（发酵工程专业论文）甜高梁秆固态发酵酒精及其发酵渣利用的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t s 2 6 2 2 ：t s 2 6 1 4学科分类号1 8 0 7 1 5 0 论文编号 l o o l 0 2 0 0 7 0 8 7 9 密级非保密 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名宋俊萍学号 2 0 0 4 0 0 0 8 7 9 获学位专业名称 发酵工程 获学位专业代码 0 8 2 2 0 3 课题来源自选课题研究方向酒精发酵 论文题目甜高粱秆固态发酵酒精及其发酵渣利用的研究 关键词甜高梁，固态发酵，酒精，发酵条件，补料发酵，发酵渣，综合利用 论文答辩日期 2 0 0 7 - 5 - 2 6论文类型2 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师马润字教授北京化工大学 制药工程 评阅人1王艳辉 副教授 北京化工大学化学工程生物化工 评阅人2 王云山 副研究员 中科院过程所生物化工 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员会蛳王云山副研究员中科院过程所生物化工 答辩委员1陈劲春教授北京化工大学制药工程 答辩委员2王艳辉副教授北京化工大学 化学工程生物化工 答辩委员3陶风云讲师北京联大生化学院 生物化工 答辩委员4 答辩委员5 ) 王：一 四 论文类型：1 基础研究 2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在( ( 中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b tl3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后凹位组成。 一一11一，j q j 1 1 摘要 甜高梁秆固态发酵酒精及其发酵渣利用的研究 摘要 本研究是利用高能作物甜高粱秸秆中丰富的糖分为原料生产酒精，从 固态发酵的条件优化、发酵方式以及发酵渣的利用方面进行了研究，为甜 高粱秸秆固态发酵的工业化生产奠定了基础。 首先，确定了甜高梁秆固态发酵生产酒精的最佳条件：按照发酵料重 量比添加o 5 的( n i l ) 2 s 0 4 ，o 5 的c a c l 2 ，接种率为0 5 ，发酵时间 2 4 h ，最适p h 值5 o 。在上述优化条件下，将总糖含量为1 3 ，含水量约 8 0 的甜高梁秸秆直接绞碎，在3 5 下固态发酵，每克甜高粱干料可以 产生0 2 9 8 9 乙醇。照这样计算，生产i t 酒精需要3 0 1 t 的甜高粱秸秆干料。 这种采用甜高粱秆直接粉碎后固态发酵的方式，不仅可以节省榨汁成本， 而且充分利用了固态发酵的发酵残渣少，具有能耗少，投资少，运作费用 低，空间要求低，产生的废水少等一系列优点。 其次，研究了甜高梁秆补料发酵，即在发酵1 6 h 之后补加新料，再继 续发酵8 h 结束，这种发酵方式得到的乙醇最多，与未补料的相同发酵条 件相比，乙醇产量增加了1 8 5 。 另外，为了降低酒精的能耗，利用c 0 2 气体作为载气，进行了气提发 酵实验，气提效率为7 9 1 6 。延长发酵时间，升高气提温度，产量会有 所提高。 最后，研究了甜高梁秆固态发酵渣的综合利用情况。将酒精发酵渣过 8 目筛，留在筛子上面的是长纤维发酵渣，蛋白含量是3 9 5 ，体外消化 率是3 5 4 0 ，长纤维发酵渣彼此之间特别的清晰，韧性好，可以作为造 纸原料；通过筛子的是短纤维发酵渣，蛋白含量是6 3 7 ，体外消化率是 4 3 5 9 ，呈粉末状，留有发酵之后的醇香，手感质地松软，适口性好， 可以用来饲喂牲畜。本研究使发酵渣得到很好的利用，可以减少环境污染。 关键词：甜高粱，固态发酵，酒精，发酵条件，补料发酵，发酵渣，综合 利用 i i 一 ，t 摘要 r e s e a r c h o ne t h a n o lp r o d u c t i o nf r o ms w e e t s o r g h u ms t a l ki ns s fa n du s i n go f f e r m e n ，】c a t i o nr e s i d u e a b s t r a c t m a c r o e r g i cc r o p - s w e e ts o r g h u m ，w h o s es t a l k s h a v ep l e n t yo fs u g a r , w h i c hc a nb eu s e df o rp r o d u c i n ge t h a n 0 1 r e s e a r c ho np r o d u c t i o no fe t h a n o l f r o ms w e e ts o r g h u ms t a l ki ns s fw a sd o n ei n t h i se x p e r i m e n t ，a n dt h e f e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n s ，s t y l e sa n du s i n go fs w e e ts o r g h u mr e s i d u ew e r e s t u d i e d t h ep a p e rp r o v i d e ds o m ep r o v e sf o ri n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o no f s w e e ts o r g h u ms t a l ki ns s e f i r s t l y , t h eo p t i m a la l c o h o l i cf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n si ns s f w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t h0 5 0 y e a s t ，f e r m e n t a t i o nf o r2 4 h ，p h5 0 ，o 5 ( n h 4 ) 2 5 0 4a n do 5 c a c l 2a c c o r d i n gt o t h ea m o u n to fs w e e ts o r g h u m ， m a x i m u me t h a n o lw a sp r o d u c e d i na b o v ef e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n s ，s w e e t s o r g h u ms t a l k sw h i c hc o n t a i n1 3 t o t a ls u g a ra n d8 0 w a t e rc o n t e n t ，w e r e w r i n g e dd i r e c t l yt o0 5 c m ，a f t e rf e r m e n t i n gi n3 5 。c f o r2 4 h ，t h e yp r o d u c e d w a y , i te t h a n o lc o u l db e 北京化t 人学硕i ：学位论义 p r o d u c e d f r o m3 0 1 t d r y s w e e ts o r g h u m w i t ht h i sm o d eo fa l c o h o l i c s o l i d - s t a t ef e r m e n t a t i o nf r o mw r i n g e ds w e e ts o r g h u m ，t h ec o s to fp r e s s i n g j u i c ew a ss a v e d i na d d i t i o n ，i t sa d v a n t a g e si n c l u d e dl e s sf e r m e n t a t i o nr e s i d u e ， l e s se n e r g yc o n s u m ea n di n v e s t m e n t ，l o w e ro p e r a t i o nc o s t ，s m a l l e rr o o m ，l e s s w a s t ew a t e ra n ds oo n s e c o n d l y , o nt h eb a s eo fo p t i m a lf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n s ，t h er e s e a r c ho n f e e d - b a t c hf e r m e n t a t i o nw a sc a r r i e d o u t a d d i n g n e wf e e da f t e r 16 h f e r m e n t a t i o n ，t h e ng o i n go nf e r m e n t i n gf o r8 h ，t h ee t h a n o ly i e l dr e a c h e di t s m a x i m u mw i t hai n c r e a s eo f1 8 5 t h a nn of e e d b a t c hf e r m e n t a t i o n t h i r d l y , i no r d e rt or e d u c et h el o s s o fe n e r g y , g a s s t r i p p i n ge f f e c t e x p e r i m e n tw a ss t u d i e dw i t hc 0 2 a sc a r d e rg a s ；7 9 1 6 e t h a n o lw a so b t a i n e d a f t e rg a s - s t r i p p i n ga n dr e f r i g e r a t i o n e t h a n o ly i e l dw o u n di n c r e a s eab i t ，w h e n p r o l o n g i n gt i m ea n di n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e f i n a l l y , c l a s s i f i c a t i o nu s i n g o fs w e e ts o r g h u mr e s i d u ew a ss t u d i e d f e r m e n t a t i o nr e s i d u eo fs w e e ts o r g h u mw a ss c r e e n e dw i t h8m e s h s c r e e n ，l o n g f i b r e dw h i c hc o n t a i n e d3 9 5 p r o t e i n ，w h o s ed i g e s t i o ni nv i t r ow a s3 5 4 0 r e m a i n e do nt h es c r e e n ；a n ds h o r tf i b r e dw h o s en u m b e rw a s3 6 3 7 a n d 4 3 5 9 r e s p e c t i v e l y , p a s s e dt h e s c r e e n b e c a u s e l o n g f i b r e dh a dg o o d t o u g h n e s s ，e s p e c i a l l yd i s t i n c t l yo n ea n o t h e r , i tc o u l db eu s e dt om a k ep a p e r s h o r tf i b r e dh a dg o o dw i n es m e l l ，s o f tf e e l i n ga n dw e l ld a i n t y ，s oi tc o u l db e u s e df o rf e e d i n gl i v e s t o c k i nt h i se x p e r i m e n t ，t h es w e e ts o r g h u mr e s i d u ew a s m a d eg o o du s eo fs ot h a ti tc o u l dr e d u c ee n v i r o n m e n t p o l l u t i n g i v 摘要 k e yw o r d s ：s w e e t s o r g h u m ，s o l i d s t a t e f e r m e n t a t i o n ，e t h a n o l ， f e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n s ，f e e d b a t c hf e r m e n t a t i o n ，f e r m e n t a t i o nr e s i d u e ， c o m p r e h e n s i v eu s i n g v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 燃料酒精的研究现状1 1 1 1 国外燃料酒精研究现状1 1 1 2 国内燃料酒精研究现状2 1 1 3 燃料酒精简介3 1 1 4 燃料酒精的生产原料3 1 2 甜高粱秆发酵酒精概况”5 1 2 1 生物质能源简介”5 1 2 2 甜高粱简介”6 1 2 3 甜高粱秆发酵生产酒精现状6 1 2 4 甜高粱秆汁液态发酵酒精的研究7 1 2 5 甜高粱秆固态发酵酒精的研究“8 1 3 甜高粱秆发酵渣的利用1 0 1 3 1 甜高粱秆发酵渣作饲料1 1 1 3 2 甜高粱秆发酵渣作造纸原料”1 2 1 4 操作方式的种类1 2 1 5 乙醇气提发酵”1 3 1 6 _ 、结1 3 1 7 本论文研究目的以及研究思路”1 4 第二章甜高梁秆固态发酵酒精的发酵条件的研究1 5 2 1 引。言1 5 2 2 实验材料与方法1 5 2 2 1 实验材料1 5 2 2 2 实验方法1 6 2 3 实验结果及讨论1 7 2 3 1 甜高粱秆皮、鞘、髓质中的水分以及含糖量的测定1 7 2 3 2 活性干酵母的接种量以及发酵时间对甜高粱秆固态发酵酒精的影响1 7 l 北京化t 人学硕i ：学位论文 2 3 3 灭菌与否对甜高粱秆固态发酵酒精的影响1 8 2 3 4 初始p h 值对甜高粱秆固态发酵酒精的影响1 9 2 3 5 添加营养盐对甜高粱秆固态发酵酒精的影响2 0 2 3 6 加少量酶对甜高粱秆固态发酵酒精的影响2 1 2 4 小结2 2 第三章甜高梁秆补料固态发酵研究2 5 3 1 引言2 5 3 2 实验材料及方法2 5 3 2 1 实验材料2 5 3 2 2 实验方法2 6 3 3 实验结果及讨论”2 6 3 3 1 蔗糖、葡萄糖、果糖以及乙醇的标准曲线2 7 3 3 2 主要糖分的测定结果2 7 3 3 3 在不同时间补料的发酵结果2 8 3 4 小结2 9 第四章甜高梁秆固态发酵气提法生产酒精的研究3 1 4 1 引言3 1 4 2 甜高粱秆固态发酵酒精设备3 1 4 3 实验步骤3 2 4 4 实验结果及讨论3 3 4 4 1 气提效果测定3 3 4 4 2 发酵效果测定3 4 4 5 小结”3 4 第五章甜高梁秆固态发酵渣综合利用的研究3 7 5 1 引言3 7 5 2 甜高粱秆固态发酵渣分级及其蛋白质含量的测定3 7 5 2 1 实验仪器以及试剂3 7 5 2 2 样品处理3 8 5 2 3 消化“3 9 i i 日录 5 2 4 蒸馏3 9 5 2 5 滴定4 0 5 2 6 结果及讨论4 0 5 3 甜高粱秆固态发酵渣分级及其体外消化率的测定4 1 5 3 1 实验材料、试剂及仪器4 1 5 3 2 样品制备4 2 5 3 3 实验方法一4 2 5 3 4 实验结果及讨论4 3 5 4 ，j 、结“z h 第六章研究工作总结与建议4 5 6 1 研究工作总结4 5 6 2 建议4 6 参考文献4 7 附录主要实验标准曲线的绘制5 1 附录1 总糖含量的测定5 1 1 1 原理( 苯酚浓硫酸法) 5 1 1 2 总糖测定中的标准瞌线5 1 附录2 还原糖含量的测定5 2 2 1 原理( d n s 法) 5 2 2 2 还原糖标准曲线的测定“5 2 附录3 蔗糖标准曲线测定5 4 3 1 原理5 4 3 2 蔗糖标准曲线的测定“5 4 附录4 果糖标准曲线的绘制5 5 4 1 原理“5 5 4 2 果糖标准曲线的测定5 5 附录5 葡萄糖标准曲线的测定5 6 5 1 原理5 6 5 2 葡萄糖标准曲线的测定5 6 附录6 乙醇标准曲线的绘制5 8 6 1 原理5 8 i x 北京化丁人学硕i ：学位论义 6 2 乙醇标准曲线的测定5 8 致j 射。5 9 简历以及研究成果6 1 x 符呼说l j s s f h p l c r i d d n s h m l n o d g s e f 符号说明 s o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o n 固态发酵 h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y 高性能液相色谱 r e f r a c t i v ei n d e xd e t e c t o r 折光示差检测器 3 ，5 一d i n i t r o s a l i c y l i ca c i d3 , 5 二硝基水杨酸 h o u r 小时 m i n u t e 分钟 o p t i c a ld e n s i t y 光密度 g a ss t r i p i n ge t h a n o lf e r m e n t a t i o n 乙醇气提发酵 x l 第一章绪论 1 1 燃料酒精的研究现状 1 1 1 国外燃料酒精研究现状 第一章绪论 随着能源的同益枯竭和环境污染的日益严重，利用能源作物生产生物液体燃料受 到了世界各国的高度重视【l j 。从上世纪7 0 年代石油危机以来，一些发达国家开始尝 试利用生物资源生产液体燃料，以减少对石油进口的依赖，随着全球环境问题的日益 突出和石油价格的持续上涨，生物燃料得到了进一步的重视，发展生物燃料已成为发 达国家提高能源安全、减排温室气体、应对气候变化的重要措施。2 0 0 5 年，全世界生 物燃料乙醇的总产量约为3 0 0 0 万吨，其中巴西和美国的产量均约为1 2 0 0 万吨，生物 燃料已实现规模化生产和应用弘j 。 巴西适宜甘蔗生长，为了减少对石油进口的依赖，从1 9 7 5 年开始实施“燃料乙醇 计划”，以甘蔗为原料生产燃料乙醇替代车用汽油，是燃料乙醇的最大生产卧川。主要 做法包括：一是规定车用汽油必须添加一定比例的燃料乙醇；二是安排资金支持改良 甘蔗品种、改进乙醇生产工艺、开发燃料乙醇汽车；三是对燃料乙醇和乙醇汽车的生 产和销售减免有关税费。经过多年的努力，巴西“燃料乙醇计划”达到了预期目的。自 从1 9 8 5 年以来，虽然燃料乙醇产量因油价、糖价和政策影响有所波动，但平均年产 量达1 0 0 0 万吨，累计替代石油约2 亿吨。目前巴西所有车用汽油均添加2 0 2 5 的 燃料乙醇，并且已有大量使用纯燃料乙醇的汽车，2 0 0 5 年销售的汽车有7 0 为可以 完全燃用纯燃料乙醇的汽车p j 。2 0 0 5 年巴西燃料乙醇消费量为1 2 0 0 万吨，相当于当 年汽油消费量的4 5 ，约占车用燃料消费总量的1 3 ，为7 0 多万人提供了就业机会。 燃料乙醇已成为巴西保障能源安全、促进经济发展、增加就业的支柱产业l ) j 。 美国1 0 1 从上世纪7 0 年代开始发展燃料乙醇，主要是利用其耕地多、玉米产量大 的优势，以玉米为原料生产燃料乙醇。美国为推广燃料乙醇实施了积极的经济激励政 策，每加仑燃料乙醇可得到5 1 美分的税收返还( 折合每升1 3 5 美分) 。为了进一步 扩大生物燃料的应用，最近美国国会通过的2 0 0 5 年能源法提出了可再生能源燃 料配额标准，要求在汽油消费中包含特定数量的可再生能源燃料，而且将逐年递增。 从2 0 0 6 2 0 1 2 年，可再生能源燃料年用量要从4 0 亿加仑( 1 2 0 0 万吨) 增加到7 5 亿加 仑( 2 3 0 0 万吨) 。同时，美国积极发展纤维素制取燃料乙醇的技术，进一步扩大可利 用的生物质资源，以便更大规模地替代石油l ，j 。 欧盟对生物燃料也很重视，但由于欧盟成员国人均耕地面积少，地处温带，农业 生产条件较差，不具备大量使用粮食或甘蔗生产燃料乙醇的条件，因此，欧盟生物燃 料主要以生物柴油为主，主要有以大豆、油菜籽等为原料生产柴油和以回收动植物废 北京化t 人学硕l j 学位论文 油为原料生产柴油两种方式f 8 1 。目前，原欧盟1 5 个成员国年产生物柴油约2 0 0 力吨， 占世界生物柴油总产量9 0 ，其中德国生物柴油年产量约为1 5 0 万吨。 1 1 2 国内燃料酒精研究现状 我国是全球第二大石油消费国，石油进口量占国家石油总供给量的4 0 以上。石 油供应不足不仅严重影响社会经济发展，而且威胁国家安全。我国的石油资源匮乏和 供应不足，已经引起国家的高度重视。为缓解石油匮乏对我国的影响，中华人民共 可再生能源法、国家高新技术产业发展项目管理暂行办法鼓励包括燃料乙醇在 内的生物质液体燃料的发展。 自2 0 0 1 年7 月1 日起，我国开始在东部地区推广使用乙醇汽油。目前，我国以 陈化粮为原料已建成黑龙江华润、安徽丰原和河南天冠等大型企业，年产燃料乙醇1 0 2 万吨。我国燃料乙醇的生产成本较高，以玉米和陈化的小麦为原料生产成本为 4 4 0 0 4 5 0 0 元t ；以甘蔗和鲜木薯为原料的生产成本为3 3 0 0 元t 左右；以甜高粱为原 料的生产成本为2 6 0 0 元t 左右。总体而言，发展非粮食原料生产的燃料乙醇，市场竞 争力较强。甜高粱是我国近年来发现的最具开发价值的生物质原料，单位面积产酒精 的能力是玉米的2 倍，甘蔗、甜菜的1 2 1 3 倍，是当前生产燃料乙醇的首选原料，未 来发展甜高梁生产燃料乙醇的市场前景广阔p j 。 我国政府科技部门非常重视生物质燃料乙醇的开发利用工作，自“七五”到“十五” 期间的2 0 年来，一直被列为国家重点科技攻关课题【lu 。我国有成熟的酒精生产技术 和大规模的酒精生产能力，具备发展生物燃料乙醇的技术基础。上世纪末，为促进陈 化粮的转化，刺激农业生产，缓解石油危机，在国家的大力扶持和推动下，建成了以 陈化粮( 玉米) 为原料，以安徽丰原和黑龙江华润为龙头的四家大型骨干企业、年转 化玉米3 0 0 多万吨，年产燃料乙醇1 0 2 万吨，使我国一跃成为世界燃料乙醇第三生产 大国，现已在山东、河南等9 个省开展车用乙醇汽油销售。受粮食产量制约，我国近 期不再扩大以粮食为原料的燃料乙醇生产i l 。 我国把开发可再生能源列入了“十五”发展计划纲要。所以2 0 0 1 年，我国启动了“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。国家有关部门也制 订并颁布了变性燃料乙醇、车用乙醇汽油等标准，燃料酒精已成了一种可以再 生的、能替代石油等不可再生的矿物能源的清洁能源【j 别。 2 0 0 6 年4 月，国家能源领导小组组长温家宝在主持召开国家能源领导小组第二次 会议中强调i j ，“要重视可再生能源技术开发和示范，可选择一些地区，集中开展风 电、生物液体燃料、太阳能示范，通过示范项目建设带动可再生能源的全面发展 。 2 第一章绪论 1 1 3 燃料酒精简介 燃料酒精也称燃料乙醇、汽油醇、乙醇酒精等，它是以玉米、小麦、薯类、糖蜜 等为原料，经发酵、蒸馏而成，将乙醇进一步脱水再加上适量汽油后形成变性燃料乙 醇i l 引。所谓车用乙醇汽油就是把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混配成的一种汽车燃 料。将燃料乙醇调入汽油后，可以作为汽油的替代物以减少汽油耗量；可以显著提高 汽油的抗爆性；在某种意义上说可以减少汽车尾气污染物的排放，改善城市环境【l 训。 在巴西，用无水酒精做燃料的世界上第一架飞机已试飞成功。用酒精做燃料的最 大优势在于价格便宜，其价格只相当于汽油的1 4 ，并可大大减少环境污染。目前，在 一些国家通常将乙醇按1 0 比例与汽油混合配制成乙醇汽油( 简称e l o 汽油) ，使用它可 节省石油6 左右，并且e l o 汽油洁净、不污染环境、能减少温室气体。据预计，在日本 若使用e 1 0 汽油，可使温室气体从2 0 降到1 。因此，e l o 的使用对维持生态平衡十分有 利，发展乙醇或乙醇汽油产业有着重要意义l l 引。 用酒精作发动机燃料有许多优点，发动机无须或稍加改动即可燃用汽油醇，并且酒 精各地均可生产，它不污染大气i l o j 。通过对国产小轿车试验表明，汽车尾气中c o 、h c 排放量算术平均值分别下降了3 0 8 和1 3 4 。应用酒精燃料的好处是：解决了能源、 环境、健康问题、提供就业机会、减少外汇支出和对外国石油的依赖，增加了农民的收 入。因此，许多国家都把酒精生产纳入能源计划的一部分，这就是世界酒精产量急剧增 加的原因。 燃料酒精的环境效益具体体现在以下5 个方面p j ：代替重金属( 铅和锰) 和mt be 汽油添加剂；酒精是不含硫的清洁燃料，使用酒精可以减少二氧化硫的排放， 减少酸雨危害；酒精具有简单的分子结构，燃烧后可减少汽车尾气中颗粒，净化大 气环境。像圣保罗那样的特大城市，由于使用酒精燃料，大气环境相当优良；减少一 氧化碳和碳氢化合物的排放；减少温室气体二氧化碳排放量。每吨用于生产酒精甘 蔗，光合作用吸收二氧化碳的量，减去酒精生产和酒精燃烧放出的二氧化碳，能够减 少o 1 7 0 2 5 t 的二氧化碳排放量。 1 1 4 燃料酒精的生产原料 生产酒精的作物以糖料作物和淀粉植物为主。另外也有纤维素类，经过处理之后 转化为酒精的。 ( 1 ) 淀粉类原料酒精生产常用的淀粉质原料【i ，j 有薯类、粮谷类、野生植物类 和农产品加工的副产品等。薯类原料：主要有甘薯( 又名红苕、地瓜、番薯) 、马铃薯( 又 名土豆、洋芋1 、木薯等。粮谷类原料：有玉米、高梁、大麦、小麦、稻谷等。野生植 物类：系指椽子、金刚头、土茯苓、芭蕉芋等。农产品加工副产品：主要有米糠、麸 3 北京化t 入学硕i j 学位论文 皮、各种粉渣等。 一般束说，用淀粉作物生产酒精不如用糖料作物，因为制酒精时必须首先把淀粉 转化为糖，然后再将糖转化为酒精。具体途径如图1 1 所示【1 8 1 。 图1 1 淀粉类原料发酵酒精路线 f i g 1 - 1c o u r s eo fa l c o h o l i cf e r m e n t a t i o nu s i n gs t a r c hm a t e r i a l ( 2 ) 纤维素类原料所有植物来源的木质纤维素i l 弘以j 均含有丰富的纤维素、半 纤维素和木质素，其中的纤维素和半纤维素可作为乙醇发酵的原料。例如许多文献介 绍如何利用玉米秸秆发酵制取酒精，其流程如图1 2 所示弘j 。 ( 3 ) 糖蜜类原料生产酒精的糖质原料，主要是指糖蜜。糖蜜是生产白砂糖后 的产物，随着制糖技术的不断提高，使得糖蜜的质量不断下降，可发酵性糖分逐渐减 少，对酒精生产中的发酵带来不利。现在一般的糖蜜等级划分如下。 一级糖蜜：总糖含量5 0 以上。不溶物和胶体物等杂质含量较少。 二级糖蜜：总糖含量在4 5 5 0 之间。 三级糖蜜：总糖含量在4 5 以下。 所有等级的糖蜜浓度均不得低于8 0 9 0 b x ( b x 表示糖浓度值，称为锤度) 。据某厂 对甘蔗糖蜜成分分析，各组成分如表1 1 所示。 4 毫 第一章绪论 尔蟹 磊五订拳欢 叫2 = l ! 竺曼i 【训 钎椎鬻群鼬e c h 甜。蕊y c 帕e e ! e v l 8 l a e 蛩 正y 强n 哪l o n a s 曩油1i l s a 按发酵 i，。 ，j 一 c 1 0 s t r ld ju it h e r c e l u c 1 0 j ；c r i d i 蛳，c e r o o f s i 姻 e z 回 舁掏终r 茹函翮堡曼 吨= z l 堡曼臻j l 二乙7 本膏异均霸5 a c c h a r o w y c e mc o r 口v a s i a o 阿j 卜 直竣发酵 一 ， o 。冬i ：s t ； 衰= 。磊嚣毗s 3 c c h 。r 0 3 ，t i 嘲 c i o s r d d p j ms te r c o r a iu 撕 c l o s t r i d i u th e r - o h y d z d 0 u l ，j u j c t m p a c 西y s o l o nt a n n o p h il q s k t u 3 h e r o m y o e 9 葶岛乒 广_ 1 叫查墨兰i ( 不熊转化为霸提) 图1 - 2 木质纤维素发酵生产乙醇的路线 f i g 1 - 2c o u r s eo fa l c o h o l i cf e r m e n t a t i o nu s i n gl i g n o c e l l u l o s e sm a t e r i a l 表1 1 甘蔗糖蜜成分分析 t a b l e l - 1c o m p o n e n ta n a l y z eo fs u g a r c a n eg o o e y 项目 锤度b x 萼蔗糖纯度胶体非謦性酸度誉警警 亚孽酸 8 5 55 0 82 9 75 9 4 1 1 14 5 79 5o 5 92 0 oo 4 6 敞 碳酸法 8 25 4 83 5 85 97 55 0 61 0 00 1 2 1 9 00 5 4 以含p 2 0 5 计。 1 2 甜高粱秆发酵酒精概况 1 2 1 生物质能源简介 生物质能【纠是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重 要地位，一直是人类赖以生存的重要能源之一。通过发酵使生物能源经济有效地转化 为液体原料，是缓解当今人类所面临的粮食、能源和环保三大危机的重要途径之一。 生物质能用于乙醇的生产是生物能源的重要组成部分，可被广泛的应用于化工、 食品、饮料工业、军工、同用化工和医药卫生等领域。其中酒精作为汽油的代用品， 不污染空气，可以减轻城市的大气污染问题。因此，许多国家都把酒精生产纳入能源 计划的一部分，这就是世界酒精产量急剧增加的原因。 用于酒精生产的生物质能源非常广泛，以玉米、甘蔗等为原料生产燃料乙醇已在 美国、巴西等国家得到了广泛的应用，我国北方的甜高粱茎秆，南方的甘蔗、木薯都 5 北京化| t 人学硕f j 学位论义 是好的燃料乙醇原料，是建设“绿色油田，的资源根本【2 5 1 。随着2 0 0 6 年中华人民共 和国可再生能源法的实施，燃料乙醇市场的开放，甜高粱茎秆制取乙醇的产业化进 入初始阶段1 2 6 1 。 我国可再生能源法规定，把生物液体能源作为优先发展的领域。“十一五”规划更 明确地把甜高粱秆制汽油乙醇作为首选。许多有识之士早就丌展了这方面工作【2 7 , 2 8 】。 1 2 2 甜高粱简介 甜高粱弘刈 s o r g h u mb i c o l o r ( l ) m o e n c h 作为生物质能源植物的一种，是粒用高粱 的一个变种，它同普通高粱一样，每6 6 7 m 2 地能生产出1 5 0 5 0 0 k g 的粮食，但它的精 华不在于它的籽粒，而在于它那4 0 0 0 5 0 0 0 k g 6 6 7 m 2 的富含糖分的茎秆，因此也被叫 做甜秫秸、甜秆和糖高粱。在我国，甜高粱的单位面积酒精产量远高于玉米、甜菜和 甘蔗，在我国中部优良的甜高粱品种的含糖量可与甘蔗相媲美，在北方要比甘蔗高p 】。 在生物量能源系统中，甜高粱是第一位的竞争者，在北京甜高粱品种“雷伊”，从 7 月2 0 2 6 日期间，平均每天长高1 2 c m ，其生长速度之快，实在令人赞叹，无愧于“高 能作物”的光荣称号j 。每6 6 7 m 2 甜高粱每天合成的碳水化合物可产3 2 l 酒精，而玉米 只有1 l ，小麦为0 2 l ，粒用高粱才o 6 l 。南斯拉夫联邦共和国的实验也表明，每公 顷水浇地可产8 0 0 0 l 酒精。 甜高粱不仅有“高能作物”之称，而且也因它有抗旱、耐涝、耐盐碱的特性，故有 作物中的“骆驼”之称i j 。它对土壤的适应能力很强，p h 值5 0 8 5 ，均能很好地生长。 甜高粱根系发达，有大量次生根，能从干燥的土层中吸收水分，茎表以及叶脉外部都 有蜡质，可以阻止水分散失，所以能够耐旱。甜高粱也能耐水涝，只要田间的积水没 有淹没穗部，对其生育和产量的影响都不大。 利用甜高粱秆中的蔗糖、葡萄糖和果糖可直接发酵生产酒精【j 厶弱j ，加工过程中 无污染产生。而以玉米或薯干为原料生产酒精，需要经过湿磨( 或干磨) 、糊化、水解、 发酵等工序，生产成本高，工艺复杂，且污染环境1 j 4 j 。 1 2 3 甜高梁秆发酵生产酒精现状 当前对于酒精行业来说，原料价格较高，而酒精价格始终在低价位波动，给酒精 企业的生产带来了沉重的压力，资金运转十分困难，许多企业因此处于停产或半停产 状态，无法维持正常的生产经营。如何使企业走出低谷，摆脱目前困境，成为各酒精 生产企业首要解决的问题。 甜高梁茎秆中含有的大量糖分，可用于发酵生产成酒精，这是一种取之不尽的生 物能源库。目前，世界范围的能源紧张状况，使得高粱生产酒精的发展前景看好【3 5 】。 6 第一帝绪论 利用甜高粱生产酒精作能源越来越受到重视【3 6 1 ，许多国家，特别是巴西等国家都投入 力量加以研究，并已丌始利用【3 7 ，3 8 1 。张管生【3 9 】探讨了用甜高粱茎杆工业化生产燃料 乙醇的工程路线。 1 2 4 甜高粱秆汁液态发酵酒精的研究 甜高粱发酵生产酒精有两种方式p u j 。甜高粱茎秆生产酒精通常采用的是液态发酵 技术。甜高粱茎秆经机械压榨处理提取汁液之后进行发酵生产酒精p b 牝j 。利用甜高粱 汁液态发酵乙醇，流程一般是先清理甜高粱秸秆，再将秸秆破碎榨汁，将榨出的汁过 滤澄清，加入一定量的酵母进行发酵，最后得到所需的乙醇产品。其中有人利用下面 的路径液态发酵乙醇。 曹俊峰、高博平一j 等研究了甜高粱汁在不同的p h 值，接种量、温度、浓度、时 间条件下进行发酵的情况，流程如图1 3 所示；张恩铭、刘荣厚等一1 研究了在甜高粱 汁液态发酵过程中添加四种营养盐 ( n i - 1 4 ) 2 8 0 4 、m g s 0 4 、k h 2 p 0 4 、c a c l 2 对最终的酒 精产量的影响。孙清、赵玲、孙波等一j 采用正交试验的方法，以辽宁沈抚污灌区栽种 的甜高粱茎秆为试材，研究了氮、钾、镁营养盐添加量对酒精产率的影响，确定了甜 高粱发酵酒精的适宜工艺。王峰、成喜雨等人l 4 0 i r 研肃t m g s 0 4 、( n h 4 ) 2 s 0 4 和k h 2 p 0 4 对甜高梁茎秆汁液酒精发酵的影响，并对其酒精发酵的经济可行性进行了分析。另外 还有几篇专利是利用液态发酵方法生产酒精的方面的研究p 卜m j 。 7 北京化工人学硕l ：学位论文 i 混合汁 l 图1 - 3 甜高粱汁液态发酵酒精流程 r i g 1 - 3a l c o h o l i cf e r m e n t a t i o nf l o wi nl i q u i ds t a t ef e r m e n t a t i o n 1 2 5 甜高粱秆固态发酵酒精的研究 1 2 5 1 固态发酵简介 固态发酵( s o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o n ，s s f ) 是指在培养基呈固态，虽然含水丰富，但 没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵过程，底物( 基质) 是不溶于水的聚合物，它可以提供微生物所需的碳源、氮源、无机盐、水及其它营养 物，还是适宜微生物生长的场所。固态发酵技术古已有之，但是因为固态发酵技术至 今未达到纯种培养与大规模产业化要求，而一直被隔离在现代发酵工业的大门之外， 作为传统与落后的代表被忽视【5 2 】。 固态发酵的主要特点【5 3 】是发酵体系没有游离水存在，微生物是在其有足够湿度的 8 ， 第一章绪论 固念底物上进行反应，底物则既不溶于水也不悬浮于水中。它不仅起到一个提供碳源、 氮源、水分、无机物和其它营养物的作用，同时也为