陳化水稻摻混生產(chǎn)燃料乙醇的工藝

苗春雨，張茂芬，陳光偉(.國投生物能源(雞東)有限公司，黑龍江 雞西 5800；.國投象嶼生物能源(富錦)有限公司，黑龍江 富錦 5600)

0 引言

目前將陳化水稻摻混到燃料乙醇生產(chǎn)過程中，需要嚴格控制液化、發(fā)酵過程中液化酶、糖化酶、酵母菌及氮源用量等因素，確保陳化水稻可以作為燃料乙醇生產(chǎn)的主要原材料，從根本上提升燃料乙醇生產(chǎn)期間的質(zhì)量以及效率。與普通燃料乙醇生產(chǎn)工藝相比，陳化水稻的主要應用工藝種類更多，需要結合燃料乙醇生產(chǎn)條件以及實際生產(chǎn)需求，選擇適宜的陳化水稻摻混應用方式，為實現(xiàn)燃料乙醇生產(chǎn)經(jīng)濟利益與生態(tài)利益最大化的目標奠定堅實技術基礎。

1 陳化水稻摻混生產(chǎn)燃料乙醇的可行性分析

1.1 陳化水稻特征

陳化水稻主要就是指水稻經(jīng)過多年儲存后，出現(xiàn)黃化、變質(zhì)或存在能夠?qū)θ梭w造成危害的黃曲霉毒素。陳化水稻碳水化合物的含量極為充沛，是發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)酒精的重要原材料[1]。經(jīng)過實際調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國陳化水稻現(xiàn)有1.25億t，需要花費十幾年的時間才可完全消化。

由于水稻存儲量最大，其在儲存期間經(jīng)常會出現(xiàn)陳化或發(fā)霉變質(zhì)問題。通常情況下，水稻可儲存半年或一年，高溫情況下只可以儲存1～3個月。在水稻儲存約三年以上后，不可直接用作畜牧養(yǎng)殖，而是應經(jīng)過特殊加工處理，實際處理成本巨大。

燃料乙醇生產(chǎn)是當前全世界各地處理陳化水稻的重要方式之一，由于水稻本身屬于高成分農(nóng)作物，因此將其摻和制燃料乙醇生產(chǎn)過程中，具有更加顯著的經(jīng)濟效益，符合我國水稻產(chǎn)量巨大的國情。

1.2 陳化水稻應用優(yōu)勢

陳化水稻內(nèi)部含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)，是發(fā)酵工業(yè)中微生物發(fā)酵的良好碳源之一[2]。用陳化水稻生產(chǎn)燃料乙醇可降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)效益更高，現(xiàn)已成為燃料乙醇生產(chǎn)工業(yè)發(fā)展的重要研究課題。不僅如此，陳化水稻的應用也可防止陳化水稻流入食品加工市場，緩解燃料乙醇生產(chǎn)原材料緊缺現(xiàn)狀，控制玉米等糧食銷量。當前我國燃料乙醇生產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)開始嘗試摻混陳化水稻，并已研究出水稻脫殼粉碎后與玉米粉混合發(fā)酵、水稻全粉碎發(fā)酵兩種方式，使得陳化水稻在燃料乙醇生產(chǎn)中的應用更加可行。

2 陳化水稻應用于燃料乙醇生產(chǎn)中的主要工藝

陳化水稻由外而內(nèi)分別有稻殼(穎)、糠層(果皮、種皮、糊粉層的總稱)、胚及胚乳等部分結構構成。當前在將陳化水稻摻混至燃料乙醇生產(chǎn)期間，需要對水稻進行脫殼粉碎或不脫殼粉碎兩種方式的預處理[3]。其中，脫殼粉碎需要去除陳化水稻表面的稻殼，并將此部分水稻單獨粉碎后使用。水稻脫殼粉碎后還應經(jīng)過拌料、液化、同步糖化發(fā)酵、蒸餾脫水等環(huán)節(jié)，最后生產(chǎn)出合格的燃料乙醇。同時，陳化水稻應用于燃料乙醇生產(chǎn)出的思路也分為兩種：第一，將陳化水稻作為第一生產(chǎn)原材料；第二，將陳化水稻與木薯或玉米混合在一起，作為燃料乙醇生產(chǎn)原材料。在實際摸索與試驗過程中，發(fā)現(xiàn)脫殼后的陳化水稻與玉米粉混合后生產(chǎn)出的燃料乙醇與水稻直接粉碎后發(fā)酵生產(chǎn)出的燃料乙醇沒有區(qū)別，但對DDGS質(zhì)量影響極大。

2.1 水稻與玉米混合發(fā)酵工藝

當前燃料乙醇生產(chǎn)多數(shù)使用陳化水稻脫殼粉碎后與玉米粉混合發(fā)酵的方式。利用礱谷機將陳化水稻去殼，將獲得到的糙米進行粉碎處理，最后通過20目篩，保障水稻粉通過率為85%[4]。粉碎后的水稻應當與全粉碎玉米粉按照一定比例混合配置成淀粉漿液，注重控制粉料與水的比例(料水比)、粉漿液pH值。在酸堿值內(nèi)摻入適宜劑量的耐高溫淀粉酶，確保液化溫度控制在90 ℃，液化時間維持在3 h左右。在液化后的液化醪冷卻后，將pH值調(diào)節(jié)在合理范圍內(nèi)，加入適當劑量的酵母、糖化酶，并于30～33 ℃環(huán)境下發(fā)酵72 h。

通過對玉米粉及脫殼水稻粉混合發(fā)酵出的成熟醪進行液相色譜分析，發(fā)現(xiàn)在陳化水稻添加比例為40%的情況下，燃料乙醇出酒率最高；在陳化水稻添加比例為60%的情況下，發(fā)酵液體中的乳酸含量大于標準值；在陳化水稻添加比例為80%的情況下，發(fā)酵液體內(nèi)部乙酸含量最高，導致燃料乙醇淀粉出酒率降低。在燃料乙醇生產(chǎn)過程中，玉米酒精糟DDGS也是重要產(chǎn)物。其中，高蛋白飼料主要就是原料與酵母混合發(fā)酵，生產(chǎn)出燃料乙醇及二氧化碳后剩余的發(fā)酵產(chǎn)物，可用于畜牧業(yè)養(yǎng)殖，也是當前燃料乙醇工廠重要的經(jīng)濟來源。陳化水稻的摻混比例高低直接影響玉米酒精糟品質(zhì)，進而影響整體效益。

2.2 陳化水稻全粉碎發(fā)酵工藝

當前陳化水稻全粉碎發(fā)酵工藝也被廣泛應用在燃料乙醇生產(chǎn)過程中。在陳化水稻不脫殼粉碎后，加入適當?shù)乃渲瞥蓾{液，調(diào)節(jié)漿液內(nèi)部酸堿值。在漿液內(nèi)加入適量比例的耐高溫淀粉酶，確保漿液能夠在85～90 ℃條件下液化2.5 h。配置冷卻后的漿液應當適當加入糖化酶、尿素以及干酵母，在30～33 ℃環(huán)境下發(fā)酵成熟的醪液。發(fā)酵后的醪液需要經(jīng)過蒸餾與分子篩脫水，生產(chǎn)燃料乙醇。陳化水稻全粉碎發(fā)酵工藝在實際應用期間，不僅會耗費大量的電力資源，粉碎后的稻殼進入系統(tǒng)內(nèi)，對管道及設備磨損極大，會縮短設備壽命周期。同時，該種發(fā)酵工藝生產(chǎn)出的干酒糟飼料使用效果欠佳，牛羊等牲畜難以接受酒糟飼料內(nèi)的稻殼物質(zhì)，但雞鴨等家禽對于酒糟飼料內(nèi)的纖維、蛋白質(zhì)以及稻殼接受度極高，因此需要細致分析地區(qū)畜牧業(yè)養(yǎng)殖需求，選擇適宜的陳化水稻應用工藝。

2.3 陳化水稻去殼后單獨發(fā)酵工藝

現(xiàn)階段，我國燃料乙醇生產(chǎn)多數(shù)以玉米、水稻、木薯為原材料，由于各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不同，陳化水稻也可使用去殼后單獨發(fā)酵工藝。具體來說，對脫殼后的陳化水稻進行粉碎處理，將粉碎后的水稻粉與水配制成漿液，將漿液酸堿度控制在5.6左右。加入適宜的淀粉酶，并在85～90 ℃條件下進行液化處理。在漿液冷卻后，需要將酸堿值控制在4.5左右，適當加入糖化酶、尿素、干酵母。此種方式獲得的發(fā)酵效果較好，但是陳化水稻前期預處理的成本較高，后期燃料乙醇廢醪分離難度較大。

2.4 陳化水稻與木薯粉混合發(fā)酵工藝

在陳化水稻脫殼粉碎處理后，將水稻粉與木薯粉按照一定比例配合成漿液。要求漿液酸堿度控制在5.6。在漿液內(nèi)添加適當?shù)牡矸勖福@得漿液。在漿液冷卻到適宜溫度，酸堿值調(diào)節(jié)到4.4時，可加入適量的安菌泰、糖化酶、尿素以及干酵母。經(jīng)過實際研究發(fā)現(xiàn)，將水稻粉與木薯粉混合，并不會直接影響到醪液實際發(fā)酵效果。水稻粉添加比例適宜控制在25%左右。在添加比例越高的情況下，發(fā)酵殘留物的糖值就越低，發(fā)酵期間的酒份高。但由于添加陳化水稻份，導致燃料乙醇后期過濾難度較大，生產(chǎn)出了更多的廢水，需要在生產(chǎn)期間有效控制廢水內(nèi)部的總懸浮物固體。與其他陳化水稻應用工藝相比，將木薯粉與陳化水稻份相結合的方式能夠切實提升發(fā)酵期間的總糖量，使發(fā)酵后的酒糟副產(chǎn)品蛋白質(zhì)含量達20%，對提升實際生產(chǎn)效益具有重要意義。

3 陳化水稻摻混生產(chǎn)燃料乙醇工藝的注意事項

3.1 控制醪殘總糖

醪殘的總糖含量也是評估陳化水稻摻混燃料乙醇生產(chǎn)工藝效果的重要標準，可直觀展現(xiàn)出燃料乙醇發(fā)酵完全程度。隨著發(fā)酵過程不斷推進，醪液內(nèi)部糖分含量下降，發(fā)酵后的殘余糖分越少，是提高燃料乙醇生產(chǎn)期間經(jīng)濟效益的重要保障。因此在將陳化水稻應用在燃料乙醇生產(chǎn)過程中，需要選擇合理的應用工藝，確保醪殘總糖含量能夠被控制在最低范圍之內(nèi)，使燃料乙醇發(fā)酵效果符合預期目標。

3.2 選擇適宜的酵母菌株

在燃料乙醇實際發(fā)酵過程中，添加不同種類的酵母菌株也會對燃料乙醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成極大影響。要求在菌株選擇過程中，應當將燃料乙醇得率、酸度、還原糖等數(shù)值作為參考依據(jù)，確保燃料乙醇生產(chǎn)質(zhì)量與效率能夠達到最佳效果。

3.3 調(diào)整不同酵母的用量

在將陳化水稻應用在燃料乙醇生產(chǎn)過程中，需注重控制酵母的用量。 經(jīng)過試驗驗證，發(fā)酵液中酵母用量為0.5%，燃料乙醇得率最高，總脂含量最低，實際生產(chǎn)期間的經(jīng)濟效益十分顯著。

3.4 嚴格控制發(fā)酵溫度標準

在明確糖化酶用量，選擇適宜酵母菌株以及酵母用量后，需要嚴格遵循發(fā)酵過程中及溫度控制標準。具體而言，不同發(fā)酵溫度會對燃料乙醇生產(chǎn)質(zhì)量及效率造成不同程度影響。經(jīng)試驗結果發(fā)現(xiàn)，在溫度過低的情況下，酵母活性降低，燃料乙醇得率含量也將降低；溫度過高的情況下，發(fā)酵液體中的酸度、還原糖以及總脂率隨之升高，燃料乙醇得率也會下降，因此需要將溫度控制在30～33 ℃左右。

4 結語

總而言之，將陳化水稻摻混至燃料乙醇生產(chǎn)中的工藝均已成熟，生產(chǎn)出的燃料乙醇產(chǎn)品與其他原料生產(chǎn)出的燃料乙醇產(chǎn)品質(zhì)量相當。為充分發(fā)揮出陳化水稻實際應用期間的經(jīng)濟價值，還需要細致考慮當?shù)仫暳鲜袌鲂枨?，選擇適宜的陳化水稻生產(chǎn)方式?，F(xiàn)階段國家及有關部門就燃料乙醇生產(chǎn)實施方案提出了更高要求，強調(diào)酒精燃料乙醇生產(chǎn)工作需要結合我國水稻儲存量巨大的國情，使酒精燃料乙醇生產(chǎn)成為去除陳化水稻庫存的重要手段，從根本上提升農(nóng)業(yè)資源利用率，促進地區(qū)可持續(xù)發(fā)展。