木薯粉与甘蔗糖蜜混合发酵高浓度酒精_申乃坤

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生 物 学 杂 志 Vol． 30 No． 1 Feb， 2013 JOURNAL OF BIOLOGY
第 30 卷第 1 期 2013 年 2 月
若糖蜜添加过早， 醪液的糖浓度过高， 抑制酵母菌的生 长发酵； 若添加过晚， 酵母菌的活力下降， 糖代谢速度 减缓， 影响糖的利用 。 为了考察糖蜜添加时间对发酵 6、 12 、 18 、 24 h 添加糖蜜， 的影响， 分别在 0 、 发酵结束后 测定醪液的残糖和酒精浓度， 结果见图 2 。
木薯 、 甘蔗等作为非粮作物因糖类含量丰富， 成为 可用于燃料乙醇生产的候选原料
［1 ］
COD 浓度 太 高 而 不 好 处 理［2］。 而 糖 蜜 中 含 有 5% ～ 12% 的胶体物质， 是由果胶质 、 焦糖和黑色素等组成， 这是酒精发酵时产生大量泡沫的主要原因， 因而降低 发酵罐的利用率； 胶体物质在酒精发酵时会吸附在酵 母的表面， 使酵母新陈代谢作用发生困难， 特别是焦糖
， 从而降低酒
不同浓度的木薯粉放入 250 mL 三角瓶中， 加自来水调 浆， 加入适量耐高温 α淀粉酶， 在震荡水浴锅 85℃ 液 化 40 min， 降温到 32℃ ， 冷却调 pH 值， 加入适量糖化 酶添加量为 1. 21 AGU / g 木薯粉， 并添加 0. 2% 尿素、
精生产 。因此， 木薯粉与糖蜜浓度的合适比例为 2 ∶ 1 ， 此时酒精浓度最高为 13. 58% （ V / V） 。 2. 2 响 糖蜜添加时间主要体现在发酵醪液糖浓度变化， 糖蜜添加时间对混合原料高浓度酒精发酵的影
［3 ］ 等） ， 都不利于糖蜜高浓度发酵 。 2+ 2+
0. 1% K2 HPO4 、 0. 05% MgSO4 ， 接种发酵。糖蜜原料可 在不同阶段加入， 若在液化后加入， 需要用稀硫酸调糖 蜜的 pH 值至 3. 8 ～ 4. 0 以抑制杂菌生长 。 1. 4 测定方法 酒精测定： 气相色谱法 还原糖 测 定 法。 总糖测定 2 2. 1
木薯粉与甘蔗糖蜜混合发酵高浓度酒精
申乃坤，王青艳，秦 艳，朱 婧，王成华，廖思明，黄日波
（ 广西科学院非粮生物质酶解国家重点实验室 国家非粮生物质能源工程技术研究中心； 广西生物炼制重点实验室， 南宁 530007 ）
摘 B （ PlackettBurman ） 试 验 筛选 要： 对木薯粉与甘蔗糖蜜混合原料发酵高浓 度 酒精 的 条件 进 行 了 优 化， 先 应用 P-
生 物 学 杂 志 Vol． 30 No． 1 Feb， 2013 JOURNAL OF BIOLOGY
第 30 卷第 1 期 2013 年 2 月
doi∶10． 3969 / j. issn. 2095 － 1736． 2013. 01. 054
Mixed fermentation of very high gravity ethanol with cassava flour and sugarcane molasses
SHEN Naikun，WANG Qingyan，QIN Yan，ZHU Jing， WANG Chenghua，LIAO Siming，HUANG Ribo
。但是以木薯粉原
料进行浓醪发酵时， 存在固形物浓度增大， 流动性差的 缺点， 容易发生沉淀， 不利于大罐连续发酵， 也不利于 蒸馏时醪塔塔釜的再沸器间接加热， 其废糟由于含有
收稿日期： 2012 － 05 － 30 ； 修回日期： 2012 － 06 － 18
基金项目： 广西科学院基金（ 10YJ25SW07 ） ； 广西区科学研究与技术开发课题（ 桂科攻 1099070 ， 桂科攻 11107008 － 4 ） Email： shennaik05@ 126． com； 作者简介： 申乃坤（ 1980 － ） 男， 助理研究员， 博士研究生， 主要从事生物质能源研究， Email： rbhuang@ gxas． cn。 通讯作者： 黄日波（ 1958 － ） 男， 博士生导师， 主要从事酶分子改造研究，
（ State Key laboratory of NonFood Biomass and Enzyme Technology； National Engineering Research Center for Nonfood Biorefinery，Guangxi Academy of Sciences； Guangxi Key Laboratory of Biorefinery，Nanning 530007 ，China）
［13 ］
83. 5°Bx， 总糖（ 以葡萄糖计） 49. 5% 。 耐高温淀粉酶及糖化酶购自诺维信公司 1. 2 1. 3 试验菌株 10 。 酵母菌种为酿酒酵母 GXASY培养基 种子培养基（ YPD） ： 葡萄糖 2% ， 酵母粉 1% ， 蛋白 胨 2% 。 发酵培养基制备
［12 ］
。
： 采用同步糖化发酵（ SSF ） ， 取
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与黑色素对酵母的酒精发酵作用抑制较大 。 此外， 糖 Pb 蜜中还含有大量灰分和一些重金属离子 （ Cu 、
［10 ］ ［8 － 9 ］ ［4 － 7 ］
。
： DNS （ 3 ， 5二 硝 基 水 杨 酸） 比 色
： 采用稀硫酸调节 pH 值至 1. 0 ， 沸水
测定所含还原糖量即为总糖含量 。 浴水解 1 h 后， 结果与分析 木薯粉与糖蜜的比例对混合原料高浓度酒精发 将总糖浓度定为 26% ， 木薯 根据前期试验结果， 粉和糖蜜以不同的比例混合（ W / W ） 调浆后， 制备发酵 培养基， 并 添 加 适 量 的 氮 源、 无 机 盐 及 糖 化 酶， 接种 （ 10% ， V / V） 发酵， 发酵条件为： 发酵温度 32 ℃ 、 转速 100 r / min， 发酵周期 48 h， 发酵结束后测定醪液的残糖 和酒精浓度 。每个条件设置 3 个平行， 结果取平均值， 以下同 。
点。试验设计及结果如表 3 所示 。
B 试验设计及响应值 表 1 PTable 1 PB experiment design and its response Run 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 X1 +1 +1 －1 +1 +1 +1 －1 －1 －1 +1 －1 －1 X2 －1 +1 +1 －1 +1 +1 +1 －1 －1 －1 +1 －1 X3 +1 －1 +1 +1 －1 +1 +1 +1 －1 －1 －1 +1 X4 －1 +1 －1 +1 +1 －1 +1 +1 +1 －1 －1 －1 X5 －1 －1 +1 －1 +1 +1 －1 +1 +1 +1 －1 －1 X6 －1 －1 －1 +1 －1 +1 +1 －1 +1 +1 +1 +1 X7 +1 －1 －1 －1 －1 －1 +1 +1 －1 +1 +1 +1 X8 +1 +1 －1 －1 －1 +1 －1 +1 +1 －1 +1 +1 Y% （ v / v） 11. 17 14. 53 11. 77 11. 42 13. 16 13. 27 12. 40 9. 54 9. 97 11. 78 12. 38 9. 84
， 但其发酵时间
较长， 发酵效率低， 同时其发酵底物大多为玉米淀粉或 。有关混合原料发酵酒精研究
［11 ］
酵的影响
等对木薯粉与甘蔗汁混合原料发酵酒 对木薯粉甘蔗汁混合
精的工艺进行了研究； 陈勇等
发酵申请了相关专利 。而以木薯粉与糖蜜原料采用同 步糖化（ SSF） 混合发酵生产高浓度燃料酒精的研究还 未见报道 。 本文采用木薯粉与糖蜜原料混合发酵燃料酒精， 既提高了发酵醪液的总糖浓度， 又降低了淀粉质原料 改善流动性， 同时也可以减弱糖蜜 醪液的固形物浓度， 中有害成分对酵母菌的毒害作用， 缩短发酵时间， 提高 了发酵醪液的酒精浓度， 从而提高原料的转化速率和 利用率， 降低酒精的原料成本 。 从而节约了蒸馏蒸汽 又减少单位吨酒精的排糟量， 而且废糟更容易处 用量， 理， 减少废糟的处理负荷， 使酒精生产过程更环保 。 1 1. 1 材料与方法 实验材料 木薯粉 量 71. 56% 。 甘蔗糖蜜 广西丰浩酒精有限公司提供， 锤度为
［10 ］
本地产木薯干片， 总糖（ 以葡萄糖计） 含
ห้องสมุดไป่ตู้
图 1 混合原料比例对酒精发酵的影响 Fig 1 Effect of the mixing ratio on ethanol fermentation
从图 1 可以看出， 木薯粉与糖蜜的比例直接决定 着发酵醪液的粘度和有害物质（ 焦糖 、 黑色素、 重金属 离子等） 的浓度， 当木薯粉与糖蜜比例大于 2 ∶ 1 时， 发 酵醪的木薯粉浓度过高， 导致醪液的粘度及渗透压过 大， 酵母菌生长和发育受到抑制， 同时发酵过程中放出 的二氧化碳逃逸受到抑制， 从而减缓发酵速度， 发酵速 度延长， 影响原料和发酵设备的利用率； 当木薯粉与糖 蜜比例小于 2 ∶ 1 时， 发酵醪的糖蜜浓度过高， 糖蜜中 的有害物质会影响酵母菌生长和代谢
［15 ］ ［14 ］ ［13 ］
现有技术中用于酒精和燃料乙醇生产的原料， 基 本上都是以单一原料为主， 而且生产燃料乙醇存在技 V / V） ， 术水平低（ 醪液酒精终浓度 10% ～ 12% ， 发酵 能耗大， 环境负荷大及经济性有 效率低（ 85% ～ 88% ） ， 待进一步提高等问题 。 在高浓度酒精发酵技术研究 国内外有关的科研机构已开展了相应的工作， 通过 上， 选育高产菌株及发酵条件优化， 其发酵菌株酒精发酵 浓度最高可达 16% ～ 18% （ V / V ） 甘蔗汁等单一原料 较少， 申乃坤