玉米纖維乙醇生產(chǎn)工藝的研究

李冬敏，王慧麗，沈乃東，張宏嘉，雷 陽(yáng)，張恩東，武國(guó)慶，2

(1.中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院，北京 102209；2.國(guó)家能源生物液體燃料研發(fā)中心，北京 102209）

燃料乙醇是清潔、高效的可再生能源之一，是世界消費(fèi)量最大的液體生物燃料。發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，助力達(dá)到“碳達(dá)峰、碳中和”的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。目前，我國(guó)生產(chǎn)燃料乙醇主要以玉米等谷物淀粉為原料，利用酵母發(fā)酵生產(chǎn)。近年來(lái)，通過(guò)不斷優(yōu)化工藝，在不對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行大改動(dòng)的情況下，消納陳化玉米、陳化稻谷、陳化小麥等不同原料，發(fā)揮了調(diào)節(jié)閥、控制器的作用，為保證國(guó)家糧食安全，支持“三農(nóng)”事業(yè)做出貢獻(xiàn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，仍需不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)，拓展原料來(lái)源，提高原料利用率和生產(chǎn)效率。木質(zhì)纖維素資源豐富，來(lái)源廣泛，普遍認(rèn)為是生產(chǎn)液體可再生能源的一種有發(fā)展?jié)摿Φ脑?。但是，由于其組成中的木質(zhì)素等組分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以降解，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，纖維素乙醇至今未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

玉米纖維是玉米籽粒的種皮，由半纖維素、纖維素、結(jié)合淀粉和蛋白質(zhì)等組成，占籽粒質(zhì)量的7 %～10 %，幾乎不含木質(zhì)素（＜0.1 %），容易降解，是較好的可利用原料?，F(xiàn)有玉米乙醇生產(chǎn)工藝中，纖維及其結(jié)合淀粉通常成為發(fā)酵殘?jiān)囊徊糠?，進(jìn)入DDGS 飼料。若將玉米纖維轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙醇，不但能夠提高原料的利用率和乙醇產(chǎn)量，還能提高DDGS 中的蛋白含量和品質(zhì)，提升企業(yè)綜合效益。美國(guó)是全球最大的玉米燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)，現(xiàn)已有ICM、D3MAX、FQPT、Edeniq 等多家公司開(kāi)發(fā)了玉米纖維乙醇技術(shù)。在纖維素乙醇尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的情況下，玉米纖維乙醇由于技術(shù)難度相對(duì)較低，已經(jīng)在美國(guó)多家玉米乙醇工廠應(yīng)用，提高了燃料乙醇總產(chǎn)量，并作為D3 類生物燃料（即纖維素乙醇）納入RINs 體系，促進(jìn)了纖維素乙醇和燃料乙醇行業(yè)的發(fā)展。目前這一技術(shù)在我國(guó)尚未見(jiàn)到開(kāi)發(fā)應(yīng)用的報(bào)道。

本研究以工業(yè)玉米粉為原料，研究了在現(xiàn)有燃料乙醇工藝中嵌入磨漿預(yù)處理的有關(guān)技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化磨漿工藝，改變纖維素酶添加量，對(duì)磨漿后的液化及發(fā)酵結(jié)果進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合成本測(cè)算，以期為玉米纖維乙醇技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

原料：玉米粉，來(lái)自中糧生化能源（肇東）有限公司，淀粉含量60.5 %，纖維素2.3 %，半纖維素3.9%，水分14.2%。

試劑及耗材：低pH 淀粉酶（14 萬(wàn)U/g）、纖維素酶CTec2 (120 FPU/g)，諾維信（中國(guó)）投資有限公司；糖化酶（26 萬(wàn)U/g）、酸性蛋白酶（10 萬(wàn)U/g），山東隆大生物工程有限公司；尿素，陜西陜化煤化工集團(tuán)有限公司；安菌泰，柳州龍?zhí)┛萍加邢薰荆怀?jí)釀酒高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司。其他試劑均為分析純。

儀器設(shè)備：JMS-50 沖擊式膠體磨，廊坊通用機(jī)械有限公司；1 L 玻璃反應(yīng)釜，定制；1200 型高效液相色譜，安捷倫；ME2002 電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PB-21 型pH 計(jì)，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；PC-E6000 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州榮華儀器制造有限公司；Mastersizer 3000 粒度分析儀，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；NDJ-5S粘度計(jì)，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 操作方法

（1）實(shí)驗(yàn)步驟。將玉米粉配制成粉漿，干物濃度28 %，調(diào)pH5.6，加入淀粉酶0.3 g/kg 原料，在90 ℃下液化2.5 h；液化醪降溫至32 ℃，用硫酸調(diào)節(jié)pH4.2～4.4，分裝到500 mL 三角瓶中，200 g/瓶，加入糖化酶0.7 g/kg 原料、酸性蛋白酶0.04 g/kg 原料、尿素0.75 g/kg 原料、安菌素5 mg/L，安琪酵母接種量0.05 g/L，在32 ℃，120 r/min 條件下發(fā)酵65 h。每個(gè)發(fā)酵條件重復(fù)3次。

（2）磨漿。將玉米粉漿用膠體磨進(jìn)行研磨后，進(jìn)行液化和發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，步驟同（1）。

1.2.2 分析檢測(cè)

（1）粒度測(cè)定。使用Mastersizer 3000 粒度分析儀測(cè)定磨漿前后的玉米漿粒度，結(jié)果用Dv(X)所對(duì)應(yīng)的粒徑(μm)表示，包括Dv(0)、Dv(50)、Dv(90)和Dv(100)，括號(hào)中的數(shù)字為該粒度及以下級(jí)別所占總顆粒數(shù)的百分比。以Dv(90)為例，若Dv(90)=500 μm，即指粉體中粒徑小于500 μm 的顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)的90%。

（2）液化醪檢測(cè)。液化結(jié)束后，取5 g 液化醪，用流動(dòng)相稀釋到100 mL 后，離心分離，上清液采用高效液相色譜法測(cè)定產(chǎn)物組成。

（3）發(fā)酵醪檢測(cè)。發(fā)酵醪樣品離心后，將上清液用流動(dòng)相稀釋10倍，采用高效液相色譜法測(cè)定。

（4）高效液相色譜測(cè)定條件。色譜柱：HPX-87H（300 mm×7.8 mm）；示差折光檢測(cè)器；流動(dòng)相：0.005 mol/L HSO；泵流速：0.5 mL/min；柱溫：65 ℃；進(jìn)樣量20 μL；檢測(cè)時(shí)間30 min。

1.2.3 計(jì)算公式

（1）葡萄糖當(dāng)量（Dextrose Equivalent，DE）

（2）乙醇得率

基于所用玉米原料干物計(jì)算乙醇得率（%）。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨漿處理對(duì)玉米顆粒粒徑分布的影響

玉米乙醇工廠通常使用錘式粉碎機(jī)對(duì)玉米原料進(jìn)行粉碎，使得大部分淀粉顆粒暴露，在蒸煮過(guò)程中更易吸水膨脹，并有利于被酶制劑降解。粒度越小，淀粉暴露程度越高，蒸煮效果越好，淀粉降解率越高，還能夠減少阻塞，使物料輸送更加順暢。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，大部分顆粒粒度在500 μm 以下時(shí)有利于被液化酶降解，但粒度過(guò)小，也會(huì)導(dǎo)致醪液黏度增大，同樣影響輸送和正常生產(chǎn)。因此，需要選擇合適的磨漿粒度，提高生產(chǎn)效率。此外，經(jīng)過(guò)磨漿后，玉米纖維更容易被纖維素酶降解，從而提高原料利用率和乙醇產(chǎn)量。本試驗(yàn)將從工廠得到的玉米粉制成粉漿后，使用膠體磨進(jìn)行磨漿處理，通過(guò)調(diào)節(jié)膠體磨操作參數(shù)，利用定子和轉(zhuǎn)子相對(duì)快速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高剪切力將物料顆粒磨碎。采用粒度儀對(duì)磨漿前后的玉米漿進(jìn)行測(cè)定，顆粒粒度分布曲線圖如圖1 所示。由圖1 可知，未磨漿的物料粒徑較大，粒度分布較寬；磨漿后物料粒徑顯著降低，粒度分布范圍明顯變窄。說(shuō)明磨漿后物料粒度更小，變得更均勻，更易于被降解轉(zhuǎn)化，提高反應(yīng)效率。

圖1 磨漿前后玉米顆粒粒度分布曲線

2.2 磨漿時(shí)間對(duì)玉米顆粒粒度的影響

磨漿處理時(shí)間對(duì)玉米顆粒粒徑大小及分布有著直接影響。在不同的研磨時(shí)間（0～80 s）條件下對(duì)玉米漿進(jìn)行研磨，測(cè)定漿液中玉米顆粒的粒度，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，未磨漿時(shí)，Dv(100)=2750 μm，即漿液中顆粒的最大直徑為2750 μm；其中，Dv(90)=1115 μm，即90 %顆粒直徑在1115 μm以下。磨漿后，粒徑迅速降低，隨著磨漿時(shí)間延長(zhǎng)，顆粒直徑變得更低，但是降低速度明顯變慢。磨漿40s 后，Dv(100)降至617 μm，Dv(90)降低至400 μm以下，即使延長(zhǎng)至80 s，粒徑大小及分布也變化不大。這表明受磨盤間隙的影響，顆粒直徑降低到一定程度后基本維持不變，繼續(xù)延長(zhǎng)磨漿時(shí)間對(duì)物料顆粒度影響很小。此外，在定子和轉(zhuǎn)子相對(duì)快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)消耗能量并產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦力，使物料溫度不斷升高，淀粉顆粒吸水膨脹。當(dāng)磨漿時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)（超過(guò)40 s），局部溫度甚至超過(guò)玉米淀粉的糊化溫度（62 ℃），會(huì)導(dǎo)致淀粉發(fā)生糊化，淀粉晶體結(jié)構(gòu)部分解體。磨漿結(jié)束后，漿料溫度下降，解體的淀粉分子會(huì)發(fā)生重結(jié)晶，即“返生”，最終影響液化效果。因此，磨漿時(shí)間不宜高于40 s。

表1 磨漿時(shí)間對(duì)物料粒度(μm)的影響

2.3 磨漿時(shí)間對(duì)液化的影響

將經(jīng)過(guò)不同磨漿時(shí)間處理的玉米醪液化后，分別檢測(cè)可溶性糖，結(jié)果如表2。從表2 可以看出，隨著磨漿時(shí)間延長(zhǎng)，磨漿后DP等可溶性糖含量及DE 值均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，醪液粘度則逐漸升高。以DP為例，未磨漿時(shí)為15.85%；磨漿10 s 后提高到16.02%；磨漿時(shí)間延長(zhǎng)到20 s 時(shí)，DP進(jìn)一步提高到18.03 %。說(shuō)明原料經(jīng)過(guò)磨漿處理后，大顆粒被磨碎，有利于液化酶的作用，生成更多的可溶性聚糖。另一方面，經(jīng)過(guò)磨漿處理后，玉米纖維被充分研磨成小顆粒，使難降解的結(jié)合淀粉充分暴露，同樣有利于被液化酶降解，提高液化效率。隨著磨漿時(shí)間的延長(zhǎng)，DP含量下降，這可能與液化醪的黏度增加有關(guān)。磨漿處理使物料的淀粉顆粒變小，同時(shí)也導(dǎo)致顆粒的總表面積明顯增加，結(jié)構(gòu)相對(duì)松弛，水分更易滲入淀粉顆粒內(nèi)部，導(dǎo)致其吸水膨脹，醪液粘性阻力增大，黏度增加，反過(guò)來(lái)影響液化過(guò)程中的傳質(zhì)、傳熱和液化酶的降解作用。這與文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)果一致。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，液化醪黏度過(guò)大還會(huì)增加醪液輸送難度。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，宜選擇20 s作為磨漿時(shí)間。

表2 不同磨漿時(shí)間對(duì)液化結(jié)果的影響

2.4 磨漿時(shí)間對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

將經(jīng)過(guò)不同磨漿時(shí)間處理得到的玉米液化醪降溫后，接入釀酒酵母進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。從圖2 可以看出，隨著磨漿時(shí)間的延長(zhǎng)，乙醇得率先增后減。由于沒(méi)有使用纖維素酶，乙醇得率的增加不是來(lái)自于纖維降解，而是由于磨漿處理提高了液化和發(fā)酵效率。當(dāng)磨漿時(shí)間為20 s 時(shí)，發(fā)酵效果最好，乙醇質(zhì)量濃度達(dá)到了11.55 %w/v（折13.74%vol），相應(yīng)的乙醇得率為35.06%，比未磨漿提高了2.4%；磨漿時(shí)間延長(zhǎng)到30 s 及以上時(shí)，乙醇濃度下降，這與液化結(jié)果一致。說(shuō)明磨漿后粒度過(guò)細(xì)不但影響液化效果，也會(huì)降低發(fā)酵效率。因此，在本實(shí)驗(yàn)條件下，最優(yōu)的磨漿時(shí)間為20 s。

圖2 不同磨漿時(shí)間處理后的乙醇濃度

2.5 添加纖維素酶對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

添加纖維素酶，有助于加快玉米纖維的降解，提高發(fā)酵效率。由于纖維素酶產(chǎn)品價(jià)格較高，需綜合考慮使用成本和酶解效果。表3 是纖維素酶加量?jī)?yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表3 可以看出，在磨漿（20 s）和未磨漿的條件下，添加纖維素酶都能夠在一定程度上提高乙醇得率，磨漿后纖維素酶的促進(jìn)效果更明顯。說(shuō)明通過(guò)磨漿將玉米纖維粒度降低后，有利于纖維素酶更好地發(fā)揮降解作用，促進(jìn)底物中纖維降解。從發(fā)酵參數(shù)來(lái)看，發(fā)酵醪中各種殘?zhí)呛慷驾^低，揮發(fā)酸濃度均不超過(guò)0.2 %，副產(chǎn)物甘油濃度較低（＜0.95 %），乙醇/甘油的比值較高，說(shuō)明發(fā)酵過(guò)程中未受雜菌污染，酵母生產(chǎn)乙醇的性能良好。纖維素酶添加量為0.2 g/kg 原料和0.4 g/kg 原料時(shí)，在不磨漿的條件下，乙醇質(zhì)量濃度相應(yīng)提高，乙醇得率比不加纖維素酶分別提高了0.38 %和0.71 %；磨漿后，乙醇質(zhì)量濃度進(jìn)一步提高，乙醇得率也分別提高了-0.41 %和0.53 %。繼續(xù)提高纖維素酶用量，乙醇得率提高的幅度趨緩。

表3 纖維素酶加量對(duì)磨漿前后玉米乙醇發(fā)酵的影響

通過(guò)綜合生產(chǎn)成本和總產(chǎn)值進(jìn)行測(cè)算后，進(jìn)一步考察纖維素酶加量對(duì)30萬(wàn)噸/年玉米燃料乙醇裝置總產(chǎn)值變化的影響，結(jié)果如圖3 所示。從投入的角度看，與通用玉米乙醇技術(shù)相比，采用玉米纖維乙醇技術(shù)增加了磨漿設(shè)備，提高了電耗；使用纖維素酶增加了酶制劑的成本。從產(chǎn)出的角度看，乙醇得率提高會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵醪殘?jiān)鼫p少，DDGS 產(chǎn)量降低，但相應(yīng)的DDGS 干燥蒸發(fā)能耗也相應(yīng)降低。綜合計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可以看出，使用通用玉米乙醇技術(shù)，未進(jìn)行磨漿處理，只添加纖維素酶時(shí)，由于乙醇產(chǎn)量提高有限，而纖維素酶制劑成本較高，導(dǎo)致總產(chǎn)值不升反降，為負(fù)值。采用玉米纖維乙醇技術(shù)，在不使用纖維素酶，只進(jìn)行磨漿處理時(shí)，乙醇產(chǎn)量增加2.4 %，總產(chǎn)值增加639 萬(wàn)元；當(dāng)纖維素酶加量為0.2 g/kg 原料，乙醇產(chǎn)量增加3.6%，總產(chǎn)值增加1023萬(wàn)元；而當(dāng)纖維素酶加量增加為0.4 g/kg 原料，乙醇產(chǎn)量增加4.1 %，總產(chǎn)值增加836 萬(wàn)元。當(dāng)纖維素酶加量繼續(xù)增加時(shí)，由于酶制劑成本增加較多，且乙醇產(chǎn)量變化不大，總產(chǎn)值增加值逐漸變小。說(shuō)明在纖維素酶使用過(guò)程中，不但要關(guān)注乙醇產(chǎn)量的增加，還要綜合考慮生產(chǎn)成本，計(jì)算綜合經(jīng)濟(jì)效益。在本實(shí)驗(yàn)條件下，纖維素酶加量為0.2 g/kg原料時(shí)結(jié)果最優(yōu)。

圖3 纖維素酶加量對(duì)年產(chǎn)30萬(wàn)噸燃料乙醇廠總產(chǎn)值增加的影響

3 結(jié)論

結(jié)果表明，在通用玉米乙醇工藝中增加磨漿處理，并在發(fā)酵過(guò)程中添加纖維素酶，可提高淀粉和玉米纖維的轉(zhuǎn)化率，增加乙醇產(chǎn)量，提高DDGS 的品質(zhì)。在液化前對(duì)玉米醪液磨漿處理20 s，發(fā)酵過(guò)程中添加纖維素酶0.2 g/kg 原料，乙醇總產(chǎn)量提高3.6 %。基于30 萬(wàn)噸/年燃料乙醇裝置的成本測(cè)算表明，采用該技術(shù)可使企業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到約1000 萬(wàn)/年。建議在生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)一步開(kāi)展放大驗(yàn)證并推廣應(yīng)用。