高濃度乙醇發(fā)酵技術分析

陳 思

(廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司 廣西 北海 536000)

0 引言

國家對節(jié)能環(huán)保、生態(tài)建設工作的重視程度不斷提高,隨著能源結構的優(yōu)化升級,高濃度乙醇得到了極大的重視,通過對其技術工藝的分析,可以有效降低生產(chǎn)生本,讓產(chǎn)業(yè)得到健康發(fā)展,促進產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。高濃度乙醇生產(chǎn)技術作為目前最具潛力的生產(chǎn)技術之一,但相應的生產(chǎn)工藝技術還需要得到進一步優(yōu)化。

1 高濃度乙醇發(fā)酵技術概述

近幾年來,國家對生態(tài)環(huán)境保護工作的重視程度不斷提高,對工業(yè)行業(yè)提出了全新的發(fā)展要求,實現(xiàn)綠色化、生態(tài)化的工藝技術是化工行業(yè)的重點戰(zhàn)略目標。乙醇發(fā)酵在諸多行業(yè)內(nèi)都發(fā)揮著至關重要的作用,但傳統(tǒng)的發(fā)酵技術成本高、產(chǎn)量低,還會產(chǎn)生大量的污水,嚴重影響了工業(yè)乙醇的發(fā)展進步。在新常態(tài)下,乙醇發(fā)酵工作還需要得到進一步優(yōu)化,降低成本、提高產(chǎn)量都是現(xiàn)階段的主要任務,在此背景下,高濃度乙醇發(fā)酵技術被提出。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗來看,高濃度乙醇發(fā)酵技術利用純天然的谷物為原料,讓可溶性物質(zhì)的比例達到20%以上。但在發(fā)展初期高濃度乙醇發(fā)酵技術面臨諸多困境,并沒有得到大規(guī)模的推廣應用。隨著工藝技術水平的提高,機械設備利用率增強,高濃度乙醇生產(chǎn)技術的產(chǎn)出量增加,工廠效率也得到了根本上的改善,能實現(xiàn)批量化、規(guī)?；⒐I(yè)化生產(chǎn)。從現(xiàn)行的高濃度乙醇發(fā)酵技術來看,發(fā)酵時間大幅度縮短,材料利用率得到提高,酒精濃度也隨之增加。在此基礎上,結合具體的數(shù)據(jù)來看,高濃度乙醇發(fā)酵技術中發(fā)酵乙醇濃度從12%提高到16%,發(fā)酵時間控制在50h以內(nèi)。傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵技術酒精濃度在12%vol-13%vol,但高濃度乙醇發(fā)酵技術生產(chǎn)出來的酒精濃度可達到18%vol。傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵技術需要承擔較高的酒糟成本,生產(chǎn)過程中設備能耗較大。以某企業(yè)為例,在沒有進行乙醇發(fā)酵技術更新優(yōu)化前,每生產(chǎn)一噸乙醇,耗電量達到89kWh,蒸汽消耗量3t,水的消耗量為1t。但在高濃度乙醇發(fā)酵技術落實后,不僅乙醇濃度增加,蒸汽消耗量也隨之降低,每噸乙醇都可以節(jié)約蒸氣150kg。

2 高濃度乙醇發(fā)酵技術運用

由上可知,高濃度乙醇發(fā)酵技術符合當前國際社會對生態(tài)環(huán)境建設的要求,對乙醇生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展具有促進性作用,因此,加強對高濃度乙醇發(fā)酵工作的研究分析,是現(xiàn)階段工業(yè)領域的重點內(nèi)容。在這一工藝技術手段的加持下,企業(yè)能夠新常態(tài)背景下得到可持續(xù)發(fā)展,擁有良好的市場競爭實力。從整體上看,高濃度乙醇發(fā)酵工藝成本較低、工作效率較高,而且隨著研究工作的深入,技術理論也會隨之豐富,相應的技術手段也會進一步的落實,乙醇發(fā)酵工作將會邁入新的發(fā)展階段。從過往的發(fā)酵工藝內(nèi)容可知,30°是最為常見的酒精發(fā)酵溫度,低于這一發(fā)酵溫度僅能夠?qū)崿F(xiàn)三分之一的完全發(fā)酵,產(chǎn)生超過四分之一的乙醇。在這個過程中,還需要對發(fā)酵液進行控制、處理,從而確保發(fā)酵狀態(tài)最大化,讓發(fā)酵質(zhì)量得到根本上的提高,切實提高酒精發(fā)酵速度,保證酵母存活率。在高濃度乙醇發(fā)酵工藝技術發(fā)展過程中,涉及諸多要素,通過調(diào)整這些要素內(nèi)容,可以讓這一工藝技術得到更好的發(fā)展,讓高濃度乙醇發(fā)酵工作實現(xiàn)工業(yè)化、智能化,為后續(xù)的發(fā)展工作奠定良好的基礎。以水稻為原料的高濃度乙醇發(fā)酵工作為例,在開展發(fā)酵工藝的過程中,需要對原料進行系統(tǒng)的監(jiān)測,明確不同比例下發(fā)酵工藝的開展效果,確保發(fā)酵工作順利進行,落實相應工藝操作要點。企業(yè)在應用高濃度乙醇發(fā)酵的過程中,想要切實提高生產(chǎn)效率,就必須要提前制定相應的預案,重點關注生產(chǎn)參數(shù),保證生產(chǎn)效果。

3 高濃度乙醇發(fā)酵技術分析

由上可知,高濃度乙醇通過提高干物質(zhì)濃度的方式提高發(fā)酵成熟醪中乙醇的濃度,這種發(fā)酵工藝成本低、產(chǎn)出高,也符合生態(tài)環(huán)保建設體系的實際需求,可以說是目前最具有發(fā)展前景、發(fā)展?jié)摿Φ募夹g手段。但隨著干物質(zhì)的提高,發(fā)酵速率也會隨之下降,極容易出現(xiàn)發(fā)酵不完全的情況,需要強化低黏度糖化醪液的制備工藝,以保證技術工藝的穩(wěn)定落實[1]。

3.1 高濃度乙醇發(fā)酵工藝原料分析

本文研究的高濃度乙醇發(fā)酵技術,以水稻為原料,想要在升高干物質(zhì)含量的同時,保證酵母的活性,提高發(fā)酵效率,還需要強化其他方面的技術手段,從而讓發(fā)酵工藝得到更好地控制和優(yōu)化。在高濃度乙醇發(fā)酵過程中,在不改變發(fā)酵罐體積的情況下,隨著酒精濃度的提高,酒精產(chǎn)量也會隨之增加,高濃度乙醇發(fā)酵工藝由此發(fā)展而來,傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵模式中,水稻干物質(zhì)在26%-29%左右,但在高濃度乙醇發(fā)酵工藝中,水稻的含量至少要在33%。尤其是在發(fā)酵工藝不斷發(fā)展的過程中,水稻的干物質(zhì)還會不斷提高,想要讓高濃度乙醇工藝得到進一步發(fā)展,就要明確具體的調(diào)漿比例,以此確保工藝技術的穩(wěn)定落實。表1 為不同酒精濃度下水和干物質(zhì)之間的調(diào)漿比例,從表中的數(shù)據(jù)能夠明顯看出,隨著酒精濃度的提高,水和干物質(zhì)的配比無限接近1:1。也就是說,想要得到高濃度乙醇,還需要不斷提高水和干物質(zhì)之間的調(diào)漿比例,但底物濃度的提高,也會給具體的酒精發(fā)酵造成負面影響[2]。

表1 不同酒精濃度下水和干物質(zhì)之間的調(diào)漿比例

乙醇發(fā)酵本身較為復雜,尤其是高濃度乙醇工藝,較高的酒精濃度和初始糖濃度嚴重抑制酵母作用。在進行高濃度乙醇發(fā)酵過程中,以水稻為原料,還會根據(jù)實際情況科學加入氮源、營養(yǎng)鹽等物質(zhì),如果氮源等添加導致發(fā)酵周期延長,對酵母菌產(chǎn)生一定的負面影響。所以想要讓高濃度乙醇發(fā)酵工藝得到更好地落實,就要保證營養(yǎng)鹽的供應。而最為嚴重的是高濃度酒精,如果酒精含量超過23%vol,那么酵母菌細胞可能會直接死亡,高濃度酒精對細胞的形態(tài)和生理活性產(chǎn)生著嚴重的負面影響。

3.2 高濃度乙醇發(fā)酵工藝優(yōu)化分析

3.2.1 營養(yǎng)物優(yōu)化手段

目前高濃度乙醇發(fā)酵過程中常見的控制和優(yōu)化手段,包括:通氣、添加氮源、培養(yǎng)基優(yōu)化、發(fā)酵工藝控制與優(yōu)化等。一定溶氧供應可以幫助酵母更好地應對高濃度酒精帶來的負面影響,讓酵母細胞和乙醇代謝得到全面落實。因此,在高濃度乙醇發(fā)酵過程中可以進行定期微量的通風,一般認為微量氧(6.67—14.7Pa的氧分壓),可提高酵母本身的活性,強化耐受性和存活率,從實際數(shù)據(jù)來看,在定期微量溶解氧狀態(tài)下酵母細胞密度和發(fā)酵效率得到了明顯提高,不僅如此,在此狀態(tài)下高濃度乙醇發(fā)酵成熟醪中的副產(chǎn)物濃度也隨之降低整體生產(chǎn)質(zhì)量得到有效提高。氮源在高濃度乙醇發(fā)酵中發(fā)揮著至關重要的作用,是必不可少的營養(yǎng)物質(zhì),其可以提高酵母菌健康程度,但需要注意的是氮源的加入時機非常關鍵,想要其更好作用于酵母,促進酵母生長繁殖,就要科學地選擇氮源。目前酸性蛋白酶、硫酸銨、尿素是較為常見的氮源,但根據(jù)具體的高濃度乙醇應用需求進行分析,從成本層面考慮尿素更加合理,而且尿素可以讓發(fā)酵醪液中的甘油和乙酸濃度進一步降低[3]。比如:肌醇也是一種營養(yǎng)物質(zhì),其可以有效提高酵母耐酒精能力,表2為肌醇濃度對酒精產(chǎn)量的影響。

表2 肌醇濃度對酒精產(chǎn)量的影響

3.2.2 細節(jié)參數(shù)優(yōu)化手段

除了上述幾個方面之外,加強對高濃度乙醇發(fā)酵參數(shù)的控制,也能夠讓發(fā)酵工作更加順利地進行,主要的控制參數(shù)包括溫度和pH 值。根據(jù)相關試驗數(shù)據(jù)來看,隨著溫度在一定范圍內(nèi)的升高,酵母細胞活性增強,發(fā)酵成熟醪中的乙醇含量也會隨之提高。從具體的實驗分析數(shù)據(jù)來看,以水稻為原料的高濃度乙醇發(fā)酵工作中,如果采用梯度降溫控制手段,發(fā)酵醪液中的乙醇濃度能夠保持在16.24%vol。pH值的控制可以通過硫酸進行,另外在發(fā)酵過程中,還需要采取動態(tài)監(jiān)控手段,保證硫酸添加合理。通過這種方式讓發(fā)酵液中的pH 值始終在4.2 左右,根據(jù)具體的數(shù)據(jù)顯示,在以水稻為原料的高濃度乙醇發(fā)酵工作中,這種控制手段可將發(fā)酵醪液中的乙醇濃度提高到16.40%vol。根據(jù)國內(nèi)外的研究資料顯示,還可以在發(fā)酵過程中添加其他營養(yǎng)物質(zhì),這些都能夠進一步提高乙醇濃度,以此更好地實現(xiàn)高濃度乙醇發(fā)酵工藝。以水稻為原料的高濃度乙醇發(fā)酵工作中,如果將乙醛作為直接前體,展開酵母乙醇發(fā)酵,那么乙醛將會成為酵母代謝的一個節(jié)點,最終得到的乙醇濃度提高到17%vol[4]。

3.3 其他工藝落實分析

除了上述內(nèi)容之外,想要實現(xiàn)高濃度乙醇發(fā)酵還可以采用同步糖化發(fā)酵工藝或者批量添加強制循環(huán)生料酒精發(fā)酵工藝,又或者利用固定化酵母技術進行發(fā)酵,最終濃度還可以提高。從整體上看,高濃度乙醇發(fā)酵技術有效解決了傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵工作中存在的問題,但在實際應用過程中還存在諸多問題,需要工作人員根據(jù)具體乙醇發(fā)酵原料、手段展開綜合性分析,切實明確高濃度乙醇發(fā)酵過程中存在的影響因素,選擇科學的處理手段和改進措施,切實提高發(fā)酵技術水平,實現(xiàn)工業(yè)化發(fā)展?，F(xiàn)如今,高濃度乙醇發(fā)酵工作中急需要解決的問題主要表現(xiàn)在:高黏度物料的輸送、副產(chǎn)甘油、液化和糊化不徹底、不均勻、總糖殘高等方面,但無論如何,酵母都是最為關鍵的部分,必須要提高重視,采取科學的手段更好地服務于乙醇的工業(yè)化發(fā)展。在改進工藝的同時,還可以通過改進設備的方式,來進一步強化發(fā)酵工藝的整體質(zhì)量,從而更好地提高酒精產(chǎn)量。如:通風設備、機械攪拌裝置等,從而有效降低抑制作用。近年來,還推出了產(chǎn)品耦合工藝,通過真空發(fā)酵法、膜分離發(fā)酵法、萃取發(fā)酵法等方式,來降低酒精的抑制作用,切實提高發(fā)酵速度和發(fā)酵強度,這也是當前生物工程領域中最為主要的課題。以某企業(yè)為例,其采用的無糖化工藝,以水稻為原料展開高濃度乙醇發(fā)酵工作,讓酒精生產(chǎn)進入了濃醪發(fā)酵模式,產(chǎn)量大幅度增加,根據(jù)不完全統(tǒng)計產(chǎn)量至多增加了9669.6t,經(jīng)濟效益大幅度提高。

3.4 酵母元素改造分析

在高濃度乙醇發(fā)酵過程中,酵母改造工作也十分重要,具體表現(xiàn)為酒精濃度增加,但在這個過程中對酵母的影響也隨之加大,上述都是通過改變其他條件來保證酵母本身的活性。未來,可以通過改造酵母的方式,確保高濃度乙醇發(fā)酵工作順利落實,從現(xiàn)有的研究結果來看,以東北椴樹蜜為原料,可以得到釀酒酵母,酒精產(chǎn)量較高、發(fā)酵速度較快,還可以從白酒窖池中的酒糟中提取酵母菌株。目前大部分酵母都是利用紫外線照射的方式展開處理,這是誘變育種中最為基礎的手段,在此基礎上通過雜交處理培養(yǎng)出的酵母菌在實際發(fā)酵中也表現(xiàn)出了良好的性能。總的來看,采用固定化的酵母可讓酒精產(chǎn)率得到提高,而且酵母本身的耐滲透壓也得到提高,最終的酒精濃度能夠達到相應的需求,經(jīng)濟效益也得到提高。

4 總結

綜上所述,在以水稻為原料的高濃度乙醇發(fā)酵工作中,需要對其中諸多要素展開實驗分析,找到最優(yōu)生產(chǎn)參數(shù)工藝,從而進一步落實控制質(zhì)量,確保高濃度乙醇生產(chǎn)工作得到順利進行。不僅如此,未來還需要根據(jù)不同質(zhì)量、不同種類水稻進行試驗,以此進一步降低生產(chǎn)成本、切實提高生產(chǎn)效率。