可以看出,隨著(zhù)初始pH的降低,升酸幅度有所降低因素糖化酶淀粉酶蛋白酶果膠酶纖維素酶但殘糖量也隨之升高。而在pH值為42時(shí),出酒率最高(P(U·g)(·g)(u·g)(·g)(U·g)005),故選用在pH值為4為最佳發(fā)酵pH值。水平1502.3不同溫度對發(fā)酵的影響水平2100發(fā)酵時(shí)的溫度顯著(zhù)影響微生物和酶的活性,一般酸酒酵母水平3150的最適作用溫度在2834C,糖化酶的最適溫度為60℃,淀粉水平42003015根據復合酶各因素水平的設計進(jìn)行正交實(shí)驗其結果見(jiàn)表6。備,使單位生產(chǎn)成本大大降低;其次,本文通過(guò)實(shí)驗選擇出了表6復合酶正交實(shí)驗結果種適合紅薯生料發(fā)酵用的復合酶,其組合為:糖化酶Tableb Result of the orthogonal experiment200U/g、淀粉酶20U/g、蛋白酶5U1g、果膠酶5Ug。另外,本實(shí)驗因素文還對影響紅薯生料發(fā)酵的主要因素進(jìn)行了探討,確定了最佳試驗號AD淀粉出酒率生產(chǎn)工藝條件,即料水比為25:l、初始pH為42、發(fā)酵溫度B2c2D2E2050為32C、發(fā)酵時(shí)間為7天2345678A1 B3 C3 D3 E3 0.524E40.55參考文獻:A2B1c2D3E40.56A2 B2 C1 D4 E3 0.5[]劉鐵男燃料乙醇與中國M]北京:經(jīng)濟科學(xué)出版社,2004A2 B3 C4 DI E2 0.57[2Jacques K, Lyons T P, Kelsall D.R. 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Journal of Industrial Microb[]. 1992,因素主次A>B>C>D=E0(1):61462由可知,各種酶的K值并非是單調增加的,說(shuō)明各酶秦先魁田建軍低脂玉米粉生料發(fā)酵制酒精技術(shù)主要參數的之間相互會(huì )產(chǎn)生影響。在影響紅薯生料發(fā)酵的復合酶中,糖化試驗研究J糧食與飼料工業(yè)200110):46-47酶的極差R最大,是主要影響因素,其余的影響因素依次排序9李祥,呂嘉櫪生料釀酒工藝技術(shù)研究門(mén)釀酒科技,2040為:淀粉醵〉蛋白酶>果膠酶和纖維素酶。這可能原因是用紅42-44.薯生料進(jìn)行發(fā)酵,未經(jīng)過(guò)傳統工藝中的蒸煮等工序,從而糖化[1O黃平生料釀酒技術(shù)M北京:輕工業(yè)出版社,200所需的酶顯得非常重要,另外,從正交實(shí)驗結果中還可以看出,]劉忠義盧其斌張妙玲等“雙曲生料發(fā)酵制大米、高梁低效果最好的試驗號是15號,在該實(shí)驗組中纖維素酶沒(méi)有添加,度白酒門(mén)食品工業(yè),2004,25(4)2426.說(shuō)明纖維素酶在此實(shí)驗中影響并不明顯,而果膠酶的相對需要12)譚顯平甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇—解決我國能源緊缺矛盾的量較高,這與紅薯中果膠含量相對較高有關(guān)。綜上所述,實(shí)驗最佳途徑門(mén)甘蔗糖業(yè)2004(3):1922選用15號作為紅薯生料發(fā)酵的最佳復合酶組合,即糖化酶20013]傅學(xué)政,朱薇,管天球我國紅薯生產(chǎn)燃料乙醇的綜合效益U/g、淀粉酶20U/g、蛋白酶5U/g、果膠酶SUg分析門(mén)潮南科技學(xué)院學(xué)報,2006,(1):183186[14汪江波薛海燕鄒玉玲酶制劑的添加對早秈稻谷生料發(fā)酵3結論生產(chǎn)酒精的影響門(mén)中國釀造,20054:15-17本文采用紅薯生料進(jìn)行發(fā)酵,使糖化、發(fā)酵同時(shí)進(jìn)行,責任編校:黃光文)摒棄了傳統工藝中的高溫蒸煮工序,從而大幅度節省能量及設Production of Alcohol Fermentation by Sweet PotatoZHU Wei FU Xue-zheng GUAN Tian-qlu' MAO You-hup YANG Xlao-yun' LUo Jing-yao'(l Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou Hunan 425 1000, China;2. School of Resources Processing and Bioengineering of Central South University, Changsha Hunan 410083, China;3. Hunan Tang Ren Shen Meat Products Ltd, Zhuzhou Hunan412000, China)Abstract: Sweet potato as raw material to Product fuel ethanol, a composite enzyme suitable for fermentation of raw sweet potato isveloped. Its optimal combination is glucoamylase 200U/g, amylase 20U/g, protease 5U/g, pectinase 5U/g. At the same time, the mainfactors of the impact of raw sweet potato fermentation are studied, and identified the optimum conditions to product fuel ethanol infermentation, namely material water ratio 2.5: 1, PH 4. 2, the fermentation temperature 32oC and fermentation time for 7 days.Keywords: fermentation by raw material; fuel ethanol; composite enzyme