玉米秸秆发酵生产燃料酒精工艺探讨.pdf

玉米秸秆发酵生产燃料酒精工艺探讨张继泉 郭利美 王瑞明 (山东轻工业学院食品与生物工程学院 济南 250100)摘 要 本文介绍了一种发酵玉米秸秆生产燃料酒精的新工艺,将传统的利用同时糖化发酵法生产乙醇的一步发酵法改为 利用固态发酵与液态发酵并行的两步发酵法,有效地解决了一步发酵过程中的水解产物对发酵的抑制问题此外,文章还对工艺 流程的控制进行了合理化分析 关键词 玉米秸秆;燃料酒精;固态发酵Study on the Technique of the Fuel Ethanol Fermented by Corn StalkGuo limei ,Wang ruiming ,Zhang jiquan(Shandong Institute of Light Industry Jinan250100)Abstract A kind of technique that could be used to produce fuel ethanol fermented by corn stalk was introduced in the paper. The tradi2tional method of one-step fermentation was replaced by the new method of two-step fermentation(including solid-state fermentation and sub2merged fermentation) and the new method could resolve the feedback of the hydrolysate in the one-step fermentation. In addition ,the controlconditions of the technique were also analyzed properly.Key words corn Stalk;fuel ethanol;solid-state fermentation我国是一个农业大国,各类农作物纤维资源十分 丰富,仅秸秆一项就达7亿t以上,其中玉米秸秆约2. 2亿t ,这些资源长期没有得到合理的开发,约2/3秸 秆资源被焚烧,造成了新的大气污染。

玉米秸秆中的 有机成分以纤维素、 半纤维素为主,其中纤维素含量 占35%以上[1,2]作为农业废弃物的玉米秸秆多以燃 料烧掉,其烟雾中含大量的TSP和SO2,造成大气严重污染[1]近年来利用农业废弃物发酵生产燃料酒精 正逐步成为人们研究的热点,玉米秸秆作为一种重要 的农业废弃物,受到了广泛的关注 作者经过长时间的研究,初步确定了利用玉米秸 秆发酵生产燃料酒精的新工艺,利用该工艺,酵母能 最大限度的发酵玉米秸秆并尽可能的减少发酵废液 对环境的污染1 试验材料玉米秸秆 济南市东郊(当年产) ;纤维素酶 购于NOVO公司(滤纸酶活 3 1500U/ g)管囊酵母SQY- 1 本实验室自行筛分并保存; 酿酒酵母SQY- 2 本实验室保存; 产朊假丝酵母 本实验室保存收稿日期:2003 - 3 - 112 工艺流程利用玉米秸秆发酵生产燃料酒精的工艺路线如 图1所示图1 玉米秸秆发酵生产燃料酒精的工艺路线图Fig.1 The path of the Fuel Alcohol Production by Corn Stalk2.1 工艺介绍 2.1.1 蒸煮 如图1所示,将玉米秸秆与1%的稀硫酸按一定 比例混合[3](固液比为1∶10) ,121℃ 下蒸煮120min ,趁 热过滤,并用4倍玉米秸秆重量的热水冲洗,由于滤 液中含有一定的硫酸,将滤液重新泵打回蒸煮锅中, 滤渣进入固态发酵罐(控制滤渣中残存的酸度为pH4.8左右)。

在连续操作中,该系统启动时添加1% 的稀硫酸,一旦连续操作系统正常运行,蒸煮过程就42《广州食品工业科技》 Guangzhou Food Science and Technology Vol.19 No.2(总75)可以通过补加少量浓硫酸来控制蒸煮过程中料液的 酸度 2.1.2 液态发酵及蒸馏 当滤液中的还原糖浓度达到5%时,滤液部分打 入蒸煮锅中,而部分打入发酵罐中,用氨水或碳酸氢 铵中和发酵罐中的硫酸,冷却由于稀硫酸预处理玉 米秸秆的水解液中的还原糖主要为木糖,所以在发酵 罐中接入已活化的能发酵戊糖产酒精的管囊酵母SQY- 1,采用80r/ min的搅拌速度进行发酵,发酵周 期为48h发酵完毕,发酵醪液进入粗馏塔进行蒸馏, 可得到50%(v/ v)左右的酒精管囊酵母是一种 “限 氧” 发酵酵母,一定的供氧可以保证发酵过程的顺利 进行,较低的搅拌速度既实现了发酵过程氧的供应, 又避免了由溶氧过多而导致乙醇被氧化成乙酸 2.1.3 固态发酵[4～7]及蒸馏 固态发酵(Solid-state fermentation ,简称SSF)是 指微生物将没有游离水存在的生物原材料进行转化 的过程,传统的液体深层发酵(Submerged fermentation) 是利用原料的稀溶液或悬浊液进行发酵。

在SSF过 程中,在固体基质的表面经常有一薄层水分,在预处 理木质纤维素的SSF过程中,水分与固体基质的重量 比一般介于4:1到6:1SSF与液态发酵相比,其优点有:发酵容器体积减 小;灭菌的耗能成本降低;固体基质更易于通风;由废 水处理而花费的资金或操作费用基本消除;产物收集 和饲料干燥费用降低;对细菌而言,SSF不利于它的生 长,这就降低了细菌污染的危险 将固态发酵罐中的滤渣按25IFPU/ g干物质加入 纤维素酶,同时接入已经活化的耐高温酿酒酵母SQY - 2,搅拌均匀后进行固态静止发酵,在固态发酵过程 中,采取CO2气提法[7]保温及控制发酵过程中的溶氧 与热量散失采取CO2气提不但可以对发酵过程进 行准确控制,发酵生成的酒精一部分可以随CO2气提 带出发酵罐,以减弱代谢产物对酵母的毒害作用同 时还可以回收发酵过程中产生的大量CO2,从而有效 的提高酒精厂的经济效益固态发酵一般采用间歇 发酵,发酵周期为60h ,发酵完毕,进行固态蒸馏,得到 50%(v/ v)左右的酒精 2.1.4 精馏 将液态蒸馏与固态蒸馏出的酒精进行精馏,得到 95%(v/ v)的酒精,所得的酒精就可以用作燃料,解决 目前的能源危机。

由于酒精的生产原料为纤维素,不 符合国标有关食用酒精标准,所以生产出来酒精一般 用来直接作为燃料或添加到汽油中制成 “汽油醇”[8] 2.1.5 SCP的生产 由于液态蒸馏废液中含有大量的NH4+,可以用它来生产饲料SCP,将液态蒸馏废液与固态蒸馏废渣 混合 均 匀,接 入 产 朊 假 丝 酵 母,进 行 发 酵 生 产SCP[9,10],这样,既解决了环境污染问题,又实现了农 业废弃物的综合利用 2.2 工艺创新 本工艺实现了废弃物及工艺工程中原料的综合 利用首先,经过预处理过程的稀硫酸重新进入蒸煮 锅,实现了稀硫酸的综合利用;其次,部分废热可重复 利用,还能回收部分发酵过程中产生CO2;此外,液态 蒸馏及固态蒸馏后的蒸馏废物可用来进一步发酵生 产SCP这样在充分利用农业废弃物生产燃料酒精 的同时,不会造成环境污染3 结论本工艺将原料利用及废物处理充分结合起来,实现 了农业废弃物的综合利用,在一定程度上可以缓解目前 所面临的粮食危机、 环境保护、 能源危机等问题本人在 实验室中根据这一工艺,发酵1kg干燥的玉米秸秆(粒 径为0.2～0.9mm)可以生产138g乙醇,即乙醇的产 率约为14%(g Ethanol/ g Corn stalk) ,与传统的玉米发 酵生产乙醇相比,酒精的生产成本明显降低。

但该工 艺离工业化还有一段距离,还需要做进一步的试验参 考 文 献1 黄忠乾,龙章富,彭卫红.农作物秸秆资源的综合利用[J ]. 资源开发与市场,1999,15(1) :32～34.2 孙可伟.固体废弃物资源化的现状和展望[J ].中国资源综 合利用,2000,1,10～13.3 张继泉,孙玉英,关凤梅等.玉米秸秆稀硫酸预处理条件的 初步研究[J ].纤维素科学与技术,2002,待刊.4 杜秉海,曲音波,高培基.纤维废渣固态酒精发酵及纤维素-淀粉共发酵的研究[J ].食品与发酵工业,1995,21(5) :15 ～20.5 Ian D. Reid. Optimization of solid-state fermentation for selec2tive delignfication of aspen wood with Phlebia tremellosa[J ]. En2zyme and Microb. Technol. ,1989,11:804～809.6 N. P. Ghildyal ,M. K. Gowthaman , K. S. Raghave Rao and N. G.Karanth. Interaction of transport resistances with biochemical reac2tion in packed-bed solid-state fermentors :effect of temperaturegradients[J ]. Enzyme Microb. Technol. ,1994,16:253～257.7 K. Sato ,et al. Solid-state ethanol fermentation by means of inertgas circulation[J ]. Biotechnol. Bioeng. ,1985,27:1312～1319.8 王秀道,尹卓荣.美国国内使用酒精汽油的情况(二) [J ].酿 酒科技,2001,107(5) :101～102.9 陈洪章,曲音波,高培基.半纤维素蒸汽爆碎水解物连续发 酵生产单细胞蛋白的研究[J ].食品与发酵工业,1992,18(3) :7～11.10 白凤武,冯朴荪.以玉米为原料采用絮凝颗粒酵母连续发 酵新技术生产酒精并副产SCP饲料工艺的探讨[J ].食品 与发酵工业,1994,20(3) :60～64.52《广州食品工业科技》 Guangzhou Food Science and Technology Vol.19 No.2(总75)。