（食品科学专业论文）鲜甘薯低温双酶法同步糖化发酵生产燃料乙醇工艺的研究.pdf

jl，j 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期： 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 。 学位论文作者签名： 日期： 、 指导教师签名：巧 日期 f 。舌- f ：、o名d 签j 1 而甲 教 导期 指日 两华人学硕士学位论文 摘要 甘薯是我国燃料乙醇生产的主要原料之一，抗干旱和适应贫瘠土壤能力很强，是一 种单位面积产量很高的作物，被广泛用于乙醇的生产，方便且产率较高。本课题采用双 酶法、低温蒸煮工艺和同步糖化发酵工艺，确定了鲜甘薯发酵生产燃料乙醇的最佳工艺。 实验的第一部分通过对可发酵糖含量、单位面积可发酵糖产量、发酵效率、发酵醪粘度 四个因素的考察，从5 个不同甘薯品种中选出了较适合用于燃料乙醇生产的甘薯品种。 实验的第二部分通过考察最佳液化条件、电解质、纤维素酶和果胶酶对甘薯醪液d e 值 和粘度的影响，确定了鲜甘薯醪液最佳预处理条件。实验的第三部分运用同步糖化发酵 工艺，得出了鲜甘薯发酵生产燃料乙醇的最佳工艺。以下是本课题研究的相关内容和结 果。 南薯0 0 7 在5 个甘薯品种中可发酵糖含量最高，发酵效率最高，单位面积可发酵糖产 量较高，发酵醪液粘度较低，是用于乙醇生产的较适甘薯品种。 通过单因素和正交试验得到鲜甘薯醪液最佳液化条件如下：液化p h5 o ，速始每用 量5 0k n u k g ，液化温度9 5 ，液化时间2 5m i n 。电解质对于甘薯醪液d e 值的影响 研究表明添加电解质对甘薯醪液的d e 值无显著影响。糖化时加入果胶酶4 0u g 、纤维素 酶o 5u g ，甘薯醪液的最高d e 值可达到9 8 4 5 ，粘度降为4 2 x 1 0 4m p a s 。而不添加 果胶酶和纤维素酶的处理方法获得的d e 值仅为9 1 左右，粘度大于1 0 x 1 0 5m p a s 。 通过单因素和j 下交试验得出最佳发酵条件如下：糖化酶用量1 5a u g g 淀粉，料水 比1 ：1 5 ，酵母接种量5 ，发酵时间2 5h 。乙醇发酵结果如下：平均乙醇浓度( 州) 9 3 2 ， 平均残还原糖浓度( 1 “) 0 6 1 ，平均残总糖浓度( 1 ) 1 7 1 ，平均发酵效率( 爿) 9 0 9 0 ， 结束p h 值3 9 2 。 关键词：鲜甘薯；燃料乙醇；双酶法；低温蒸煮；同步糖化发酵 鲜甘薯低温双酶法同步糖化发酵生产燃料乙醇工艺的研究 。 a b s t r a c t s w e e tp o t a t oi so n eo ft h em a j o rf e e d s t o c kf o rt h ef u e le t h a n o lp r o d u c t i o ni nc h i n a t h e c u l t i v a t i o no fs w e e tp o t a t oi nc h i n ah a saw i d er a n g eo fd i s t r i b u t i o n i t sd r o u g h tr e s i s t a n c e a n da d a p t a b i l i t ya r cv e r ys t r o n ga n dak i n do fe a s y - t o - h i g h y i e l dc r o p i ti sw i d e l yu s e da sa l a ws t a r c ht op r o d u c ee t h a n o l ，c o n v e n i e n c ea n dh i g h p r o d u c t i v i t y d o u b l e - e n z y m a t i c m e t h o d , l o wt e m p e r a t u r ec o o k i n g s t e a m i n gt e c h n i q u ea n ds i m u l t a n e o u ss a c c h a r i f i c a t i o n a n df e r m e n t a t i o n ( s s f ) w e r cu s e d , a n dt h e t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s o ff u e le t h a n o l p r o d u c t i o nf r o mf r e s hs w e e tp o t a t oh a v e b e e ne s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r i nt h ef i r s tp a r to ft h e e x p e r i m e n t ，t h eb e t t e rf e e d s t o c kf o rf u e le t h a n o lp r o d u c t i o nw e r ef o u n db yt h ei n v e s t i g a t i o n o fc o n t e n to ff e r m e n t a t i o ns u g a r si ns w e e t p o t a t oa n df e r m e n t a t i o ne f f i c i e n c ya n dv i s c o s i t y o ff e r m e n t a t i o nm a s ho ff i v ev a r i e t i e so fs w e e tp o t a t o i nt h es e c o n dp a r to ft h ee x p e r i m e n t , e f f e c t so ft h ep r e t r e a t m e n tc o n d i t i o n si n c l u d i n gt h eo p t i m i z ec o n d i t i o n so fl i q u e f a c t i o n ，a n d k i n d so fi c o n sa n de n z y m e so nt h ed e x t r o s ee q u i v a l e n tv a l u e ( d e ) a n d s y r u pv i s c o s i t yw e r e a l s ot e s t e d t h em o s tf a v o r a b l ep r e t r e a t m e n tc o n d i t i o n sw e r ee s t a b l i s h e d i nt h et h i r dp a r to f t h ee x p e r i m e n t , t h eo p t i m u mf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n so ff r e s hs w e e tp o t a t ow o r eo b t a i n e d w i t hs i m u l t a n e o u ss a c c h a r i f i c a t i o na n df e r m e n t a t i o n t e c h n i q u e t h ef o l l o w i n ga r ct h e s u m m a r yo ft h ep a p e r ( 1 ) n s0 0 7w e r et h eb e t t e rf e e d s t o c kf o re t h a n o lp r o d u c t i o n , w h i c hh a dt h eh i g h e s t c o n t e n to ff e r m e n t a t i o ns u g a r s ，h i g h e s tf e r m e n t a t i o ne f f i c i e n c y ，t h e h i g h e ry i e l do f f e r m e n t a t i o ns u g a r si nu n i ta r e a ，a n dt h el o w e rv i s c o s i t yo ff e r m e n t a t i o nm a s h ( 7 7 1 m p a 。s ) ( 2 ) t h eo p t i m u ml i q u e f a c t i o nc o n d i t i o n sw e r es u m m e d u pt h r o u g hs i n g l ef a c t o rt e s t sa n d o r t h o g o n a l t e s t sa sf o l l o w s l i q u e f a c t i o np h5 o ，t h ed o s a g eo fl i q u e f a c t i o ne n z y m e5 0 k n u k g , t h el i q u e f a c t i o nt e m p e r a t u r e9 5 ，t h el i q u e f a c t i o nt i m e2 5m i n t h e r ei sn o s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ee f f e c t so fk i n d so fi c o n so nt h ed e x t r o s e e q u i v a l e n tv a l u ep e ) t h ea m o u n t so fp e c t i n a s ea n dc e l l u l o s ea d d e di ns a c c h a r i f i c a t i o nw c r c 4 0u p e rgs y r u pa n d 0 5u p e rgs y r u p ，r e s p e c t i v e l y t h eh i g h e s td e o f9 8 4 5a n dt h el o w e s t v i s c o s i t yo f4 2 x 1 0m p a sw e r co b t a i n e db yt h em o s tf a v o r a b l ep r e t r e a t m e n tc o n d i t i o n s ，w h i l e t h o s eo f 9 1a n do v e r1 o x l 0 5m p a sw a sp r o d u c e db yt r e a t m e n tc o n d i t i o n sw h i c hd i dn o ta d d p e c t i n a s ea n dc e l l u l o s e ( 3 ) t h eb e s tf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n sw e r es u m m e du pt h r o u g hs i n g l ef a c t o rt e s t sa n d o r t h o g o n a lt e s t sa sf o l l o w s ：t h eu s e l e v e lo f s a c c h a r i f y i n ge n z y m ea s1 5a u gp e rgs t a r c h , t h e r a t i oo fw a t e ra n df r e s hs w e e tp o t a t oa n dw a t e ra s1 5 ，y e a s ti n o c u l a t i o nq u a n t i t ya s5 ，a n d 西华大学硕士学位论文 2 5hf e r m e n t a t i o nt i m e r e s u l t so fe t h a n o lf e r m e n t a t i o nf r o ms w e e tp o t a t oa sf o l l o w s t h e a v e r a g eo fe t h a n o lc o n c e n t r a t i o n ( 叫) w a s9 3 2 ，t h ea v e r a g eo ff i n a lr e d u c i n gs u g a r c o n c e n t r a t i o n ( 叫) w a s0 6 1 ，t h ea v e r a g eo ff i n a lt o t a ls u g a rc o n c e n t r a t i o n ( w ) w a s 1 7 1 ，t h ea v e r a g eo ff e r m e n t a t i o ne f f i c i e n c y ( p ) w a s9 0 9 0 ，a n dt h ea v e r a g eo ff i n a lp h v a l u ew a s3 9 2 k e yw o r d s ： f r e s hs w e e tp o t a t o ；f u de t h a n o l ；d o u b l e - e n z y m a t i cm e t h o d ；l o w t e m p e r a t u r ec o o k i n g & s t e a m i n gt e c h n i q u e ；s i m u l t a n e o u ss a c c h a r i f i c a t i o na n d f e r m e n t a t i o n ( s s l o m 鲜甘薯低温双酶法同步糖化发酵生产燃料乙醇工艺的研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言1 1 1 生物质原料生产燃料乙醇的研究进展。1 1 2 甘薯生产燃料乙醇的优势2 1 3 双酶法低温蒸煮工艺4 1 4 同步糖化发酵工艺5 1 5 气相色谱内测乙醇浓度。5 1 6 本课题研究的内容、目的、意义5 第二章甘薯品种的筛选7 2 1 材料与设备7 2 2 实验方法：。9 2 3 实验结果，1 2 2 。l 讨论】1 9 2 5 结论2 0 第三章鲜甘薯原料发酵前预处理条件的优化2 1 3 1 材料与设备。2 1 3 2 实验方法2 2 3 3 实验结果与分析。2 6 3 4 讨论3 3 3 5 结论。3 4 第四章鲜甘薯乙醇发酵工艺条件的优化。3 5 4 1 材料与设备3 5 4 2 实验方法：3 6 4 3 实验结果与分析3 9 4 4 讨论：；6 4 5 结论。4 7 全文总结。4 7 参考文献4 9 i v 西华大学硕士学位论文 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况5 2 致谢5 3 v 西华人学硕士学位论文 第一章引言 近年来，随着石油资源日趋严重不足，人类正面临着能源供应短缺、燃料安全和环 境污染压力大严峻挑战。因此，世界各国都在加速新能源的开发利用【1 - 3 l ；我国“十一五” 规划和国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 也将能源的开发利用置于重 点领域的首位。在寻找各种新能源的过程中，乙醇作为一种高效、清洁的可再生能源， 再次成为各国科技工作者的普遍关注和研究热点【4 1 。 1 1 生物质原料生产燃料乙醇的研究进展 、 1 1 1 燃料乙醇的简介1 5 j 燃料乙醇也称生物燃料、燃料乙醇、汽油醇、乙醇汽油等。燃料乙醇在2 0 世纪初 产生，因为石油的大规模应用而遭到淘汰。但是，由于农作物生产过剩和石油危机爆 发，促使人类重新应用该技术。作为替代燃料，燃料乙醇具有如下的特点：乙醇燃烧过 程中所排放的c o 和含硫气体均低于汽油燃烧所产生的对应排放物，燃烧过程比普通汽 油更完全，c o 排放量可降低3 0 左右；乙醇是燃油氧化处理的增氧剂，使汽油增加氧， 燃烧更充分，达到节能和环保目的。而且，具有极好的抗爆性能，可有效提高汽油的抗 爆指数；因乙醇汽油的燃烧特性，能有效地消除火花塞、燃烧室、气门、排气管消声器 部位积炭的形成，避免了因积炭形成而引起的故障，延长部件使用寿命。 1 1 2 我国生物质燃料乙醇发展概况 目前，我国是继巴西、美国之后的全球第三大生物燃料乙醇生产和消费副“丌。我国 燃料乙醇产业起步较晚，但发展迅速，前景广阔。但是燃料乙醇在中国的推广使用还处 在初级阶段，产销各个环节政府行为色彩比较浓，离真正的市场化有一段距离。 由于 粮食安全问题，自2 0 0 6 年开始，国家逐步调整政策，发布了加强生物燃料乙醇项目 建设管理，促进产业健康发展的通知、关于暂停玉米加工项目的紧急通知、生 物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划等产业政策，明确提出“因地制宜， 非粮为主”的发展原则。利用甘薯、木薯、甜高粱、秸杆等非粮原料生产燃料乙醇将成 为未来研发工作的重点1 8 1 。 1 1 3 生物质原料 可进行燃料乙醇生产的生物质原料主要包括3 大类【9 1 。第一类是糖质原料，包括甘 蔗、甜高粱等；第二类是淀粉质原料，包括薯类、谷物等；第三类是纤维类原料，包括 鲜甘薯低温烈酶法同步糖化发酵生产燃料乙醇。l ：艺的研究 树木、秸秆和稻壳等。其中糖质原料可经微生物发酵直接转化为乙醇，而淀粉和纤维素 则需先水解为可发酵性糖，然后经发酵转化为乙醇。 糖质原料是乙醇发酵的理想原料，但其还需用于制糖工业，能够用于乙醇产业的极 其有限，远远不能满足我国对燃料乙醇的需求；纤维素原料来源极为丰富，但其预处理 成本高、废水处理难、运输处理费用高，相关研究尚处于试验阶段【n 1 2 l ；淀粉原料生产 燃料乙醇的主要问题是原料成本高。以谷物为原料时原料成本占燃料乙醇生产成本的 5 0 左右。为了保证国家的粮食安全和满足燃料乙醇产业进一步发展的需求，薯类、甜 高粱等非粮食作物替代原料得以迅速发展。 1 1 4 淀粉质原料发酵前的处理 ( 1 ) 淀粉质原料的粉碎 淀粉质原料中的淀粉是以淀粉颗粒的形式存在于原料的细胞之中，对淀粉质原料进 行粉碎可以方便随后的淀粉酶系统作用，并为淀粉转化成可发酵性糖创造必要和良好的 条件。要达到这个目的，可以采用整粒原料高压蒸煮，粉碎原料较和缓条件下蒸煮和超 细粉碎三种方法f 1 3 1 4 1 。粉碎后原料的细度可以对发酵产生影响，肖世郑以木薯干为原料 采用二次粉碎，可使出酒率提高0 5 1 1 5 】。 ( 2 ) 淀粉水解 由于用于乙醇发酵的多数微生物如酿酒酵母( s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ) 和运动发酵 单胞菌( z y m o m o n a sm o b i l i s ) ，缺乏淀粉水解酶，不能直接转化淀粉为乙醇，必须在发酵 之前将淀粉水解为乙醇发酵微生物可以利用的糖类【1 6 l 。目前对酶法水解和微生物水解研 究较多。最近几年，随着转基因技术的发展，还出现了通过转入水解酶基因使酿酒酵母 等微生物能直接利用淀粉质原料进行乙醇发酵。 1 2 甘薯生产燃料乙醇的优势 1 2 1淀粉质原料生产燃料乙醇的优势 目前，燃料乙醇对汽油的竞争能力取决于乙醇生产水平的提高和生产成本的降低。 由于受价格和气候的影响糖质原料应用于乙醇生产有一定的局限性。尽管纤维素类物质 生产燃料乙醇已成为全世界研究的热点课题之一，但由于受多种因素限制，纤维素燃料 乙醇目前还难以产业化。所以，淀粉质原料仍然是今后相当长一段时间燃料乙醇生产的 主要原料1 1 4 1 。 1 2 。2 薯类原料生产燃料乙醇的优势 西华大学硕十学位论文 原料成本是影响乙醇生产总成本的主要因素，所以对燃料乙醇生产的原料进行选择 很重要。薯类、甜高粱等经济作物将是构成我国燃料乙醇生产新原料体系的主体部分。 这些作物一般是适宜于在荒漠地、盐碱地种植，耐旱、耐盐，能量密度高的能源作物。 有研究表明，与玉米和小麦相比，无论是原料成本，还是单位面积燃料乙醇产量，薯类 均处于优势地位1 1 7 , 1 8 。 1 2 3 我国甘薯的产量优势 我国近年甘薯种植面积为5 6 0 h m 左右，约占世界甘薯种植面积的7 0 7 5 。我国 单产水平现为1 9t h m ，相当于世界水平的1 3 0 。甘薯的产量在我国仅次于水稻、小麦 和玉米，居第四位。我国是世界上甘薯最大的生产国，据f a o ( 2 0 0 0 年) 统计，我国甘薯 年总产1 1 7 亿t ，占世界总产量的8 6 8 。四川省2 0 0 6 年种植面积1 4 0 0 多万亩，总产 量1 7 1 6 万吨，占到世界的1 6 ，超过中国境外所有国家和地区甘薯产量的总和1 1 9 1 。 1 2 4 甘薯的生理特征优势嘲 ( 1 ) 甘薯的磷含量丰富 在微生物发酵中磷是核酸、磷脂和辅酶二磷酸腺苷和硫胺素的组成成分，磷以各种 化合物的形式不可缺少地参与细胞许多能量过程【1 4 1 。因此，在以糖蜜1 2 、木薯【2 2 1 、甜 高粱汁1 2 3 1 、玉米【2 4 1 、小麦【矧为原料进行乙醇生产时，因为原料本身不含有足够的磷， 为了满足微生物乙醇发酵的营养需求，必须要添加磷化合物。 酵母进行乙醇发酵时，要求发酵醪中的磷浓度0 0 4 左右【2 6 1 ，甘薯中磷含量一般变 动在0 0 3 - - 0 0 6 之间，因此甘薯在进行乙醇发酵时基本不需要在培养基中添加磷化合 物，可以减少操作工序，节约生产成本，这是甘薯作为乙醇发酵原料的优势之一。 ( 2 ) 甘薯的钾含量丰富 钾不仅是必要的营养元素，而且也是酵母增殖的刺激剂，无机磷进入细胞的运动是 由钾专一性地激发的，而且钾还对酵母细胞的脂类代谢起重要作用【1 4 1 。因此，在以糖蜜 【2 、木薯【捌、甜高粱汁【矧、玉米【矧、小麦f 笛l 为原料进行乙醇生产时，因为原料本身不 含有足够的钾，为了满足微生物乙醇发酵的营养需求，必须要添加钾化合物。 酵母进行乙醇发酵时，发酵醪中的钾浓度0 0 8 8 左右即足够1 2 6 1 ，而甘薯中钾含量 变动在0 1 6 - - - 0 3 6 之间，因此，以甘薯为原料进行乙醇发酵时均不需要在培养基中添 加钾化合物。这主要是因为甘薯生长过程中对钾的吸收较多【2 7 1 。以其为原料进行乙醇生 产，可以减少操作工序，节约生产成本，这是甘薯作为乙醇发酵原料的优势之一。 ( 3 ) 甘薯的氮含量 鲜甘薯低温舣酶法同步糖化发酵生产燃料乙醇j r ：艺的研究 甘薯块根一般含蛋白质2 左右，必需氨基酸的组成较为理想1 2 8 j ，能够在发酵过程 中供微生物作为氮源利用。 ( 4 ) 甘薯的多酚含量较低 甘薯块根中的多酚具有广泛的生理活性，包括抗菌作用、抗氧化作用、抗癌防癌作 用等，多酚类物质与多酚氧化酶接触，即可催化多酚类物质氧化成邻醌，再进一步氧化 聚合成黑色素1 2 9 j ，可使发酵废水颜色加深，将使污水处理非常的困难。据调查，1 立方 米生活污水处理达到排放标准只需0 7 元，但是甘薯燃料乙醇发酵废水处理过程中，即 使两步厌氧与一步好氧处理的成本不计，仅使发酵液颜色降低，每吨废水处理成本达3 元。鲜薯中多酚含量一般在4 2 2 8 - - - 1 9 4 7 1m g k g 之间，因此，用鲜甘薯进行乙醇发酵 产生的废液给污水处理带来的困难较小，也不会过于增加乙醇生产的成本。 1 2 5 甘薯与西南地区其它非粮原料相比乙醇生产潜力的优势 芭蕉芋、葛根( p u e r a r i ao b a t a ) 和菊芋( j e r u s a l e ma r t i c h o k o ) 均为主产于四川、 云南等省区的淀粉质原料。芭蕉芋由于发酵效率不高，原料的利用率较低。部分原料在 花费了采集、运输、预处理、装罐、搅拌等费用后却不能转化为乙醇，不但不利于提高 燃料乙醇的经济性，而且还增加了发酵废渣的排放量。虽然葛根、菊芋都是主产于西南 地区的淀粉质原料，但是由于总糖含量不高，其发酵所产的乙醇浓度有限，不能满足工 业乙醇生产原料的要求1 3 0 。3 3 1 。甘薯资源丰富，原料价格低廉。国内靳艳玲等收集四川省 数十个品种的新鲜甘薯，总糖含量在1 5 6 4 - - - 3 6 9 8 之间，且均能进行乙醇发酵。试验 甘薯中仅一个食用品种总糖含量为1 5 6 4 ，其余总糖含量一般为2 5 - - 2 8 ，最高可达 3 6 9 8 ，且均能正常进行乙醇发酵，发酵效率大于理论值的9 0 ，所以，甘薯可以作为 燃料乙醇生产的理想原料。 1 3 双酶法低温蒸煮工艺 双酶法是指在乙醇生产过程中，在原料中加入a 淀粉酶和糖化酶，对原料进行液 化、糖化，然后在发酵的方法。a 一淀粉酶是一种内切酶，可以任意水解淀粉分子内部 的a 一1 ，4 糖苷键，使直链淀粉和支链淀粉迅速分裂而形成含有4 7 个葡萄糖单位的 糊精和含有1 ，6 糖苷键的界限糊精，使醪液粘度迅速下降，即所谓的液化现象l 州。淀 粉经a 一淀粉酶作用后的产物不能被酒精酵母利用，还需加入糖化酶进行糖化。糖化酶 作用于淀粉1 ，4 键，能从葡萄糖链的非还原端末端起将葡萄糖单位一个一个的切断【3 5 l 。 它也可较慢切断1 ，6 键，最终将淀粉降解为可发酵性糖，供酒精酵母繁殖代谢，产生 酒精及副产物。 4 两华大学硕士学位论文 液化作用可以在较低温度下进行，而靠热解淀粉为糊精，通常温度应在1 2 0 以上。 采用高于淀粉糊化温度，但不高于1 0 0 ，另加a 一淀粉酶作为液化酶就是低温蒸煮工艺 的特征。一般液化酶用量很少，同时采用双酶法一定要采用低温蒸煮，这样可以比高温 蒸煮降低能耗4 0 - 5 0 1 3 6 , 3 7 1 ，降低生产成本。低温蒸煮既可以减少高温蒸煮过程中糖分 的损失，同时又可以减少高温高压环境下果胶质的分解1 3 8 3 9 1 。 1 4 同步糖化发酵工艺 同步糖化发酵( s i m u l t a n e o u ss a c c h a r i j i c a t i o na n d e r m e n t a t i o n ) ，简称s s f ，指液化 后在发酵过程加入糖化酶，使糖化和发酵同时在同一容器中进行。2 0 世纪7 0 年代，一 些学者在研究纤维素发酵转化乙醇的过程中，为了防止糖积累和最终产物抑制，提出 了同步糖化发酵( s s f ) 模式，受到了广泛的重视，各国学者进行了大量研究。采用 s s f 模式发酵淀粉原料生产乙醇，省略了糖化工段，能耗降低；糖化和发酵在同一个反 应器中进行，设备投资省；另外糖化和发酵同时进行，糖化生产的葡萄糖一经产生就被 酵母利用，解除了产物抑制，比同等条件下单菌种的培养和利用糖化酶、淀粉酶处理的 传统两步法均要高l 删；同步糖化发酵、先糖化后发酵和直接同步糖化发酵3 种生产乙醇 的方法对比结果表明，直接同步糖化发酵法生产周期最短1 4 。 1 5 气相色谱内标法检测乙醇浓度 乙醇含量的测定历来就是乙醇发酵必不可少的检测标准之一。国家标准为我们提供 了三种常用的乙醇浓度检测法，气相色谱法、密度瓶法、酒精计法。酒精计法由于需将 样品溶液蒸馏后再测定，较为繁琐；密度瓶法相对于气相色谱法来说设备简单，操作方 便，投资少，一般企业均采用密度瓶法即国标第二种方法检测乙醇浓度，本法测定乙醇 浓度会有一定的误差；色谱仪虽然价格较贵，但因其灵敏度高，能准确、快速地测定乙 醇浓度，而被国标采纳，并将气相色谱法作为测定乙醇浓度的第一仲裁法。 气相色谱法常用丙醇、丁醇、正戊醇和乙酸正丁醇作为内标物，填充柱色谱法进行 定量分析。内标物的选择具有以下标准：内标物应该是试样中不存在的纯物质；内标物 的性质应与待测组分性质相近，以使内标物的色谱峰靠近并与之完全分离；内标物与标 样品应完全互溶，但不能发生化学反应；内标物加入量应接近待测组分含量。标准曲线 法测未知物含量及其简单，但是配起溶液来相对内标法较为繁琐，每一个样品必须进样 大于等于三次，而且每次条件不同又不能完全相同，所以误差较大。总得来说用内标法 简单快速，易于实验1 4 2 1 。 。 1 6 本课题研究的内容、目的、意义 5 鲜甘薯低温双酶法同步糖化发酵生产燃料乙醇丁艺的研究 本课题采用双酶法、低温蒸煮和同步糖化发酵工艺，对鲜甘薯发酵生产燃料乙醇的 最佳工艺条件进行了研究。课题的第一部分通过对5 个不同品种鲜甘薯的可发酵糖含量、 发酵效率、发酵醪粘度的考察，确定了本课题最适实验用甘薯品种。第二部分是鲜甘薯 发酵生产燃料乙醇的预处理研究，确定了鲜甘薯醪液液化的最佳条件，同时对电解质、 纤维素酶和果胶酶对鲜甘薯醪液d e 值和粘度的影响也进行了考察。第三部分采用同步 糖化发酵方法，确定了鲜甘薯发酵生产燃料乙醇的最佳发酵工艺条件。 我国燃料乙醇产业起步较晚，但发展迅速，前景广阔。我国原来主要是利用玉米进 行乙醇的生产，但是由于粮食安全问题，自2 0 0 6 年开始，国家逐步调整政策，逐步取消 了利用玉米等粮食作物进行乙醇生产的相关项目。利用甘薯、木薯、甜高粱、秸杆等非 粮原料生产燃料乙醇将成为未来研发工作的重点。我国甘薯的产量占世界的8 6 8 ，由 于生活水平的提高，甘薯已不再是国民生活中的主要食品，而且甘薯易种植、产量高， 因此在结合我国庞大的甘薯资源的同时，在甘薯发酵生产燃料乙醇的相关技术有所突 破，这必将给我国社会经济带来巨大的经济效益。本实验用鲜甘薯直接进行发酵生产燃 料乙醇，较之于传统的用甘薯干进行乙醇发酵有很大优势。在收获期鲜甘薯的价格相对 较低，有利于降低乙醇生产成本：另外，与使用干料( 含水量越1 0 ) 相比，鲜甘薯乙 醇发酵可以相对节约约6 0 的发酵用水，能够进一步降低乙醇生产成本，减少废水排放 量。本课题意在通过实验获得鲜甘薯发酵生产燃料乙醇各个关键坏节的最佳工艺条件， 希望能给广大同行予参考，共同促进我国燃料乙醇事业的发展。 6 西华大学硕士学位论文 第二章乙醇发酵甘薯品种的筛选 以甘薯为原料生产燃料乙醇是新兴产业，目前国内外对燃料乙醇生产专用甘薯的评 价参数还缺乏统一标准，可比性、实时性差。确定以什么品种的甘薯作为燃料乙醇生产 的原料，是甘薯燃料乙醇生产的前提。本章从可发酵糖含量、单位面积可发酵糖产量、 发酵效率及发酵醪粘度四个方面综合考虑，比较了5 个甘薯品种，确定了适于燃料乙醇 生产的甘薯品种。希望能对提高甘薯燃料乙醇生产的经济性，促进燃料乙醇产业的发展 起到抛砖引玉的作用。 2 1 材料与设备 2 1 1 实验材料 ( 1 ) 甘薯 5 种甘薯统一购自于四川南充市农科所。 ( 2 ) 菌种 酿酒酵母购自于广州市微生物研究所。 ( 3 ) 酶制剂 液化酶 l i q u o z y m es u p r a ，购自诺维信公司。是一种具有热稳定性的a 一淀粉酶，标准酶活 力为9 0k n u g ( k n u 为诺维信液化酶的专有单位) 。1k n u 的定义在3 7 ，p h5 6 时， 每小时水解5 2 6 克淀粉的酶量。 糖化酶 s u h o n gg ai i ，购自诺维信公司。是一种由黑曲霉发酵生产的糖化酶，标准酶活力 为5 0 0a g u m l ，( a g o 为诺维信糖化酶专有单位) 。1a g u 的定义是指在2 5 ，p h 4 3 标准条件下，每分钟水解1m m o l 麦芽糖所需的酶量。 ( 4 ) 主要培养基 斜面保存培养基y e p d d a b ，即：时间 酶加量 温度 p h 。最佳因素组合：a 3 8 2 c 3 d 3 。即：温度9 5 1 2 、p h 5 0 、时间2 5 m i n 、酶加量 6 0 k n u l 【g 。 但是从正交表中可以看出，酶加量6 0 k n u k g 与5 0 k n u k g 条件下液化效果相差并 不大，考虑到在实际的生产中液化酶用量很大，且价格较高，因此应在允许的条件下尽 量减少液化酶的添加量。因此综合考虑最佳的正交条件为：温度9 5 c 、p h 5 0 、时间2 5 m i n 、 酶加量5 0 k n u k g 。 _ 一一 3 3 4 添加电解质对甘薯醪液葡萄糖值( d e ) 的影响 分别向鲜甘薯醪液中添加1 5 的硝酸钾、氯化钠、氯化钙，按照正交最佳条件进 行液化处理，再经糖化作用后，比较d e 值。 3 1 鲜甘薯低温双酶法同步糖化发酵生产燃料乙醇工艺的研究 表3 9 添加电解质对甘薯醪液葡萄糖值( d e ) 的影响 t a b l e3 9e f f e c t so fe l e c t r o l y t e0 1 1d e 从上表我们可以看出，用上述盐类处理后，甘薯醪液的d e 值与对照组差别不大， 可见添加硝酸钾、氯化钠、氯化钙等盐类不能明显提高甘薯醪液的d e 值。这种情况的 出现有可能是由于在浓醪的条件下，纤维果胶等其他水合力较强的大分子物质彼此接 近，削弱了盐类对淀粉的静电作用。 3 3 5 添加果胶酶、纤维素酶对甘薯醪液葡萄糖值( d e ) 及粘度的影响 以前面得到的最佳液化条件对甘薯醪液先进行液化处理，然后加入果胶酶4 0u g 、 纤维素酶o 5u g ，糖化处理2h ，以不添加果胶酶和纤维素酶的处理结果作为对比。结果 见表： 3 2 西华人学硕士学位论文 表3 1 0 添加果胶酶、纤维素酶对甘薯醪液葡萄糖值及粘度的影响 t a b l e3 1 0e f f e c t so fp e c t i n a s ea n dc e l l u l o s eo nd ea n dv i s c o s i t yo f s w e e tp o t a t os y r u p 处理条件 。 粘度 t r e a t m e n tc o n d i t i o n s v i s c o s i t y ( r m p a s ) 。一 9 7 6 645 x 1 0 4 m p a j x i u1 1 1 1 - i 1 s 酶处理 茹：4 54 2 1 0 4 m p a ： e n z y m a i ct r e a t m e m 9 7 0 14 5 1 0 4 m p a s 对照 c o n t r o l 9 1 8 3 9 1 2 2 9 0 7 8 1 o x l o s m p a s 1 o x l c m p a s 1 0 x 1 0 s m p a s 1 ) ：酶处理条件：糖化时加入果胶酶4 0u g 、纤维素酶0 s u g 1 ) e n z y m a t i ct r e a t m e n tc o n d i t i o n s ：p e c t i n a s e 柏u ga n d c e l l u l o s e0 5u ga d d e dd u r i n g s a c c h a r i f i c a t i o n 我们可以看到，在添加果胶酶和纤维素酶进行糖化后，甘薯醪液的最高d e 值可达 到9 8 4 5 ，粘度降为4 2 x 1 0 4 m p a s o 而不添加果胶酶和纤维素酶的方法获得的2 h d e 值仅为 9 l 左右，粘度大于1 0 x 1 0 s m p a s ，6 h 后d e 值达到最高，也仅为9 5 左右。这种糖化速度 的差异可能是由于预处理降低了醪液的粘度做造成的。t h i e r r ym 等认为粘度的高低是决 定淀粉质全原料糖化速度的主要因素。预处理后醪液可能因为粘度的降低而获得较高的 d e 值。此种方法也可以用于快速糖化不加水的甘薯浓醪，虽然粘度仍大于1 o x l o s m p a s 呈半固体状态，但d e 值可以达至1 j 9 6 2 5 ，但未经此方法处理的不加水浓醪，d e 值仅为 7 8 7 0 。 3 4 讨论 采用高于淀粉糊化温度，但不高于1 0 0 c ，另加a 一淀粉酶作为液化酶就是低温蒸煮 工艺的特征。一般液化酶用量很少，同时采用双酶法一定要采用低温蒸煮，这样可以比 高温蒸煮降低能耗4 0 - - 5 0 ，降低生产成本。低温蒸煮既可以减少高温蒸煮过程中糖分 的损失，同时又可以减少高温高压环境下果胶质的分解。本研究采用了合适的粉碎度， 约为1 5 1 8 砌【5 6 1 ，较好的解决了因蒸煮温度较低而影响淀粉颗粒的充分糊化和溶出 问题：此外本研究通过添加适量的复合果胶酶和纤维素酶，一定程度上破坏了粗纤维、 粗蛋白等对淀粉颗粒的保护作用【5 7 1 ；同时通过调节p h 有效的防止了杂菌的污梨5 8 j 。 本次实验首先通过单因素和正交试验得出了鲜甘薯醪液的最佳液化条件，然后对电 解质、纤维素酶和果胶酶对鲜甘薯醪液液化糖化的影响进行了考察，结果鲜甘薯醪液的 液化处理条件完全达到了双酶法低温蒸煮工艺的要求，同时也使醪液粘度降低到较为合 适的水平，为后续的鲜甘薯的发酵奠定了良好的基础。在起到降低能耗和节约成本的同 鲜甘薯低温双酶法同步糖化发酵生产燃料乙醇工艺的研究 时，较好的弥补了此方法的一些不足。希望能为以后相关研究和生产技术的改革提供些 许帮助。 3 5 结论 通过单因素和正交试验得到鲜甘薯醪液最佳液化条件为：液化p h 5 0 ，液化酶用量 5 0 k n u k g ，液化温度9 5 ，液化时间2 5 m i n 。 研究结果表明添加硝酸钾、氯化钠、氯化钙等盐类不能明显提高甘薯醪液的d e 值， 这说明甘薯本身含有一定量的钾、钙等元素，能够满足液化和糖化的需要。 糖化时加入果胶酶4 0u g 、纤维素酶0 5 u g ，甘薯醪液的最高d e 值可达到9 8 4 5 ， 粘度降为4 2 x 1 0 4 m p a s 。而不添加果胶酶和纤维素酶的处理方法获得的d e 值仅为9 1 左 右，粘度大于1 0 x 1 0 5 m p a s 。因此，我们可以得出添加一定量的果胶酶和纤维素酶不仅 可以有效降低醪液粘度，降低能耗，而且大大提高了醪液的d e 值，有利于后续发酵的 进行。 西华大学硕士学位论文 第四章鲜甘薯乙醇发酵工艺条件的优化 从中国的具体国情出发，利用甘薯发酵生产燃料乙醇有其很大优势，但如果甘薯 发酵生产的燃料乙醇成本过高势必会影响工业化生产和市场的推广，因此研究甘薯最 佳发酵工艺，尽可能提高产出率，减少能耗，降低成本是重中之重。本研究主要对影 响甘薯乙醇发酵的主要因素进行考察，以得出鲜甘薯发酵的最优工艺条件，尽可能在 发酵阶段降低原料损失及能源的损耗。 4 1 材料与设备 4 1 1 实验材料 ( 1 ) 甘薯 甘薯购自于四川南充市农科所。 ( 2 ) 菌种 酿酒酵母来自于广州市微生物研究所。 ( 3 ) 主要培养基 斜面保存培养基y e p d ( 矶) 葡萄糖2 0 ，酵母提取物1 0 ，蛋白胨2 0 ，琼脂粉1 5 ，p h 自然1 2 1