徐友海，岳 軍，朱慶偉，徐艷紅，張國進，王繼艷，胡世洋，惠繼星

(中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021)

近年來，燃料乙醇作為新的可再生的燃料替代品日益受到各國的重視，其中非糧乙醇是今后產業(yè)發(fā)展的基本方向，作為從糧食乙醇到纖維素乙醇的過渡，木薯乙醇是目前的發(fā)展重點之一。這類項目的特點之一是相應產生大量廢渣，其主要成分包括w(纖維素)=25%～30%，w(半纖維素)=10%～12%，w(木質素)=30%～32%，w(粗蛋白)=4%～6%，w(粗脂肪)=2%～4%，w(淀粉)=8%～10%，w(粗灰分和無機鹽)=10%～15%[1]。而每生產1t木薯乙醇大約產生0.33 t木薯酒精渣(干基)，由此推算，對于一個生產能力為30萬t/a的木薯燃料乙醇生產廠，每年產生的木薯渣則高達約10萬t，如果這部分副產物僅僅是簡單焚燒或作堆肥處理，不但是對資源的極大浪費，同時嚴重污染環(huán)境。因此，如何提高木薯渣的綜合利用價值，變廢為寶，是木薯酒精行業(yè)亟待解決的問題。

近年來，進行過不少木薯廢渣開發(fā)利用的研究，如在濃硫酸(質量分數60%)、濃硝酸和催化劑共同作用下，經水解-氧化-水解可將木薯渣制備成草酸[2]；利用黑曲霉和啤酒酵母對木薯渣進行混種發(fā)酵[3]，提高木薯渣的蛋白含量，作為一種酵母單細胞蛋白飼料應用于飼養(yǎng)牲畜，使廢棄物得到資源化處理；也可以利用木薯渣在箱式固態(tài)發(fā)酵反應器中用黑曲霉發(fā)酵生產植酸酶[4-5]；更多的研究是利用其生產酒精，廣西明陽生化科技股份有限公司將木薯渣與生木薯或木薯干片分開，分別進行蒸煮和糖化，木薯渣經糖化后進行渣水分離，固渣直接做飼料或肥料，分離的木薯渣糖化濾液則回用作生木薯或木薯干片的調漿用液。該方法降低了生木薯或木薯干片的用量[6]。廣西師范大學通過使用纖維素酶將木薯加工制取淀粉過程的木薯渣中占較大比例的粗纖維利用起來，其最高產酒率達到27.3%[7]。中糧集團將含木薯渣的原料與酶混合，酶解其中的纖維素，得到酶解產物，并發(fā)酵該酶解產物生成乙醇，同時連續(xù)補加木薯渣。但是，因種種原因這些研究均未得到大面積的推廣。

目前發(fā)酵生產酒精方面的研究多針對木薯加工制取淀粉過程中所產生的廢棄物，主要是由于其淀粉含量較高，而木薯酒精廢渣利用的研究非常少。從木薯酒精渣成分組成中可見，其中纖維素、半纖維素和木質素的含量較高，若通過適當的方法分別進行深加工而得到相應的高附加值產品(其中僅利用纖維素制乙醇就可提高乙醇收率4%以上)，將會有效提高木薯乙醇裝置的整體經濟效益。

作者研究嘗試建立一種以木薯酒精廠所產廢渣為原料，通過適當的原料預處理、纖維素酶水解并發(fā)酵生產乙醇，提出一條以木薯酒精渣為原料發(fā)酵生產乙醇的工藝路線。

1 實驗部分

1.1 主要材料與試劑

木薯酒精渣：廣西北海生物質能源有限公司；纖維素酶：棗莊市杰諾生物酶有限公司；釀酒活性干酵母：湖北安琪酵母股份有限公司；其它為市售分析純試劑。

1.2 儀器和設備

CL-32L高壓滅菌鍋：日本ALP公司；TGL-16G高速臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；THZ-98AB恒溫振蕩器、DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；SW-CJ-1FD潔凈工作臺：蘇州安泰空氣技術有限公司；SSY-H不銹鋼恒溫水浴鍋：上海三申醫(yī)療器械廠；SBA-40X生物質傳感分析儀：山東省科學院生物研究所；BIOCTECH-5BG發(fā)酵罐：上海保興生物設備工程有限公司；1KCF-10回轉攪拌反應釜：煙臺牟平曙光精密儀器廠；6202小型高速粉碎機：北京燕山正德機械設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 原料的準備

將取自于木薯酒精工廠的木薯渣自然風干，儲存于自封袋中，平衡水分24 h后進行后續(xù)步驟。

1.3.2 原料的預處理

粉碎：將自然風干的木薯酒精渣用6202小型高速粉碎機粉碎后過篩，取不同粒徑進行下一步實驗。

酸堿處理：按要求配制一定濃度的酸、堿等溶液，按一定比例加入木薯酒精渣(干重)，混合均勻后置于高壓反應釜內，升溫至預定溫度保持一定的時間。處理完畢后，冷卻放料，固體殘渣經過濾后洗滌至中性，貯于密封袋存于4 ℃冰箱備用，

1.3.3 材料及設備的高壓蒸汽滅菌

按照培養(yǎng)基配方，于電子天平上稱量所需的藥品，加入適量的蒸餾水，并充分攪拌，后分裝入搖瓶或發(fā)酵罐中。在高壓蒸汽滅菌鍋內進行滅菌處理，滅菌結束后冷卻至室溫備用。

1.3.4 同步糖化發(fā)酵

木薯酒精渣經粉碎過篩后取一定粒徑范圍的進行實驗，加入一定比例的水及0.75 g/L的硫酸銨，高壓蒸汽滅菌20 min，冷卻至約30 ℃后加入纖維素酶及1 g/L的干酵母，發(fā)酵過程中保持木薯渣不沉底，定期補加木薯渣，發(fā)酵溫度為30～32 ℃，5 h前好氧發(fā)酵，5 h后厭氧發(fā)酵，定時取樣分析ρ(乙醇)。

1.4 分析方法

1.4.1 木薯酒精渣成分測定

纖維素、半纖維素、木質素含量分別采用硝酸乙醇法、減量法、兩步法酸水解測定[8]，灰分含量測定參照《GB/T2677.3—1993 造紙原料灰分的測定》。

1.4.2 發(fā)酵液中的乙醇、葡萄糖測定

吸取2 mL發(fā)酵醪，離心后取上清液，并稀釋適當的倍數后，用SBA-40X型生物傳感分析儀測定葡萄糖、乙醇的質量濃度，乘以稀釋倍數后即為發(fā)酵醪中葡萄糖、乙醇的質量濃度。

2 結果與討論

2.1 木薯酒精渣成分分析

木薯酒精渣的主要成分(見表1)與文獻報道有較大差異，其中，木質素的質量分數低于文獻報道值，而灰分含量大大高于文獻報道值，這將對提高發(fā)酵醪中ρ(乙醇)有比較大的影響。

表1 木薯酒精渣主要成分

2.2 不同粒徑對木薯酒精渣發(fā)酵的影響

經粉碎后分別取不同粒徑范圍的木薯酒精渣按1.3.4的方式進行發(fā)酵實驗，初始固液比1∶8，纖維素酶添加量為每克木薯渣(干重)30FPU。250 mL三角瓶裝液量60 mL，置于恒溫震蕩培養(yǎng)箱內。發(fā)酵過程中分批補料使最終固液比達到1∶2.5，分別于24、48、72 h取樣分析，不同時間發(fā)酵液中ρ(乙醇)見表2。

表2 不同粒徑范圍的木薯酒精渣發(fā)酵結果

實驗結果表明：通過粉碎可以提高纖維素酶與底物的接觸面積，在相同纖維素酶用量下可以增加其纖維素的水解效率，從而取得較好的發(fā)酵效果，粒徑范圍在0.59～0.85 mm時比未經粉碎的木薯酒精渣ρ(乙醇)提高1倍，粒徑進一步降低，則效果不明顯。因此，在下一步實驗中，原料均取粉碎粒徑0.85 mm以下的木薯酒精渣開展實驗。

2.3 不同預處理方式對木薯酒精渣發(fā)酵的影響

在目前技術條件下，利用木質纖維素類材料發(fā)酵制取乙醇通常采用酸、堿進行預處理，以提高纖維素水解效率。而對于木薯酒精渣這種特殊的纖維質材料，其木質素、纖維素、半纖維素是處于較松散的結合狀態(tài)，只是由于酶的可及性較差影響了酶解效果，通過粉碎可以增加酶與底物的接觸面積。實驗中對化學法與機械粉碎2種預處理方式進行了分批補料同步糖化發(fā)酵搖瓶對比實驗。酸堿預處理按1.3.2的方法進行，預處理條件設置見表3。

表3 木薯酒精渣預處理條件

粉碎后的木薯酒精渣取粒徑小于0.85 mm的部分進行實驗，其它實驗條件同2.2，不同時間發(fā)酵液中ρ(乙醇)見圖1。

發(fā)酵時間/h

從實驗結果可以看出，對于木薯酒精渣這種特殊的纖維質材料，通過簡單的機械粉碎處理，使纖維素酶的可及性增加，能夠取得較好的發(fā)酵效果。而通過酸、堿預處理雖然能夠破壞纖維質結構，提高纖維素含量，使酶解效果得以提高，但預處理過程所產生的小分子物質可能對釀酒酵母產生抑制作用，反而使發(fā)酵結果不太理想，需增加脫毒步驟消除抑制因素，而未處理的木薯酒精渣由于粒徑較大，酶的作用效果降低，最高ρ(乙醇) ≈ 25 g/L。

2.4 不同纖維素酶加量對發(fā)酵的影響

除了預處理條件，纖維素酶的用量也是影響纖維素水解效果的重要因素，尤其是原料雜質含量較高時，雜質對酶的無效吸附或者失活因子可能導致纖維素酶的水解效率降低，因此需要考察不同纖維素酶用量條件下的乙醇發(fā)酵結果。

取粉碎后粒徑小于0.85 mm的部分進行發(fā)酵實驗，纖維素酶添加量為每克木薯渣(干重)0～50 FPU，其它條件同2.2，不同時間發(fā)酵液中ρ(乙醇)見圖2。

纖維素酶的添加量/(FPU·g-1)

從實驗結果可以看出，隨著加酶量的提高，發(fā)酵液中ρ(乙醇)基本呈線性增加，表明纖維素酶的用量對于乙醇產率有很大的影響，當加酶量達到50FPU/g時，發(fā)酵48 h時ρ(乙醇)=65 g/L(體積分數為8.2%)，木薯酒精渣的乙醇收率達到16%(每單位質量木薯渣生成酸的量，下同)，這表明雖然木薯渣中木質素、纖維素及半纖維素是處于較松散的結合狀態(tài)，通過簡單的粉碎處理可以使纖維素酶的可及性增加，但雜質的存在對纖維素酶有很強的吸附或者失活作用，影響了纖維素酶的水解效率，因而增加酶量可以提高發(fā)酵效果。因此，對木薯發(fā)酵工藝過程進行適當調整和優(yōu)化，降低木薯酒精渣中的灰分等雜質含量，將會有效降低木薯酒精渣發(fā)酵制乙醇的纖維素酶用量，并提高發(fā)酵液中ρ(乙醇)。

2.5 5 L發(fā)酵罐實驗

在上述搖瓶發(fā)酵實驗的基礎上，開展了5 L發(fā)酵罐同步糖化發(fā)酵實驗，木薯酒精渣經粉碎后取粒徑小于0.85 mm的部分，木薯酒精渣加入總量為800 g，初始加入250 g，水2 L，硫酸銨0.75 g/L，高壓蒸汽滅菌后冷卻至約30 ℃，加入纖維素酶(添加量總量為2 400 FPU，每克木薯渣30FPU)，發(fā)酵過程中在24 h內將剩余木薯渣分批加入，實驗結果見圖3。

發(fā)酵時間/h

發(fā)酵時間/h

實驗結果表明：發(fā)酵液中ρ(乙醇)最高達到52 g/L(體積分數為6.5%)，木薯酒精渣到乙醇的收率達到13%，纖維素利用率約為75%，繼續(xù)延長發(fā)酵時間，ρ(乙醇)反而下降，pH值也快速下降，由于是同步糖化發(fā)酵，ρ(葡萄糖)始終維持在較低水平，由于料液非常粘稠，如若繼續(xù)補料普通的機械攪拌罐難以實現，需設計特殊的適合高固體含量的生物反應器。

3 結 論

研究了利用木薯乙醇廠廢渣為原料發(fā)酵生產乙醇的方法，結果表明通過簡單的機械粉碎后，通過同步糖化發(fā)酵生產乙醇是可行的。發(fā)酵條件為木薯酒精渣經粉碎后取粒徑小于0.85 mm的部分，初始料水比1∶8，纖維素酶添加量為每克木薯渣(干重)30FPU，發(fā)酵過程中在24 h內分批將剩余木薯渣加入至總料水質量比達到1∶2.5，發(fā)酵時間30～40 h，發(fā)酵液中ρ(乙醇)>50 g/L，木薯酒精渣到乙醇的收率達到13%，當添加量達到每克木薯渣(干重)50FPU時，發(fā)酵液中ρ(乙醇)=65 g/L，乙醇收率達到16%，主要是由于木薯酒精渣的有效成分相對較低，灰分等雜質的存在對纖維素酶有很強的吸附或者失活作用，影響了纖維素酶的水解效率，因此增加纖維素酶添加量可以顯著提高發(fā)酵效果。

[ 參 考 文 獻 ]

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