玉米原料超高濃度酒精發(fā)酵

季文波

摘要：由于石油危機(jī)而造成的國家能源安全、農(nóng)民收入和環(huán)境等問題而使得生物酒精的生產(chǎn)日益受到重視。從現(xiàn)階段發(fā)展而言，玉米原料化工方面的研究相對較少，因此在玉米生產(chǎn)酒精的傳統(tǒng)工藝中出現(xiàn)了諸多問題，在工業(yè)轉(zhuǎn)化過程中，缺乏相應(yīng)的成熟技術(shù)支持。為此，必須采取一些有效措施進(jìn)行改進(jìn)，提升酒精發(fā)酵的效果。本文就玉米原料超高濃度酒精發(fā)酵展開探討。

關(guān)鍵詞：玉米；濃醪發(fā)酵；溫度梯度控制；生料水解酶；酒精

引言

據(jù)釀酒協(xié)會(huì)酒精分會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2004年我國酒精生產(chǎn)玉米原料占50.3%，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，玉米現(xiàn)在已經(jīng)占到65%。適度發(fā)展玉米燃料乙醇有益于糧食供需平衡，依然可以起到玉米供需平衡蓄水池的作用。同時(shí)玉米也是深加工鏈條最長、產(chǎn)品系列最豐富的糧食品種，因此相對于其他淀粉質(zhì)原料，玉米酒精發(fā)酵的研究意義更大。

1.玉米原料超高濃度酒精發(fā)酵的歷史

近些年來，全世界的石油危機(jī)問題變得越來越嚴(yán)重，從而給我國的能源安全帶來了一定程度的影響，依賴石油進(jìn)行的化工工業(yè)發(fā)展受到一定的限制，隨之而來影響高濃度酒精的生產(chǎn)率。目前，我國整體經(jīng)濟(jì)增長的速度非常高，已經(jīng)成為了全世界第三大酒精生產(chǎn)國家。目前來看，生物酒精的主要材料則是燃料乙醇，也就是說能夠直接使用淀粉質(zhì)原料完成生產(chǎn)工作。根據(jù)相關(guān)資料的統(tǒng)計(jì)可以得知，早在21世紀(jì)初期，我國的酒精生產(chǎn)，玉米原料便已經(jīng)達(dá)到了50.4%。在經(jīng)過了十多年的發(fā)展之后，當(dāng)前玉米作為化工原料的實(shí)際占有率已經(jīng)達(dá)到了66%。由于相應(yīng)機(jī)械設(shè)備的革新和技術(shù)的提升，對于我國糧食的供需平衡帶來諸多幫助，不僅如此，玉米是工廠中整個(gè)深加工鏈最常用的一類食品，因此其研究工作便變得更為重要。高濃度酒精的發(fā)酵率非常高，并且實(shí)際殘?zhí)橇恳埠艿?，因此適合大面積生產(chǎn)。根據(jù)我國某企業(yè)的實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，如果按照酒精年產(chǎn)量為6t進(jìn)行計(jì)算，在采用濃醪發(fā)酵之后，節(jié)水約12萬t，整體資金成本節(jié)約680萬元。伴隨技術(shù)的發(fā)展，其已經(jīng)成為了酒精行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)。我國對于生料釀酒工藝的研究起步于20世紀(jì)70年代，其主要研究方向則是節(jié)約能源、減少排放、提高出酒率以及高濃度發(fā)酵。近些年相關(guān)研究變得越來越多，從而使得商業(yè)化進(jìn)展得到了提速。

2.超高濃酵酒精發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)

采用超高濃發(fā)酵（VHG）技術(shù)生產(chǎn)酒精，可以節(jié)約相當(dāng)數(shù)量的水。當(dāng)可溶性固形物含量從16g/100g，升高到31g/100g，可節(jié)水58.9%，同時(shí)采用VHG發(fā)酵技術(shù)還可以在不增加工廠生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上增加產(chǎn)出。而且由于超高濃度酒精發(fā)酵過程可以提高設(shè)備利用率，減少環(huán)境污染等等，因而近年來成為各國研究者所追求的目標(biāo)。采用超濃發(fā)酵技術(shù)可增加工廠的生產(chǎn)能力并降低成本，酒精濃度可以大于18%（v/v）；由于去除了不溶性物質(zhì)，因而增加了發(fā)酵罐的工作體積，提高工廠效率；降低勞動(dòng)力成本；降低能源成本：不用冷卻發(fā)酵罐中的不溶性物質(zhì)，不用在蒸餾中加熱不溶性物質(zhì)，蒸餾中用水減少，高效蒸餾的最優(yōu)酒精濃度，較少的固形物（液液提取）。減少水的用量，減少發(fā)酵罐的停工期，減少清洗劑和殺菌劑的使用。其他優(yōu)點(diǎn)：抑制酒精生產(chǎn)中雜菌的生長和增殖；生產(chǎn)食品級副產(chǎn)物的機(jī)會(huì)；高蛋白飼料的生產(chǎn)機(jī)會(huì)。超高濃醒發(fā)酵存在的問題超濃醛發(fā)酵的缺點(diǎn)有：發(fā)酵時(shí)間長，發(fā)酵不完全，這主要是由于產(chǎn)物抑制、高滲透壓和營養(yǎng)不足等因素所造成；還有物料粘度大，輸送困難等問題。

3.生料酒精產(chǎn)量較高的主要原因

通過相關(guān)研究可以得知，玉米內(nèi)部游離糖的實(shí)際含量一般都在1.0%～3.0%，如果仍然采用早期的操作模式，這些游離糖中的一大部分會(huì)與蛋白之間產(chǎn)生化學(xué)副反應(yīng)，亦或者基于高溫條件，從而出現(xiàn)了其他不同程度的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢砂l(fā)酵性糖。而在采用了生料之后，正常操作過程不再會(huì)有高溫出現(xiàn)，這些糖便不會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，進(jìn)而能夠投入使用之中。不僅如此，由于生料工藝本身并不會(huì)有任何可溶性干物質(zhì)，整個(gè)體系內(nèi)部的滲透壓通常都比較低，因此在實(shí)際發(fā)酵的過程中，其中的副產(chǎn)物會(huì)有一定程度的減少，諸如甘油和有機(jī)酸。如此一來，內(nèi)部的葡萄糖基本上全部都能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭?。在采取生料的方式時(shí)，由于整個(gè)操作過程中的酵母數(shù)量相對偏少，尤其是低于傳統(tǒng)操作中闡述的數(shù)量。由此可以判斷能夠合成酵母的葡萄糖數(shù)量少于傳統(tǒng)過程中，進(jìn)而使得更多的糖能夠轉(zhuǎn)化為酒精。

4.傳統(tǒng)工藝和生料工藝的差別

4.1生料工藝

取一定量全磨玉米粉，全部通過40目篩（即顆粒度<0.420mm），測定水分，配制成絕對干物濃度為31%的玉米醪液，用26%H2SO4將料液pH值調(diào)整至4.5，加入顆粒淀粉水解酶STARGEN0010.785GAU/g，接入0.4%活化好的干酵母于32℃發(fā)酵，不同時(shí)間取樣進(jìn)行色譜分析；發(fā)酵結(jié)束時(shí)對酵母顯微鏡觀察，用DT2000真彩色圖像分析系統(tǒng)計(jì)數(shù)并統(tǒng)計(jì)大小。

4.2傳統(tǒng)工藝

以前，工作人員普遍采用蒸煮的方式，以此對超高濃度的酒精進(jìn)行發(fā)酵。由于具有黏度方面的問題，因此如果配料的濃度超過了預(yù)期，很容易造成液化不夠徹底的情況發(fā)生。不僅如此，濃醪本身的換熱和輸送難度都將得到提高，同時(shí)對于整個(gè)體系中的傳質(zhì)也會(huì)帶來一定程度的影響，進(jìn)而降低整個(gè)操作的效率。即使不將黏度方面的問題考慮進(jìn)來，基于這一條件，實(shí)際工作中必須確保酵母本身具有較強(qiáng)的耐高糖度以及耐高酒度。

5.建議與展望

玉米酒精生產(chǎn)發(fā)酵過程的優(yōu)化控制是企業(yè)節(jié)流創(chuàng)效的重要途徑，是企業(yè)不斷追求的目標(biāo)一沒有最佳，只有更佳。因此務(wù)必要提高其對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營重要性的認(rèn)識，因而就要轉(zhuǎn)變觀念，強(qiáng)化三個(gè)意識。一是要有競爭意識。對于企業(yè)在發(fā)酵過程工藝要不斷開展對標(biāo)，向同行企業(yè)學(xué)習(xí)，找差距，定措施，形成競爭意識，提高工序質(zhì)量。二是要有效益意識。要在玉米酒精生產(chǎn)發(fā)酵過程中仔細(xì)尋找創(chuàng)效點(diǎn)，逐步優(yōu)化，做到一點(diǎn)一滴降成本、一分一厘增效益，從點(diǎn)滴入手，抓好質(zhì)量效益每一項(xiàng)工作，提高原料的轉(zhuǎn)化率，提高產(chǎn)品的附加值，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品效益的最大化。三是要樹立全員營銷意識。隨著國內(nèi)企業(yè)競爭日趨激烈，給企業(yè)帶來前所未有的挑戰(zhàn)，下游用戶的質(zhì)量需求也在不斷變化與提高，這就要求我們從產(chǎn)品生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)開始，不斷樹立生產(chǎn)一營銷意識，密切、嚴(yán)格把握控制產(chǎn)品質(zhì)量，在競爭中永遠(yuǎn)立于不敗之地。

6.結(jié)語

綜上所述，傳統(tǒng)酒精發(fā)酵工藝存在諸多缺陷，諸如黏度過高以及對于高耐久度酵母過于依賴的問題。而在應(yīng)用生料工藝之后，這方面問題便能夠得到有效處理，進(jìn)而提升生產(chǎn)效果。

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（作者單位：中糧生化能源（肇東）有限公司）