王景勝 ，黃玉濤 ，董青山 ，劉 鉞

（河南天冠企業(yè)集團有限公司 車用生物燃料技術國家重點實驗室，河南 南陽 473000）

木薯乙醇清液制備過程中淀粉損失研究

王景勝 ，黃玉濤 ，董青山 ，劉 鉞

（河南天冠企業(yè)集團有限公司 車用生物燃料技術國家重點實驗室，河南 南陽 473000）

在實驗室1 L三角瓶規(guī)模小試中，以普通棉紗布為過濾介質，手工壓榨制取木薯乙醇清液，洗滌固體濾渣的水用于下批拌料，連續(xù)5批次，結果表明制取各清液過程中原料的淀粉損失率為3.91%；在1 m3罐中試試驗中，以（LW250×1 100）臥式螺旋卸料沉降離心機制備木薯乙醇清液，結果表明制清液過程中淀粉損失率為5.9%。小試和中試木薯乙醇制取清液過程中淀粉損失率較高，現(xiàn)階段實際生產(chǎn)中要大規(guī)模應用還存在困難。

木薯乙醇；清液發(fā)酵；淀粉損失

0 前言

我國是一個能源消耗大國，大力發(fā)展以燃料乙醇為代表的生物質能源有助于保障國家的能源安全[1]。近幾年來，由于木薯具有淀粉含量高、分布廣、不占用耕地、不與人爭糧、易運輸和儲存等優(yōu)點，作為1.5代燃料乙醇的主要原料來源[2]，逐漸取代了傳統(tǒng)的以玉米、小麥等為代表的第一代燃料乙醇[3]。在不降低經(jīng)濟性的前提下追求更高的酒度一直是燃料乙醇行業(yè)人員追求的終極目標[4]。木薯燃料乙醇濃醪發(fā)酵由于發(fā)酵液黏度高，輸送、蒸餾成本增加，目前進展甚緩。有學者提出，從“碳循環(huán)”的角度來看，采用清液發(fā)酵，雖然在制清液過程中會有淀粉損失，但是損失的淀粉是有可能通過更大的收益補償?shù)?，例如料液黏度的降低、輸送變得簡單、機器設備磨損大大減輕，更高酒度的發(fā)酵不但提高了生產(chǎn)效率，蒸餾過程能耗也會降低[5]。此外，制清液過程損失的淀粉隨著固渣進入飼料工序，提高了飼料產(chǎn)品的能量，飼料價格有望上調；同時損失的淀粉進入沼氣工序，則增加了沼氣發(fā)酵的C水平，沼氣產(chǎn)量也會增加等。因此，從整個循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈的角度來講，清液發(fā)酵還是有可能實現(xiàn)的，關鍵是進行清液制取工藝的不斷優(yōu)化和控制淀粉的損失。作者從1 L三角瓶小試出發(fā)，利用手工模擬機器壓濾的方法核算清液制取過程中的淀粉損失率，并在1 m3實驗平臺上以臥式螺旋卸料沉降離心機工藝制取清液為例，進一步考察1 m3規(guī)模的木薯燃料乙醇清液制取和淀粉損失，為后續(xù)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

木薯粉：取自生產(chǎn)車間（小試用淀粉含量69.57%）；奧谷液化酶（3萬U/mL）；普通白棉紗布：市售；硫酸（工業(yè)級）；氫氧化鈉（工業(yè)級）；LW250×1100臥式螺旋卸料沉降離心機：浙江麗水凱達；SGM-1500機械攪拌發(fā)酵罐：常州三高；水浴鍋；恒溫振蕩培養(yǎng)箱；電爐等。

1.2 方法

1.2.1 1 L三角瓶小試木薯乙醇清液制備工藝

1 L三角瓶小試木薯乙醇清液制備工藝流程如圖1所示。

取3個1 L廣口三角瓶，每瓶分別加入150 g木薯粉及390 g自來水，攪拌均勻；用20%稀硫酸調節(jié)pH至5.8～6.0；加入稀釋100倍后的液化酶1 mL，置于水浴鍋中65℃預液化1 h后再86℃液化2 h；液化結束，置于冷水中快速降至常溫后補水至原質量，用紗布人工壓濾液化醪，得到清液備用。壓濾后的固渣用50℃熱水分3次清洗，每次熱水用量為390 g，洗滌水全部回收用于下批次拌料；重復上面試驗步驟，共做5批次，最后一批的洗滌水測定其總糖后，折算為原料（淀粉）從總淀粉中扣除，不計入淀粉損失。

圖1 小試木薯清液工藝流程Fig.1 Technical route of the cassava clarifying solution lab test

1.2.2 中試規(guī)模（1 m3）木薯乙醇清液制備工藝

（1）拌料：在1 500 L拌料罐中加入300 kg木薯和700 kg自來水，攪拌均勻，調節(jié)pH值至5.5～6.0。

（2）液化：添加奧谷液化酶200 mL，攪拌均勻，升溫至91℃，保溫1.5 h。

（3）初次分離：液化完成后，將液化醪泵入臥式離心機，進行分離，此過程控制物料進入臥螺機的速度、主機轉速及輔機轉速（轉速控制由預備試驗確定）；清液備用。

（4）洗滌：分離完成后，將分離出來的固渣稱質量并取樣，然后將固渣再次加入拌料罐中，加入700 kg自來水，預加熱至60℃，開攪拌（100 r/min）進行洗滌，時間 15 min。

（5）二次分離：固渣洗滌完成后，泵入臥式離心機進行二次分離（分離參數(shù)和初次分離一致），濾液（洗滌水）儲存用于下次拌料用水，濾渣稱質量并取樣分析。

（6）重復以上各步驟，用二次分離的濾液（洗滌水）代替自來水用于拌料，重復5批次，最后一批次的二次分離的濾液取樣化驗，折算成淀粉，在計算淀粉損失的時候扣除，不計入淀粉損失。

1.2.3 發(fā)酵醪理化性質的測定

淀粉含量測定[6]：廉-愛濃法。

1.2.4 評價核算指標

制清液過程中的淀粉損失率（%）=MLD/MZ，式中：MLD為清洗后的濾渣中的淀粉質量，g；MZ為總淀粉質量，g。

2 結果與討論

2.1 1 L三角瓶木薯乙醇清液制備試驗

在1 L三角瓶小試中，經(jīng)50℃溫水洗滌后的濾渣中不能被回收的殘留淀粉即是制備清液過程中的淀粉損失，清液制備過程中各項參數(shù)見表1。

表1 1 L三角瓶木薯乙醇清液制備過程參數(shù)Table 1 The process parameters of 1 L fermentation test

從表1可以看出，平均每批次手工壓濾制取的清液量為1 214.22 g，并且5批次的清液質量都比較接近，差別不大，說明用濾布手工壓濾液化醪操作的穩(wěn)定性較好，擔心手工壓濾引起較大的試驗誤差的憂慮可以消除。5批次洗滌水量平均在1 243.34 g，各批次之間相差也很小，5批次濾渣平均淀粉含量為5.14%，平均水分含量為76.07%，水分含量較高。按照評價指標中的公式，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以計算出在1 L三角瓶小試5批次試驗中，制備各清液工序中淀粉的損失率為：61.16÷（150×3×5×69.57%）×100%=3.91%。

2.2 1 m3罐規(guī)模（中試）清液制備試驗

中試規(guī)模清液試驗總計5批次，各批次原料木薯用量及淀粉含量如表2所示。

如表2所示，由于中試規(guī)模清液制備試驗的要求，各批次木薯用量很大，各批次之間的淀粉含量差異也較大，批次木薯淀粉含量相差4～5個百分點在生產(chǎn)上是常有的事，為防止長時間的放置或新舊原料之間的淀粉含量不同而導致計算出現(xiàn)較大的誤差，需要隨用隨測。

表2 1 m3木薯乙醇清液制備試驗各批次所用木薯量及淀粉含量Table 2 Cassava mass and starch content of each batches in the 1 m3filtrate fermentation

進行預備試驗，臥式螺旋卸料沉降離心機的主機轉速設置為2 000 r/min，輔機轉速1 400 r/min，液化醪經(jīng)過臥螺機進行初次分離后各項數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 液化醪分離（初次分離）數(shù)據(jù)Table 3 Initial separation data of fermentation liquid

如表3所示：5批次液化醪經(jīng)臥螺機分離后，平均固渣質量為155.84 kg，約占初始料液質量百分比為 15.6%（155.84÷1 000），固渣平均水分含量為65.81%，大大低于小試的濾渣平均水分含量（76.07%），這主要是因為液化醪的黏度和滲透壓較高，相比用自來水二次洗滌后其固渣水分含量就低得多。此外，由于未洗滌前的醪液經(jīng)過臥螺機分離后是初次分離，還沒有進行洗滌水洗滌，因此，固渣中淀粉含量大大增加，平均達到了22.63%，遠遠超過小試中5.14%的水平。這充分說明了在木薯乙醇清液制備過程中清液過濾設備和工藝的重要性，特別是二次洗滌回收固渣中的糖分和糊精是清液發(fā)酵研究的核心之一。

初次分離后的固渣在拌料罐中經(jīng)60℃自來水洗滌后在臥螺機中經(jīng)二次分離（主機轉速2 000 r/min，輔機轉速1 400 r/min）后的過程數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 固渣二次分離過程數(shù)據(jù)Table 4 Process data of second solid cake separation

如表4所示：在不改變臥螺機設置的條件下，固渣經(jīng)洗滌和二次過濾后，平均每批次濾渣質量從155.84 kg降至123.13 kg，平均每批次濾渣中的淀粉質量從35.08 kg降低至12.9 kg，說明二次清洗對濾渣中的淀粉回收效果非常好，正是有了二次自來水清洗這一步驟，能夠清洗回收黏附在固渣里面的大量的液化糖分；同時，由于二次清洗后的濾渣黏度降低，吸水率增大，因此其含水量高于未洗滌前的固渣含水量，達到了77.65%，與小試水平相當。

根據(jù)表2—表4，可計算得到在1 m3罐規(guī)模木薯乙醇清液制備試驗中，采用臥螺機分離制備清液過程中的淀粉損失，如表5所示。

表5 1 m3罐規(guī)模木薯乙醇清液制取過程淀粉損失Table 5 Starch loss of the preparation process in the 1 m3experiment

由表5可以看出：在整個清液制備過程中，如果不對固渣進行二次清洗回收淀粉，則淀粉損失率為16%；經(jīng)過洗滌水洗滌回收后，制備清液過程淀粉損失率降至5.9%，效果明顯。但相比1 L三角瓶小試中清液制備過程淀粉損失率3.91%，還是高出不少，這是由于試驗是間歇進行的，每批次試驗過程中由于罐底和管道殘留等多種原因，無法精確估計。因此，5.9%的淀粉損失對于實際的損失來說，明顯是高估的，真實的淀粉損失率應該在5.9%以下。

3 結論

（1）1 L三角瓶木薯乙醇制備清液過程淀粉損失為3.91%，在1 m3中試規(guī)模試驗中，制備清液過程淀粉損失比例為5.9%。小試和1 m3中試的淀粉損失率都比較高，在目前還沒有成熟的市場補償機制下，現(xiàn)階段在生產(chǎn)上直接應用清液工藝比較困難。

（2）清液發(fā)酵的關鍵是要減少濾渣中攜帶的淀粉量，因此需要在制備清液工藝設備方面進行研究改進，更好地對濾渣進行清洗，并降低其水分含量；此外更好的液化和糖化工藝也有助于淀粉的釋放和清洗，減少損失。

（3）上下游產(chǎn)業(yè)鏈融合，提高全產(chǎn)業(yè)鏈附加值是未來木薯燃料乙醇清液發(fā)酵能否產(chǎn)業(yè)化的關鍵[7]。只有清液淀粉損失能夠被后續(xù)工序消化，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟和社會效益時，清液發(fā)酵才有出路，因此，加強對“糖”的循環(huán)轉化研究也有重要的現(xiàn)實意義[8]。

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［3］劉永麗.木薯粉清液發(fā)酵乙醇的研究［D］.鄭州：鄭州大學，2014.

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STUDY ON STARCH LOSS IN THE PREPARATION PROCESS OF CASSAVA ETHANOL CLEAR LIQUID

WANG Jingsheng，HUANG Yutao，DONG Qingshan，LIU Yue
（State Key Laboratory of Motor Vehicle Biofuel Technology，Hennan Tianguan Group Co.，Ltd.，Nanyang473000，China）

In 1 L flask lab tests，the cassava ethanol clear liquid was prepared by manual pressing with common cotton gauze （diameter 50 μm） as filter medium; wash water of solid filter cake was added to the next material;and 5 batches of materials were processed continuously. Results showed that the starch loss rate reached 3.91% in the preparation process. In 1 m3pilot tests，a horizontal screw centrifuge （LW250×1100） was used to prepare cassava ethanol clear liquid，and the starch loss rate was 5.9%. Results of lab tests and pilot tests showed that the starch loss rate in the preparation process of cassava ethanol clear liquid was high. Therefore，it is difficult to realize large-scale application in the practical production at present.

cassava ethanol；clear liquid fermentation；starch loss

TS 201.2 文獻標志碼：B

1673-2383(2017)05-0100-04

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20171030.0936.036.html

網(wǎng)絡出版時間：2017-10-30 9:36:41

2017-08-04

王景勝（1969—），男，河南南陽人，高級工程師，主要從事生物燃料乙醇研發(fā)及生產(chǎn)工作。