甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化研究 甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化研究

甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化研究

  • 期刊名字:農業(yè)工程學(xué)報
  • 文件大?。?71kb
  • 論文作者:薛潔,王異靜,賈士儒
  • 作者單位:天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院,中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院
  • 更新時(shí)間:2020-09-30
  • 下載次數:次
論文簡(jiǎn)介

第23卷第11期農業(yè)工程學(xué)報Vol 23 No 112242007年11月Transactions of the CSAENov.2007甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化研究薛潔,王異靜2,賈士儒(1.天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院,天津市重點(diǎn)工業(yè)微生物實(shí)驗,天津300222;2.中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院,北京100027)摘要;為了開(kāi)發(fā)新型生物質(zhì)能源研究了用甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇的工藝參數,在單因素試驗的基礎上用正交試驗進(jìn)行工藝參數的優(yōu)化。結果表明發(fā)酵溫度、pH值酵母營(yíng)養鹽對甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵乙醇產(chǎn)率、起酵速度和發(fā)酵周期有顯著(zhù)影響;而酵母類(lèi)型和裝料系數只影響乙醇產(chǎn)率和起酵速度,對發(fā)酵周期無(wú)明顯影響。試驗中當裝料系數為80%pH35、采用丹寶利酵母,添加營(yíng)養鹽2進(jìn)行發(fā)酵時(shí),最佳工藝參數為:發(fā)酵溫度為22C或25℃,營(yíng)養鹽添加最為0.02%,酵母接種量為0.08%在此條件下發(fā)酵,最高酒精度可達66%(V/V)。該研究結果為中國燃料乙醇的發(fā)展提供科學(xué)依據關(guān)鍵詞:鋤高粱莖稈;燃料乙醇;固態(tài)發(fā)酵;酵營(yíng)養鹽;裝料系數;乙醇產(chǎn)率中圖分類(lèi)號:S216.2;S514文蘇標識碼:A文章編號:1002-6819(2007)11-0224-05薛潔,王異靜賈士儒.甜高粱基稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙酵的工藝優(yōu)化研究[農業(yè)工程學(xué)報,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,劉榮厚等開(kāi)展了甜高粱莖稈汁液固定化酵母乙醇發(fā)0引言酵的研究,確定了最適的營(yíng)養鹽添加比例;曹俊峰等在當今世界礦質(zhì)能源日益短缺的情況下,生物質(zhì)能就甜高粱汁乙醇發(fā)酵初步條件進(jìn)行了研究,確定了液態(tài)的研究開(kāi)發(fā)顯得日益緊迫。燃料乙醇作為一種新型可再發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的最佳工藝參數;張管生在甜高粱莖稈生清潔能源越來(lái)越受到各國政府的重視2,巴西已成制燃料乙醇工藝路線(xiàn)探討中,提出了固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料功的用甘蔗研發(fā)出乙醇燃料替代車(chē)用汽油,美國是世界乙醇的思路,但文章沒(méi)有對具體工藝參數進(jìn)行研究12上最大的以谷物(玉米)為原料生產(chǎn)燃料乙醇的國家,到現代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)是在密閉的反應器中采用單一菌株2005年其燃料乙醇的產(chǎn)量已突破1400多萬(wàn)t。中國于純種或限定菌株混合純種進(jìn)行發(fā)酵,克服了液態(tài)發(fā)酵原2000年開(kāi)始啟動(dòng)燃料乙醇項目,并取得了初步成果),料加工復雜廢水量大的缺點(diǎn)132,并且不同于傳統敞但是目前中國燃料乙醇主要是以玉米為原料,存在著(zhù)與開(kāi)式固態(tài)發(fā)酵模式,有利于實(shí)現規?;I(yè)化大生產(chǎn)。人爭糧的問(wèn)題生產(chǎn)成本較高,應用前最不容樂(lè )觀(guān)因此本研究以甜高粱莖稈為原料,探討了現代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)考慮到中國的實(shí)際情況,尋求新的生產(chǎn)原料刻不容生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)可行性,旨在為工業(yè)化生產(chǎn)綠色能源提供科學(xué)依據甜高梁作為能源作物是在世界能源緊缺,石油資源1材料與方法面臨枯竭的嚴峻形勢下提出的,已引起國際組織和一些國家政府的關(guān)注6。甜高粱屬高效C4作物莖稈含糖1.1材料率高達18%~24%(汁液垂度),用甜高粱莖稈生產(chǎn)燃111甜高梁莖桿料乙醇,在國內外得到了廣泛認可-0,中國“十一五來(lái)自中國海南省,采收后冷凍貯存。規劃明確的把甜高粱稈生產(chǎn)燃料乙醇作為首選,甜高粱甜高粱莖稈物性參數的測定:由國家食品質(zhì)量監督作為能源作物顯示出誘人的前景檢驗中心測定,見(jiàn)表1。甜高粱雖有能源作物之稱(chēng),但在中國尚沒(méi)有大型甜衰1甜高粱莖稈物性參數Table 1 Physical property parameters of sweet sorghum stems高粲乙醇廠(chǎng),利用甜高粱生產(chǎn)燃料乙醇是多國科學(xué)家攻指水分灰分總氮pH粗纖維總糖還原糖果膠質(zhì)堆積比重關(guān)的焦點(diǎn)。國內外現有的報道主要集中在甜高粱莖標/%/%/%值%/%/%/%/kg·m-3稈汁液液態(tài)發(fā)酵工藝,對固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的研究報道很含量60%0.124.5801.02.670.15255中國煤化工收稿日期:2006-12-27修訂日期:200705-281.1CNMHG作者簡(jiǎn)介:薛潔(1974一),女高級工程師,博士研究生,主要從事葡萄酒聚酒方面的研充開(kāi)發(fā)工作,北京市朝陽(yáng)區霄云路32號中酵母1:澳福酒用干酵母,煙臺馬利酵母有限公司國食品發(fā)酵工業(yè)研究院,100027, Email: lxxuejic@126cm提供;酵母2:丹寶利釀酒高活性干酵母,廣東丹寶利酵第11期薛潔等:甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化研究母有限公司提供;酵母3:釀酒酵母DV10,法國杰兔(北高梁稈的發(fā)酵現象,結果如表3所示京)工貿有限公司提供。酵母用2%的葡萄糖水30C活表3不同溫度對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響化1h備用。Table 3 Influences of different temperatures1.1.3酵母營(yíng)養鹽on solid-state fermentation of sweet sorghum stems營(yíng)養鹽1:復合發(fā)酵助劑 GO-Ferm,法國杰兔(北溫度發(fā)酵時(shí)間/h京)工貿有限公司提供;營(yíng)蕎鹽2:復合發(fā)酵助劑,中國42食品發(fā)酵工業(yè)研究院提供;營(yíng)養鹽3:磷酸二氫銨(分析150.673.5乙醇含質(zhì)1.2試驗方法/%(V/V)2.55.81.2.1工藝流程冷凍甜高粱莖稈→解凍→粉碎機粉碎→接入酵母,1578.5634.9311841.170.32072.432.574.370.16營(yíng)養鹽→控溫固態(tài)發(fā)酵→固態(tài)蒸餾工藝操作要點(diǎn)73.7823.151.60.821)原料解凍后,切成2~3cm的小段,用間隙為3544.616.370.80.5cm的粉碎機粉碎。從表3數據可以看出,發(fā)酵溫度影響甜髙粱稈的發(fā)2)將破碎的原料放入發(fā)酵容器中,裝料系數大約酵。溫度越高起酵越快發(fā)酵周期越短。當發(fā)酵溫度為為80%35℃時(shí),24h內的酒精度就可達4.5%(V/V);而同樣3)添加0.09%已活化的活性干酵母2和002%的酒精度,當發(fā)酵溫度為20℃時(shí),卻需要42h。試驗中的酵母營(yíng)養鹽,充分攪拌混勻,調整pH值為3.5。25℃的發(fā)酵溫度終酒精度最高(6.4%),高于25℃,最4)控制發(fā)酵室溫度為25C,每天測酒精度的變化高酒精度逐漸下降;而發(fā)酵溫度低于20c時(shí),酵母繁殖及降糖速度5)發(fā)酵結束后,分離,進(jìn)行固態(tài)蒸餾慢,達到最高酒精度所需時(shí)間長(cháng)(66h),因此從終酒精度和發(fā)酵周期兩方面考慮,最適的發(fā)酵溫度范圍為201.2.2試25℃,發(fā)酵時(shí)間為48h釆用單因素試驗方法,分別研究了發(fā)酵溫度、酵母表3中數據還顯示,當發(fā)酵時(shí)間延長(cháng)時(shí),酒精度有類(lèi)型酵母營(yíng)養鹽裝料系數和pH值對發(fā)酵時(shí)間和乙降低的趨勢,這是由于發(fā)酵初期酵母菌以原料中糖分醇產(chǎn)率的影響(單因素試驗時(shí),其他工藝參數按1.2.1作碳源代謝糖分轉化為乙醇;酒精度達到最高后發(fā)酵要求)所有試驗處理均設3個(gè)重復定時(shí)測酒精度和殘原料中的大部分糖分已被轉化,酵母菌處于饑鋨狀態(tài)糖變化。結合單因素試驗結果和相關(guān)資料,正交試驗因就有可能把發(fā)酵產(chǎn)物乙醇作為碳源,使之轉化為酸,因素水平表見(jiàn)表2所示。表2正交試驗因素水平表此發(fā)酵結東后應盡快進(jìn)行蒸餾,防止乙醇的損失Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment2.2酵母類(lèi)型對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響菌種是燃料乙醇發(fā)酵中的關(guān)鍵因素,菌種的優(yōu)良與因素水平否直接關(guān)系到燃料乙醇產(chǎn)率的高低。采用22℃的發(fā)酵發(fā)酵溫度/℃酵母營(yíng)養鹽添加最/%酵母接種歌/%溫度,酵母添加量為0.09%,發(fā)酵周期66h,對3種活220.020.08性干酵母的發(fā)酵情況進(jìn)行了研兗,結果見(jiàn)圖10.031.2.3測定方法P酒精度測定:取100g發(fā)酵樣品,加水150mL,蒸←酵母I餾,收集蒸餾液100mL,比重瓶法測酒度,結果表示薩母2酵母3為%(V/V)。殘糖測定:采用裴林試劑熱滴定法。244248中國煤化工2結果與討論CNMHG態(tài)發(fā)時(shí)的影響2.1發(fā)酵溫度對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響rent types of ye試驗研究了15℃、20℃、25℃、30℃、35℃溫度下甜on solid-state fermentation of sweet sorghum stem226農業(yè)工程學(xué)報2007年圖1中顯示,菌種類(lèi)型影響甜高粱稈的發(fā)酵,3種不同種類(lèi)的酵母相比較,其中添加酵母1的樣品起酵快,24h內的酒精度可達到2.7%(V/V),而添加酵母2和酵母3的樣品起酵速度基本一致,24h內的酒精度◆對照一營(yíng)養鹽分別為2.0%V/V)和1.9%V/V)。但從乙醇產(chǎn)率方背養鹽2面來(lái)講,酵母2的發(fā)酵性能最好,其最高酒精度可達到5.6%(V/)。三種菌種對發(fā)酵周期的影響無(wú)顯著(zhù)差異,在48h內基本發(fā)酵結束。在本實(shí)驗中酵母2比較適發(fā)慚時(shí)間/h宜甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵圖2酵母營(yíng)養鹽對甜高梁稈國態(tài)發(fā)酵的影響2.3酵母營(yíng)養鹽對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響ig2 Influences of different types of nutrition salt在甜高粱莖稈中,氮源、無(wú)機鹽不是很高,因此on solid-state fermentation of sweet sorghum stems為了保證酵母發(fā)酵的正常進(jìn)行,必須添加適宜的酵母營(yíng)圖2顯示,添加營(yíng)養鹽2的處理在42h內可達到養鹽,營(yíng)養鹽可為發(fā)酵微生物提供良好的生長(cháng)環(huán)境。實(shí)驗中營(yíng)養鹽1、2為復合酵母營(yíng)養鹽,而營(yíng)養鹽3為最高酒精度,其他兩個(gè)處理從發(fā)酵周期方面來(lái)講與對照NHH2PO4各營(yíng)養鹽的添加量為0.02%,對照不添加無(wú)明顯差異,因此三種營(yíng)養鹽相比,營(yíng)養鹽2的處理效果最好,營(yíng)養鹽1雖然發(fā)酵周期稍長(cháng),但最高乙醇產(chǎn)率營(yíng)養鹽樣品,營(yíng)養鹽對甜高粱稈酒精度的影響見(jiàn)表4和營(yíng)養鹽2無(wú)顯著(zhù)差異因此從反應時(shí)間、乙醇產(chǎn)率來(lái)表4酵母營(yíng)養鹽對甜高粱蘋(píng)稈固態(tài)發(fā)酵乙醉產(chǎn)率的影響看,添加適量的營(yíng)養鹽有助于在更短時(shí)間內使秸稈中的Table 4 Influences of different types of nutrition糖分得到更徹底的轉化,縮短發(fā)酵周期,降低生產(chǎn)成本alt on ethanol yield rate in solid-state2.4裝料系數對甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵的影響fermentation of sweet sorghum stems在燃料乙醇的固態(tài)發(fā)酵中若裝料系數過(guò)低,設備最高酒精度/%(V/v利用率低,增加了生產(chǎn)成本;若裝料系數過(guò)高,發(fā)酵時(shí)產(chǎn)試驗處理熱很高,影響酵母的增殖,裝料系數對固態(tài)發(fā)酵的影響對照04.73見(jiàn)圖3營(yíng)養鹽25.9NH.H2P().5.1衰5方差分析Table 5 Analysis of variance一變異來(lái)源平方和自由度均方值戶(hù)值處理間1,29000.430011.2170.0031處理內0.30670.0383總變Tukey法多重比較圖3茉料系數對甜高粱囿態(tài)發(fā)酵的影響Fig 3 Influences of different filling coefficients處理5%顯著(zhù)水平1%極顯著(zhù)水平on solid-state fermentation of sweet sorghum stems背蕎鹽1NH,H,PO4從圖3可以看出,裝料系數對發(fā)酵周期的影響不甚明顯各處理在48h內均達到最高酒精度;但裝料系數對酒精度稍有影響,裝料量越大,乙醇產(chǎn)率越高,可能的方差分析表結果表明,添加營(yíng)養鹽2的處理其最高原因有兩個(gè):(1)乙醇發(fā)酵屬于厭氧發(fā)酵裝料量越多乙醇產(chǎn)率與對照呈極顯著(zhù)差異,添加養鹽1的處理與厭氧條件越好;(2)裝料量越大,產(chǎn)熱越多,酵母發(fā)酵越對照呈顯著(zhù)差異,而添加NHH2PO4樣品的終乙醇產(chǎn)快牛產(chǎn)中.在排除發(fā)酵期間產(chǎn)熱和體積增大率與對照相比無(wú)明顯差異,這與張恩銘等的報道基本一因素中國煤化工數應設為80%致11另外營(yíng)養鹽不僅對固態(tài)發(fā)酵的終乙醇產(chǎn)率有2.5CNMH(的影響影響,而且也影響甜高梁稈的固態(tài)發(fā)酵周期,結果見(jiàn)圖甜高粱稈的初始pH值直接影響乙醇酵母的生長(cháng)代謝,影響燃料乙醇發(fā)酵的正常進(jìn)行1,試驗采用丹寶第11期薛潔等;甜高梁莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化研究利活性于酵母,用1M稀硫酸調整pH值(原料初始pH6正交試驗結果及計算分析值為4.5),發(fā)酵周期為66h。不同pH值對燃料乙醇產(chǎn)Table 6 Orthogonal experimental results and analysis率的影響見(jiàn)圖4。溫度/C營(yíng)養鹽/%接種量/%(v/v)0.010.08-4.5一3.5上2.525556.6.6I9.3發(fā)醇時(shí)間/h圖4pH值對甜高粱稈困態(tài)發(fā)酵的影響T7TMMFig 4 Influences of different pH values on solid-state6.33fermentation of sweet sorghum stems圖4顯示,酵母的發(fā)酵性能受pH值高低的影響,3結論每一個(gè)特定菌種都有其適宜的pH值,在三個(gè)不同pH通過(guò)對甜髙粱稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝參值處理中,酵母繁殖的最適pH值為35,此時(shí)酵母起酵快,發(fā)酵周期短。pH值3.5和2.5在66h內酒精度均數研究,得到如下結論:達到最高。但從最終乙醇的產(chǎn)率來(lái)講,pH3.5值最高1)發(fā)酵溫度影響甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵。溫度過(guò)低,可能是秸稈中纖維素和半纖維素在酸性條件下易水解起酵慢,發(fā)酵周期長(cháng);溫度過(guò)高,終乙醇產(chǎn)率低;最適發(fā)的緣故119。相反的,對照樣品(pH值4.5)不僅起摩酵溫度為酵溫度為20~25℃,發(fā)酵周期為48h;慢,而且發(fā)酵周期比較長(cháng)。因此為了獲得高產(chǎn)量的乙醇,2)菌種類(lèi)型影響甜高粱稈起酵速度和終乙醇產(chǎn)率,但對發(fā)酵周期無(wú)顯著(zhù)影響,本試驗中最適的菌種為在固態(tài)發(fā)酵前應調整原料的pH值。2.6甜高粱稈最佳發(fā)酵條件的研究丹寶利乙醇酵母;單因素試驗結果表明,發(fā)酵溫度、酵母類(lèi)型、酵母營(yíng)3)酵母營(yíng)養鹽對終乙醇產(chǎn)率的影響達到極顯著(zhù)關(guān)養鹽、裝料系數和pH值都影響甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵系,其中營(yíng)養鹽2的效果最佳;本試驗在單因素試驗的基礎上,確定好酵母菌種和營(yíng)養4)裝料系數影響甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵,試驗中最鹽后,調整原料pH值為35,研究發(fā)酵溫度、酵母營(yíng)養大裝料系數可達到80%。5)pH值對甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵的影響表現在三個(gè)鹽添加量和酵母菌種添加量3個(gè)因素同時(shí)作用時(shí)對甜方面:起酵速度、最高酒精度和發(fā)酵周期和最適pH值高粱稈發(fā)酵的影響,以便確定最合適的發(fā)酵參數。為3.5。從表6可以看出,溫度、營(yíng)養鹽、接種量3個(gè)因素的極差分別為0.07、0.20和0.16,由極差大小順序排出6)當選用丹寶利乙醇酵母,使用酵母營(yíng)養鹽2時(shí),最佳發(fā)酵條件為:發(fā)酵溫度22℃或25C,營(yíng)養鹽添加量因素的影響大小為(從主到次):營(yíng)養鹽、接種量和溫度為0.02%,酵母接種量為0.08%此時(shí)最高乙醇產(chǎn)率可根據表6中的平均值可得較好的生產(chǎn)條件是A2B2C2或ABC2,即發(fā)酵溫度為22C或25℃,營(yíng)養鹽添加量為達66%(V/V0.02%,酵母接種量為0.08%,但從表1中數據可發(fā)現,當溫度為22℃時(shí),乙醇產(chǎn)率最高為6.6%,因此最合[1 Moreira Jose R. Goldmember,se. lcohol program[]適的發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度為22℃,營(yíng)養鹽添加量為Energy Policy,1999,27(4);229-245,002%,酵母接種量為0.08%,此時(shí)最高酒精度為6.6%[2] Von Sivers, Margareta, Zacchi,cuio. Ethanol(V/V)中國煤化工 economy.BorCNMHG-I4O農業(yè)工程學(xué)報2007年[3]李正西對使用乙醇汽油若下問(wèn)題的一些探討[].情報調酒精發(fā)酵的影響[]農業(yè)工程半報,2005.21(9):137研,2001,(4):30-34[4]徐錠明.甜高粱制燃料乙醇前景廣闊[J]中國科技投資,[12]張管生甜高粱莖稈制燃料乙醇工藝路線(xiàn)探討[門(mén)].中外能006,(12)[5]張金才,周福榮,張春華,等甜高梁的綜合開(kāi)發(fā)利用[J[13]姚躍飛,增柏全現代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在食品加工業(yè)中的應作物雜志,1999,(5):1-3用「,食品與機械,2005,21(6):89-92[6]宋高友,等.甜高粱的開(kāi)發(fā)利用[A]全國高粲學(xué)術(shù)研討會(huì )[14]張繼泉郭利美,王瑞明.玉米枯稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精工藝論文選編,1996,8.探討[]廣州食品工業(yè)科技,2004,19(2):24-25.[7]曹俊峰,方博平,谷衛彬甜高粱汁酒精發(fā)酵初步研究[門(mén).[15]寧喜斌,馬志鴻,李達甜高粲莖汁成分的測定[J沈陽(yáng)西北農業(yè)學(xué)報,2006,15(3):201-203農業(yè)大學(xué)學(xué)報,1995,(5):45-48[8] Mamma D, Koullas d, Fountoukidis g,etet. 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China National Research Institute of Food and Fermentation Industries, Beijing 100027, China)Abstract: In order to explore a new-style biological energysource, the technological parameters for production offuel ethanol with sweet sorghum stems were investigated. 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中國煤化工CNMHG

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