利用甜高粱茎秆糖分生产燃料乙醇

甜高粱汁生产发酵乙醇的工艺研究

摘要：介绍了甜高粱发加乙醇工业的历史以及现在利用甜高粱发酵的主要2种工艺形式，主要介绍了液体发酵的方法及优缺点，最后介绍了利用甜高粱发酵乙醇工业对人们的有利条件。

关键词：甜高粱发酵酒精工业研究进展

一甜高粱发酵酒精工业的历史

1、解决能源危机

随着世界能源(矿物质)危机，以及矿物质能源的利用对人类生存环境的危害程度日益严重，开发生物能源替代矿物质能源已成为世界各国和科学研究的重点[1]。燃料酒精作为一种可再生的清洁能源，不但可减少原油的消耗，而且可以减少环境污染[2～3]。甜高粱茎秆含糖量高、多汁、耐寒、耐盐碱、粮饲兼用等多种优良的生物学特性[4]。甜高粱茎秆汁液丰富，达到50 %～70 %，含糖量高达12 %～22 %，经榨汁后可以用于发酵生产酒精。这一技术的应用对于开发可再生能源、缓解能源危机、发展循环经济等具有极其重要的战略意义。

2、发展前景

人们对甜高粱作为新兴能源寄予厚望，用甜高粱生产燃料酒精已成为当今世界人们关注的热门话题，世界上许多国家和地区都先后制定了一系列开发利用措施和规划。巴西自1975 年开始实施甜高粱生产酒精计划，现已拥有日产12 万L的商业酒精工厂；美国自1978年便开始应用甜高粱生产酒精，到2000 年甜高粱的种植面积已达到560 万hm2，生产酒精约50 亿L；日本已将甜高粱作为酒精资源[18]；欧共体、澳大利亚等国家都开展了甜高粱生产酒精的研究工作。我国在甜高粱酒精发酵产业化方面也做了大量的工作。中科院近代物理研究所用重离子辐照技术对甜高粱进行了品种改良，使一些品种的含糖质量分数达24%以上，产量10 t /667m2以上；利用重离子辐照培育新菌种，通过甜高粱榨汁直接发酵工艺得到了9%以上的酒份，发酵时间缩短为16 h，仅为粮食(如玉米)生产燃料酒精发酵时间的1/4。国家发改委已将甘肃省作为西北地区唯一的定点生产甜高粱料酒精的省份“，十一五”期间将建立2.667 万hm2甜高粱种植基地和年产10 万t 的燃料酒精生产厂，并将在省内封闭销售。

二甜高粱发酵酒精的2种工艺形式

甜高粱茎秆出汁率高达60% 以上，茎秆的汁液锤度( 即甜高粱茎秆汁液中所含的可溶性固形的百分率)为15% ～20%。据测算在现有的技术水平下，平均每16 ～18 t 茎秆就可以生产 1 t 乙醇甜高粱制取燃料乙醇目前主要有液体发酵和固体发酵 2 种工艺路线。国内外研究人员对 2 种工艺路线中的发酵添加营养物、发酵条件、发酵菌种和发酵装置等进行了大量富有成效的研究。

1、液体发酵

（1）原料预处理

原料预处理是将采收后的甜高粱茎秆加工成适合发酵的原料的过程。包括去叶片粉碎、添加辅料、灭菌等生产环节。去除叶片和粉碎是采用专用机械去除叶片及叶鞘，并粉碎成0.2～0.8 cm 粒度的碎渣，粉碎的粒度宜大小适中，过大影响原料与酵母细胞充分接触，过小容易阻塞发酵产生的CO2逸散通道。发酵辅料主要是氮源和必需营养盐，添加时要混合搅拌均匀。再用自动进料机输入到蒸煮釜内通入蒸汽进行灭菌。在气温较高时，对于污染程度较低的原料也可省去灭菌操作，以减少能耗。在气温较低的冬季进行蒸汽灭菌还有提高发酵原料温度，快速启动发酵的作用。

（2）蒸馏脱水

蒸馏脱水包括初馏、精馏和脱水三步操作。初馏是将发酵成熟的醪糟移至蒸馏釜进行蒸馏，得

到体积分数为50%～60%的粗酒精，再经精馏、脱水操作得到无水乙醇。

（3）乙醇发酵

原料灭菌后，冷却到40℃左右时，即可边入池边接入乙醇发酵菌种，接种量为原料质量的7%～10%，并确保菌种与发酵原料混合均匀，酒精发酵池上覆盖塑料薄膜，密闭保温（36～38℃）发酵72 h 即可成熟。发酵结束后，发酵醪糟中残糖质量分数降到0.5%左右，酒精体积分数可达8%左右。乙醇发酵是本工艺的关键技术，是发酵微生物将甜高粱茎秆中的糖分经一系列生化反应最终转化成乙醇的过程。理论上每1 g 葡萄糖可以转化为0.511 g 乙醇，实际发酵生产中，由于酵母菌体生长和反应中产生少量醛、酸、酯等副产物都要消耗碳源，同时，成熟发酵醪中还会残存少量残糖，所以乙醇发酵的实际转化率要比理论值低。本文所述乙醇转化率定义为：单位原料的实际乙醇产量与理论转化量的比值，用式（1）计算[13]发酵原料、发酵条件、发酵菌种特性等都会影响乙醇转化率，其中最主要的因素是菌种特性，本工艺采用第10 期梅晓岩等：甜高粱茎秆固态发酵制取燃料乙醇中试项目经济评价245的是甜高粱茎秆乙醇发酵专用酵母（saccharmycescerevisiae），经生产实际验证，其乙醇转化率可以达到理论值的95.8%上。

（4）副产物生产

初馏后剩余的酒糟渣主要成分是纤维素、半纤维素及酵母菌菌体、酚类色素和少量未被利用的糖类物质，适合再加工成发酵蛋白饲料或纸浆。本项目设计了无公害造纸和发酵蛋白饲料 2 个综合利用路线。根据项目所在地的畜牧业需要大量蛋白饲料和项目运行初期原料供应问题，计划项目运转前3 a，只进行发酵蛋白饲料生产，产品出售给当地养殖户。待原料供应充足后再增加茎秆纤维纸浆产品。发酵蛋白饲料生产的工艺过程是：将经过初馏的酒糟渣冷却到40℃左右，补充少量氮源、营养盐后，接入以利用纤维素为主的混合菌种，入发酵池进行通风发酵，经72～96 h 发酵结束，再经干燥可得到粗蛋白质量分数在8%左右的蛋白饲料。

（5）液体发酵的优缺点

在液体发酵工艺中，首先将茎秆汁液压榨出来，添加适量的营养盐，接种，通过一定时间的发酵得到醪液，最后经过精馏就能得到可以作为燃料使用的乙醇。沈阳农业大学于20 世纪90 年代设计了一套年产30 t 乙醇的固定化酵母流化床生物反应器用液态发酵技术，乙醇转化率达到理论值的93%［5］。可见，液态发酵的乙醇转化率较高，并且工艺流程简单，适宜大规模生产。其缺点是生产过程中会产生大量蒸馏废液，这些废液需要进行环保处理才能直接排放，增加了项目投资。而且需要集中压榨大量茎秆，这样茎秆的收集、运输费用大大增加。而且压榨出的糖汁需要及时处理，否则会变酸或变色。Daeschel 等的研究表明，新压榨的甜高粱茎秆汁液在常温下需要在5 h 内进入发酵罐。如果压榨后及时存放于4℃条件下，则可以放置14 d，这样无疑又大大增加了生产成本。由于液体发酵工艺比较成熟，对发酵方式以及发酵参数的选择和优化有助于提高乙醇产量。液体发酵使用的是甜高粱茎秆压榨出的汁液，其中缺乏一些乙醇酵母发酵过程需要的氮源以及某些矿物质元素，需要人工添加一些营养盐。刘荣厚等［7］进一步研究了固定化酵母粒子强化、添加营养盐和发酵工艺参数对甜高粱茎秆乙醇发酵的影响，采用优化后的参数进行发酵，乙醇转化率达到理论值的97% 以上，发酵时间减少到 5 ～7 h。

2、固体发酵

本方法和我国传统的酿酒方法大体相同, 只是物料不同。传统的酿酒方法的物料是粮食, 将粮食中的淀粉先分解成糖,再由糖转化为粗乙醇。本方法的物料是利用甜高粱茎秆汁液中的糖份, 由糖份直接转化为粗乙醇, 方法简捷。本方法的工艺流程是, 首先是种植甜高粱, 然后是收获或收购甜高粱茎秆。接下来是加工, 依次是茎秆铡碎、揉碎、拌酵母菌、发酵、蒸馏, 生产出粗乙醇。从工艺流程可以看出, 本方法所需设备简单, 只是将农村作坊式酿酒的粮食粉碎机换为铡草机和揉碎机即可。由于甜高粱茎秆比较坚韧、汁液含糖量高、粘度大, 铡草机和揉碎机的功率要相对大点, 最好在5kw 以上, 以防憋机。有铡草机、揉碎机、蒸酒锅、小锅炉、冷却器、燃料、容器、温度计、塑料布和彩条苫布以及一些简单的工具, 就可利用甜高粱茎秆生产粗乙醇了。具体工艺方法不做想以介绍。