利用酒糟生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的試驗研究

第19卷第4期農業(yè)工程學(xué)報VO2782003年7月Transactions of the CSaeJuly 2003利用酒糟生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的試驗研究宋安東l2,張建威,吳云漢1,馬向東(1.河南農業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院,鄭州4500052.農業(yè)部農村可再生能源重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗室,鄭州450002)摘要:研究了采用固態(tài)發(fā)酵工藝利用酒糟生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇的工藝。向酒糟生物質(zhì)中加λ0.05%液化酶,0.06%糖化酶,0.8%纖維素酶,0.4‰TH-AADY,調整酒糟生物質(zhì)的酸度為3.0,含水率為60%,起始溫度為22~24C,發(fā)酵周期為9d的條件下,燃料乙醇產(chǎn)率可達4.18%。中試結果表明,該工藝可正常生產(chǎn)燃料乙醇,產(chǎn)率為4.03%。本研究可以為酒糟生物質(zhì)資源的合理利用、消除酒糟對環(huán)境的污染、開(kāi)發(fā)可再生新能源提供一條新工藝關(guān)鍵詞:酒糟生物質(zhì);發(fā)酵;燃料乙醇中圖分類(lèi)號:Q939文獻標識碼文章編號:1002-6819(2003)04-0278-041引言21%,糖分含量為0.8%2.2菌種。酒糟生物質(zhì)( Distillers biomass,DB)是白酒生產(chǎn)過(guò)活性干酵母TH-AADY,由湖北宜昌食用酵母基程排放的廢棄物,毎生產(chǎn)1t白酒(4θ度)就排放酒糟生地提供,用2%的葡萄糖溶液30℃活化h備用。酒精物質(zhì)3~4t。我國是個(gè)飲料酒生產(chǎn)和消費的大國,僅白酵母1308( Saccharmyces cerevisia),由河南天冠集團提酒2001年產(chǎn)量就達到850萬(wàn)t,僅此一項毎年我國排放供,用豆芽汁葡萄糖培養基進(jìn)行擴大培養,每代培養時(shí)酒糟生物質(zhì)就達3000萬(wàn)t。酒糟生物質(zhì)的含水率大間為24h,備用(60%~70%),酸度高(3.0左右),同時(shí)含有一定的殘2.3酶制劑余糖分、淀粉,因此,酒糟生物質(zhì)不易保存,極易腐爛變糖化酶(50000u/g)由(中外合資)無(wú)錫星達生物質(zhì),發(fā)酸發(fā)臭,造成了嚴重的環(huán)境污染同時(shí)酒糟生物質(zhì)工程有限公司提供,液化酶(2000u/g)由北京美的生中的殘余糖分、淀粉、豐富的纖維素和半纖維素等資源物技術(shù)有限公司提供,纖維素酶(2500u/g)由本實(shí)驗也不能得到合理的利用,造成巨大的資源浪費。目前對室采用黑曲酶F2固體曲盤(pán)法生產(chǎn)于酒糟生物質(zhì)的利用大都局限于烘干或直接作為飼料、2.4測定方法栽培食用菌等方面的初級利用,利用水平和利用率不燃料乙醇含量測定采用變性燃料乙醇國標高、附加值較低。因此,尋求一種新的酒糟生物質(zhì)利用GB18350-2001,然后計算酒糟生物質(zhì)的燃料乙醇產(chǎn)率途徑是很有必要的(RFE);酸度測定用0.1NaOH滴定法;糖度測定用在當今傳統化石能源的供給日益緊張,人類(lèi)對使用DNS法;淀粉測定采用國標GB5009.9-85;纖維素測定傳統化石能源所造成的嚴重環(huán)境污染有了充分認識的用國標GB5009.1085情況下,燃料乙醇( Fuel ethonal,FE)作為一種新型的2.5復合酶糖化效果研究可再生、清潔能源而越來(lái)越受到世人的重視2·3。巴西、燃料乙醇發(fā)酵的最終基質(zhì)是可發(fā)酵性糖類(lèi),如葡萄美國、印度等國家已有近200萬(wàn)輛機動(dòng)車(chē)使用燃料乙糖,在采用酒糟生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇的過(guò)程中,酒糟生醇,我國的河南天冠集團率先倡導并推動(dòng)了燃料乙醇的物質(zhì)中的淀粉、纖維素和半纖維素可以在液化酶、糖化使用。目前燃料乙醇的生產(chǎn)主要以糧食或薯類(lèi)為原酶和纖維素酶的作用下糖化產(chǎn)生可發(fā)酵性糖類(lèi)。在p料,產(chǎn)品成本高利用酒糟生物質(zhì)為原料生產(chǎn)燃料乙值為4.5~5.0,溫度為30C時(shí),采用表1設計的各種酶醇還很少報道。本文就通過(guò)固態(tài)發(fā)酵用酒糟生物質(zhì)生產(chǎn)的比例來(lái)研究復合酶對酒糟生物質(zhì)處理24h的效果,燃料乙醇的工藝技術(shù)進(jìn)行了試驗研究-。該試驗的設計采用L(34)正交表進(jìn)行,以糖化效果最好的組合來(lái)配比復合酶。2材料與方法表1試驗因素水平表2.1材料Table 1 Experimental factors and levels酒糟生物質(zhì)樣品取自河南林河集團(生產(chǎn)濃香型白中國煤化工2酒),含水率64%,淀粉含量為8.9%,纖維素含量為CNMHGO.05%0纖維素酶(C0.8%收稿日期:200207-08基金項目:河南省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)資助項目(0123011700作者簡(jiǎn)介:宋安東(1972-)男,河南宜陽(yáng)人,講師,博士生,主要從2.6發(fā)酵條件研究事發(fā)酵工閂荬環(huán)境工程、能源微生物學(xué)等的研究工作。鄭州市采用不同的菌種,調整酒糟生物質(zhì)不同的酸度,不河南農業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院,450005同的含水率,在30C,300mL三角瓶中裝入酒糟生物第4期宋安東等:利用酒糟生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的試驗研究質(zhì)密閉發(fā)酵12d發(fā)酵過(guò)程中毎天取樣測定發(fā)酵酒醅的述復合酶添加量,用生石灰來(lái)調整酒糟生物質(zhì)的酸度,燃料乙醇產(chǎn)率,研究不同條件下酒糟生物質(zhì)旳發(fā)酵情用 TH-AADY發(fā)酵12d。不同酒糟生物質(zhì)起始酸度對燃料乙醇產(chǎn)率的影響結果如圖2所示3結果與分析口 TH.AADU/1308/13.1復合酶糖化酒糟生物質(zhì)的研究根據表1的安排,正交試驗的結果如表2所示。表2糖化酒糟生物質(zhì)試驗結果Table 2 Experimental results of saccharification of DB組合糖度/%試驗號1(0.01%)1(0.02%)1(0.6%)0.10.20.30.40.50.61.02(0.06%)2(0.8%)6.1823456783(0,1%)3(1.0%)2(0.05%)5.91圖1菌種對燃料乙醇產(chǎn)率的影響Fig 1 Effect of strains on productivity of Fuel Ethonal(FE)3(0.1%)086217.1716.447Xxx822968吸5,725,486.045,740,212.02.22.4262.83.03.43.63.84.0由表2的試驗結果可以看出在9個(gè)處理中,第2個(gè)組合糖化效果最好,酒糟生物質(zhì)中糖度為6.18%,其次是第9個(gè)組合,糖度為圖2酸度對燃料乙醇產(chǎn)率的影響Fig. 2 Effect of acidity on productivity of FE6.02%。從而可以確定第2個(gè)組合ABC2中的復合酶添加比例最佳,即酒糟生物質(zhì)中添加0.05%液化酶圖2表明了酒糟生物質(zhì)起始酸度對燃料乙醇產(chǎn)率0.06%糖化酶,0.8%纖維素酶時(shí),酒糟生物質(zhì)中所產(chǎn)生有非常明顯的影響,酸度過(guò)大或過(guò)小均嚴重制約著(zhù)燃料的可發(fā)酵性糖類(lèi)最多乙醇發(fā)酵的正常進(jìn)行。從圖可以看出,在酸度為3.0時(shí),2)從全局大小R>R>RA可知,復合酶中對酒酒糟生物質(zhì)的燃料乙醇產(chǎn)率最大,達到3.7%。在試驗糟生物質(zhì)糖化影響最大的是纖維素酶,其次是糖化酶,操作中添加θ.08%的生石灰就可調整酒糟生物質(zhì)的酸影響最小的是液化酶。這一結論與酒糟生物質(zhì)中所含有度為3.0的纖維素、淀粉的含量相符合3.4酒糟生物質(zhì)中含水率對燃料乙醇產(chǎn)率的影響3.2不同菌種發(fā)酵的對比研究在燃料乙醇的固態(tài)法發(fā)酵中,發(fā)酵基質(zhì)的含水率是菌種是燃料乙醇發(fā)酵中的關(guān)鍵因素,菌種的優(yōu)良與影響酵母菌生長(cháng)、酶活力、發(fā)酵過(guò)程的關(guān)鍵因素不同酒否直接關(guān)系到燃料乙醇產(chǎn)率的高低采用上述復合酶添糟生物質(zhì)起始含水率對燃料乙醇產(chǎn)率的影響見(jiàn)圖3。由加量,調整酒糟生物質(zhì)的酸度為3.0,含水率為65%,發(fā)圖3可知在酒糟生物質(zhì)含水率為60%時(shí),酒糟生物質(zhì)酵周期為12d,對2種酵母菌發(fā)酵情況進(jìn)行研究,結果的燃料乙醇產(chǎn)率最高,達到4.0%,隨著(zhù)含水率的增加,見(jiàn)圖1燃料乙醇產(chǎn)率明顯降低,含水率越大,燃料乙醇產(chǎn)率越接種量為0.4%時(shí)酒糟生物質(zhì)的燃料乙醇產(chǎn)率最大,少能是由干過(guò)大的含水率影響了酵母菌正常生長(cháng)從圖1可以看出, TH-AADY的發(fā)酵性能較好,在低,這可中國煤化工達到3.9%。酒精酵母1308的發(fā)酵性能稍次,在接種量3.5發(fā)CNMHG為0.5%時(shí),酒糟生物質(zhì)的最大燃料乙醇產(chǎn)率為3.5%在以上研究的基礎上,采用最佳的工藝條件,對發(fā)因此,在本次試驗中采用活性干酵母TH-AADY。酵過(guò)程中發(fā)酵基質(zhì)的糖分( Sugar,Su)、淀粉( Starch3.3酒糟生物質(zhì)起始酸度對燃料乙醇產(chǎn)率的影響St)、纖維素( Cellulose,Ce)、燃料乙醇產(chǎn)率等進(jìn)行測定,酒糟劣錒舶起始酸度直接影響著(zhù)酒精酵母的生結果如圖4圖4表明了發(fā)酵過(guò)程中隨著(zhù)發(fā)酵周期的延長(cháng)代謝,影響著(zhù)燃料乙醇發(fā)酵的正常進(jìn)行。我們采用上長(cháng)發(fā)酵基質(zhì)中的淀粉、纖維素的下降趨勢酒糟生物質(zhì)農業(yè)工程學(xué)報2003年口 TH.AADU/‰活化3℃cADN53液化酶葡萄糖溶液么么么么么入池]發(fā)酵生物質(zhì)」含水率605.纖維素酶24℃成品分析30.40.50.61.0接種量圖5酒糟生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇工藝流程Fig 5 Flow chart of FE produced by DB fermentation圖3含水率對燃料乙醇產(chǎn)率的影響Fig 3 Effect of water content on productivity of FE物質(zhì)的酸度,同時(shí)調整含水率,而后在45~50C加入合適的復合酶。2)待酒糟生物質(zhì)溫度降至30~35C時(shí)接入經(jīng)活化-RFE/3-△Ce20-St/1Su/z的菌種,拌勻。3)酒糟生物質(zhì)溫度降至24~26℃開(kāi)始入池,保證酒糟生物質(zhì)入池后起始溫度在22~24C,入池后蓋好塑料布,密閉。4)酒糟生物質(zhì)發(fā)酵周期為9d。5)發(fā)酵完畢即可進(jìn)行蒸餾,蒸餾時(shí)由于酒糟生物質(zhì)發(fā)酵醅的含水量太大,需要添加10%稻殼進(jìn)行疏松,1234567891011121314保證蒸餾效果。3.7經(jīng)濟效益分析圖4發(fā)酵過(guò)程中基質(zhì)組分的變化采用本研究結果,毎噸酒糟生物質(zhì)投入生產(chǎn)燃料乙Fig 4 Changes of media composition during醇的經(jīng)濟效益分析如表3所示,分析表3可知,本項目fermentation process具有明顯的經(jīng)濟效益。推廣該項目,每年我國的3000萬(wàn)t白酒酒糟生物質(zhì)資源可盈利1.1億元中可發(fā)酵性糖類(lèi)的變化情況以及燃料乙醇產(chǎn)率的變化表3經(jīng)濟效益分析表情況。從圖中可以看出,發(fā)酵基質(zhì)中的淀粉和纖維素在Table 3 Analysis of economic benefits開(kāi)始的3d內下降很快,之后淀粉基本保持不變,估計是液化酶和糖化酶作用完的緣故,總過(guò)程中淀粉下降了液化酶2%;而纖維素在第4、5d不下降,之后又經(jīng)歷了一個(gè)下糖化酶酒糟生物質(zhì)纖維素酶降的時(shí)期,到第9d后保持不變,這是由于開(kāi)始是纖維加工成本菌種素酶的作用,中間由于糖類(lèi)含量高而抑制了纖維素酶對生石灰0,064底物的作用,當糖類(lèi)轉化成燃料乙醇后,糖類(lèi)的含量減工人工資25.1875少,解除了抑制作用,從而纖維素又有一部分被糖化,總5.87574過(guò)程中纖維素下降了4%。糖分的變化是先升高,第2d合計76.32724達到高峰,之后逐漸下降并趨近于零,這一現象與淀粉單價(jià)/元·k12,84纖維素的糖化和糖分轉化成燃料乙醇的過(guò)程是相匹配燃料乙醇產(chǎn)值/元價(jià)值/元凈盈利/元6.51276汋,最終殘糖為0.9%。隨著(zhù)發(fā)酵周期的延長(cháng),酒糟生物益本比質(zhì)的燃料乙醇產(chǎn)率也隨之升高,到第Ωd時(shí)達到峰值注:ν、蓍的數據依據依據河南林河集團2001~2002年平均財務(wù)報4.18?？傊诰圃闵镔|(zhì)的發(fā)酵過(guò)程中,淀粉、纖維素都得到了不同程度的利用;發(fā)酵周期可以確定為9d3.6發(fā)酵工藝流程及操作要點(diǎn)中國煤化工根據以上試驗配合工業(yè)化生產(chǎn)的基本思路和經(jīng)4結HCNMHG驗,我們在天冠集團、河南林河集團、河南寶豐酒業(yè)集團1)通過(guò)向酒糟生物質(zhì)中加入0.05%液化酶進(jìn)行了中試,工藝流程如圖50.06%糖化酶,0.8%纖維素酶,0.4‰TH-AADY,調整在上述工藝流程的實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中,操作要點(diǎn)如酸度為3.0含水率為60%采用固態(tài)發(fā)酵在起始溫度22~24C,發(fā)酵周期為9d時(shí),酒糟生物質(zhì)的燃料乙醇根據前面試驗結果,先加入生石灰調整酒糟生產(chǎn)率可達403%第4期宋安東等:利用酒糟生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的試驗研究2)本研究是利用農產(chǎn)品加工業(yè)廢棄物生物轉化生之我見(jiàn)[].中國工程科學(xué),2001,3(5):44~45產(chǎn)清潔能源燃料乙醇的新工藝,適合于我國各類(lèi)白酒企6]王革華.我國生物質(zhì)能利用技術(shù)展望J.農業(yè)工程學(xué)報業(yè)的酒糟生物質(zhì)能轉換利用,對消除酒糟污染,開(kāi)發(fā)生1999,15(4):19~2物質(zhì)能資源開(kāi)辟了一條新途徑[7]章克昌.發(fā)展“燃料乙醇”的建議[].中國工程科學(xué),2000,2[參考文獻][8]宋安東,張世敏,宋崇義.綠色木霉T1纖維素酶在大曲酒丟糟中應用的研究[].釀酒,2001,(4):51~521]李政一,周定,侯文華.酒糟資源化研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報2001,20(增刊):145~149[9 Zaldivar J. Nielsen J, Olsson J. Fuel ethanol productie[2 Moreira, Jose R. Goldemberg, Jose, Alcohol programfrom lignocellulose: a challenge for metabolic engineeringand process integration [ J]. Appl Microbiol BiotechnolJ]. Energy Policy,1999,27(4):29~2452001Jul;56(1~2):17~34[3 Von Sivers, Margareta: Zacchi, Guido. Ethanol from[10 Gang C S, Cao N J. Du J, et al. Ethanol productionlignocellulosics: a review of the economy[J].Bioresourcefrom renewable resources [J]. Adv Biochem Eng[4]章克昌.酒精與蒸餾酒工藝學(xué)[M].北京:中國輕工業(yè)出版Biotechnol,1999;65:207~4111]王福亭,農業(yè)試驗設計與統計分析[M].北京:農村讀物社,1997.出版社,19915]倪維斗,李政,靳暉.對用生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料用乙醇Fuel ethanol production by distiller biomass fermentationSong Andong, Zhang Jianwei, Wu Yunhan, Ma Xiangdong(1. Biotechnical & Food Science College, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450005, ChinaKey Laboratory of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Zhengzhou 450002, China)Abstract The technology of fuel ethanol production by solid fermentation with distiller biomass was studied. Theield of fuel ethanol reached 4. 18% under the condition as follows: a-amylase 0. 05%, glucoamylase 0.06%cellulase 0.8%. TH-AADY 0. 4%o, the acidity of distiller biomass was 3. 0, the water content was 60% and theinitial temperature was 22-24 C; the fermentation lasts 9 days. The middle test shows that 4. 03 fuel ethanolcould be taken by this technology normally. This study provided a new way to utilize distiller biomass resourcesefficiently, eliminate environmental pollution of distiller biomass and exploit renewable energyKey words: distiller biomass: fermentation: fuel ethanolH中國煤化工CNMHG