（制糖工程专业论文）基于糖酒联产的二压汁加糖蜜发酵乙醇的工艺研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者虢掣老为 学位论文使用授权说明 励年弓月1 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务： 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者躲彩弓翮虢渺僻岁月幻日 基于糖酒联产的二压汁加糖蜜发酵乙醇的工艺研究 摘要 现代工业的迅速发展，导致出现能源紧缺，使得燃料乙醇作为替代石 油能源的绿色可再生能源日益受到人们的青睐。甘蔗具有糖分易转化、光 能转换效率和净能比高、成本低、工艺简单等优势，是生产乙醇的首选原 料作物。同时，蔗糖作为季节收获，全年消费的农产品，是价格受世界能 源供给的波动影响最大的农产品。 本研究设想通过借鉴巴西蔗糖一酒精联产的技术模式，对我国甘蔗糖 厂现行的制糖工艺进行改进。将糖度差异大的一压汁和二压汁分路处理： 将高纯度的一压汁直接送入澄清工段，可大大提高澄清和煮炼效率，降低 制糖成本；同时根据糖价变化将低纯度的二压汁作产糖或产酒的灵活调节。 将二压汁与乙原蜜或废糖蜜混合作为生产乙醇的新原料，充分利用甘蔗能 源作物而实现糖酒联产。这对减轻制糖产业应对全球能源危机和经济危机 的双重压力具有重要的现实意义。 本课题的主要研究内容及结果如下： 1 通过对酵母在生长繁殖、产酒性能和发酵环境耐受性等方面的比较， 选取适合于二压汁加糖蜜混合糖料发酵的酵母菌株g 1 8 进行发酵工艺研 囊守 九。 2 考察了发酵培养基组分对混合糖料发酵酒精的影响，确定了尿素是 最适氮源以及培养基的组成：初糖浓度为2 8 。b x ，尿素添加量为0 2 9 l ， 磷酸二氢钾添加量为o 0 5g l 。实验结果显示，硫酸镁对与产酒率没有明显 f 的促进作用，无需添加。 3 探讨了温度、初始p h 、接种量和转速等主要工艺参数对混合糖料发 酵工艺的影响，通过单因素实验和正交优化实验确定了最佳工艺条件是： 初始p h 为5 0 ，温度为2 8 ，接种量为1 5 。最佳工艺条件下验证实验结 果表明，产酒率可达1 1 4 ，发酵周期为4 8 h ，残糖含量为0 6 6 。 4 研究了固定化载体的优化，通过试验比较海藻酸钙、p v a 一硼酸、海 藻酸钙一p v a 三种固定化载体综合性能，确定了载体海藻酸钙一p v a 是一 种适用于混合糖料固定化发酵生产乙醇的优良载体。分析了c a c l 2 浓度、海 藻酸钠与p v a 的浓度配比、分步固定化方式和温度对海藻酸钙一p v a 载体 固定化发酵性能的影响，优化了载体的制备工艺。当海藻酸钠浓度为2 、 p v a 浓度为1 0 ，c a c l 2 固定化1 2 h 后硼酸固定化1 2 h ，温度为3 0 。c 时， 发酵性能最好。 5 考察了温度、初始p h 、装填率和转速等主要工艺参数对固定化混合 糖料发酵工艺的影响，得出最佳工艺条件是：温度为3 2 。c ，初始p h 为4 0 ， 转速为15 0 r m i n ，装填率为2 0 ，最佳条件下的验证试验结果表明，产酒 率可达1 2 8 ，发酵周期为3 3 h ，残糖含量为o 2 8 。 6 通过三种废液p h 、b o d 5 、c o d c ，和s s 的比较，实验结果表明：与 传统糖蜜酒精废液相比，新工艺酒精废液c o d c ，分别下降了1 4 o 和2 1 9 ，b o d 5 分别下降了1 9 1 和2 7 9 ，s s 分别下降了3 7 4 不t l4 1 7 。 新工艺降低了废液的污染程度，减轻废液治理难度，对实现清洁生产具有 重要意义。 关键词：乙醇二压汁加糖蜜发酵工艺固定化糖酒联产 s t u d y o na l c o h o lf e r m e n t a t i o nw i t h s e c o n d p r e s s e dj u i c ea n dm o l a s s e sf o rs u g a ra n d a l c o h o lc o p r o d u c t i o n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y , e n e r g ya r eb e i n g d e p l e t e d i th a sb e c o m et h ef o c u so fo u rc o n c e r nf o rf u e la l c o h o la so i l e n e r g ys u b s t i t u t e s o w i n gt oi t se a s yf e r m e n t a t i o ni n g r e d i e n t ，h i g hl i g h t c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y , l o w c o s ta n d s i m p l ep r o c e s s ，s u g a r c a n e i s r e c o g n i z e da st h ep r e f e r r e dm a t e r i a lf o rf u e la l c o h 0 1 s u g a ri st h es e a s o n a l h a r v e s ta n da n n u a lc o n s u m e ra g r i c u l t u r a lp r o d u c t s ，w h i c hp r i c ei sa f f e c t e d m o s tb yw o r l d se n e r g ys u p p l y t oi m p r o v ec u r r e n ts u g a rr e f i n e r yp r o c e s si nc h i n a ，an e wt e c h n o l o g i c a l p r o c e s sh a sb e e ns t u d i e do na l c o h o lf e r m e n t a t i o nb yd r a w i n go nb r a z i l i a n s u c c e s s f u l e x p e r i e n c e f i r s t p r e s s e dj u i c e a n d s e c o n d p r e s s e dj u i c e w a s s e p a r a t e df o rd i s p o s i t i o n ，t h ef i r s t p r e s s e dj u i c ew i t hh i g hp u r i t yw a st r a n s p o r t e d d i r e c t l yt oc l a r i f i c a t i o ns e c t i o n ，w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f c l a r i f i c a t i o na n db o i l i n g ，a l s or e d u c et h em a k i n gc o s t a tt h es a m et i m e ， a c c o r d i n gt ot h ep r i c eo fs u g a r , t h es e c o n dp r e s s e dj u i c ew i t hl o wp u r i t yw a s a d j u s t e dt op r o d u c ts u g a ro ra l c o h o lf l e x i b l y t h em i x t u r es u g a r c a n ef e e d s t o c k o fs e c o n d p r e s s e dj u i c e ，s e c o n d g r e e nm o l a s s e sa n dm a l a s s e sw a su s e da si l e w m a t e r i a lo fa l c o h o lf e r m e n t a t i o nr e s e a r c h i th a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et om a k e i i l t h em o s t0 c a p a b i l i t ya n da l c o h r e s e a r c h ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo fc u l t u r em e d i u mc o m p o s i t i o no na l c o h o lf e r m e n t a t i o n w a sd i s c u s s e d ，a n du r e aw a st h eo p t i m a ln i t r o g e ns o u r c e t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h eb e t t e rc o m p o s i t i o nw e r ea sf o l l o w s ：i n i t i a ls u g a rc o n c e n t r a t i o no f2 8o b x ，u r e ao 2 9 l ，p o t a s s i u md i h y d r o g e np h o s p h a t eo 0 5g l m a g n e s i u m s u l f a t ew a sn on e e dt oa d df o ri td i d n tp r o m o t ea l c o h o ly i e l d ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，i n i t i a lp h ，s p o r eq u a n t i t ya n d r o t a t i o ns p e e do nt h ef e r m e n t a t i o n ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw a so b t a i n e da s f o l l o w s ：i n i t i a lp h5 0 ，t e m p e r a t u r e2 8 ，i m o c u l a t i o nq u a n t i t y15 ，t h ea l c o h o l y i e l dw a s11 4 ，t h er e s i d u a ls u g a rw a s0 6 6 w i t hf e r m e n t a t i o np e r i o do f 4 8 h ( 4 ) w i t ht h ec o m p a r i s o no fc a l c i u ma l g i n a t e ，p v a b o r i ca c i d ，c a l c i u m a l g i n a t e p v a ，c a l c i u ma l g i n a t e p v aw a st h ep r o p e ri m m o b i l i z a t i o nc a r r i e rf o r a l c o h o lf e r m e n t a t i o n t h ec o n c e n t r a t i o no fc a l c i u mc h l o r i d e ，t h ec o n c e n t r a t i o n r a t i oo fs o d i u ma l g i n a t ea n dp v a ，i m m o b il i z a t i o ns t e p sa n dt e m p e r a t u r ew e r e a n a l y s e dt oo p t i m i z et h ep r e p a r a t i o np r o c e s so ft h ec a r r i e r t h eb e s tc o n d i t i o n w a so b t a i n e da s ：s o d i u ma l g i n a t eo f2 ，p v ao f10 ，12 hi m m o b i l i z e di nb o r i c a c i da f t e r12 hi m m o b i l i z e di nc a l c i u mc h l o r i d ea n dt e m p e r a t u r eo f3 0 。c ( 5 ) t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，i n i t i a lp h ，r a t eo fc a r r i e ra n dr o t a t i o ns p e e d i v d r o p p e db y19 1 a n d2 7 9 ，s sd e c r e a s e db y3 7 4 a n d41 7 t h en e w t e c h n o l o g yp r o c e s s c a nr e d u c et h ep o l l u t i o no fw a s t ew a t e r , w h i c ht a k e s s i g n i f i c a n c et oa l c o h o lc l e a np r o d u c t i o n k e ww o r d s ：a l c o h o l ；s e c o n d p r e s s e dj u i c ea n dm o l a s s e s ；f e r m e n t a t i o n p r o c e s s ；i m m o b i l i z a t i o n ；s u g a ra n da l c o h o lc o - p r o d u c t i o n v 目录 第一章绪论 1 1 引言 1 2 燃料乙醇的发展历史、现状和研究意义 1 2 1 国外燃料乙醇的发展状况 1 2 2 我国燃料乙醇的发展状况 1 2 3 燃料乙醇的研究意义3 1 3 甘蔗制取乙醇的研究现状及意义4 1 3 1 甘蔗是制取乙醇的最佳原料4 1 3 2 甘蔗汁制取乙醇的研究进展5 1 4 课题的研究意义和内容8 1 4 1 课题研究的背景和意义8 1 4 2 工艺流程1 0 1 4 3 课题的研究内容1 0 第二章混合糖料游离酵母发酵工艺条件的研究l l 2 1 引言1 l 2 2 材料与方法1 2 2 2 1 实验菌种1 2 2 2 2 实验原料1 2 2 2 3 仪器与试剂1 2 2 2 4 培养基1 2 2 2 5 实验方法与步骤1 3 2 3 结果与讨论1 7 2 3 1 菌种的选择17 2 3 2 优良菌种生长曲线的绘制18 2 3 3 培养基的组成对混合糖料酒精发酵的影响1 9 2 3 4 主要工艺参数对混合糖料发酵工艺的影响2 2 2 3 5 正交优化实验结果与分析2 6 2 4 本章小结2 8 第三章固定化载体的选择与优化2 9 3 1 引言2 9 3 2 材料与方法2 9 3 2 1 实验菌种2 9 3 2 2 实验原料2 9 3 2 3 仪器与试剂2 9 3 2 4 实验方法与步骤3 0 3 3 结果与讨论3 3 3 3 1 不同载体物理性能的比较3 3 3 3 2 不同载体制粒难易和成形情况的比较3 4 3 3 3 不同载体固定化酵母发酵性能的比较3 4 3 3 4 不同载体重复使用性能的比较3 5 3 3 5 适于混合糖料固定化发酵载体的确定3 6 3 3 6 海藻酸钙一p v a 载体固定化条件的选择3 6 3 4 本章小结4 0 第四章固定化酵母发酵工艺条件的研究4 1 4 1 引言4 l 4 2 材料与方法4 1 4 2 1 实验菌种4 l 4 2 2 实验原料4 1 4 2 3 仪器与试剂4 l 4 2 4 实验方法与步骤4 2 4 3 结果与讨论4 4 4 3 1 发酵单因素条件对固定化混合糖料发酵的影响4 4 4 3 2 主发酵工艺参数的正交优化实验4 9 4 3 3 固定化分批发酵的稳定性实验5l 4 3 4 游离发酵和固定化发酵工艺的比较。5 2 4 4 本章小结5 2 第五章废液污染指标的分析与比较5 3 5 1 引言5 3 5 2 材料与方法5 3 5 2 1 实验原料5 3 5 2 2 仪器与试剂5 3 5 2 3 实验方法与步骤5 4 5 3 结果与讨论5 4 5 3 1 三种工艺废液污染指标的测定5 4 5 3 2 废液p h 的比较5 4 5 3 3 废液c o d c ，含量的比较5 4 5 3 4 废液b o d 5 含量的比较5 4 5 3 5 废液s s 含量的比较5 5 5 4 本章小结5 5 v i i 第六章经济效益分析5 6 6 1 原工艺与新工艺产糖量的计算5 6 6 2 原工艺与新工艺耗汽量的计算5 9 6 3 原工艺与新工艺经济效益的比较6 0 第七章结论与展望6 1 7 1 结论6 1 7 2 创新点6 2 7 3 展望。6 2 参考文献6 3 致谢6 8 攻读学位期间发表的学术论文6 9 v l l i 广西大学硕士论文基于糖洒联产的二压汁加糖蜜发酵乙醇的工岂研究 1 1 引言 第一章绪论 随着人类对油气资源的持续开采，全世界面临石化能源日渐枯竭的危机，为了减轻 对石油的依赖，寻找可再生的替代资源成为亟待解决的问题。由于乙醇能和汽油以一定 比例混配成车用燃料，具有价廉、清洁、安全、环保、可再生等优点，被认为是替代和 节约汽油的最佳燃料，因此，发展燃料乙醇产业成为全球的热点问题。 1 2 燃料乙醇的发展历史、现状和研究意义 1 2 1 国外燃料乙醇的发展状况 1 2 1 1 美国 美国是世界上燃料乙醇的主产国。主要以玉米为原料生产燃料乙醇，所耗玉米占全 美玉米总产量的1 2 1 1 1 。2 0 世纪7 0 年代的世界石油危机和1 9 9 0 年美国国会通过的空气 清净法( 修正案) ，是美国燃料乙醇产业发展的两个主要推动力。1 9 7 9 年，美国国会为 减少对进口原油的依赖，开始实行“乙醇发展计划”，推广使用e 1 0 ( 即含1 0 无水乙 醇的“乙醇一汽油混合燃料 ) ，该计划的实施使美国燃料乙醇工业得到迅速发展，乙醇 产量从1 9 7 8 年的3 万吨迅速增加到1 9 9 0 年的2 6 3 万吨【2 1 。自2 0 0 1 年起，美国开始对 燃料乙醇的生产实行的税收补贴政策，进一步促进了燃料乙醇产业的发展和扩大。同时， 政府加大了对燃料乙醇进行科学研究和产业化开发的财政支持力度。2 0 0 3 年开始实施了 生物能源专项资助计划，联邦政府每年投入研究开发和产业化生产资金达1 1 5 亿1 5 亿美元。目前，全美有1 0 1 家乙醇精炼厂生产燃料乙醇，生产能力约为1 7 2 2 万吨。在 未来的五年内，美国的燃料乙醇生产能力会再提高7 8 9 万吨【3 】。 1 2 1 2 巴西 巴西是一个农业大国，拥有全世界最大的甘蔗种植区，其中6 5 的甘蔗用于乙醇生 产，是目前世界上最大的燃料乙醇消费和出口国。1 9 7 5 年，巴西政府开始大力发展燃料 乙醇计划，1 9 7 6 年巴西政府制定法规，正式以2 0 乙醇与汽油混配，推向国内燃料市 场，用于普通汽油发动机汽车1 4 j 。1 9 7 9 年，乙醇发动机汽车和纯乙醇燃料被推向市场。 9 0 年代起，巴西燃料乙醇产量开始超过蔗糖产量，其中1 9 9 7 9 8 年度燃料乙醇的产量高达 广西大学硕士论文基于糖酒联产的二压汁加糖蜜发酵乙醇的工艺研究 l2 2 4 万t ，2 0 0 2 0 3 年度的产量为9 9 3 万t 【5 1 。目前，巴西拥有3 2 0 多家以甘蔗为原料的 乙醇生产厂，年产乙醇2 3 0 0 万吨左右，计划到2 0 2 5 年乙醇产量达到7 2 0 0 万吨，远景 为3 2 亿吨【引。 1 2 1 3 欧洲 近年来，欧洲各国出于对能源安全和环境保护等方面的考虑，也开始采取措施发展 替代能源，以减少对石油的依赖度，避免因石油日渐枯竭以及价格的攀升对经济产生负 面影响。2 0 0 0 年欧洲可再生能源会议确定了欧盟的可再生能源策略和行动计划。 2 0 0 4 2 0 0 6 年，欧盟燃料乙醇的产量大幅增长，年均增长率达到4 4 5 。2 0 0 6 年，欧洲 生物乙醇燃料产量为1 5 6 5 亿升，同比增加了7 1 ，2 0 0 5 年产量为9 1 3 亿升，2 0 0 4 年 仅为5 1 2 8 亿升【7 1 。美国与巴西以玉米和甘蔗作为燃料乙醇的生产原料，而欧盟则主要 采用油菜籽生产燃料乙醇。欧盟燃料乙醇产量最大的分别是德国、西班牙、法国，产量 占欧盟总量的7 1 6 。 1 2 1 4 亚洲 能源供应、资源运输和能源策略等问题，也促使泰国、日本、印度等亚州国家纷纷 开展燃料乙醇项目【8 l 。泰国是亚洲第一个由政府开展全国生物燃料项目的国家。2 0 0 1 年1 月1 6 日，泰国成立了酒精委员会，将现代的工业部门即能源用品和交通运输与传 统的农业部门连接起来，建立了酒精政府框架。泰国能源部规定于2 0 0 7 年开始禁用甲 基叔丁基醚( m t b e ) ，并从2 0 0 8 年起向销售的9 1 号汽油将掺入1 0 乙醇。在短短的几 年时间内，泰国成功地开展了燃料乙醇项目，这些项目提供了过剩的食用农产品的利用 新途径，对提高农民的生活水平起到了积极作用。日本实施燃料乙醇项目的重点是开发 农业、林产等废弃资源直接发酵生产乙醇的技术，尤其在纤维乙醇技术方面有所突破。 日本环境省计划，逐步推进车用乙醇汽油的更换过程。2 0 0 8 - 2 0 1 2 年日本国内5 0 的 燃料将更换成e 3 燃料；从2 0 2 0 年起，开始供应e 1 0 燃料；到2 0 3 0 年，日本所有车用 汽油都更换为e 1 0 燃料。印度是世界上第二大产糖大国，2 0 0 2 年，印度成立了国家生 物燃料领导小组，实施了绿色能源工程【9 1 。2 0 0 3 年印度政府规定炼油厂在燃料中加入 5 的乙醇。目前已有1 2 个州和地区指令调和5 的燃料乙醇于汽油中。 1 2 2 我国燃料乙醇的发展状况 我国是能源消耗大国，油气资源短缺，随着资源的逐年减少以及对进口依赖的增加， 2 广西大学硕十论文基于糖酒联产的二压汁加糖蜜发酵乙醇的工艺研究 不仅制约了我国社会经济发展，而且影响了国家能源安全和外汇平衡l l 。2 1 世纪初， 我国开始进行生物燃料的科学研究与开发利用，2 0 0 1 年启动了“十五酒精能源计划”， 并要求在汽车运输行业中推广使用燃料酒精。国家有关部f - j n 定并颁布了变性燃料乙 醇( g b l 8 3 5 0 2 0 0 1 ) 和车用乙醇汽油( g b l 8 3 5 1 2 0 0 1 ) 两项国家标准。为了支持乙醇 汽油推广，我国政府还推出了“定点生产、定向流通、定区使用、定额补贴 的配套政 策。目前，我国已经建设了5 个主要的生物燃料乙醇生产基地。吉林燃料乙醇公司年产 6 0 万吨燃料乙醇定向投放吉林、辽宁两省；黑龙江华润酒精公司1 0 万吨燃料乙醇定向 投放黑龙江省；河南天冠集团3 0 万吨燃料乙醇定向投放河南、山东两省；安徽丰原生 化有限公司3 2 万吨燃料乙醇定向投放安徽、湖北、江苏三省；中粮集团生物质能源有 限公司( 广西) 年产2 0 万吨燃料乙醇主要投放广西】。我国已经成为世界燃料乙醇的 第三大生产国和使用国，2 0 0 5 年我国燃料乙醇产量为8 l 万t ，2 0 0 6 年产量超过1 0 0 万t ， 燃料乙醇在全国9 个省的车用燃料市场得以推广和使用。 为了进一步促进可再生能源产业的发展，我国于2 0 0 5 年6 月颁布了中华人民共 和国可再生能源法，以立法的形式鼓励包括燃料乙醇在内的生物质液体燃料的发展。 从实际国情出发，以非粮作物及农业废弃物为原料的生物质能源方面作为资助重点，鼓 励利用丰富的非粮生物质资源和相关技术的研发。我国已自主开发了以甜高梁茎杆为原 料生产燃料乙醇的技术，并建成生产试点。同时，我国中粮集团在纤维素废弃物制取乙 醇技术开发方面已取得阶段性成果i l2 1 。2 0 0 6 年8 月，国内首条纤维素乙醇产业化生产 线河南天冠集团建设年产30 0 0t 的纤维素乙醇项目的投入使用，使利用农作物秸秆 类纤维质原料生产乙醇成为现实，意义深远【1 3 】。 我国燃料乙醇发展的技术问题表现在成本高、耗能多、污染大三个方面，因此燃料 乙醇未来的发展趋势应当是：首先解决原料问题，综合分析我国国情和生物资源分布状 况，因地制宜，发展具有较高生物转化率的作物和农林、农作物废弃物作为生产原料。 二是重视中间产品的利用，拓展应用新领域；三是降低生产过程中的能耗；四是解决生 产中的废水废渣的处理和综合利用问题。 1 2 3 燃料乙醇的研究意义 日益增大的能源需求与日渐减少的化石能源储量形成了严重的需求矛盾，在全球范 围内开始重视可再生能源的研究与开发。因此，发展燃料乙醇产业意义重大。 广西大学硕上论文基于糖酒联产的二压汁加糖蜜发酵乙醇的工艺研究 从能源利用的角度来看，燃料乙醇作为车用燃料的替代品，可以缓解能源紧张的现 状，同时节约石油资源，确保国家能源安全。 从环境保护角度来看，生物质燃料乙醇是太阳能的一种表现形式，具有可再生性。 同时，乙醇作为汽油添加剂可替代有害的增氧剂及防爆剂，减少环境污染。 从产业发展的角度来看，生产燃料乙醇可解决农产品转化问题，也提供了一个可靠 的粮食转化途径，促进了农业发展和新农村建设。 1 3 甘蔗制取乙醇的研究现状及意义 1 3 1 甘蔗是制取乙醇的最佳原料 1 3 1 1 甘蔗含糖量高，转化效率高 成熟的甘蔗，一般含水分7 0 - - 7 7 ，蔗糖1 2 - - 1 8 ，葡萄糖0 4 1 5 ，纤 维9 5 1 2 ，非糖有机物0 7 1 0 ，无机物0 5 - - 1 4 。其中发酵成分是蔗糖， 葡萄糖和果糖。与其他茎类作物相比，甘蔗的蔗糖含量最高，约为1 2 - 1 6 1 4 , 1 5 】。 与淀粉质原料相比，甘蔗作原料生产乙醇，蔗汁中的单糖、双糖和五碳糖可直接由酵母 发酵生产乙醇，比淀粉节省了淀粉合成与糖化两个生化耗能过程，因此，甘蔗的乙醇转 化效率高于其它作物。 1 3 1 2 甘蔗光能利用率高，净能比高 甘蔗是c 4 植物，其光能转换效率、光合效率显著高于其他作物。它的c 0 2 的补偿 点低于5 p p m ，是水稻的1 1 6 。甘蔗的光呼吸作用很弱，仅为水稻的1 1 5 ，同时光饱和 点非常高，在1 0 0 0 0 0 l u x 以上，是水稻的2 5 倍。在自然照射条件下，甘蔗不会出现光 饱和的现象，在夏季能充分利用太阳光。能源蔗光能利用率可达到6 以上，一般是c 3 植物的5 1 0 倍。由于甘蔗的光能利用率很高，其光合强度一般达3 4 4 4 8 6 4 0 c 0 2 m g d m 2 h ，平均强度为5 2c 0 2 m g d m 2 - h ，比c 3 植物高3 1 0 倍【1 6 1 。因此，甘 蔗的净能比最高。 1 3 1 2 甘蔗占地面积小，成本低 籽实作物为原料生产一吨乙醇占用o 5 6 8 2 - - - 0 6 9 0 1 公顷土地，块茎作物为原料生产 一吨乙醇消耗o 2 1 3 3 - - - - 0 3 9 1 l 公顷士地，甘蔗为原料占用土地面积仅为籽实作物的 1 1 5 l 8 ，是块茎作物的1 8 - - 1 3 1 1 3 , 1 7 】，因此生产等量乙醇甘蔗的土地占用面积最小。 4 广西大学硕士论文基于糖酒联产的二压汁加糖蜜发酵乙醇的工艺研究 生产等量乙醇籽实作物的消耗量最低，但是它的价格最高，因而籽实作物生产一吨乙醇 的成本为3 5 0 0 元吨 - 4 7 7 2 8 0 元吨。块茎作物原料价格比籽实作物低，但是比茎秆类 高1 0 0 1 7 0 元吨，从而生产一吨酒精的成本比籽实作物低5 0 ，比秆茎类高6 0 。甘 蔗的价格比籽实作物低9 0 ，比块茎作物低4 0 - 5 0 ，每吨乙醇价格仅为1 5 9 9 1 5 3 1 9 2 1 2 元【18 1 。因此，甘蔗是生产乙醇成本最低的原料。 1 3 1 3 工艺简单，综合利用价值高 与其他能源作物相比，甘蔗生产乙醇的工艺简单，设备投资少，具有明显优势【1 9 】。 甘蔗经过压榨后，榨出的蔗汁可直接经过酵母发酵，在酶的催化作用下蔗糖水解为果糖 和葡萄糖，最后转化为乙醇；而利用淀粉质的原料生产乙醇在技术工艺方面复杂得多， 原料首先要破碎处理，使原料成为颗粒状，然后糊化溶解成液态，再经过糖化作用，最 后由酵母发酵生成酒精。 一 甘蔗生产乙醇除上述优势外，还具有综合利用价值高的特点，蔗渣是造纸工业的优 质原料，也可以用来燃烧发电满足生产的耗能需求，巴西的生产实践表吲2 0 1 ，蔗渣所 含能量的9 0 可以满足蔗汁转化乙醇的生产加工过程，剩余1 0 的能量可出售供给其 他需能企业。生产过程产生的c 0 2 可提供给饮料企业，乙醇的副产物成熟醪经过厌氧处 理生成沼气，可提供给生活用气和发电。 1 3 2 甘蔗汁制取乙醇的研究进展 1 3 2 1 能源甘蔗新品种选育 以产糖为目的的糖料甘蔗的选育目标是高糖高产，而作为生产乙醇的能源甘蔗则要 求在一定蔗糖分基础上，群体生物产量高、抗性强和宿根性好【2 。能源甘蔗最早是美国 植物生理学家a l e x a n d e r 【2 2 j 利用甘蔗和热带能源草本植物杂交选育而成，它的生物产量 比糖料甘蔗高一倍左右，乙醇发酵量高达2 3 2 6 吨年公顷。利用能源甘蔗生产乙醇， 最经济有效的措施是高光效、高生物量甘蔗育种，能源甘蔗品种则是乙醇生产的关键技 术。巴西早在2 0 世纪7 0 年代就投资3 9 6 亿美元实施“生物能源计划 ，育成了s p 7 1 6 1 6 3 和s p 7 6 1 1 4 3 等能源甘蔗品种；美国1 9 7 9 年制定了“u p r 计划，选育出以高生物量 为目标的能源甘蔗新品种u s 6 7 2 2 2 ；8 0 年代中期，印度和美国联合实施i a c r p 计划， 利用热带种和野生蔗杂交培育出乙醇产量达1 2 万升公顷的能源甘蔗品种i a 3 1 3 2 2 3 】。 我国的能源甘蔗研究起步较晚，但发展较快。福建农林大学甘蔗综合研究所在国内 5 广西大学硕士论文 基于糖酒联产的二压汁加糖蜜发酵乙醇的工艺研究 首倡能源甘蔗的研究，2 0 0 1 年该所“甘蔗光合性能的遗传分析及高光效、高生物量能源 甘蔗新品系选育，项目通过农业部科技成果鉴赳2 4 1 。2 0 0 3 年，周会对能源甘蔗亲本 选配和遗传分析作了较全面的研究，得出了能源甘蔗育种中母本选择的重要性的结论， 并选育了组合c p 7 4 3 8 3 桂7 3 1 6 7 、c p 8 4 1 1 9 8 r o c l l 、c p 8 4 1 1 9 8 桂7 3 1 6 7 等6 种较理想的能源甘蔗育种组合，并对分子标记在能源甘蔗遗传育种上的应用进行了讨 论。 鉴于巴西糖酒联产的成功经验，选育糖能兼用的甘蔗品种成为新一轮的研究重点。 游建华2 6 1 ，曾慧等人以新台糖l 号为供体，通过8 0 g y 的c 0 6 0 y 辐射诱变选育出新 品种桂糖2 2 号，蔗茎产量为1 0 6 9 5 t h m 2 、蔗糖产量1 4 2 1 t h m 2 , 最高生物产量达 1 8 8 1 t h m 2 ，可发酵糖产量4 8 9 2 t h m 2 ，是既可作糖蔗又可做能源蔗的甘蔗新品种，2 0 0 5 年1 月通过广西壮族自治区农作物品种审定委员会审定，并命名为桂糖2 2 号。李瑞美【2 8 1 等从桂糖5 7 6 2 4 湛蔗7 4 1 4 1 组合中选育出的一个具有高产高糖、中晚熟、宿根性好、 抗逆性强、适应性广等特性的甘蔗新品种闽糖9 2 1 4 2 系。在福建多年多点试验结果表 明，闽糖9 2 1 4 2 公顷蔗茎产量1 4 0 4 4 6t 、含糖量1 9 5 2 9t ，分别比福建目前主栽品种闽 糖7 0 6 1 1 增产3 0 4 、增糖2 3 4 ，生物产量高达2 0 0 6 3 7t h m 2 。优良能源甘蔗品种的 选育为乙醇的发展奠定了良好的发展基础。 1 3 2 2 甘蔗汁发酵乙醇的优良酵母的选育 甘蔗是热带及亚热带经济作物，生长环境平均温度较高，普通酵母菌的发酵容易受 到温度的影响，导致酒精发酵效率的降低。选育耐高温、耐高浓度发酵的酵母，可缩短 发酵时间，提高发酵效率，降低发酵成本，以达到原料低成本、大规模生产燃料酒精的 目的。因此，选育耐高温、耐高浓度酒精酵母是甘蔗生产乙醇的关键。 ( 1 ) 自然筛选法 从自然界直接分离筛选高产酒精酵母是育种工作中最直接实用的方法之一。经过在 自然界中的长期进化，这些酵母菌在遗传和高产、耐高浓度酒精能力方面都相当稳定 1 2 9 , 3 0 】。毛志群3 1 1 等采用含有高浓度酒精选择性培养基从自然界中分离得到1 株耐高酒精 酵母，经过初筛、复筛，得到1 株高产酒精酵母菌株s p 一4 8 ，在料水比l ：2 ，发酵7 2 h 的条件下，静止发酵，成熟醪酒精的体积分数可达1 6 2 ，经鉴定该酵母属酿酒酵母 ( s a c c h a r o m y c e sc e r v i s e a e ) 。 ( 2 ) 诱变育种法 诱变育种是目前实验室选育菌种的最常用方法。通过传统诱变技术【3 2 】，主要手段有 6 广西大学硕士论文基于糖酒联产的二压汁加糖蜜发酵乙醇的工艺研究 紫外线、x 射线、y 射线及硫酸二乙酯( d f s ) 、5 一嗅尿嘧啶( 5 一b u ) 和亚硝基胍( n t g ) 等，对酵母的原始菌株进行处理，对诱变后的菌株进行筛选，最后得到目的菌株【3 3 1 。 范元发1 3 4 】等以酵母菌株y s 5 作为出发菌株，将酶解破壁后获得的原生质体进行紫外诱 变，通过初筛和复筛进行选育获得了一株适合蔗汁发酵高产酒精的酿酒酵母突变株 y s 5 1 ，该突变株发酵甘蔗汁的乙醇含量可达1 2 6 ( v v ) ，较出发菌株的1 1 6 ( v ) 提高了8 6 ，其糖的转化率高达9 4 5 ，高于出发菌株的8 7 0 。 ( 3 ) 原生质体融合法 一原生质体融合技术是选育优良酵母比较常用的研究方法，通过将双亲株的酵母细胞 用酶解去壁，使之形成原生质体，然后在高渗条件下混合，通过细胞核融合而发生基因 组间的交换、重组，获得重组子。原生质体融合技术可直接选用生产性能好的菌株作为 亲株，据研究报道：张远平1 35 】等采用e m s 诱变处理并经逐渐提高培养温度，淘汰不适 应高温生长的细胞，驯化到3 9 后得到适应性群体p 2 后，再采用细胞融合技术，与实 验得到的耐酒精且发酵率高的群体p l 进行细胞融合，整合了正突变群体里和耐温有关 的座位，使得融合子在高温条件下正常生长，同出发群体p 1 和p 2 相比较，融合子f 3 0 5 在3 8 高温条件下的发酵效率分别提高了1 5 1 3 和1 4 0 6 ，效果明显。 ( 4 ) 基因工程法 由于发酵副产物的产生、产物及次级产物对酵母细胞的毒性、底物利用的局限性等 原因，使得酵母细胞发酵乙醇的产率不高。利用d n a 重组技术，通过操纵酵母细胞内 的酶转运及调控功能，对细胞内特定生化反应进行修饰，以定向控制代谢途径和改变产 物的生成，以达到提高酵母细胞发酵乙醇的产率【3 6 】。范元发3 刀对出发酵母菌株 y s5 1 8 r r n a 序列进行克隆、鉴定并构建进化树，为基因重组研究提供了基础研究。梁 磊【3 8 】以g z 0 5 3 3 、g z 2 4 1 和g z 5 8 2 为亲本菌株，通过三次s h u f f l i n g 将菌株的多重耐受 性基因集中于同一菌株，选育出适合于蔗汁发酵的多重抗性酒精酵母m s r l 4 和m s r 2 3 ， 与出发菌株相比，多重胁迫条件的耐受性分别提高了7 和l o 5 。 1 3 2 3 甘蔗汁乙醇生产工艺的研究 用甘蔗汁发酵生产乙醇及其汽油与乙醇混配作动力燃料的有关技术，巴西最为成 熟。巴西糖酒联产的主