玉米淀粉生產(chǎn)酒精的研究

羅 虎，孫振江，李永恒，梁坤國(guó)，許旺發(fā)

(廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司，廣西北海 536100）

玉米淀粉（Corn starch），俗名六谷粉，是白色微帶淡黃色的粉末。它是將玉米用0.3%亞硫酸浸泡后，通過破碎、過篩、沉淀、干燥、磨細(xì)等工序而制成，普通產(chǎn)品中含有少量脂肪和蛋白質(zhì)等。玉米淀粉是玉米的深加工產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)量最大的淀粉品種,已形成重要的工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)[1-3]。據(jù)中國(guó)淀粉工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)玉米淀粉總產(chǎn)量約為2350萬t，約占全國(guó)淀粉總產(chǎn)量的94%。

受到產(chǎn)能上升、需求下降以及國(guó)家政策等因素影響，我國(guó)玉米淀粉企業(yè)陷入長(zhǎng)期虧損當(dāng)中，尤其是東北玉米淀粉加工企業(yè)。同時(shí)，我國(guó)玉米淀粉產(chǎn)業(yè)的開工率呈現(xiàn)波動(dòng)下降態(tài)勢(shì)，產(chǎn)能過剩現(xiàn)象依然較為嚴(yán)重。2016年，東北地區(qū)淀粉加工產(chǎn)能減少200萬t左右。而由于黃淮地區(qū)玉米價(jià)格的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，該地區(qū)玉米淀粉產(chǎn)能增加270萬t左右。如果加上下半年黑龍江新增產(chǎn)能80萬t和原有產(chǎn)能重啟120萬t，今年下半年我國(guó)淀粉加工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)張規(guī)模將非常巨大，淀粉價(jià)格預(yù)計(jì)將繼續(xù)低迷。而廣西由于木薯種植面積減少，木薯價(jià)格預(yù)計(jì)將維持在1500～1700元/t，如何實(shí)現(xiàn)低價(jià)原料是廣西公司生存的關(guān)鍵，一方面解決東北糧食主產(chǎn)區(qū)深加工產(chǎn)品——淀粉的銷售問題，另一方面解決廣西中糧日益減少的燃料乙醇生產(chǎn)的原料問題[4]，酒精能否在燃料工業(yè)上應(yīng)用關(guān)鍵在于降低生產(chǎn)成本[5]，在合適的價(jià)格平衡點(diǎn)，適當(dāng)時(shí)機(jī)以玉米淀粉為原料生產(chǎn)燃料乙醇是完全可行的。

史分蘭等[6]曾研究指出用純淀粉生產(chǎn)酒精和傳統(tǒng)方法生產(chǎn)酒精的區(qū)別是發(fā)酵過程需要氮源。張瑞斌等[7]曾做過玉米淀粉制備燃料乙醇工藝優(yōu)化的研究。利用玉米淀粉大規(guī)模生產(chǎn)酒精還未見有報(bào)道，課題組在之前的研究基礎(chǔ)上，用木薯清液或玉米清液作為氮源，通過中試裝置驗(yàn)證玉米淀粉發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的可行性，同時(shí)提出玉米淀粉大規(guī)模生產(chǎn)酒精的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

原料及耗材：玉米淀粉、諾維信XP淀粉酶、安琪高級(jí)釀酒干酵母、尿素、安菌泰、諾維信475糖化酶。

儀器設(shè)備：三角瓶、快速水分測(cè)定儀、酸度計(jì)、分析天平、電子天平、可控溫電爐、恒溫培養(yǎng)箱、容量瓶、三角瓶等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 檢測(cè)方法

酸度、揮發(fā)酸檢測(cè)：采用酸堿中和滴定法；酵母數(shù)、出芽率檢測(cè)：采用血球計(jì)數(shù)法；還原糖、總糖檢測(cè)：采用斐林試劑直接滴定法；成熟醪乳酸、醋酸含量：采用HPLC色譜法檢測(cè)。

酒分檢測(cè)：圓底燒瓶蒸餾法。

1.2.2 試驗(yàn)方法（圖1）

原料預(yù)處理：采用木薯清液50%回用拌料制備20%固形物含量的粉漿，以提供酵母生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

液化過程：在87℃下液化2 h，淀粉酶添加量為25 U/g原料，DE值達(dá)到28。

發(fā)酵過程：糖化酶添加160 U/g原料，尿素添加1.36 kg/t原料，5 ppm安菌泰，發(fā)酵72 h。

固液分離過程：檢測(cè)相關(guān)生產(chǎn)指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵結(jié)果分析（表1、表2、表3）

表1 發(fā)酵效果對(duì)比

圖1 試驗(yàn)流程

從小試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，以木薯清液回用拌料，明顯優(yōu)于玉米清液和安琪營(yíng)養(yǎng)鹽及自制營(yíng)養(yǎng)鹽，清液回用技術(shù)可減少?gòu)U水排放量，節(jié)約一次水的使用；使用木薯清液拌料原料出酒率達(dá)到43.95%，淀粉出酒率有50.04%，玉米淀粉發(fā)酵酒精的淀粉利用率達(dá)到88.07%，對(duì)比淀粉理論生產(chǎn)純酒精量為56.82%存在一定差距，使用淀粉發(fā)酵制酒精在生產(chǎn)與技術(shù)方面不存在問題，技術(shù)上是可行的。以清液回用拌料后會(huì)造成微生物代謝副產(chǎn)物的積累，如甘油、乳酸、乙酸、琥珀酸等物質(zhì)成倍增長(zhǎng)，致使廢水中的COD值、TSS值偏高。

表2 成熟醪組分HPLC檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

2.2 木薯酒精與玉米淀粉酒精工藝對(duì)比（表4）

工藝比較可以看出：玉米淀粉酒精由于已經(jīng)制成粉狀，相對(duì)于木薯酒精可以免去粉碎工段環(huán)節(jié)。玉米淀粉由于淀粉含量高達(dá)99%，需要配制20%粉漿拌料液化發(fā)酵，以免液化糖化發(fā)酵時(shí)初始還原糖過高而影響酵母生長(zhǎng)。與現(xiàn)有木薯酒精發(fā)酵工藝比較，糖化酶，尿素，安菌泰等輔料添加量一致。淀粉利用率和酒分相對(duì)于木薯酒精偏低。可能是由于殘總糖較木薯酒精高，同時(shí)也造成了玉米淀粉酒精COD值升高，可能是由于原料不同及工藝未完全優(yōu)化造成。

2.3 加工成本分析（表5）

如表5所示，當(dāng)以木薯清液拌料發(fā)酵玉米淀粉工藝，原料成本約5508元/t，輔料成本約77.8元/t，加工成本約445.1元/t。總成本共計(jì)6030.9元/t。與木薯酒精相比，共增加了740元/t。如保持玉米淀粉與木薯為原料總成本相當(dāng)，以木薯價(jià)格1600元/t為基礎(chǔ)折算淀粉價(jià)格應(yīng)為2080元/t。

表3 廢醪、廢水檢測(cè)結(jié)果

表4 工藝比較

原料成本：玉米淀粉（12%水分）單耗約2.295 t/t酒精，以2400元/t原料計(jì)算，原料成本約5508元/t酒。與木薯酒精相比2.918 t/t酒精，木薯按1600元/t計(jì)算，原料成本約4668.8元/t。由此對(duì)比，玉米淀粉原料成本用量高出木薯酒精839.2元。

表5 成本測(cè)算表

輔料成本：現(xiàn)擬采用的木薯清液拌料發(fā)酵玉米淀粉工藝，與原有木薯酒精工藝中輔料的區(qū)別僅有淀粉酶使用量增加，其他輔料無差異。淀粉酶使用量0.46 kg/t酒精，與木薯酒精相比成本增加了9.1元/t酒精。

動(dòng)力能源成本：與木薯酒精相比，玉米淀粉發(fā)酵工藝無需粉碎工段，且減少一次水及電的用量，液化發(fā)酵工段與木薯酒精基本一致，與木薯酒精相比成本降低了25.9元/t酒精。

廢醪處理成本：與木薯酒精相比，廢醪直接進(jìn)入全糟厭氧處理分離干燥成本降低，木薯清液50%回用于拌料，可降低水處理費(fèi)用，與木薯酒精相比成本降低了82.3元/t酒精。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用玉米淀粉生產(chǎn)酒精在成本上處于平衡點(diǎn)時(shí)是可行的。玉米淀粉的使用，為廣西公司開辟了一條原料多元化的途徑。使用淀粉生產(chǎn)酒精，不需要粉碎，但需要與水拌料均勻，拌料能力按8萬t/年酒精考慮，需要增加計(jì)量稱和拌料罐，如玉米淀粉與木薯同時(shí)使用建議增加液化裝置。生產(chǎn)方面木薯與玉米淀粉可單獨(dú)使用，酒母培養(yǎng)可利用木薯液化醪培養(yǎng)。

[1]蔡同一,趙文娟.玉米深加工及其綜合利用[J].食品科學(xué),2000(1)：6-8.

[2]顧正彪.我國(guó)淀粉及其深加工工業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].糧食與飼料工業(yè),2002(8)：7-9.

[3]李鳳英.玉米淀粉廠副產(chǎn)品及廢液的綜合利用[J].食品科技,1995(1)：36.

[4]李臣支,許旺發(fā),李永恒.玉米酒糟清液用于全淀粉發(fā)酵制備乙醇的研究[J].輕工科技,2017,33(10)：14-15.

[5]章克昌.發(fā)展“燃料酒精”的建議[J].中國(guó)工程科學(xué),2000(6)：89-93.

[6]史分蘭,葉其英,呂松雩.用純淀粉生產(chǎn)酒精的探討[J].釀酒科技,1987(2)：8-10.

[7]張瑞斌,劉磊,楊永錄,等.玉米淀粉制備燃料酒精的工藝優(yōu)化[J].應(yīng)用化工,2008(1)：109-111.