木薯酒精渣同步糖化發(fā)酵制乙醇的工藝研究*

徐友海，岳 軍，朱慶偉，徐艷紅，張國進(jìn)，王繼艷，胡世洋，惠繼星

(中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021)

近年來，燃料乙醇作為新的可再生的燃料替代品日益受到各國的重視，其中非糧乙醇是今后產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本方向，作為從糧食乙醇到纖維素乙醇的過渡，木薯乙醇是目前的發(fā)展重點(diǎn)之一。這類項(xiàng)目的特點(diǎn)之一是相應(yīng)產(chǎn)生大量廢渣，其主要成分包括w(纖維素)=25%～30%，w(半纖維素)=10%～12%，w(木質(zhì)素)=30%～32%，w(粗蛋白)=4%～6%，w(粗脂肪)=2%～4%，w(淀粉)=8%～10%，w(粗灰分和無機(jī)鹽)=10%～15%[1]。而每生產(chǎn)1t木薯乙醇大約產(chǎn)生0.33 t木薯酒精渣(干基)，由此推算，對(duì)于一個(gè)生產(chǎn)能力為30萬t/a的木薯燃料乙醇生產(chǎn)廠，每年產(chǎn)生的木薯渣則高達(dá)約10萬t，如果這部分副產(chǎn)物僅僅是簡單焚燒或作堆肥處理，不但是對(duì)資源的極大浪費(fèi)，同時(shí)嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，如何提高木薯渣的綜合利用價(jià)值，變廢為寶，是木薯酒精行業(yè)亟待解決的問題。

近年來，進(jìn)行過不少木薯廢渣開發(fā)利用的研究，如在濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%)、濃硝酸和催化劑共同作用下，經(jīng)水解-氧化-水解可將木薯渣制備成草酸[2]；利用黑曲霉和啤酒酵母對(duì)木薯渣進(jìn)行混種發(fā)酵[3]，提高木薯渣的蛋白含量，作為一種酵母單細(xì)胞蛋白飼料應(yīng)用于飼養(yǎng)牲畜，使廢棄物得到資源化處理；也可以利用木薯渣在箱式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器中用黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)植酸酶[4-5]；更多的研究是利用其生產(chǎn)酒精，廣西明陽生化科技股份有限公司將木薯渣與生木薯或木薯干片分開，分別進(jìn)行蒸煮和糖化，木薯渣經(jīng)糖化后進(jìn)行渣水分離，固渣直接做飼料或肥料，分離的木薯渣糖化濾液則回用作生木薯或木薯干片的調(diào)漿用液。該方法降低了生木薯或木薯干片的用量[6]。廣西師范大學(xué)通過使用纖維素酶將木薯加工制取淀粉過程的木薯渣中占較大比例的粗纖維利用起來，其最高產(chǎn)酒率達(dá)到27.3%[7]。中糧集團(tuán)將含木薯渣的原料與酶混合，酶解其中的纖維素，得到酶解產(chǎn)物，并發(fā)酵該酶解產(chǎn)物生成乙醇，同時(shí)連續(xù)補(bǔ)加木薯渣。但是，因種種原因這些研究均未得到大面積的推廣。

目前發(fā)酵生產(chǎn)酒精方面的研究多針對(duì)木薯加工制取淀粉過程中所產(chǎn)生的廢棄物，主要是由于其淀粉含量較高，而木薯酒精廢渣利用的研究非常少。從木薯酒精渣成分組成中可見，其中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量較高，若通過適當(dāng)?shù)姆椒ǚ謩e進(jìn)行深加工而得到相應(yīng)的高附加值產(chǎn)品(其中僅利用纖維素制乙醇就可提高乙醇收率4%以上)，將會(huì)有效提高木薯乙醇裝置的整體經(jīng)濟(jì)效益。

作者研究嘗試建立一種以木薯酒精廠所產(chǎn)廢渣為原料，通過適當(dāng)?shù)脑项A(yù)處理、纖維素酶水解并發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，提出一條以木薯酒精渣為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝路線。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料與試劑

木薯酒精渣：廣西北海生物質(zhì)能源有限公司；纖維素酶：棗莊市杰諾生物酶有限公司；釀酒活性干酵母：湖北安琪酵母股份有限公司；其它為市售分析純?cè)噭?/p>

1.2 儀器和設(shè)備

CL-32L高壓滅菌鍋：日本ALP公司；TGL-16G高速臺(tái)式離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；THZ-98AB恒溫振蕩器、DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SW-CJ-1FD潔凈工作臺(tái)：蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；SSY-H不銹鋼恒溫水浴鍋：上海三申醫(yī)療器械廠；SBA-40X生物質(zhì)傳感分析儀：山東省科學(xué)院生物研究所；BIOCTECH-5BG發(fā)酵罐：上海保興生物設(shè)備工程有限公司；1KCF-10回轉(zhuǎn)攪拌反應(yīng)釜：煙臺(tái)牟平曙光精密儀器廠；6202小型高速粉碎機(jī)：北京燕山正德機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原料的準(zhǔn)備

將取自于木薯酒精工廠的木薯渣自然風(fēng)干，儲(chǔ)存于自封袋中，平衡水分24 h后進(jìn)行后續(xù)步驟。

1.3.2 原料的預(yù)處理

粉碎：將自然風(fēng)干的木薯酒精渣用6202小型高速粉碎機(jī)粉碎后過篩，取不同粒徑進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

酸堿處理：按要求配制一定濃度的酸、堿等溶液，按一定比例加入木薯酒精渣(干重)，混合均勻后置于高壓反應(yīng)釜內(nèi)，升溫至預(yù)定溫度保持一定的時(shí)間。處理完畢后，冷卻放料，固體殘?jiān)?jīng)過濾后洗滌至中性，貯于密封袋存于4 ℃冰箱備用，

1.3.3 材料及設(shè)備的高壓蒸汽滅菌

按照培養(yǎng)基配方，于電子天平上稱量所需的藥品，加入適量的蒸餾水，并充分?jǐn)嚢?，后分裝入搖瓶或發(fā)酵罐中。在高壓蒸汽滅菌鍋內(nèi)進(jìn)行滅菌處理，滅菌結(jié)束后冷卻至室溫備用。

1.3.4 同步糖化發(fā)酵

木薯酒精渣經(jīng)粉碎過篩后取一定粒徑范圍的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加入一定比例的水及0.75 g/L的硫酸銨，高壓蒸汽滅菌20 min，冷卻至約30 ℃后加入纖維素酶及1 g/L的干酵母，發(fā)酵過程中保持木薯渣不沉底，定期補(bǔ)加木薯渣，發(fā)酵溫度為30～32 ℃，5 h前好氧發(fā)酵，5 h后厭氧發(fā)酵，定時(shí)取樣分析ρ(乙醇)。

1.4 分析方法

1.4.1 木薯酒精渣成分測(cè)定

纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分別采用硝酸乙醇法、減量法、兩步法酸水解測(cè)定[8]，灰分含量測(cè)定參照《GB/T2677.3—1993 造紙?jiān)匣曳值臏y(cè)定》。

1.4.2 發(fā)酵液中的乙醇、葡萄糖測(cè)定

吸取2 mL發(fā)酵醪，離心后取上清液，并稀釋適當(dāng)?shù)谋稊?shù)后，用SBA-40X型生物傳感分析儀測(cè)定葡萄糖、乙醇的質(zhì)量濃度，乘以稀釋倍數(shù)后即為發(fā)酵醪中葡萄糖、乙醇的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 木薯酒精渣成分分析

木薯酒精渣的主要成分(見表1)與文獻(xiàn)報(bào)道有較大差異，其中，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于文獻(xiàn)報(bào)道值，而灰分含量大大高于文獻(xiàn)報(bào)道值，這將對(duì)提高發(fā)酵醪中ρ(乙醇)有比較大的影響。

表1 木薯酒精渣主要成分

2.2 不同粒徑對(duì)木薯酒精渣發(fā)酵的影響

經(jīng)粉碎后分別取不同粒徑范圍的木薯酒精渣按1.3.4的方式進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，初始固液比1∶8，纖維素酶添加量為每克木薯渣(干重)30FPU。250 mL三角瓶裝液量60 mL，置于恒溫震蕩培養(yǎng)箱內(nèi)。發(fā)酵過程中分批補(bǔ)料使最終固液比達(dá)到1∶2.5，分別于24、48、72 h取樣分析，不同時(shí)間發(fā)酵液中ρ(乙醇)見表2。

表2 不同粒徑范圍的木薯酒精渣發(fā)酵結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過粉碎可以提高纖維素酶與底物的接觸面積，在相同纖維素酶用量下可以增加其纖維素的水解效率，從而取得較好的發(fā)酵效果，粒徑范圍在0.59～0.85 mm時(shí)比未經(jīng)粉碎的木薯酒精渣ρ(乙醇)提高1倍，粒徑進(jìn)一步降低，則效果不明顯。因此，在下一步實(shí)驗(yàn)中，原料均取粉碎粒徑0.85 mm以下的木薯酒精渣開展實(shí)驗(yàn)。

2.3 不同預(yù)處理方式對(duì)木薯酒精渣發(fā)酵的影響

在目前技術(shù)條件下，利用木質(zhì)纖維素類材料發(fā)酵制取乙醇通常采用酸、堿進(jìn)行預(yù)處理，以提高纖維素水解效率。而對(duì)于木薯酒精渣這種特殊的纖維質(zhì)材料，其木質(zhì)素、纖維素、半纖維素是處于較松散的結(jié)合狀態(tài)，只是由于酶的可及性較差影響了酶解效果，通過粉碎可以增加酶與底物的接觸面積。實(shí)驗(yàn)中對(duì)化學(xué)法與機(jī)械粉碎2種預(yù)處理方式進(jìn)行了分批補(bǔ)料同步糖化發(fā)酵搖瓶對(duì)比實(shí)驗(yàn)。酸堿預(yù)處理按1.3.2的方法進(jìn)行，預(yù)處理?xiàng)l件設(shè)置見表3。

表3 木薯酒精渣預(yù)處理?xiàng)l件

粉碎后的木薯酒精渣取粒徑小于0.85 mm的部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其它實(shí)驗(yàn)條件同2.2，不同時(shí)間發(fā)酵液中ρ(乙醇)見圖1。

發(fā)酵時(shí)間/h

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于木薯酒精渣這種特殊的纖維質(zhì)材料，通過簡單的機(jī)械粉碎處理，使纖維素酶的可及性增加，能夠取得較好的發(fā)酵效果。而通過酸、堿預(yù)處理雖然能夠破壞纖維質(zhì)結(jié)構(gòu)，提高纖維素含量，使酶解效果得以提高，但預(yù)處理過程所產(chǎn)生的小分子物質(zhì)可能對(duì)釀酒酵母產(chǎn)生抑制作用，反而使發(fā)酵結(jié)果不太理想，需增加脫毒步驟消除抑制因素，而未處理的木薯酒精渣由于粒徑較大，酶的作用效果降低，最高ρ(乙醇) ≈ 25 g/L。

2.4 不同纖維素酶加量對(duì)發(fā)酵的影響

除了預(yù)處理?xiàng)l件，纖維素酶的用量也是影響纖維素水解效果的重要因素，尤其是原料雜質(zhì)含量較高時(shí)，雜質(zhì)對(duì)酶的無效吸附或者失活因子可能導(dǎo)致纖維素酶的水解效率降低，因此需要考察不同纖維素酶用量條件下的乙醇發(fā)酵結(jié)果。

取粉碎后粒徑小于0.85 mm的部分進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，纖維素酶添加量為每克木薯渣(干重)0～50 FPU，其它條件同2.2，不同時(shí)間發(fā)酵液中ρ(乙醇)見圖2。

纖維素酶的添加量/(FPU·g-1)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著加酶量的提高，發(fā)酵液中ρ(乙醇)基本呈線性增加，表明纖維素酶的用量對(duì)于乙醇產(chǎn)率有很大的影響，當(dāng)加酶量達(dá)到50FPU/g時(shí)，發(fā)酵48 h時(shí)ρ(乙醇)=65 g/L(體積分?jǐn)?shù)為8.2%)，木薯酒精渣的乙醇收率達(dá)到16%(每單位質(zhì)量木薯渣生成酸的量，下同)，這表明雖然木薯渣中木質(zhì)素、纖維素及半纖維素是處于較松散的結(jié)合狀態(tài)，通過簡單的粉碎處理可以使纖維素酶的可及性增加，但雜質(zhì)的存在對(duì)纖維素酶有很強(qiáng)的吸附或者失活作用，影響了纖維素酶的水解效率，因而增加酶量可以提高發(fā)酵效果。因此，對(duì)木薯發(fā)酵工藝過程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，降低木薯酒精渣中的灰分等雜質(zhì)含量，將會(huì)有效降低木薯酒精渣發(fā)酵制乙醇的纖維素酶用量，并提高發(fā)酵液中ρ(乙醇)。

2.5 5 L發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)

在上述搖瓶發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了5 L發(fā)酵罐同步糖化發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，木薯酒精渣經(jīng)粉碎后取粒徑小于0.85 mm的部分，木薯酒精渣加入總量為800 g，初始加入250 g，水2 L，硫酸銨0.75 g/L，高壓蒸汽滅菌后冷卻至約30 ℃，加入纖維素酶(添加量總量為2 400 FPU，每克木薯渣30FPU)，發(fā)酵過程中在24 h內(nèi)將剩余木薯渣分批加入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

發(fā)酵時(shí)間/h

發(fā)酵時(shí)間/h

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)酵液中ρ(乙醇)最高達(dá)到52 g/L(體積分?jǐn)?shù)為6.5%)，木薯酒精渣到乙醇的收率達(dá)到13%，纖維素利用率約為75%，繼續(xù)延長發(fā)酵時(shí)間，ρ(乙醇)反而下降，pH值也快速下降，由于是同步糖化發(fā)酵，ρ(葡萄糖)始終維持在較低水平，由于料液非常粘稠，如若繼續(xù)補(bǔ)料普通的機(jī)械攪拌罐難以實(shí)現(xiàn)，需設(shè)計(jì)特殊的適合高固體含量的生物反應(yīng)器。

3 結(jié) 論

研究了利用木薯乙醇廠廢渣為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，結(jié)果表明通過簡單的機(jī)械粉碎后，通過同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇是可行的。發(fā)酵條件為木薯酒精渣經(jīng)粉碎后取粒徑小于0.85 mm的部分，初始料水比1∶8，纖維素酶添加量為每克木薯渣(干重)30FPU，發(fā)酵過程中在24 h內(nèi)分批將剩余木薯渣加入至總料水質(zhì)量比達(dá)到1∶2.5，發(fā)酵時(shí)間30～40 h，發(fā)酵液中ρ(乙醇)>50 g/L，木薯酒精渣到乙醇的收率達(dá)到13%，當(dāng)添加量達(dá)到每克木薯渣(干重)50FPU時(shí)，發(fā)酵液中ρ(乙醇)=65 g/L，乙醇收率達(dá)到16%，主要是由于木薯酒精渣的有效成分相對(duì)較低，灰分等雜質(zhì)的存在對(duì)纖維素酶有很強(qiáng)的吸附或者失活作用，影響了纖維素酶的水解效率，因此增加纖維素酶添加量可以顯著提高發(fā)酵效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 劉甲申，劉文信，李春玲，等.采用含木薯渣的原料制備乙醇的方法：中國,100588711C[P].2010-02-10.

[2] 王宇飛，田小杰，張鈺爽，等.木薯發(fā)酵制備酒精后剩余殘?jiān)木C合利用[J].廣東化工，2008,35(12)：78-81.

[3] 湯燕華，謝必峰.利用木薯渣發(fā)酵生產(chǎn)啤酒酵母單細(xì)胞蛋白的研究[J].藥物生物技術(shù)，2006:13(1)：51-54.

[4] 鐘秋平,周文化，李建娜，等.木薯渣固態(tài)發(fā)酵植酸酶的中試條件[J].熱帶作物學(xué)報(bào)，2004,25(1)：44-48.

[5] 馬艷，洪葵，李枚秋，等.木薯渣固態(tài)發(fā)酵植酸酶的條件研究[J].熱帶作物學(xué)報(bào)，2000,21(2)：56-63.

[6] 潘瑞堅(jiān)，林旭升，張翰君.木薯渣酒精生產(chǎn)新工藝：中國,101195836A[P].2008-06-11.

[7] 蘇小建，謝麗霞，曹子慧，等.木薯渣的發(fā)酵工藝研究 [J].糧油加工，2010，10：127-129.

[8] 石淑蘭，何福望.制漿造紙分析與檢測(cè)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2010：35-49.