綜述專論化工科技,2014,22(2):70~73Science & TECHNOLOGY IN CHEMICAL INDUSTRY木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝進(jìn)展劉海軍,張鈞,王繼艷',馬中義1,徐友海',肖天雄3,王龍輝1,胡世洋1,岳軍',惠繼星1(1.中國石油吉林石化公司研究院,吉林吉林132021;2.中國石油吉林石化公司倉儲(chǔ)中心,吉林吉林132021;3.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津300072)摘要:木薯是我國現(xiàn)階段可以大規(guī)模工業(yè)利用、經(jīng)濟(jì)上可行的非糧燃料乙醇生產(chǎn)原料,具有廣闊的發(fā)展前景。作者從木薯原料的除砂、優(yōu)良釀酒酵母的選育、降低物料粘度、優(yōu)化發(fā)酵工藝條件等關(guān)鍵性因素著手,介紹了木薯乙醇濃醪發(fā)酵的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及存在的問題。關(guān)鍵詞:木薯;乙醇;濃醪發(fā)酵中圖分類號(hào):S216.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008-0511(2014)020070-04木薯是熱帶作物,與馬鈴薯和紅薯并稱為世技術(shù)的重要進(jìn)展,不僅可以節(jié)約拌料水、降低蒸汽界三大薯類作物。木薯根為塊狀,呈柱形或紡錘能耗、提高設(shè)備利用率,還可以降低廢醪液處理形,塊根表面是一層棕色或淡黃色的表皮,塊根質(zhì)量,從而降低生產(chǎn)成本,目前已經(jīng)成為國內(nèi)外乙醇地松脆,淀粉較純,不僅可以作為食物及動(dòng)物飼行業(yè)的研究熱點(diǎn)1。料,還廣泛應(yīng)用于工業(yè)中作為原料使用。木薯光合作用能力強(qiáng)、耐干旱、耐酸性土壤,適宜在貧瘠2木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝難點(diǎn)的土地種植,被譽(yù)為“淀粉之王”,鮮木薯塊根中淀木薯乙醇濃醪發(fā)酵具有較高的初始糖濃度和粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%~35%,木薯干(2.5~2.8t鮮乙醇濃度,會(huì)對(duì)酵母產(chǎn)生抑制作用,同時(shí)木薯乙醇木薯可曬制1t木薯于)中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)原料中泥沙等雜質(zhì)含量高,醪液粘度大物料輸送72%~77%,以木薯為原料生產(chǎn)乙醇比玉米、小困難,不利于連續(xù)性生產(chǎn)。因此,與其它淀粉質(zhì)原麥、甘蔗等更經(jīng)濟(jì),是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ募Z料相比,實(shí)現(xiàn)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的技術(shù)難點(diǎn)更多。食替代資源。近年來隨著人們對(duì)木薯原料生產(chǎn)影響木薯濃醪發(fā)酵的因素是多方面的,目前國內(nèi)乙醇的重視,國內(nèi)外學(xué)者都紛紛致力于木薯乙醇外一些科研機(jī)構(gòu)及乙醇生產(chǎn)企業(yè)從木薯原料的除工藝的研究木薯乙醇濃醪發(fā)酵技術(shù)也成為研究砂、優(yōu)良釀酒酵母的選育、降低物料粘度、優(yōu)化培熱點(diǎn)。養(yǎng)基成分、溫度、pH等發(fā)酵關(guān)鍵性因素等方面著1木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝特點(diǎn)手,以改進(jìn)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的生產(chǎn)工藝2.1除砂傳統(tǒng)木薯乙醇生產(chǎn)工藝是高能耗、高水耗的木薯在收獲和干燥過程中,經(jīng)常會(huì)摻夾泥土、過程。為了有效降低能耗和水耗,提高發(fā)酵罐的沙石、粗纖維金屬等雜質(zhì),為了將木薯原料(木薯生產(chǎn)能力,可以通過濃醪發(fā)酵提高發(fā)酵醪中乙醇干和鮮木薯)中的淀粉充分釋放出來,提高轉(zhuǎn)化濃度來實(shí)現(xiàn),即采用高濃度(固形物質(zhì)量濃度>率,以保證木薯乙醇生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行及提高270g/L)的醪液進(jìn)行發(fā)酵濃醪發(fā)酵是乙醇生產(chǎn)生產(chǎn)效益,這些雜質(zhì)必須要在生產(chǎn)前清除,否則將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行,如石塊和金屬雜質(zhì)會(huì)*基金項(xiàng)目:中國石油科技管理部基金項(xiàng)目(2011A造成粉碎機(jī)篩板的磨損或損壞,導(dǎo)致生產(chǎn)中斷;泥作者簡(jiǎn)介:劉海軍(1967-),男,吉林公司研究院高級(jí)工程刂國石油林沙會(huì)加速機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)部位的磨損以及影響正常主要研究方向?yàn)槲⑸锞N誘變與篩選、生物催化與轉(zhuǎn)化,現(xiàn)從事燃料乙醇領(lǐng)的發(fā)酵過程中國煤化工常先進(jìn)行篩收稿日期:2013-12-15選,再進(jìn)行磁CNMH去除原料中第2期劉海軍,等.木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝進(jìn)展·71的較大雜質(zhì)和泥沙;磁選是利用永磁馬蹄鐵除去液粘度。 Jones等研究了濃醪發(fā)酵過程中蛋白原料中的鐵屑、鐵釘、螺母等磁性雜質(zhì)。生產(chǎn)中,酶對(duì)粘度的影響纖維素酶或β葡聚糖酶用于水需要定期對(duì)原料除砂設(shè)備進(jìn)行清理,防止雜質(zhì)積解β葡聚糖,可大大降低醪液粘度,由2460BU聚過多,影響除雜效果。可降至420BU。2.2降低醪液粘度2.3選育優(yōu)良釀酒酵母菌種木薯濃醪發(fā)酵隨著粉漿固形物濃度的提高由于木薯乙醇濃醪發(fā)酵過程中的底物糖濃度醪液的粘度迅速增加,物料流動(dòng)性變差給醪液的和產(chǎn)物乙醇濃度高,使得發(fā)酵體系中具有較高的攪拌、輸送、加熱與冷卻帶來了很大困難,因此,降滲透壓,易對(duì)釀酒酵母產(chǎn)生毒害作用,使得木薯低高濃度物料的粘度是實(shí)現(xiàn)木薯濃醪發(fā)酵的關(guān)鍵乙醇濃醪發(fā)酵對(duì)酵母菌株的要求極為苛刻因此,一步,其中料水比、原料顆粒度和液化酶用量是影選育生產(chǎn)能力強(qiáng)、耐高滲透壓副產(chǎn)物少的優(yōu)良酵響料液粘度的重要因素。(1)隨著料水比的增加,母菌種是實(shí)現(xiàn)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的關(guān)鍵。在調(diào)漿和加熱糊化過程中高含量的淀粉吸水越木薯乙醇濃醪發(fā)酵過程中高的乙醇濃度會(huì)對(duì)多,物料的流動(dòng)性越差,粘度越大。隋祎等考察酵母菌株產(chǎn)生毒性,影響其生長(zhǎng)、發(fā)育和生產(chǎn)能了料水比對(duì)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的醪液粘度的影力,因此提高酵母對(duì)乙醇的耐受性是十分必要的。響,結(jié)果表明,在糊化過程中料水質(zhì)量比為2.35,易弋等通過篩選得到兩株最佳乙醇耐受型釀酒比2.87時(shí)的醪液粘度明顯增加。(2)木薯原料淀酵母菌株,其乙醇耐受能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于出發(fā)菌株,均粉顆粒越小,淀粉吸水的膨脹能力越強(qiáng),有利于徹可在v(乙醇)=9%的培養(yǎng)基中生長(zhǎng),是一株非常底糊化,但同時(shí)增加了醪液的粘度,且增加了原料有潛力的應(yīng)用于濃醪發(fā)酵的酵母菌株。利用固定的粉碎能耗,因此并非木薯原料的顆粒越小越好,化酵母進(jìn)行木薯乙醇濃醪發(fā)酵是當(dāng)代的一種高新當(dāng)粉碎粒度達(dá)到2.4×103cm時(shí),顆粒度對(duì)粘度技術(shù),可大大增加反應(yīng)速度,提高生產(chǎn)能力,具有的影響不再明顯。目前有些企業(yè)采用木薯原料粗較高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。伍彥華等0對(duì)固定化酵細(xì)相結(jié)合的方式,以提高醪液流動(dòng)性3。(3)液化母進(jìn)行選育,得到4株濃醪發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的酵母酶的用量直接影響醪液的粘度。陸婷婷等對(duì)木菌株,以木薯為原料,考察其濃醪發(fā)酵性能。結(jié)果薯濃醪發(fā)酵的粘度進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,液表明,其中自絮凝酵母FY具有較高的耐滲透化酶的用量為10U/g(一個(gè)AGU單位是指在25壓、產(chǎn)乙醇能力,且糖轉(zhuǎn)化率高、殘?zhí)堑?、甘油產(chǎn)量℃、pH=4.3、反應(yīng)時(shí)間30min條件下,每分鐘水少,最終α乙醇)=15.7%。木薯乙醇濃醪發(fā)酵解1微克分子麥芽糖所需的酶量)木薯粉時(shí),醪液時(shí),溫度是影響酵母生產(chǎn)能力的敏感因素,低溫時(shí)具有較好的流動(dòng)性。伍時(shí)華等對(duì)液化條件進(jìn)行酵母的產(chǎn)酒率隨溫度的升高而增加但當(dāng)溫度過優(yōu)化,確定了最佳液化酶加入量為10U/g木薯高時(shí),酵母的產(chǎn)酒率下降,因此可以通過篩選耐高粉,液化溫度和時(shí)間分別為105℃和2h,此條件溫酵母提高酵母生產(chǎn)能力,陸雁等篩選到一株下醪液粘度低,木薯淀粉液化效果充分。隋祎產(chǎn)酒率高、溫度耐受性好的耐髙溫酵母,并對(duì)高溫等2對(duì)糊化過程中不同加酶量下醪液粘度的變化濃醪發(fā)酵工藝進(jìn)行了研究,得到的最佳生產(chǎn)工藝條進(jìn)行了研究,表明當(dāng)溫度較高時(shí)(85、90、95℃),件為料水質(zhì)量比為1:2,液化糖化后冷卻至37℃,在同一溫度下,高溫淀粉酶用量(8~14U/g)越pH=4.0,接種量為5%,發(fā)酵64h后,最高低,醪液粘度越低。另外,為了改善醪液流動(dòng)性,g(乙醇)=15.54%,v(殘總糖)=2.73容元平等采用預(yù)處理過的糖蜜水解液對(duì)木薯粉2.4優(yōu)化發(fā)酵工藝條件調(diào)漿進(jìn)行濃醪發(fā)酵醪液流速增大約50%,最終通過優(yōu)化木薯濃醪發(fā)酵過程中的關(guān)鍵工藝條發(fā)酵液成熟醪液中乙醇體積分?jǐn)?shù)為15.5%,實(shí)現(xiàn)件,可以顯著提高酵母的活性和生產(chǎn)能力,也是實(shí)了較好的濃醪發(fā)酵效果?，F(xiàn)木薯濃醪發(fā)酵的重要手段。培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)為了避免醪液粘度越來越大,在糖化前對(duì)糖的添加量在濃醪發(fā)酵過程中起著至關(guān)重要的作化酶進(jìn)行預(yù)處理有助于高固含物的糊化及增加液用。申乃坤等對(duì)木薯濃醪發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的培固比(。纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶和阿拉養(yǎng)條件和培養(yǎng)中國煤化工篩選,得到伯糖酶等細(xì)胞壁降解酶及果膠降解酶可以降低醪了影響木薯濃CNMHG,分別為糖化工科技第22卷化酶用量、肌醇濃度和料水比,并優(yōu)化得到的最佳法均有良好的經(jīng)濟(jì)性及可持續(xù)發(fā)展性。Bai等工藝條件為糖化酶用量為92.4U/g淀粉,肌醇的研究了由連續(xù)攪拌反應(yīng)器和3個(gè)串聯(lián)管式反應(yīng)器添加量為0.065%,料水質(zhì)量比為1:2.97,發(fā)酵組成的發(fā)酵系統(tǒng),結(jié)果表明該系統(tǒng)應(yīng)用于濃醪發(fā)48h后,g(乙醇)=15.02%,經(jīng)優(yōu)化后,g(乙醇)酵可達(dá)到較好效果。提高了25%。易弋等優(yōu)化了木薯濃醪發(fā)酵的Bao yingling等1使用統(tǒng)計(jì)方法學(xué)優(yōu)化了液化工藝條件,確定的最佳液化條件為料水質(zhì)量木薯濃醪同步糖化發(fā)酵過程中的水解和發(fā)酵條比為1:2.3,液化酶用量為10U/g,液化溫度和件,其中質(zhì)量濃度顆粒度、初始pH和發(fā)酵溫度時(shí)間分別為105℃和2h,達(dá)到較好液化效果最是影響發(fā)酵效果的重要因素通過優(yōu)化在質(zhì)量分終g(乙醇)=16.9%?？赏卦诎l(fā)酵過程中數(shù)為40%顆粒度為3.9×10-2pm、初始pH為起著重要作用,是培養(yǎng)基中的重要營養(yǎng)成分,添加5.5及發(fā)酵溫度為27℃條件下,最終w(乙醇)從游離氨基氮不僅可以提高發(fā)酵液中乙醇的最終濃8.21%增加至15.03%,與模型預(yù)測(cè)值相吻合度,還增加菌體數(shù)量。 Fan Qiang Wang等1對(duì)培養(yǎng)基中Mg2+、甘氨酸酵母膏、生物素、乙醛和3結(jié)束語蛋白胨含量進(jìn)行了優(yōu)化,使用非線性步進(jìn)式回歸木薯濃醪發(fā)酵是一種具有巨大應(yīng)用價(jià)值的乙分析建立了一個(gè)預(yù)測(cè)性數(shù)學(xué)模型其中Mg2和醇發(fā)酵技術(shù),對(duì)提高效益、節(jié)約能源有積極的促進(jìn)蛋白胨的濃度是關(guān)鍵影響因素,培養(yǎng)基中50作用。目前,木薯濃醪發(fā)酵技術(shù)有了一定的研究mmol mg2+和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的蛋白胨可使發(fā)進(jìn)展,但仍存在很多技術(shù)障礙限制木薯濃醪發(fā)酵酵48h后最終φ(乙醇)從14.2%增加至17%。的因素是多方面的除了木薯原料的除雜、高濃度Petra bafrncova等在濃醪乙醇發(fā)酵培養(yǎng)基中物料的輸送、耐高糖、高酒分優(yōu)良酵母菌種的選育添加了過量的可同化氮素使得φ(乙醇)最終提等困難,還有木薯濃醪發(fā)酵產(chǎn)生的發(fā)酵廢醪如何高了17%縮短發(fā)酵時(shí)間至28h,乙醇產(chǎn)率提高分離,高濃度有機(jī)廢水如何處理等問題同樣是今了50%以上。后面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝木薯濃醪發(fā)酵時(shí),釀酒酵母對(duì)溫度的變化較的研究需要更多的科學(xué)研究投入和支持,以便為為敏感,當(dāng)處于低溫狀態(tài)時(shí),釀酒酵母的發(fā)酵能力未來的規(guī)模化生產(chǎn)提供成熟的技術(shù)支撐。與溫度的變化成正比,當(dāng)溫度較高時(shí),釀酒酵母呈[參考文獻(xiàn)現(xiàn)鈍化狀態(tài),乙醇的生成速率減慢。另外,發(fā)酵體系中豐富營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)也是濃醪發(fā)酵的關(guān)鍵,zation of bioethanol production during simultaneous sac-若營養(yǎng)物質(zhì)缺乏,將導(dǎo)致乙醇濃度降低。因此,適clarification and fermentation in very highgravity cassava宜的發(fā)酵溫度與充足的營養(yǎng)物質(zhì)有利于濃醪發(fā)酵mash[J]. Antonie van Leeuwenhoek, 2011. 99(2): 329-339的順利進(jìn)行。易弋等在優(yōu)化的木薯粉液化糖2]隋偉劉璐王君高等木薯酒精濃醪發(fā)酵液化過程中節(jié)能化工藝的基礎(chǔ)上,分析了培養(yǎng)基成分以及溫度、減排的研究[J].釀酒科技,2012,216(6):41-43pH等條件對(duì)木薯濃醪發(fā)酵的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表飛3]鐘浩,譚興和熊興耀,等馬鈴薯粉液化的影響因素研究[J].食品工業(yè)科技,2008,29(2):98-100.明,發(fā)酵培養(yǎng)基中w(尿素)=0.25%,p(MgSO4[4]陸婷婷,伍時(shí)華,易戈,等.高濃度木薯粉漿糊化液化粘度的7H2O)=0.45g/L,p(KH2PO4)=1.5g/L,研究[].食品工業(yè)科技,2010,31(11):132-135.p(CaCl)=0.20g/L,發(fā)酵最適溫度為33℃,初[5]伍時(shí)華蔣常德易戈等木薯酒精濃醒發(fā)酵中液化條件的始pH值為4.5,酵母菌接種量按體積分?jǐn)?shù)為優(yōu)化[].食品科學(xué),2007,28(10):381-38310%發(fā)酵時(shí)間48h。最終發(fā)酵成熟醪乙醇體積61容元平,廖蘭,伍時(shí)華,等用糖水解液對(duì)木薯粉調(diào)漿進(jìn)行分?jǐn)?shù)為17.2%淀粉利用率達(dá)91%。濃醪酒精發(fā)酵工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(16):在濃醪發(fā)酵中通常缺少適宜酵母生長(zhǎng)的生理8643-8644環(huán)境,可以通過改進(jìn)過程工程設(shè)計(jì)及操作以提高[7] Pradeep Puligundla, Daniela Smogrovicova, Vijaya SarathiReddy Obulam, et al. Very high gravity(VHG) ethanolic乙醇的產(chǎn)率。如增加新廠發(fā)酵罐串聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)量,或者增加發(fā)酵罐中的擋板可以顯著減少整體發(fā)酵液的返混以及減輕乙醇的抑制效應(yīng)。這些方1144.YHbrewingte[J] Journal of中國煤化工,2011,38:1133CNMHG第2期劉海軍,等.木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝進(jìn)展·73[8] Jones AM, Ingledew WM. Fuel alcohol production: optimi-gravity fermentation [J]. Biotechnology Letters, 2007, 29zation of temperature for eff cient very-high gravity fermen-233-236.tation[JJ. Applied and Environmental Microbiology 1994, [15] Petra Bafrncova, Petra Bafrncova, Iveta Slavikova, et al. Im60:1048-1051.provement of very high gravity ethanol fermentation by[9]易弋,黎婭,容元平.酒精耐受型釀酒酵母菌的誘變篩選media supplementation using Saccharomyces cerevisiae[J].[].安徽農(nóng)業(yè)科技,2009,37(34):1676016762Biotechnology Letters, 1999, 21: 337-341.[10]伍彥華覃紅梅崔師泰等.固定化酵母的選育及在木薯濃16]易弋,黎婭,伍時(shí)華.木薯粉酒精濃醪發(fā)酵條件的優(yōu)化[醵發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇中的性能對(duì)比[J.釀酒科技,2010中國釀造,2008,200(23):61-69193(7):31-38[17] Bai FW. Chen LJ, Anderson WA, et al. Parameter oscilla-[11]陸雁,秦艷李明松,等.木薯淀粉高溫濃醪發(fā)酵酒精工藝的tions in very high gravity medium continuous ethanol fer-研究[].釀酒科技,2009,183(9):23-28mentation and their attenuation on multi-stage packed col[12]申乃坤,王青艷,陸雁,等.木薯淀粉高溫高濃度生產(chǎn)酒精的umn bioreactor system[J]. Biotechnology and Bioengineer工藝研究[J.釀酒,2009(5):47-51ing,2004,88:558-56[13]易弋蔣常德伍時(shí)華等木薯酒精濃醪發(fā)酵液化糖化工藝18] Bao yingling, Yan Zongcheng, Wang honglin,etal. Optimi的研究[].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(25):11091-11092zation of bioethanol production during simultaneous sac-[14] Fan Qiang Wang, Cui Juan Gao, Chiang, et al. Opticharification and fermentation in very high-gravity cassavamization of an ethanol production medium inmash[JI Antonie van Leeuwenhoek, 2011, 99: 329-339Progress on high-gravity ethanol fermentation process of cassavaLiu Haijun, Zhang Jun2, Wang Jiyan, Ma Zhongyi, Xu youhai'Xiao Tianxiong, Wang Longhui, Hu Shiyang, Yue Jun, Hui Jixing(1. Research Institute of Jilin Petrochemical Company, PetroChina, Jilin 132021, China; 2. Stor.age Center of Jilin Petrochemical Company, Petro China, ilin 132021, China; 3. School of chemicalEngineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: The cassava is non-staple fuel ethanol production raw material which can be used for large-cale production and economically viable in our country at this stage The cassava as the raw materialto produce fuel ethanol has broad prospects for development. This paper started with the key factorsexisting in high-gravity ethanol fermentation process of cassava such as the desanding the cassava rawmaterial, breeding the excellent Saccharomyces cerevisiae, reducing the viscosity of material, optimizingthe fermentation conditions, to summarize the review of the technology status, development trend andexisting problems for high-gravity ethanol fermentation process of cassava.Key words: Cassava; Ethanol; High-gravity fermentation中國煤化工CNMHG