木薯乙醇清液制備過(guò)程中淀粉損失研究

王景勝 ，黃玉濤 ，董青山 ，劉 鉞

（河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司 車用生物燃料技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 南陽(yáng) 473000）

木薯乙醇清液制備過(guò)程中淀粉損失研究

王景勝 ，黃玉濤 ，董青山 ，劉 鉞

（河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司 車用生物燃料技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 南陽(yáng) 473000）

在實(shí)驗(yàn)室1 L三角瓶規(guī)模小試中，以普通棉紗布為過(guò)濾介質(zhì)，手工壓榨制取木薯乙醇清液，洗滌固體濾渣的水用于下批拌料，連續(xù)5批次，結(jié)果表明制取各清液過(guò)程中原料的淀粉損失率為3.91%；在1 m3罐中試試驗(yàn)中，以（LW250×1 100）臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)制備木薯乙醇清液，結(jié)果表明制清液過(guò)程中淀粉損失率為5.9%。小試和中試木薯乙醇制取清液過(guò)程中淀粉損失率較高，現(xiàn)階段實(shí)際生產(chǎn)中要大規(guī)模應(yīng)用還存在困難。

木薯乙醇；清液發(fā)酵；淀粉損失

0 前言

我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，大力發(fā)展以燃料乙醇為代表的生物質(zhì)能源有助于保障國(guó)家的能源安全[1]。近幾年來(lái)，由于木薯具有淀粉含量高、分布廣、不占用耕地、不與人爭(zhēng)糧、易運(yùn)輸和儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，作為1.5代燃料乙醇的主要原料來(lái)源[2]，逐漸取代了傳統(tǒng)的以玉米、小麥等為代表的第一代燃料乙醇[3]。在不降低經(jīng)濟(jì)性的前提下追求更高的酒度一直是燃料乙醇行業(yè)人員追求的終極目標(biāo)[4]。木薯燃料乙醇濃醪發(fā)酵由于發(fā)酵液黏度高，輸送、蒸餾成本增加，目前進(jìn)展甚緩。有學(xué)者提出，從“碳循環(huán)”的角度來(lái)看，采用清液發(fā)酵，雖然在制清液過(guò)程中會(huì)有淀粉損失，但是損失的淀粉是有可能通過(guò)更大的收益補(bǔ)償?shù)?，例如料液黏度的降低、輸送變得?jiǎn)單、機(jī)器設(shè)備磨損大大減輕，更高酒度的發(fā)酵不但提高了生產(chǎn)效率，蒸餾過(guò)程能耗也會(huì)降低[5]。此外，制清液過(guò)程損失的淀粉隨著固渣進(jìn)入飼料工序，提高了飼料產(chǎn)品的能量，飼料價(jià)格有望上調(diào)；同時(shí)損失的淀粉進(jìn)入沼氣工序，則增加了沼氣發(fā)酵的C水平，沼氣產(chǎn)量也會(huì)增加等。因此，從整個(gè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的角度來(lái)講，清液發(fā)酵還是有可能實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是進(jìn)行清液制取工藝的不斷優(yōu)化和控制淀粉的損失。作者從1 L三角瓶小試出發(fā)，利用手工模擬機(jī)器壓濾的方法核算清液制取過(guò)程中的淀粉損失率，并在1 m3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上以臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)工藝制取清液為例，進(jìn)一步考察1 m3規(guī)模的木薯燃料乙醇清液制取和淀粉損失，為后續(xù)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

木薯粉：取自生產(chǎn)車間（小試用淀粉含量69.57%）；奧谷液化酶（3萬(wàn)U/mL）；普通白棉紗布：市售；硫酸（工業(yè)級(jí)）；氫氧化鈉（工業(yè)級(jí)）；LW250×1100臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)：浙江麗水凱達(dá)；SGM-1500機(jī)械攪拌發(fā)酵罐：常州三高；水浴鍋；恒溫振蕩培養(yǎng)箱；電爐等。

1.2 方法

1.2.1 1 L三角瓶小試木薯乙醇清液制備工藝

1 L三角瓶小試木薯乙醇清液制備工藝流程如圖1所示。

取3個(gè)1 L廣口三角瓶，每瓶分別加入150 g木薯粉及390 g自來(lái)水，攪拌均勻；用20%稀硫酸調(diào)節(jié)pH至5.8～6.0；加入稀釋100倍后的液化酶1 mL，置于水浴鍋中65℃預(yù)液化1 h后再86℃液化2 h；液化結(jié)束，置于冷水中快速降至常溫后補(bǔ)水至原質(zhì)量，用紗布人工壓濾液化醪，得到清液備用。壓濾后的固渣用50℃熱水分3次清洗，每次熱水用量為390 g，洗滌水全部回收用于下批次拌料；重復(fù)上面試驗(yàn)步驟，共做5批次，最后一批的洗滌水測(cè)定其總糖后，折算為原料（淀粉）從總淀粉中扣除，不計(jì)入淀粉損失。

圖1 小試木薯清液工藝流程Fig.1 Technical route of the cassava clarifying solution lab test

1.2.2 中試規(guī)模（1 m3）木薯乙醇清液制備工藝

（1）拌料：在1 500 L拌料罐中加入300 kg木薯和700 kg自來(lái)水，攪拌均勻，調(diào)節(jié)pH值至5.5～6.0。

（2）液化：添加奧谷液化酶200 mL，攪拌均勻，升溫至91℃，保溫1.5 h。

（3）初次分離：液化完成后，將液化醪泵入臥式離心機(jī)，進(jìn)行分離，此過(guò)程控制物料進(jìn)入臥螺機(jī)的速度、主機(jī)轉(zhuǎn)速及輔機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速控制由預(yù)備試驗(yàn)確定）；清液備用。

（4）洗滌：分離完成后，將分離出來(lái)的固渣稱質(zhì)量并取樣，然后將固渣再次加入拌料罐中，加入700 kg自來(lái)水，預(yù)加熱至60℃，開(kāi)攪拌（100 r/min）進(jìn)行洗滌，時(shí)間 15 min。

（5）二次分離：固渣洗滌完成后，泵入臥式離心機(jī)進(jìn)行二次分離（分離參數(shù)和初次分離一致），濾液（洗滌水）儲(chǔ)存用于下次拌料用水，濾渣稱質(zhì)量并取樣分析。

（6）重復(fù)以上各步驟，用二次分離的濾液（洗滌水）代替自來(lái)水用于拌料，重復(fù)5批次，最后一批次的二次分離的濾液取樣化驗(yàn)，折算成淀粉，在計(jì)算淀粉損失的時(shí)候扣除，不計(jì)入淀粉損失。

1.2.3 發(fā)酵醪理化性質(zhì)的測(cè)定

淀粉含量測(cè)定[6]：廉-愛(ài)濃法。

1.2.4 評(píng)價(jià)核算指標(biāo)

制清液過(guò)程中的淀粉損失率（%）=MLD/MZ，式中：MLD為清洗后的濾渣中的淀粉質(zhì)量，g；MZ為總淀粉質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 1 L三角瓶木薯乙醇清液制備試驗(yàn)

在1 L三角瓶小試中，經(jīng)50℃溫水洗滌后的濾渣中不能被回收的殘留淀粉即是制備清液過(guò)程中的淀粉損失，清液制備過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 1 L三角瓶木薯乙醇清液制備過(guò)程參數(shù)Table 1 The process parameters of 1 L fermentation test

從表1可以看出，平均每批次手工壓濾制取的清液量為1 214.22 g，并且5批次的清液質(zhì)量都比較接近，差別不大，說(shuō)明用濾布手工壓濾液化醪操作的穩(wěn)定性較好，擔(dān)心手工壓濾引起較大的試驗(yàn)誤差的憂慮可以消除。5批次洗滌水量平均在1 243.34 g，各批次之間相差也很小，5批次濾渣平均淀粉含量為5.14%，平均水分含量為76.07%，水分含量較高。按照評(píng)價(jià)指標(biāo)中的公式，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出在1 L三角瓶小試5批次試驗(yàn)中，制備各清液工序中淀粉的損失率為：61.16÷（150×3×5×69.57%）×100%=3.91%。

2.2 1 m3罐規(guī)模（中試）清液制備試驗(yàn)

中試規(guī)模清液試驗(yàn)總計(jì)5批次，各批次原料木薯用量及淀粉含量如表2所示。

如表2所示，由于中試規(guī)模清液制備試驗(yàn)的要求，各批次木薯用量很大，各批次之間的淀粉含量差異也較大，批次木薯淀粉含量相差4～5個(gè)百分點(diǎn)在生產(chǎn)上是常有的事，為防止長(zhǎng)時(shí)間的放置或新舊原料之間的淀粉含量不同而導(dǎo)致計(jì)算出現(xiàn)較大的誤差，需要隨用隨測(cè)。

表2 1 m3木薯乙醇清液制備試驗(yàn)各批次所用木薯量及淀粉含量Table 2 Cassava mass and starch content of each batches in the 1 m3filtrate fermentation

進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn)，臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)的主機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000 r/min，輔機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min，液化醪經(jīng)過(guò)臥螺機(jī)進(jìn)行初次分離后各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 液化醪分離（初次分離）數(shù)據(jù)Table 3 Initial separation data of fermentation liquid

如表3所示：5批次液化醪經(jīng)臥螺機(jī)分離后，平均固渣質(zhì)量為155.84 kg，約占初始料液質(zhì)量百分比為 15.6%（155.84÷1 000），固渣平均水分含量為65.81%，大大低于小試的濾渣平均水分含量（76.07%），這主要是因?yàn)橐夯驳酿ざ群蜐B透壓較高，相比用自來(lái)水二次洗滌后其固渣水分含量就低得多。此外，由于未洗滌前的醪液經(jīng)過(guò)臥螺機(jī)分離后是初次分離，還沒(méi)有進(jìn)行洗滌水洗滌，因此，固渣中淀粉含量大大增加，平均達(dá)到了22.63%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)小試中5.14%的水平。這充分說(shuō)明了在木薯乙醇清液制備過(guò)程中清液過(guò)濾設(shè)備和工藝的重要性，特別是二次洗滌回收固渣中的糖分和糊精是清液發(fā)酵研究的核心之一。

初次分離后的固渣在拌料罐中經(jīng)60℃自來(lái)水洗滌后在臥螺機(jī)中經(jīng)二次分離（主機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，輔機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min）后的過(guò)程數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 固渣二次分離過(guò)程數(shù)據(jù)Table 4 Process data of second solid cake separation

如表4所示：在不改變臥螺機(jī)設(shè)置的條件下，固渣經(jīng)洗滌和二次過(guò)濾后，平均每批次濾渣質(zhì)量從155.84 kg降至123.13 kg，平均每批次濾渣中的淀粉質(zhì)量從35.08 kg降低至12.9 kg，說(shuō)明二次清洗對(duì)濾渣中的淀粉回收效果非常好，正是有了二次自來(lái)水清洗這一步驟，能夠清洗回收黏附在固渣里面的大量的液化糖分；同時(shí)，由于二次清洗后的濾渣黏度降低，吸水率增大，因此其含水量高于未洗滌前的固渣含水量，達(dá)到了77.65%，與小試水平相當(dāng)。

根據(jù)表2—表4，可計(jì)算得到在1 m3罐規(guī)模木薯乙醇清液制備試驗(yàn)中，采用臥螺機(jī)分離制備清液過(guò)程中的淀粉損失，如表5所示。

表5 1 m3罐規(guī)模木薯乙醇清液制取過(guò)程淀粉損失Table 5 Starch loss of the preparation process in the 1 m3experiment

由表5可以看出：在整個(gè)清液制備過(guò)程中，如果不對(duì)固渣進(jìn)行二次清洗回收淀粉，則淀粉損失率為16%；經(jīng)過(guò)洗滌水洗滌回收后，制備清液過(guò)程淀粉損失率降至5.9%，效果明顯。但相比1 L三角瓶小試中清液制備過(guò)程淀粉損失率3.91%，還是高出不少，這是由于試驗(yàn)是間歇進(jìn)行的，每批次試驗(yàn)過(guò)程中由于罐底和管道殘留等多種原因，無(wú)法精確估計(jì)。因此，5.9%的淀粉損失對(duì)于實(shí)際的損失來(lái)說(shuō)，明顯是高估的，真實(shí)的淀粉損失率應(yīng)該在5.9%以下。

3 結(jié)論

（1）1 L三角瓶木薯乙醇制備清液過(guò)程淀粉損失為3.91%，在1 m3中試規(guī)模試驗(yàn)中，制備清液過(guò)程淀粉損失比例為5.9%。小試和1 m3中試的淀粉損失率都比較高，在目前還沒(méi)有成熟的市場(chǎng)補(bǔ)償機(jī)制下，現(xiàn)階段在生產(chǎn)上直接應(yīng)用清液工藝比較困難。

（2）清液發(fā)酵的關(guān)鍵是要減少濾渣中攜帶的淀粉量，因此需要在制備清液工藝設(shè)備方面進(jìn)行研究改進(jìn)，更好地對(duì)濾渣進(jìn)行清洗，并降低其水分含量；此外更好的液化和糖化工藝也有助于淀粉的釋放和清洗，減少損失。

（3）上下游產(chǎn)業(yè)鏈融合，提高全產(chǎn)業(yè)鏈附加值是未來(lái)木薯燃料乙醇清液發(fā)酵能否產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵[7]。只有清液淀粉損失能夠被后續(xù)工序消化，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益時(shí)，清液發(fā)酵才有出路，因此，加強(qiáng)對(duì)“糖”的循環(huán)轉(zhuǎn)化研究也有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8]。

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STUDY ON STARCH LOSS IN THE PREPARATION PROCESS OF CASSAVA ETHANOL CLEAR LIQUID

WANG Jingsheng，HUANG Yutao，DONG Qingshan，LIU Yue
（State Key Laboratory of Motor Vehicle Biofuel Technology，Hennan Tianguan Group Co.，Ltd.，Nanyang473000，China）

In 1 L flask lab tests，the cassava ethanol clear liquid was prepared by manual pressing with common cotton gauze （diameter 50 μm） as filter medium; wash water of solid filter cake was added to the next material;and 5 batches of materials were processed continuously. Results showed that the starch loss rate reached 3.91% in the preparation process. In 1 m3pilot tests，a horizontal screw centrifuge （LW250×1100） was used to prepare cassava ethanol clear liquid，and the starch loss rate was 5.9%. Results of lab tests and pilot tests showed that the starch loss rate in the preparation process of cassava ethanol clear liquid was high. Therefore，it is difficult to realize large-scale application in the practical production at present.

cassava ethanol；clear liquid fermentation；starch loss

TS 201.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

1673-2383(2017)05-0100-04

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20171030.0936.036.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-10-30 9:36:41

2017-08-04

王景勝（1969—），男，河南南陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事生物燃料乙醇研發(fā)及生產(chǎn)工作。