木薯干發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇潛力研究

中外能源第5期SINO-GLOBAL ENERGY木薯千發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇潛力研究梁瑋,施翔星(中國石油四川石化有限責任公司南充煉油廠(chǎng),四川南充637000要在實(shí)驗室條件下研究木薯干發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的潛力,以期為紅薯燃料乙醇項日的生產(chǎn)提供相關(guān)參考數據。以粉碎后的木警干為原料料水比為1:2.8,糖化所用的復合酶添加量為原料質(zhì)量的04%,在35℃土1℃溫度下用酵母活化液(干酵母在33℃:1℃、40倍其質(zhì)量的2%的葡萄糖溶液中活化6mn)發(fā)酵原料產(chǎn)乙醇,反應周期為7h。在此工藝條件下,酒精度達220%,乙醇產(chǎn)率為4832%,原料的T和VS利用率分別為7522%和800%。根據實(shí)驗研究結果,今后在紅薯燃料乙醇項目的運行和技改過(guò)程中諾要根據實(shí)際情況確定適宜的料水比范圍;酵母生理活性的高低是影響產(chǎn)酒率的重要因素,應根據生產(chǎn)狀況對其進(jìn)行改進(jìn)或創(chuàng )新,從而取得自己的知識產(chǎn)權;應通過(guò)氣相色譜法分析液相產(chǎn)物的成分,同時(shí)掌握發(fā)酵液的殘留糖含量和酵渣組成等情況,為副產(chǎn)物的充分利用和開(kāi)發(fā)附加產(chǎn)品做準備關(guān)鍵詞木警燃料乙醇產(chǎn)酒率料水比酵母活化利用率副產(chǎn)物1前言酵效果的因素很多圍,在此僅就酵母活化液對生產(chǎn)當前,傳統化石燃料的大量消耗和隨之帶來(lái)的乙醇的影響進(jìn)行探討。環(huán)境及氣候問(wèn)題正嚴重困擾著(zhù)人類(lèi)社會(huì )的可持續表1木薯與紅薯干中主要成分對照表%發(fā)展,新能源的開(kāi)發(fā)已勢在必行。與太陽(yáng)能、風(fēng)能相原料淀粉及可溶性糖粗纖維其他有機質(zhì)「灰分醇是應用較成熟的生物能源技術(shù)口。第一代燃料乙2實(shí)驗材料與方法醇主要以玉米等糧食作物為發(fā)酵原料,因影響糧食21實(shí)驗材料安全其發(fā)展受限;現在國際社會(huì )所倡導的第二代燃211發(fā)酵原料料乙醇則是以非糧和纖維素秸稈為原料4。在我新鮮木薯(取自云南臨滄)采收后經(jīng)洗凈、切塊國,可用于生產(chǎn)第二代燃料乙醇的原料來(lái)源豐富,曬干,置于密封干燥處保存。實(shí)驗前將所用木薯塊包括各種農作物秸稈和薯類(lèi)刮。200年底,由中糧進(jìn)行粉碎,并進(jìn)行原料成分分析。集團投資的以木薯為原料、年產(chǎn)20x10燃料乙醇21.2酵母項目在廣西北海投產(chǎn),成為國內第一個(gè)非糧燃料乙實(shí)驗所用酵母為耐高溫釀酒干酵母,由湖北安醇生產(chǎn)項目琪酵母股份有限公司生產(chǎn)。在發(fā)酵之前需要對干酵中國石油四川石化南充煉油廠(chǎng)10×10t/a紅薯母進(jìn)行活化。燃料乙醇項目既是集團公司涉足新能源領(lǐng)域的重2.13水解酶要舉措,也是建設綜合性國際能源公司和南充煉油為昆明某生物制劑公司生產(chǎn)的耐高溫a-淀粉廠(chǎng)實(shí)現轉型、可持續發(fā)展的組成部分。小試實(shí)驗研酶(液態(tài))和復合酶(由纖維素酶糖化酶等不同水解究是工業(yè)化生產(chǎn)的基礎。從原料組成上分析,木薯酶粉按一定比例配制而成)。和紅薯的成分比較接近(見(jiàn)表1),發(fā)酵的工藝路線(xiàn)中國煤化工相似,文章研究了在實(shí)驗室條件下木薯干發(fā)酵生產(chǎn)作者簡(jiǎn)CNMHG南石妯學(xué)院石油加工乙醇的潛力,以期為今后紅薯燃料乙醇的生產(chǎn)提供專(zhuān)業(yè),目前主要從事石油化工情報研究工作。相關(guān)的參考數據。從原料到酵母,再到工藝,影響發(fā)E-ma:wliangepetrochina.com.cn中外能源SINO-GLOBAL ENERGY2010年第15卷22實(shí)驗工藝與方法個(gè)平行。221原料成分的測定A組:精確稱(chēng)量1.00g千酵母溶于40mL的溫度用DNs法(3,5-二硝基水楊酸顯色反應)可測為35-40℃、濃度為2%的葡萄糖溶液中,先在37℃得原料中的可溶性總糖含量,根據GB/500910—的恒溫箱中培養20min,然后移至30℃的恒溫箱中2003測定原料中的粗纖維含量。發(fā)酵前,將粉碎后培養60min的木薯粉在控溫為105℃±5℃的恒溫箱中烘干至恒B組:精確稱(chēng)量100g千酵母溶于40mL的溫度重可測得其總固體含量(TS值),再在控溫為550℃±為35-40℃、濃度為2%的葡萄糖溶液中,放人控溫20℃的馬弗爐中灼燒至恒重可測得其總有機質(zhì)含為33℃±1℃的恒溫箱中培養60min后取用。量(vS值,該過(guò)程中有機質(zhì)被燒掉,剩余的為無(wú)機④用棉塞塞緊瓶口后放入控溫為35℃左右的質(zhì)灰分),見(jiàn)公式(1)、(2)發(fā)酵結束后用同樣方法對恒溫箱中進(jìn)行發(fā)酵,每隔10h稱(chēng)重一次,發(fā)酵時(shí)間殘渣進(jìn)行TS值、s值的測定,即可計算出原料的控制在70-80h之間。利用率,見(jiàn)公式(3)、(4)⑤發(fā)酵結束后,對發(fā)酵液進(jìn)行蒸餾,再進(jìn)行酒Ts值=2×100%精度測量和原料利用率、產(chǎn)酒率的計算。酒精產(chǎn)率的計算公式如下:s值W2-W3Lx100%酒精產(chǎn)率=酒精原料總量×10%TS利用率=發(fā)前T質(zhì)量發(fā)后下質(zhì)量(3)223乙醇含量的測定將發(fā)酵液倒入500mL圓底燒瓶中,加人100mLVS利用率=發(fā)酵前s質(zhì)量-發(fā)酵后Vs質(zhì)量(4水混勻后進(jìn)行常壓蒸餾,直至發(fā)酵液蒸干為止;用發(fā)酵前S質(zhì)量式中:W1為烘干前樣品的質(zhì)量;W2為烘干后樣品的燒瓶收集餾出液并(用容量瓶和移液管)測量餾出質(zhì)量,W3為灼燒后樣品的質(zhì)量。液的體積;再用酒精比重計測定餾出液的酒精濃度22.2發(fā)酵工藝和溫度,最后換算為20℃酒精度。由于釀酒酵母可利用的基質(zhì)主要為單糖和二3實(shí)驗結果與分析糖,因此發(fā)酵前需對原料進(jìn)行水解,使其中的淀粉、31發(fā)酵過(guò)程中CO2釋放量的變化粗纖維等多糖分解;為避免雜菌感染而影響發(fā)酵效從乙醇發(fā)酵的反應式(CH1O→2C2HOH+2CO2)果,還需對發(fā)酵液進(jìn)行滅菌;釀酒酵母的最適合發(fā)可知,酵母通過(guò)自身代謝作用在產(chǎn)生乙醇的同時(shí)還酵溫度不宜高于37℃,故在高溫滅菌完畢后還需進(jìn)將生成CO2,CO2會(huì )通過(guò)棉花塞釋放出來(lái)因此隨著(zhù)行冷卻。發(fā)酵工藝流程如圖1所示(實(shí)際生產(chǎn)中還反應的進(jìn)行,發(fā)酵液的質(zhì)量會(huì )有所減少。由于CO2有脫水與儲罐兩項后續工序)的生成量與乙醇的產(chǎn)生量相對應,因而可通過(guò)檢測原料粉碎水解糖化藺冷卻厭氧發(fā)酵蒸CO2的變化量來(lái)觀(guān)察反應進(jìn)度整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中CO2釋放量的變化曲線(xiàn)如圖2圖1發(fā)酵工藝示意圖所示。從中可以看出,在一個(gè)周期中,兩組實(shí)驗的具體步驟如下:CO2釋放量呈現出相同的變化規律,即在發(fā)酵初期①將50g粉碎的木薯干粉放入500mL的錐形釋放量較多,隨著(zhù)反應的進(jìn)行,釋放量逐漸減少,直瓶中,再向其中加入140mL約70的熱水和10mL至反應停止,不再有CO2釋放。這表明產(chǎn)乙醇的高耐高溫α-淀粉酶,播晃并混合均勻后封緊瓶口。峰期是在整個(gè)發(fā)酵反應的前期。對比CO2的釋放總②將錐形瓶放入滅菌鍋內蒸煮30mn-lh后量和發(fā)酵周期的長(cháng)短后發(fā)現,實(shí)驗組A的CO2釋放取出,冷卻至35℃左右(33~36℃)?？傊袊夯ど闪恳矊⑸儆冖巯蝈F形瓶中加入一定量的復合酶(按原料實(shí)驗CNMHG安驗組A的發(fā)酵質(zhì)量的04%稱(chēng)取)和10mL酵母活化液。根據酵母周期安良丁頭我組B,四從反酵效率上分析,實(shí)活化方式的不同將實(shí)驗分為A組和B組,每組設3驗組B產(chǎn)量高,周期短,反應狀態(tài)更佳。這也說(shuō)明實(shí)第5期梁瑋等.木薯干發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇潛力研究驗組B所用的干酵母活化法效果優(yōu)于實(shí)驗組A較秸稈類(lèi)原料而言薯類(lèi)中主要成分為淀粉,比粗纖維易于分解,在發(fā)酵過(guò)程中可以得到更充分的利實(shí)驗組A用間對于發(fā)酵而言,原料的利用率由兩方面因素決實(shí)驗組B定,一是原料的水解(糖化)程度,二是參與反應的微生物的活性。原料的糖化率和酵母的活性成為實(shí)際生產(chǎn)中必須重視的問(wèn)題。原料TS和ⅤS利用率的計算是概括性指標,更準確的應該用DNs法測定在發(fā)酵前后料液含糖量的變化情況。圖2發(fā)酵過(guò)程中CO2釋放量變化曲線(xiàn)32原料的產(chǎn)酒量與利用率3不同實(shí)驗組原料利用率對照表實(shí)驗組A實(shí)驗組B不同實(shí)驗組的酒精度和乙醇產(chǎn)率見(jiàn)表2。發(fā)酵前Ts值,%88472不同實(shí)驗組酒精度與乙醇產(chǎn)率對照表發(fā)酵前TS質(zhì)量/g項目餾出液量/mL酒精度,%乙醇戴/mL乙醇產(chǎn)率%發(fā)酵后T質(zhì)量/g84B硯0.96實(shí)驗組ATS利用率,%26.10實(shí)驗組B發(fā)酵前vS值,%946394.6330.58發(fā)酵前ⅤS質(zhì)量/g41.86從蒸餾出的餾出液總量上看,實(shí)驗組A的平均發(fā)酵后VS質(zhì)量/g值比實(shí)驗組B多出6mL,兩組數據誤差在正常范圍VS利用率,%12內(小于10%)。在反應過(guò)程中,若發(fā)酵液感染雜菌4結論與建議導致反應狀態(tài)欠佳,液相中除乙醇外,還有揮發(fā)性以50g木薯干為原料,當料水比為1:28、復合有機酸(VFA)、乙酸乙酯等其他產(chǎn)物。生產(chǎn)燃料乙醇酶添加量為原料質(zhì)量的04%、酵母活化液(干酵母和食用酒的區別在于,前者主要依靠酵母的作用以在33℃±1℃、40倍其質(zhì)量的2%的葡萄糖溶液中活保證乙醇產(chǎn)量;后者則依靠釀酒酵母( Saccharomyces化60min)用量為10mL,在35℃±1℃溫度下發(fā)酵生cerevisiae)和其他微生物菌群的協(xié)同作用,產(chǎn)物中除產(chǎn)乙醇,反應周期70h。在此工藝條件下,酒精度達了乙醇,還有多種酯類(lèi)(酒的芳香成分)。因此,前者到220%,乙醇總產(chǎn)量30.58mL,乙醇產(chǎn)率48.32%要求的滅菌程度更高。從表2中可知,將兩組餾出原料的TS和ⅤS利用率分別為752%和8001%液的酒精度進(jìn)行比較,實(shí)驗組B在總量稍少的情況從實(shí)驗研究可得出,南充煉油廠(chǎng)今后在燃料乙下酒精度高出實(shí)驗組A,說(shuō)明在同等滅菌條件下,醇項目的投產(chǎn)運行和技改過(guò)程中需要注意以下幾實(shí)驗組B的發(fā)酵狀態(tài)要優(yōu)于實(shí)驗組A,酵母活化液方面問(wèn)題的實(shí)際效果更好。①投料濃度。該實(shí)驗是以薯干為原料,實(shí)際生隨著(zhù)原料逐漸被消耗,可以觀(guān)察到發(fā)酵液由渾產(chǎn)中可能會(huì )用到鮮薯(涉及原料的儲存),原料含水濁變得澄清。以乙醇濃度為0.79gm計算,實(shí)驗組量不同,糖化后料液中的總糖濃度隨之不同,對料A、B所產(chǎn)乙醇的質(zhì)量分別為20.62g和24.16g,按照液的pH值變化和發(fā)酵結果也會(huì )有影響。因此,需酒精產(chǎn)率和原料利用率計算公式得出實(shí)驗數據,見(jiàn)要根據實(shí)際情況確定適宜的料水比范圍表3。對比表2、表3中數據可以看出,乙醇產(chǎn)率與②酵母活化。酵母生理活性的高低是影響產(chǎn)原料利用率呈正相關(guān)性,即實(shí)驗組B較A發(fā)酵效酒率的重要因素。文章所述的干酵母活化只是一種果更好,乙醇產(chǎn)率與原料的利用率均更高。實(shí)驗組Q簡(jiǎn)單的方法,也可以自行培養、篩選出高活性的B的乙醇產(chǎn)率接近50%,原料的利用率超過(guò)70%,酵母。目前這方面的報道較多砌,可根據生產(chǎn)狀況對比其他原料(甜高粱秸稈、菊芋、鮮薯)在相似工藝進(jìn)行中國煤化工知識產(chǎn)權。條件下的實(shí)驗數據69,已達到較優(yōu)化的水平。其CNMHG分析液相產(chǎn)物成原因首先是實(shí)驗中所用的原料為薯干,較鮮薯而言分理友酵液的線(xiàn)留糖含量、酵渣組成等情含水量少,在水解后糖類(lèi)物質(zhì)的濃度較大;其次是況,為副產(chǎn)物的充分利用和開(kāi)發(fā)附加產(chǎn)品做準備中外能源SINO-GLOBAL ENERGY010年第15卷參考文獻:生物T程雜志,2008,28(7):139-142]孫振鉤中國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)及發(fā)展取向門(mén)農業(yè)工程學(xué)報,2004,6]施翔星,黃遵錫,謝建,等農業(yè)有機廢棄物發(fā)酵制氫研究進(jìn)20(5):1-5晨環(huán)境污染與防治,2008(10):1-62]譚天偉,王芳,鄧利生物能源的研究現狀及展望門(mén)現代化「7]馮威力國內首個(gè)非糧燃料乙醇裝置投產(chǎn)[N]中國化工報,工,2003(9):8-12.[3] Food And Agriculture Organization Of The United Nations8]靳艷玲,甘明哲,方揚,等鮮甘薯發(fā)酵生產(chǎn)高濃度乙醇的技The State of Food and Agriculture 2008(Biofuels: Prospects術(shù)[J應用與環(huán)境生物學(xué)報,2009,15(3):410-413Risks and Opportunities )IEB/ OL]. ftp∥fp.fao.org/ docrep/fao9李俊俊唐艷斌唐湘華等復合酶在芋粉發(fā)酵生產(chǎn)燃料0lf010o/0100epd乙醇中的應用門(mén)酸酒科技,2009(3):65-684]胡偉生物質(zhì)燃料乙醇研究進(jìn)展中國新技術(shù)新產(chǎn)品,200101李志軍,劉小民,劉代武等安琪超級釀酒干酵母在消精濃發(fā)酵中的應用[釀酒科技,2005(9):101-1065]李志軍生物燃料乙醇發(fā)展現狀、問(wèn)題與政策建議[中國編輯張A Study into the Potential of Producing Fuel Ethanolby Fermentation of Cassava SliceLiang Wei, Shi xiangxing( Nanchong Refining Plant, Petro China Sichuan Petrochemical Co, Ld, Nanchong Sichuan 637000)[Abstract] Researchers conducted a laboratory study into the potential of producing ethanol by fermentationide reference data for projects using sweet potato to produce fuel ethanol. Cassavaslices were crushed and used as the raw material. The material/water ratio was 1: 28. The amount of compounddded for use in saccharification accounted for 0.4% of the weight of the raw material. Ethanol wasproduced by fermentation of the raw material in the presence of yeast activating agent(produced by activatingdried yeast in 2% glucose solution in an amount of 40 times that of dried yeast at a temperature of 33C*1C)at a temperature of 35*1C. The reaction cycle was 70 hours. The alcohol content of the product pro-duced was 22% and the yield of ethanol was 48.32%.The utilization rates of Ts and VS in the raw materi-al reached 75.22% and 80.01% respectively Based on the experimental results, it is recommended that theappropriate range of material/water ratios be determined according to specific conditions during the operationand technical upgrade of a fuel ethanol production project using sweet potato as raw material. Biological activ-ity of yeast is an important factor affecting the yield of alcohol. Improvement or innovation on the biologicalactivity of yeast according to specific production conditions is necessary to develop expertise. The compositionof liquid products produced should be assayed using the gas chromatographic method. The content of residualugar in the fermentation liquor and the composition of residues from the fermentation process should also beanalyzed to prepare for the use of byproducts and the development of addition product[Keywords] cassava; fuel ethanol; yield of alcohol; material/water ratio; yeast activation; utilization rate; byproduct中國煤化工CNMHG