能源甘蔗生产燃料乙醇的发酵工艺优化

1、发酵工程学科的进展第四次全国发酵工程学术讨论会论文集能源甘蔗生产燃料乙醇的发酵工艺优化潘琢，郑穗平，林影，徐日益（华南理工大学生物科学与工程学院，广州）摘要：以能源甘蔗为原料，”新桥“酵母为发酵菌种，在新鲜蔗汁中进行直接发酵，对氮源添加和发酵条件进行了研究。实验结果表明，氮源的添加可以改善酵母的生长和发酵情况，使发酵周期缩短了以上最适接种量为，最适发酵初始值为，最适发酵温度为，震荡状态下的发酵可显著缩短发酵周期关键词：前言始子世纪年代的石油危机引起了世界各国对未来能源短缺问题的普遍关注，按照当今石油消耗速度及石油储量推测，到世纪中期石油资源的供给将逐渐萎缩。为了缓解能源危机，人们纷纷将目光转向

2、了新能源的开发上。其中，酒精作为一种可再生的清洁能源是石油等化石能源的首选替代品，目前世界的酒精都用做燃料使用，在巴西和美国，乙醇汽油已经被大范围推广使用。发酵法生产的酒精纯度高，原料可再生，世界上的酒精工业采用发酵法，原料多为甘蔗，玉米，糖蜜等。其中能源甘蔗是高生物量作物，是世界公认的可再生的生物质能源作物之一，而美国夏威夷再生能源协会资料表明，能源甘蔗单位面积酒精产量最多】。上世纪年代开始，巴西实施利用能源甘蔗生产燃料乙醇替代石油的可再生洁净能源战略，现达到年产甘蔗酒精亿升以上，全国有的汽车完全使用酒精，目前巴西的酒精价格为石油价格的左右，其代替石油的空间还相当大今年上半年，我国原油和成品

3、油的进口量同比增幅均超过，而当前国际油价在每桶美元以上高位运行。作为一个经济快速发展、石油天然气人均资源量不足世界平均水平的发展中大国，中国急需解决能源需求问题。来自国家发改委的信息表明，掺人燃料乙醇的乙醇汽油成为我国能源替代战略的着力点之一，“十一五”期间我国将加大推进乙醇汽油的力度。黑龙江省率先在我国实施燃料乙醇项目；随后，广东省投巨资（亿元）启动了年产万吨燃料乙醇的项目，广东遂溪特级酒精酿造有限公司开始实施万亩能源甘蔗示范基地项目；福建糖业股份有限公司与福建农林大学甘蔗综合研究所合作实施万亩能源甘蔗示范基地项目；年底，广西科委也启动了能源甘蔗研究项目。本文采用现在工业生产中正在使用的常规

4、酒精酵母菌株，对以能源甘蔗为原料的酒精发酵工艺进行优化，着重研究了氮源的添加，接种量，初始值，发酵温度和振荡发酵潘琢等：能源甘蔗生产燃料乙醇的发酵工艺优化状态对酒精发酵的影响。材料与方法菌种：由湛江酒精厂提供的“新桥”酵母。能源甘蔗：由广东甘蔗糖业研究所提供。实验主要材料培养基种子培养基：总糖浓度麦芽汁培养基。实验方法种子培养接活化后的斜面酵母菌种两环于装有种子培养基的三角瓶内，（下摇床转速培养至酵母菌浓度为个。酒精发酵量取能源甘蔗汁至三角瓶内，添加适量氮源后灭菌，以一定接种量接人种子液，置于恒温培养箱中或摇床中发酵，每称量发酵液失重，直至发酵结束，之后测定发酵液的菌体浓度、残糖和酒精度。分析

5、方法酒精度的测定将三角瓶中的发酵成熟醪量取，置于蒸馏烧瓶中，加入的蒸馏水混合，装冷凝管后加热蒸馏，收集馏出液，用酒精计直接读数嘲。残糖的测定使用法快速测定们。菌体浓度的测定使用比浊法测定。结果与讨论氮源是构成酵母菌体以及酵母合成代谢的重要原料，其存在水平直接关系到酵母合添加氮源对能源甘蔗酒精发酵的影响成代谢。本实验研究了在蔗汁中分别以硫酸铵、硝酸铵、尿素和酵母膏为氮源对发酵的影响，取含氮量为（）。结果如图所示，添加了氮源对酵母的生长有较为明显的促进作用，其中酵母膏和尿素效果相对更好，与对照相比，其发酵成熟醪液菌体浓度最大提高了倍。氮源的添加同时也缩短了酵母的发酵周期，尤其是提高了发酵初期的发酵

6、速率，如图对照的发酵周期为小时，而酵母膏和尿素发酵周期为，硫酸铵和硝酸铵发酵周期为小时，均有明显改善。另外，由下图可见，添加氮源后的发酵液残糖均有所降低，酒精产量也有一定的提高，可见充足的氮源可以促进酵母的生长和代谢，使得发酵更为彻底。综合几个方面的第四次全国发酵工程学术讨论会比较，有机氮源尿素和酵母膏的实际效果优于无机氮源硫酸铵和硝酸铵。接种量对能源甘蔗酒精发酵的影响种子接种量的大小对发酵酒精产量的影响较大。接种量太小，酵母生长缓慢，培养时间长，是发酵周期延长，同时降低酵母菌种活力，不利于高产酒精。接种量过大，会造成菌数增长过快和随接种而移入过多的代谢废物，使菌种更易老化，也不利于高产。所以

7、需要找到一个合适的接种量，来达到高产酒精的目的。本实验研究了，的接种量对发酵的影响。儡陶水，（），酵母膏尿素对照时间（）图不同外加氮源的发酵液最终菌体浓度比较国不同外加氮源的蔗汁酒精发酵曲线盆陶水围不同外加氮源的发酵成熟醪液分析图不同接种量的发酵成熟醪液分析结果表明，随着接种量的增大，。失重不断增加，而发酵液的最终酒精度在接种量时达到最大，可见，的接种量是比较理想的。值对能源甘蔗酒精发酵的影响值对于酵母菌体的正常生长以及发酵过程中相关酶系的活性，有着明显的影响作用，是研究发酵工艺中不可缺少的一个因素。由图可以看出，随着发酵液值的增加，发酵液的最终失重和酒精度均呈上升趋势，至时达到最大值，继而增

8、至后又有所下降。与的最终失重相差，而酒精度则相差潘琢等：能源甘蔗生产燃料乙醇的发酵工艺优化。所以在初始值为的条件下，发酵结果最好，该值为最适值。温度对能源甘蔗酒精发酵的影响本实验研究了、和下蔗汁酒精发酵的情况。从实验结果可以看出，温度在很到程度上影响了酒精发酵的效果，高温下酵母的生长明显收到抑制，酒精产量也随着温度的增加而趋于降低。低温有利于保持菌种活性，而延长了发酵周期，下的发酵周期为，要明显大于和的，以及的。所以综合发酵速率来比较，下是蔗汁酒精发酵的适宜温度。术仓栅求童趟氅蜒篓壤商水仓图不同初始值的发酵成熟醪液分析图不同温度下的发酵成熟醪液分析振荡发酵对能源甘蔗酒精发酵的影响发酵过程中的振

9、荡行为可以有效的防止酵母菌体沉淀，使酵母与蔗汁混合均匀，促使发酵进行的更加彻底。实验对比了静止状态、振荡状态和初期振荡后期静止的三种发酵形式对蔗汁酒精发酵的影响。由表可见，振荡发酵的使用促进了酵母的生长代谢，缩短了一半发酵周期，菌体浓度也高出静止发酵状态下的倍以上，效果明显。不过振荡也会加速酒精的挥发，影响了最终酒精产量，由现有结果看，振荡与静止结合使用是较为理想的方法，缩短了发酵周期而减小酒精挥发损失。表振荡状态发酵对能源蔗汁酒精发酵的影响结论氮源的添加可以显著提高酵母的发酵能力，促进酵母对糖的利用，缩短发酵周期。在实验所使用的四种氮源中，有机氮源尿素和酵母膏效果优于无机氮源硫酸铵和硝酸铵。“新桥”酵母用与能源蔗汁酒精发酵的最适接种量为，最适初始值为，最适发酵温度为（。振荡状态发酵可以大大缩短发酵周期，促进了酵母的生长和代谢，第四次全国发酵工程学术讨论会只是振荡会加速酒精的挥发损失，而采取振荡与静止发酵相结合的方法可改善此情况。