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)酵工藝進展劉海軍,張釣2,王繼艷',馬中義,徐友海ψ,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中心,吉林吉林1320213.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)展趨勢及存在的問題。關(guān)鍵詞:木薯;乙醇;濃醪發(fā)酵中圖分類號:S216.2文獻標識碼:A文章編號: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物飼行業(yè)的研究熱點(。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、耐干旱耐酸性土壤,適宜在貧瘠2木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝難點的土地種植,被譽為“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)量分數(shù)為30%~35%木薯干(2.5~2.8t鮮乙醇濃度,會對酵母產(chǎn)生抑制作用,同時木薯乙醇木薯可曬制1t木薯干)中淀粉質(zhì)量分數(shù)可達原料中泥沙等雜質(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,是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ募Z料相比,實現(xiàn)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的技術(shù)難點更多。食替代資源。近年來隨著人們對木薯原料生產(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。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)酵工藝特點手,以改進木薯乙醇濃醪發(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)過程的正常進行及提高270g/L)的醪液進行發(fā)酵濃醪發(fā)酵是乙醇生生產(chǎn)效益,這些雜質(zhì)必須要在生產(chǎn)前清除否則將嚴重影響生產(chǎn)的正常進行,如石塊和金屬雜質(zhì)會*基金項目:中國石油科技管理部基金項目(2011A4904造成粉碎機篩板的磨損或損壞,導(dǎo)致生產(chǎn)中斷;泥作者簡介:劉海軍(1967—),石化公司研究院高級工程奮憲高鶿埜沙會加速機械設(shè)備運轉(zhuǎn)部位的磨損以及影響正常菌種誘變與篩選、生物催化從事燃料乙醉領(lǐng)的發(fā)酵過程。木薯原料的除砂過程通常先進行篩收稿日期:2013-12-15選,再進行磁選。篩選常選用震動篩去除原料中第2期劉海軍,等.木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝進展的較大雜質(zhì)和泥沙;磁選是利用永磁馬蹄鐵除去液粘度。 Jones等8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,酶對粘度的影響,纖維素酶或P葡聚糖酶用于水需要定期對原料除砂設(shè)備進行清理防止雜質(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現(xiàn)木薯濃醪發(fā)酵的關(guān)鍵乙醇濃醪發(fā)酵對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、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對多,物料的流動性越差,粘度越大。隋祎等2考察酵母菌株產(chǎn)生毒性,影響其生長、發(fā)育和生產(chǎn)能了料水比對木薯乙醇濃醪發(fā)酵的醪液粘度的影力,因此提高酵母對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,其乙醇耐受能力遠遠高于出發(fā)菌株,均粉顆粒越小,淀粉吸水的膨脹能力越強有利于徹可在w(乙醇)=9%的培養(yǎng)基中生長,是一株非常底糊化但同時增加了醪液的粘度,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,化酵母進行木薯乙醇濃醪發(fā)酵是當代的一種高新當粉碎粒度達到2.4×103cm時顆粒度對粘度技術(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)用價值。伍彥華等0對固定化酵細相結(jié)合的方式,以提高醪液流動性。(3)液化母進行選育,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。陸婷婷等卬對木菌株,以木薯為原料,考察其濃醪發(fā)酵性能。結(jié)果薯濃醪發(fā)酵的粘度進行了研究實驗結(jié)果表明液表明其中自絮凝酵母FJY具有較高的耐滲透化酶的用量為10Ug(一個AGU單位是指在25壓、產(chǎn)乙醇能力,且糖轉(zhuǎn)化率高殘?zhí)堑汀⒏视彤a(chǎn)量℃、pH=4.3反應(yīng)時間30min條件下,每分鐘水少,最終w(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,醪液時,溫度是影響酵母生產(chǎn)能力的敏感因素,低溫時具有較好的流動性。伍時華等對液化條件進行酵母的產(chǎn)酒率隨溫度的升高而增加,但當溫度過優(yōu)化,確定了最佳液化酶加入量為10U/g木薯高時,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、溫度耐受性好的耐高溫酵母,并對高溫等2對糊化過程中不同加酶量下醪液粘度的變化濃醪發(fā)酵工藝進行了研究,得到的最佳生產(chǎn)工藝條進行了研究,表明當溫度較高時(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,為了改善醪液流動性,g(乙醇)=15.54%,w(殘總糖)=2.73%容元平等采用預(yù)處理過的糖蜜水解液對木薯粉24優(yōu)化發(fā)酵工藝條件調(diào)漿進行濃醪發(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數(shù)為15.5%,實現(xiàn)件,可以顯著提高酵母的活性和生產(chǎn)能力,也是實了較好的濃醪發(fā)酵效果現(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)主要因子進行了優(yōu)化和篩選,得到伯糖酶等細胞壁降解酶及果膠降解酶可以降低醪了影響木薯濃醪發(fā)酵的重要工藝參數(shù),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)濟性及可持續(xù)發(fā)展性。Bai等17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)酵溫度時間分別為105℃和2h,達到較好液化效果,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%。可同化氮素在發(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v(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)測值相吻合。度,還增加菌體數(shù)量。 Fan Qiang Wang等1對培養(yǎng)基中Mg2+、甘氨酸酵母膏、生物素、乙醛和3結(jié)束語蛋白胨含量進行了優(yōu)化,使用非線性步進式回歸木薯濃醪發(fā)酵是一種具有巨大應(yīng)用價值的乙分析建立了一個預(yù)測性數(shù)學(xué)模型,其中Mg2和醇發(fā)酵技術(shù),對提高效益、節(jié)約能源有積極的促進蛋白胨的濃度是關(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)量分數(shù)為1.5%的蛋白胨可使發(fā)進展,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g(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15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g(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)酵時間至28h,乙醇產(chǎn)率提高分離高濃度有機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,釀酒酵母對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,當處于低溫狀態(tài)時,釀酒酵母的發(fā)酵能力未來的規(guī)?；a(chǎn)提供成熟的技術(shù)支撐。與溫度的變化成正比,當溫度較高時,釀酒酵母呈[參考文獻現(xiàn)鈍化狀態(tài),乙醇的生成速率減慢。另外,發(fā)酵體[1] Bao Yingling, Yan Zongcheng, Wang Honglin, et al. Optimi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 simuitaneous sac若營養(yǎng)物質(zhì)缺乏,將導(dǎo)致乙醇濃度降低。因此,適charification and fermentation in very high-gravity 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[].釀酒科技,2012,216(6):41-43pH等條件對木薯濃醪發(fā)酵的影響。實驗結(jié)果表[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v(尿素)=0.25%,p(MgSO4[4]陸勢婷伍時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):132135.p(CaCl2)=0.20g/L,發(fā)酵最適溫度為33℃,初[5]伍時華蔣常德易戈,等木薯酒精濃醪發(fā)酵中液化條件的始pH值為4.5,酵母菌接種量按體積分數(shù)為優(yōu)化[]食品科學(xué),2007,28(10):381-38310%,發(fā)酵時間48h。最終發(fā)酵成熟醪乙醇體積6容元平,廖蘭,伍時華等用糖蜜水解液對木薯粉調(diào)漿進行分數(shù)為17.2%,淀粉利用率達91%。濃醪酒精發(fā)酵工藝研究[.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的生理86438644,環(huán)境,可以通過改進過程工程設(shè)計及操作以提高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)brewing and fermentation: a research update[J] Journal of量,或者增加發(fā)酵罐中的擋板可以顯著減少整體Industrial Microbiology and Biotechnology, 2011, 38: 1133-發(fā)酵液的返混以及減輕乙醇的抑制效應(yīng)。這些方第2期劉海軍,等.木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝進展73[8] Jones AM, Ingledew WM Fuel alcohol production: optimigravity fermentation [J]. Biotechnology Letters, 2007, 29zation of temperature for eff cient very-high gravity fermen-233-236.tation[J]. Applied and Environmental Microbiology 1994, [15] Petra Bafrncova, Petra Bafrncova, Iveta Slavikova, et al.Im-60:1048-1051.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):16760-16762Biotechnology Letters, 1999, 21: 337-341.[10]伍彥華覃紅梅崔師泰等固定化醇母的選育及在木薯濃16〗易弋黎婭,伍時華.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比[.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[J].釀酒科技,2009,183(9):23-28.mentation 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):4751ing,2004,88:558-566[13]易弋蔣常德伍時華等木薯酒精濃醪發(fā)酵液化糖化工藝[18] Bao yingling, Yan zongcheng, Wang honglin,eta. Optimi的研究[].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(25):11091-11092.zation of bioethanol production during simultaneous sac-[14] Fan Qiang Wang, Cui Juan Gao, Chun Yu Yang, et al. Opticharification and fermentation in very high-gravity cassavamization of an ethanol production medium in very highnash[J]. Antonie van Leeuwenhoek, 2011, 99: 329-339.Progress on high-gravity ethanol fermentation process of cassavaLiu Haijun, Zhang Jun, Wang Jiyan', Ma Zhongyi, Xu youhai'Xiao Tianxiong, Wang Longhui, Hu Shiyang, Yue Jun, Hui Jixing(l Research institute of jilin Petrochemical Company, PetroChina, Jilin 132021, China; 2. Storage Center of Jilin Petrochemical Company, Petro China, Jilin 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-scale 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