燃料乙醇厌氧出水和好氧出水回用酒精发酵

第49卷第10期 当 代 化 工 Vol.49，No.10 2020年10月 Contemporary Chemical Industry October，2020
燃料乙醇厌氧出水和好氧出水回用酒精发酵
张琳，卢宗梅，陈影，王梅，徐晓然，郭世堂，刘利利，邴狄祥，周勇
（中粮生物科技股份有限公司，蚌埠 233010）
摘 要：随着工业社会的发展，化石燃料等不可再生能源不断消耗，各行业的能源供给面临挑战，以生物燃料乙醇为代表的生物质能源蓬勃发展[1]。

生物质乙醇生产过程中废液量大、环保处理负荷高，一直是行业难题[2]。

同时我国是一个水资源紧缺的国家，节约用水是个永恒的话题。

如果实现废水回用，不仅可以降低废水的处理成本，而且可以节约水资源。

本研究将燃料乙醇厌氧出水、好氧出水与源水的各项指标（pH、固体悬浮物、还原糖、氨氮、总氮、无机磷、总磷、有机酸和金属离子的浓度）进行了对比分析，考察厌氧出水和好氧出水回收用于酒精发酵的可行性。

试验结果表明：厌氧出水和好氧出水不会影响酵母酒精发酵，将其回收用于酒精发酵是可行的。

这样即可以降低废水排放的压力，降低废水处理成本，又能开辟新水源，提高经济效益。

关 键 词：厌氧出水；好氧出水；回收利用；酒精发酵
中图分类号：TQ 085 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）10-2277-05
Reuse of Anaerobic Effluent and Aerobic Effluent for Alcohol
Fermentation in Fuel Ethanol Production Process
ZHANG Lin, LU Zong-mei ,CHENG Ying, WANG Mei, XU Xiao-ran,
GUO Shi-tang, LIU Li-li, BING Di-xiang , ZHOU Yong
（COFCO Biotechnology Co., Ltd., Bengbu 233010, China）
Abstract: In recent years, the world's biofuel ethanol industry has boomed and grown rapidly, and biofuel ethanol has
become the world's most successful alternative to biomass energy [1]. The large quantity of distilled waste liquid and the
high pollution load in ethanol production have been the problem that is difficultly solved [2]. At the same time, China is
a country with water shortage; water conservation is an eternal topic. If the wastewater reuse is realized, it can not only
reduce the cost of wastewater treatment, but also save water resources. In this paper, the indicators of fuel ethanol
anaerobic effluent, aerobic effluent and raw water were compared, such as pH, solid suspension, reducing sugar,
ammonia nitrogen, total nitrogen, inorganic phosphorus, total phosphorus, organic acids and metal ions. The feasibility
of reusing anaerobic effluent and aerobic effluent for alcohol fermentation was investigated. The experimental results
showed that anaerobic effluent and aerobic effluent did not affect yeast alcohol fermentation, and it was feasible to
recycle it for alcohol fermentation, which could reduce the wastewater discharge, reduce the cost of wastewater
treatment, and improve economic efficiency.
Key words: Anaerobic effluent; Aerobic effluent; Recycling; Alcoholic fermentation
随着工业社会的发展，化石燃料等不可再生能源不断消耗，各行业的能源供给面临挑战，环境污染问题日益凸显[3]。

资料显示[1]，2017年车用乙醇汽油占全世界汽油消费总量的60%左右。

生物燃料乙醇已经成为生物质能源替代化石燃料的典型代表。

燃料乙醇不仅是优良的燃料，还是优良的燃油品质改善剂，更重要的是其可再生。

发展燃料乙醇产业，对优化能源结构、改善生态环境、促进农业发展，十分必要。

而如何有效地解决燃料乙醇生产过程中产生的废水量大的问题，实现节能、环保、高效清洁生产成了研究重点。

中粮（安徽）燃料酒精有限公司每天平均排放约4 000 t废水，本文从废水回用于酒精发酵出发，对厌氧出水和好氧出水的指标进行检测，研究厌氧出水和好氧出水回配用于酒精发酵的可行性。

1 实验
1.1 菌种
试验所使用的酵母菌为安琪酵母股份有限公司生产的高活性干酵母，菌活力200亿·g-1。

1.2 培养基
1.2.1 原料
玉米粉，过1.5 mm筛片，20目（830 μm）通过率≥85%；厌氧出水取自IC出口；好氧出水取自环保排口；源水为水厂供水；生产线其他调浆水主要包括精塔釜水、蒸汽凝水、回配清液。

DOI:10.13840/21-1457/tq.2020.10.041
2278 当 代 化 工 2020年10月
1.2.2 调浆
对照组：精塔釜水+蒸汽凝水+回配清液（取自生产线，45%）+工艺水（55%，工艺水不灭菌）。

试验组1：精塔釜水+蒸汽凝水+回配清液（取自生产线，45%）+厌氧出水（55%，厌氧出水絮凝过滤[4]，不灭菌）。

试验组2：精塔釜水+蒸汽凝水+回配清液（取自生产线，45%）+好氧出水（55%，不灭菌）。

以上述混合水为调浆水，加热至60 ℃左右，按照料水比1∶2.2调浆，并调整pH=5.6~5.8，添加淀粉酶0.15 kg·t-1玉米粉。

1.2.3 液化
搅拌转速300 r·min-1，于85 ℃水浴锅液化1 h，再升温至95 ℃继续液化1.5 h。

1.2.4 同步糖化发酵[5]
调节pH=4.0~4.4，将3种液化液分别装于3个5 L发酵罐中，装液量40%，糖化酶添加量0.58 kg·t-1玉米粉，尿素添加量0.6 kg·t-1玉米粉，添加适量的青霉素。

1.3 培养方法
1.3.1 菌种活化
干酵母活化：取一定量的干酵母，加入3倍重量的温水（30~35 ℃）活化20~30 min，血球计数板计数后接种，接种量为1×108个·mL-1。

1.3.2 发酵罐控制
接种前向培养基体系通风，0.5 h后停止。

控制温度为32±1 ℃，搅拌转速为100 r·min-1 [6]。

1.4 仪器设备
5 L 发酵罐，New Brunswick；液相色谱仪Agilent 1200，配备紫外检测器和示差检测器。

1.5 样品处理方法
1.5.1 还原糖、总糖
还原糖测定按照GB/T 5009.7规定进行，总糖测定前需硫酸或盐酸的酸水解处理。

1.5.2 有机酸
液相色谱法[7]（GB 5009.157）测定。

液相色谱仪Agilent 1200，有机酸柱子，流动相，柱温控制在65 ℃，流速0.6 mL·min-1，进样量20 mL。

1.5.3 无机氮、总氮
依据GB/T 11891水质 凯氏氮的测定。

1.5.4 无机磷、总磷
依据GB/T 11893 水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法。

1.5.5 固体悬浮物干重
依据GB/T 14489.1油料 水分及挥发物浓度测定。

1.5.6 金属离子
依据GB/T 5750.6生活饮用水标准检验方法 金
属指标。

1.5.7 甘油质量分数
采用HPLC液相色谱法测定。

1.5.8 黄曲霉毒素
依据GB/T17480饲料中黄曲霉毒素AFB1的测定
方法。

1.5.9 色泽、气味
采用目视及嗅觉等感官判断。

1.5.10 pH值
依据GB/T 6904—2008 工业循环冷却水及锅炉
用水中pH的测定。

2 数据及讨论
2.1 氮
氮源是构成菌体物质和一些代谢产物的营养
元素。

氮源对微生物的生长发育有着重要的意义。

酵母的生长和发酵都需要氮源，当尿素质量浓
度 <1 g·L-1时，尿素质量浓度与发酵酒精质量浓度
呈正相关关系，相关系数为0.941[8-9]。

尿素质量浓
度低，不能满足酵母生长繁殖的要求，可能导致酵
母生长停止。

微生物的生长阶段分为延迟期、对数
生长期、稳定期和衰亡期。

酵母在不同的阶段产乙
醇的速度是不同的，在对数生长期的酵母产乙醇的
速率最大，不再生长的酵母代谢速率下降。

因此氮
源质量浓度低可能导致酒精的质量浓度低，发酵周
期长。

当尿素质量浓度>1 g·L-1时，随着尿素质量浓
度的升高，酒精质量浓度趋于定值。

但是随着尿素
质量浓度的增大，酵母接入后延迟期缩短，发酵周
期缩短。

当厌氧消化出水的氨氮质量分数为300 μg·g-1时，可以完全代替尿素作为发酵的氮源。

表1数据
显示厌氧出水和好氧水的氮源均低于300 μg·g-1，理
论上说不仅不会对酒仅发酵产生不利影响，反而可
替代部分氮源，促进酒精发酵。

表1 厌氧出水、好氧出水与源水氮质量分数比较
Table 1 Comparison of nitrogen contents in anaerobic
effluent, aerobic effluent and raw water
水样无机氮/(μg·g-1) 总氮/(μg·g-1)
厌氧出水 87.47 123.86 好氧出水 8.13 9.68 源水 1.16 4.84
2.2 磷
磷元素是组成酵母细胞核酸、核蛋白的重要成分，更是许多辅酶及高能磷酸化合物的组分，其磷
第49卷第10期 张琳，等： 燃料乙醇厌氧出水和好氧出水回用酒精发酵 2279
酸盐是维持微生物培养基体系电离平衡的必要缓冲物。

磷除了参与初级代谢外，还通过调控相关基因的转录表达，参与生命活动的次级代谢[10]。

厌氧出水中含有的难以处理的磷可以作为酵母菌增值代谢的良好营养[11]，见表2。

表2 厌氧出水、好氧出水与源水磷质量分数比较 Table 2 Comparison of phosphorus contents in anaerobic effluent, aerobic effluent and raw water
水样 无机磷/(μg·g -1) 总磷/(μg·g -1)
厌氧出水 63.31 83.617
好氧出水 42.45 43.88
源水 / 30.15
2.3 有机酸
培养基中的小分子有机酸对酵母的生长有一
定作用[12]。

当培养基中分别含有较高质量分数的乙
酸和/或乳酸时，会对酵母菌的生长繁殖产生抑制，
影响糖的利用，降低乙醇的产率。

乳酸的质量分数
过高可能造成酵母死亡。

抑制强度为乙酸>乳酸。

乙酸的限制质量分数为0.4%，即当发酵液中的初始乙酸质量分数达到或高于0.4%时[6]，对酵母产生明
显的抑制。

厌氧出水的乙酸质量分数为0.005 2%，不会对酒精发酵产生影响。

乳酸的限制质量分数为2.5%。

表3显示，厌氧出水和好氧出水乙酸质量分数、乳酸质量分数均未达到影响酒精发酵的水平。

表3 厌氧出水、好氧气出水和源水的有机酸比较 Table 3 Comparison of organic acid contents in anaerobic
effluent, aerobic effluent and raw water
水样 乙酸/% 乳酸/% 厌氧出水 0.005 2 0.005 8 好氧出水 / 0.001 4 源水
/
/
2.4 金属离子
金属离子是微生物的生命代谢活动中不可缺少的生长因子，缺乏或不足均不利于微生物生长。

大多数酶需要特定的金属离子激活，如钙离子。

同时金属离子还能维持细胞稳定，如钠离子可以调节细胞渗透压。

铁离子对微生物生长产生一定的影响，Fe 3+浓度在3.56 mmol ·L -1
时酵母数量和酒精产量明显增加[13]。

研究表明[9,13]，K +离子和Na +
离子的浓度分别在
140 mmol ·L -1和70 mmol ·L -1
以下时对淀粉酶的酶活
没有影响；高浓度的Na +
离子不仅对乙醇有抑制作
用，而且还会造成乙醇的损失；Ca 2+
浓度在
10 mmol ·L -1以下随着浓度的增加酶活升高；Mg 2+
和
Fe 3+有拮抗作用，Mg 2+的浓度在8 mmol ·L -1
可以有效
地消除Fe 3+的抑制作用，Mg 2+浓度低于14 mmol ·L -1
的范围内，其浓度与酶活力呈正相关。

表4中的数据显示，厌氧出水和好氧出水的金属离子浓度均高
于源水，但Na +、K +、Ca 2+
的浓度未达到抑制淀粉酶
的酶活力的浓度要求，且Mg 2+在7~8 mmol ·L -1
，可
以消除Fe 3+
的抑制作用。

Mg 2+和Ca 2+
不仅影响酶活，同时还可能影响酒精发酵水平。

Mg 2+浓度在416.67 mmol ·L -1
产酒精水平最高。

Ca 2+
在酵母酒精发酵过程中能够促进终点酒精度的提高，并能够缩短发酵时间。

当钙质量浓度小于1.8 g ·L -1
时，随着钙质量浓度的增加，发酵终点酒精质量浓度也逐渐上升；当钙离子缺乏时，最终酒精质量浓度也较低，发酵时间也较长；而钙质量浓度>1.8 g ·L -1
时，酒度和发酵周期基本恒定。

这可能是由于Ca 2+
离子是某些酶的特定激活剂和稳定剂，能够增加酶的活性和稳定性，加快酒精发酵过程，缩短发酵周期[6]。

表4数据表明，厌氧出水和好氧出水中的Ca 2+、Fe 3+、Mg 2+
几种金属离子的浓度水平理论上可以促进酒精的产量，提高发酵水平。

表4 厌氧出水、好氧出水与源水几种金属离子浓度比较 Table 4 Comparison of contents of several metal ions in anaerobic effluent, aerobic effluent and raw water
金属离子 厌氧出水
好氧出水
源水
Na + /(mmol·L -1) 53.85 54.68 1.41 K + /(mmol·L -1) 31.74 33.15 0.12 Mg 2+ /(mmol·L -1) 7.08 7.92 0.31 Al 3+ /(mmol·L -1) 2.15 2.28
/ Fe 3+ /(mmol·L -1) 1.38 1.42 0.092 Li +/(mmol·L -1) 0.88 0.82 0.19 Ca 2+/(mmol·L -1)
3.85 3.90 0.52
2.5 其他指标
由表5可以看出，厌氧出水、好氧出水与源水的pH 差别不大。

调浆水的pH 会在5.6左右，因此3种水酸碱度不会有影响发酵。

固体悬浮物检测数据显示，厌氧出水（滤后）的固体悬浮物高于好氧出水及源水。

醪液悬浮物能够促进酵母细胞的繁殖，提高发酵速率，但副产物甘油及小分子挥发酸的大幅上升，会降低乙醇的生成量，悬浮物对乙醇合成
的临界抑制质量浓度为0.35 g ·L -1
(干重)[14]。

经过滤
处理过的厌氧水中的固体悬浮物为0.33 g ·L -1
，不会对酒精发酵产生抑制，反而可以提高发酵速率。

2.6 发酵验证 酒精发酵中发酵酒度、残糖质量分数作为酒精发酵水平的重要控制指标，发酵液中的酒精质量分
2280 当 代 化 工 2020年10月 数的高低体现发酵水平的高低，反映糖的利用率。

表6的发酵数据显示，好氧出水混合调浆发酵的酒
精质量分数最高，残还原糖、残总糖和过滤总糖最
低。

厌氧出水混合调浆与源水混合调浆发酵的酒精
的质量分数相当，残还原糖和残总糖无明显差异。

表5 厌氧出水、好氧出水与源水的pH、固体悬浮物、
还原糖比较
Table 5 Comparison of pH, solid suspension and reduced
sugar in anaerobic water, aerobic water and raw water
pH 固体悬浮物(干重)/(g·L-1) 还原糖/%
厌氧出水(滤后） 7.71 0.33 /
好氧出水 7.51 0.05 /
源水 7.84 0.02 /
表6 厌氧出水、好氧出水、源水用于发酵试验数据对比
Table 6 Comparison of fermentation test data of anaerobic
water, aerobic water and raw water
批次名称酒份/% 残还原糖/% 残总糖/% 过滤总糖/%
第一批厌氧出水 12.72 0.25 1.94 0.50 好氧出水 12.98 0.13 1.87 0.45 源水 12.76 0.27 1.96 0.51
第二批厌氧出水 12.68 0.22 1.92 0.48 好氧出水 12.92 0.17 1.86 0.51 源水 12.70 0.23 1.90 0.49
第三批厌氧出水 12.53 0.23 2.02 0.53 好氧出水 12.78 0.16 1.93 0.47 源水 12.52 0.23 2.03 0.52
甘油是酒精发酵中的副产物，由于甘油的产生降低了酵母对糖的利用率，降低了酒精的产率。

甘油还可能改变渗透压，影响酵母的生长及代谢。

发酵过程中产生的有机酸同样影响酵母的生长和代谢。

表7的数据显示，同批次间，厌氧出水、好氧出水和源水3种水分别按试验比例进行调浆发酵的副产物差异不显著，发酵终点的pH值差别不大。

表7 厌氧出水、好氧出水、源水用于发酵试验数据对比 Table 7 Comparison of fermentation test data of anaerobic water, aerobic water and raw water
批次名称甘油/% 乳酸/% pH 乙酸/%
第一批厌氧出水 0.76 0.46 3.76 0.062 好氧出水 0.72 0.45 3.76 0.066 源水 0.74 0.48 3.78 0.072
第二批厌氧出水 0.86 0.55 3.80 0.080 好氧出水 0.78 0.54 3.82 0.078 源水 0.82 0.55 3.82 0.077
第三批厌氧出水 0.69 0.35 3.84 0.091
好氧出水 0.64 0.33 3.85 0.088
源水 0.66 0.36 3.85 0.090
2.7 发酵副产品的指标
玉米酒糟DDGS是酒精发酵的副产物，是酒糟
和残液中的固形物浓缩烘干而成的。

吨成品酒精的
DDGS副产物大约为0.9 t。

DDGS作为饲料原料，
它的营养成分富足。

DDGS中总氨基酸和可消化的
氨基酸水平与玉米原料相比提高很大，比玉米高出
2倍左右。

赖氨酸质量分数在0.85%左右，异亮氨
酸质量分数 1.20%左右，蛋氨酸0.50%左右，苯丙
氨酸1.50左右，苏氨酸1.25%左右，色氨酸0.30%
左右，DDGS的蛋白质也非常高，最低质量分数24%
以上，最高可达到29%左右。

DDGS的脂肪质量分
数较高，比玉米高出3倍左右。

DDGS中含有多种
维生素，在养殖业应用广泛。

除常规营养指标外，
DDGS的色泽、气味、毒素等指标也是考察其质量
优劣的重要指标，指标值直接影响其品质、营养价
值和销售价格。

DDGS的质量等级对色泽有一定的
要求，优级品的色泽为金黄色，颜色不好的灰褐色
最多只能是合格品，DDGS中可消化的赖氨酸质量
分数与色泽相关，色泽可以反映DDGS营养水平，
色泽影响产品价格；气味对适口性有一定的影响，
好的气味可以提高饲料的适口性，提高动物的食欲，
增加动物的食量，提高生长速度；毒素会影响动物
的免疫系统和器官的功能，对动物的健康有害。

黄
曲霉毒素的毒副作用特别强，黄曲霉毒素在动物体
内经过肝脏的代谢会产生毒性更大的产物，这种产
物会与遗传物质结合，可能导致肝癌，会严重损害
动物的健康。

因此饲料的品质指标中对毒素控制非
常严格。

表8数据显示，厌氧出水、好氧出水及源
水用于调浆发酵的酒精副产品DDGS的色泽和气味
与源水发酵无差异，并且厌氧出水、好氧出水的黄
曲霉毒素稍低于源水发酵。

这可能是厌氧出水和好
氧气出水中含有一些降解毒素的物质。

因此厌氧出
水和好氧出水用于酒精发酵不会影响副产品的质
量和品质。

表8 厌氧出水、好氧出水、源水用于调浆发酵的DDGS
的色泽、气味、毒素指标对比
Table 8 Comparison of color, odor, toxin indicators of
DDGS from fermentation of anaerobic water, aerobic water
and raw water
调浆用水 DDGS色泽DDGS气味
DDGS的黄曲霉毒素
/(μg·g-1)
厌氧出水(滤后）金黄色微酸甜味 28.15
好氧出水 金黄色微酸甜味 27.95
源水 金黄色微酸甜味 33.22
（下转第2289页）
第49卷第10期 王斌杰，等：聚合物凝胶在油田的应用现状及发展前景 2289
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（上接第2280页）
3 结束语
厌氧出水和好氧出水均可以用于酒精发酵，不但不会影响酒精发酵水平，而且不会影响副产物DDGS的品质和质量。

厌氧出水与源水用于调浆的发酵水平相当，好氧出水用于调浆发酵水平好于其他两种。

厌氧出水回用发酵，可以更好解决好氧阶段投入成本高的问题，又可以节约水资源，实现节能环保，给企业带来经济效益。

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