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        木薯同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝優(yōu)化

        2014-10-21 01:28:21李柯夏敏曹婉瑜杜瑞卿
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年33期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化

        李柯 夏敏 曹婉瑜 杜瑞卿

        摘要 [目的] 優(yōu)化木薯同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝。[方法]在實驗室進(jìn)行發(fā)酵試驗,通過前期單因素試驗的結(jié)果選取了3個對發(fā)酵結(jié)果影響較大的因素:發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、料水比按正交試驗設(shè)計方案進(jìn)行發(fā)酵條件的優(yōu)化。[結(jié)果]試驗表明,3個因素對木薯同步糖化生產(chǎn)燃料乙醇的影響作用的主次順序為發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、料水比;優(yōu)化方案為:料水比 1∶2.5 g/ml,發(fā)酵溫度 32 ℃ ,發(fā)酵時間 54 h ,優(yōu)化后的發(fā)酵結(jié)果酒度達(dá)到了14.3%(V/V),原料轉(zhuǎn)化率達(dá)到了30.7%。[結(jié)論] 研究可為木薯發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇提供理論依據(jù)。

        關(guān)鍵詞 正交設(shè)計;同步糖化發(fā)酵;乙醇;優(yōu)化

        中圖分類號 S609.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611(2014)33-11869-02

        Optimization of Technique for Producing Fuel Ethanol by Cassava Simultaneous Saccharification and Fermentation

        LI Ke, XIA Min*, CAO Wan-yu et al

        (School of Life Science and Technology, Nanyang Normal University, Nanyang, Henan 473061)

        Abstract [Objective] To optimize technique for producing fuel ethanol by cassava simultaneous saccharification and fermentation. [Method] Three main influencing factors selected from single factor experiment, including fermentation time, temperature and solid-liquid ratio, were used to conduct the orthogonal test, so as to optimize the fermentation conditions. [Result] The experiment showed that, the order of three factors influencing ethanol production is fermentation time>temperature>solid-liquid ratio. The optimal scheme is: solid-liquid ratio 1∶2.5 g/ml, fermentation temperature 32 ℃, fermentation time 54 h, the concentration of ethanol is up to 14.3%(V/V), material conversion rate reaches 30.7%. [Conclusion] The study can provide theoretical basis for producing fuel ethanol by cassava fermentation.

        Key words Orthogonal design; Simultaneous saccharification and fermentation; Ethanol; Optimization

        基金項目 河南省高校工程技術(shù)研究中心“農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源化”資助項目。

        作者簡介 李柯(1989- ),女,河南南陽人,碩士研究生,研究方向:生物質(zhì)能源。

        *通訊作者,教授,碩士生導(dǎo)師,從事生物質(zhì)能源方面的研究。

        收稿日期 2014-10-27

        近年來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,對能源的需求量越來越大,加上傳統(tǒng)能源的不可再生性,能源問題日益凸顯,因此促進(jìn)了可再生能源的快速發(fā)展,燃料乙醇作為新能源代表之一受到廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。而最開始利用糧食生產(chǎn)燃料乙醇在后期受到了巨大的輿論沖擊,認(rèn)為其影響了糧食安全。在這種情況下,大力發(fā)展非糧燃料乙醇變得很有必要[1-2]。目前的非糧燃料乙醇的原料主要有甘蔗、甜菜、木薯、木質(zhì)纖維素等。就目前的技術(shù)以及當(dāng)?shù)刭Y源而言,木薯是最為合適的非糧燃料乙醇原料。木薯耐旱、耐貧瘠、病害少、易栽培,可以種植在糧食不能生長的土地上,適宜栽培于熱帶亞熱帶地區(qū),且方便運輸,木薯干淀粉含量可達(dá)68%以上。據(jù)初步估算,僅種植木薯一項,就可以滿足全國推廣10%燃料乙醇汽油的需要[3]。

        最早引入對同步糖化發(fā)酵(Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)模式的研究是在對纖維乙醇的研究中。但是一是纖維乙醇離大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還有距離,二是這種發(fā)酵模式在纖維乙醇中的應(yīng)用存在不少沒有解決的難題,人們把這種發(fā)酵模式引入到以淀粉為原料的燃料乙醇生產(chǎn)中。在傳統(tǒng)的以淀粉為原料的燃料乙醇生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的是先糖化后發(fā)酵(Separate Hydrolysis and Fermentation,SHF)模式,關(guān)于SSF的研究和應(yīng)用都比較少。事實上,SSF模式發(fā)酵是一種比SHF效率要高的發(fā)酵模式。

        傳統(tǒng)的SHF模式在發(fā)酵階段初期,高濃度的葡萄糖會對酵母菌產(chǎn)生葡萄糖抑制作用,從而造成發(fā)酵周期增長。Montesinos 等以液化后的小麥面粉為原料,比較了SHF模式和先糖化6 h 再用SSF模式及直接應(yīng)用SSF 模式進(jìn)行發(fā)酵的3種過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn)直接進(jìn)行SSF 過程的發(fā)酵周期是最短的[4]。蔡柳等用均勻設(shè)計法研究木薯生料同步發(fā)酵優(yōu)化之后的原料轉(zhuǎn)化率為32.83%,但是發(fā)酵周期選為120 h,這在工業(yè)生產(chǎn)中并不實用[2]。

        筆者進(jìn)行該試驗先對木薯粉漿進(jìn)行高溫液化,糖化發(fā)酵階段則同步進(jìn)行。同步糖化發(fā)酵工藝中糖化和發(fā)酵同時進(jìn)行,糖化產(chǎn)出的單糖及時被酵母菌利用,既能解決分步糖化發(fā)酵中發(fā)酵初期由于葡萄糖濃度過高造成的葡萄糖抑制發(fā)酵作用,又會因為罐中酶解產(chǎn)生的糖分被及時利用導(dǎo)致沒有多余的糖分從而避免了雜菌的污染[5-6]。

        通過單因素試驗后確定對發(fā)酵影響較大的因素并選取了其中3個因素做正交設(shè)計試驗優(yōu)化發(fā)酵工藝參數(shù),提高原料出酒率,節(jié)約生產(chǎn)成本,為實際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        木薯干,老撾進(jìn)口,粉碎后檢測淀粉含量為69.3%。

        耐高溫α-淀粉酶、糖化酶,諾維信生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

        酵母為安琪超級釀酒高活性干酵母,安琪酵母股份有限公司生產(chǎn)。

        1.2 試驗設(shè)計

        依據(jù)前期的單因素試驗結(jié)果以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)[2,5]選取了影響發(fā)酵過程的3個因素:發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間以及醪液濃度(料水比)作為影響因素進(jìn)行L9(34)正交設(shè)計,對3個因素設(shè)置3個濃度梯度,濃度梯度及編碼水平見表1。

        1.3 試驗方法

        1.3.1 酵母活化。

        干酵母、水、葡萄糖按100∶1 000∶1的比例混勻,30 ℃水浴30 min即可作為酒母使用。

        1.3.2 同步糖化發(fā)酵工藝。

        將木薯干粉碎過篩備用,稱取60 g木薯粉加150 ml水于500 ml錐形瓶中加入耐高溫α-淀粉酶15 U/g混勻,在95 ℃水浴鍋中蒸煮30 min。降溫至30 ℃加入糖化酶180 U/g和活化后的酵母,酵母按7%的添加量添加,充分混勻。調(diào)整初始pH為4.5后用紗布或濾膜封口然后置于恒溫?fù)u床中培養(yǎng)60 h后取出測定乙醇含量。

        表1 優(yōu)化發(fā)酵條件正交試驗L9(34)

        1.3.3 乙醇產(chǎn)量的測定。

        取100 ml發(fā)酵液和110 ml蒸餾水混合于500 ml的蒸餾瓶中,收集蒸餾液100 ml用酒度計和溫度計測出乙醇濃度及溫度,查校正表得發(fā)酵液乙醇產(chǎn)量。

        1.3.4 原料轉(zhuǎn)化率的計算[2]。公式如下:

        原料轉(zhuǎn)化率=0.789 3XV0.938 4M×100%

        式中,X,乙醇體積分?jǐn)?shù);V,發(fā)酵液體積(ml);M,原料總量(g)。

        2 結(jié)果與分析

        對正交試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行直觀分析的結(jié)果如表2所示試驗中每個處理設(shè)3個重復(fù)。

        表2 乙醇產(chǎn)率正交試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)的直觀分析

        對表2進(jìn)行直觀分析可以看出,料水比最大的K值是K2,發(fā)酵溫度最大的K值是K2,發(fā)酵時間最大的K值是K3,即表示3個影響因素分別在2水平、2水平、3水平上對發(fā)酵結(jié)果影響最大。依據(jù)極差R大小,3個因素作用的大小順序依次是發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、料水比。優(yōu)選方案是A2B2D3,即料水比1∶2.5 g/ml,發(fā)酵溫度32 ℃,發(fā)酵時間54 h。

        對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。顯著性水平α=0.005,查F分布表,F(xiàn)0.005(2,2)=199。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)算得的料水比的F值703.714,發(fā)酵溫度的F值737.638 1,發(fā)酵時間的F值4 946.537,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于查表得到的觀測值F(199),這證明這3個發(fā)酵影響因素在發(fā)酵過程中對發(fā)酵結(jié)果的影響作用穩(wěn)定而且差異比較大。從F值的大小得出3個影響因素對發(fā)酵結(jié)果影響的大小順序依次是D因素(發(fā)酵時間)、B(發(fā)酵溫度)、A(料水比),這與直觀分析的結(jié)果一致。

        對試驗結(jié)果進(jìn)行了驗證性試驗,利用直觀分析得到的最優(yōu)條件組合做發(fā)酵試驗,做3組平行,試驗后取3組數(shù)據(jù)的平均值,得到的原料轉(zhuǎn)化率為30.7%,高于試驗中的各個組合得到的原料轉(zhuǎn)化率,說明該優(yōu)化組合可行。

        3 結(jié)論與討論

        從試驗結(jié)果可以看出,在發(fā)酵過程中發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間以及發(fā)酵料水比對發(fā)酵結(jié)果的影響都是很顯著的。通過正交試驗選擇出的最優(yōu)組合方案是料水比1∶2.5 g/ml,發(fā)酵溫度32 ℃,發(fā)酵時間54 h,優(yōu)化后的發(fā)酵結(jié)果出酒率達(dá)到了14.3%(V/V),原料轉(zhuǎn)化率達(dá)到了30.7%,在保證轉(zhuǎn)化率的前提下大幅度縮短了發(fā)酵周期。

        木薯同步糖化發(fā)酵與傳統(tǒng)的糖化發(fā)酵分步進(jìn)行的發(fā)酵工藝相比,能顯著減少發(fā)酵周期,提高設(shè)備利用率,節(jié)省設(shè)備投資及占地面積;而且同步進(jìn)行糖化發(fā)酵使得淀粉糖化時產(chǎn)生的葡萄糖能立即被酵母所利用,罐中很少可利用糖分的存在能有效防止雜菌的污染,保證發(fā)酵過程的順利進(jìn)行;同時,同步糖化發(fā)酵把糖化和發(fā)酵合為一步進(jìn)行,也簡化了工序操作,節(jié)約人力和能耗[3,5-6]。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 陳必鏈.微生物工程[M].北京:科學(xué)出版社,2010:227-229.

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        [3] 段鋼,許宏賢,阮振華,等.新鮮木薯直接轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙醇[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報,2009,28(3):413-417.

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