俞建良，熊 強(qiáng)，張永新，劉勁松，林海龍

（國(guó)投生物科技投資有限公司，北京 100084）

生物燃料乙醇是以可再生的生物質(zhì)為原料制成可作為燃料使用的乙醇，以其為代表的生物能源是關(guān)乎農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[1]。2017年9月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等十五部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車(chē)用乙醇汽油的實(shí)施方案》，標(biāo)志著我國(guó)生物燃料乙醇正式由試點(diǎn)推廣進(jìn)入全面推廣新階段。我國(guó)生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展既面臨千載難逢的歷史發(fā)展機(jī)遇，也面臨著來(lái)自各方的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)降本增效，是我國(guó)生物燃料乙醇行業(yè)不斷發(fā)展壯大、有效應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)沖擊的最重要途徑之一。

酒精生料發(fā)酵技術(shù)，因?yàn)楣に嚭?jiǎn)單、能耗低、產(chǎn)品得率高等原因，一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)發(fā)展方向之一，本文將從決定酒精生料發(fā)酵技術(shù)能否推廣應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)（粉碎預(yù)處理、生淀粉水解、發(fā)酵、染菌防治、蒸餾及DDGS 顏色）對(duì)國(guó)內(nèi)外酒精生料發(fā)酵技術(shù)的研究進(jìn)行綜述，從而為該項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供思路。

1 研究概況

酒精生料發(fā)酵是指在低于淀粉糊化的溫度下，用生料淀粉水解酶與酵母共同作用于淀粉質(zhì)原料而生產(chǎn)酒精的方法。與傳統(tǒng)蒸煮法酒精生產(chǎn)工藝相比，生料發(fā)酵過(guò)程省去了高溫蒸煮的過(guò)程，降低了能耗，減少了淀粉在高溫蒸煮過(guò)程中所造成的損失（形成淀粉脂肪復(fù)合體、美拉德反應(yīng)、淀粉回生等）[2]，因此可以提高淀粉酒精轉(zhuǎn)化率。美國(guó)最大的生料酒精生產(chǎn)公司POET 的長(zhǎng)期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)蒸煮法酒精生產(chǎn)工藝相比，綜合能耗下降8 %～15 %，酒精得率提高12～18 kg/t 玉米。另外，生料發(fā)酵工藝簡(jiǎn)單，可有效的降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，酒精生料發(fā)酵技術(shù)具有很高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

生料發(fā)酵技術(shù)的核心是獲得高效的生料水解酶，即能在正常發(fā)酵溫度下高效降解生淀粉，轉(zhuǎn)化為酵母能利用的單糖。目前，已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化的能滿(mǎn)足生料發(fā)酵要求的生料水解酶主要有諾維信公司的Novozyme5009 和杰能科的Stargen。同時(shí)，還需要解決未經(jīng)蒸煮的原料在發(fā)酵過(guò)程中容易出現(xiàn)的染菌問(wèn)題[3]，由于生料淀粉原料顆粒度細(xì)導(dǎo)致的廢醪液固液分離困難問(wèn)題，以及殘淀粉高導(dǎo)致的蒸餾塔易結(jié)垢、飼料顏色深等問(wèn)題[4]。由于缺少可供選擇的、高效的、商業(yè)化的生料水解酶，以及創(chuàng)新型的生產(chǎn)工藝，導(dǎo)致生料發(fā)酵技術(shù)僅在美國(guó)的POET 公司的27 個(gè)工廠以及歐洲的少數(shù)幾個(gè)工廠應(yīng)用，尚未在更大的范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 粉碎預(yù)處理技術(shù)

由于生料發(fā)酵過(guò)程中，原料未經(jīng)蒸煮，淀粉水解和發(fā)酵的溫度低于淀粉糊化溫度（淀粉顆粒無(wú)法膨脹破碎），因此，水解酶與淀粉顆粒的接觸面積很大程度上取決于原料粉碎的顆粒度即粉碎程度。試驗(yàn)證明[5-6]，顆粒度越細(xì)，則越有利于淀粉的水解，進(jìn)一步有利于提高酒精得率、降低醪液中的殘淀粉含量。但是，粉碎過(guò)程是高能耗過(guò)程，粉碎越細(xì)，能耗越高；同時(shí)，粉碎粒度過(guò)細(xì)，不利于醪液蒸餾后的固液分離，進(jìn)而影響DDGS 的加工。因此，需要權(quán)衡粉碎程度和酒精得率。POET公司普遍將玉米原料粉碎至0.5 mm 篩網(wǎng)通過(guò)率100 %。國(guó)內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)化得到的最佳粉碎程度為30～40 目篩通過(guò)率100 %[6]。另外，不同類(lèi)型的粉碎機(jī)由于粉碎原理不同，因此對(duì)淀粉粒的破壞程度不同，也會(huì)影響淀粉的水解效果。愛(ài)荷華州立大學(xué)的WONGSAGONSUP 等[5]用賽科龍、超級(jí)離心和錘片式粉碎機(jī)3 種粉碎機(jī)分別對(duì)玉米進(jìn)行粉碎，生料發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果表明，由于賽科龍粉碎機(jī)能夠破壞玉米更多的淀粉顆粒，而且粉碎粒度更小，因此經(jīng)過(guò)賽科龍粉碎機(jī)粉碎的玉米，淀粉水解更充分，乙醇得率更高。

2.2 生淀粉水解技術(shù)

2.2.1 生淀粉酶

生淀粉酶一般指可以直接作用、水解或糖化未經(jīng)蒸煮的淀粉顆粒的酶。因此，生淀粉酶所涉及的酶有α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、脫支酶等。

目前，工業(yè)上應(yīng)用的生淀粉酶主要包括來(lái)源于真菌的酸性α-淀粉酶和真菌葡萄糖淀粉酶。真菌α-淀粉酶的來(lái)源相對(duì)較少，目前工業(yè)上應(yīng)用的真菌α-淀粉酶幾乎全部來(lái)源于絲狀真菌中的曲霉屬微生物，如黑曲霉（Aspergillus niger）和米曲霉（Aspergillus oryzae）等[7]。與細(xì)菌α-淀粉酶不同，大多數(shù)真菌α-淀粉酶的作用溫度和pH 值都比較溫和，如最適作用pH 值在5.0～5.5 之間，最適作用溫度為50～55 ℃。真菌α-淀粉酶在現(xiàn)代淀粉糖漿、焙烤制品、啤酒釀制及生料酒精等行業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用[7]。葡萄糖淀粉酶是能從非還原末端外切淀粉的α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵，生成葡萄糖的酶。真菌產(chǎn)生的葡萄糖淀粉酶對(duì)生淀粉具有較好的分解作用，不同來(lái)源的糖化酶其結(jié)構(gòu)和功能有一定的差異，對(duì)生淀粉的水解作用的活力也不同[8]。研究人員通過(guò)對(duì)分離純化后的葡萄糖淀粉酶的結(jié)構(gòu)解析，進(jìn)一步闡釋了具有生淀粉糖化酶功效的酶與水解糊化淀粉的糖化酶的不同作用機(jī)理，提出了生淀粉糖化酶中特殊的由Cp 區(qū)域和GP-Ⅰ區(qū)域構(gòu)成的復(fù)合體對(duì)生淀粉有親合吸附能力[9]。在生料水解過(guò)程中，生淀粉酶首先吸附到淀粉顆粒表面，水解產(chǎn)生孔洞結(jié)構(gòu)，通過(guò)孔道進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，從淀粉顆粒內(nèi)部水解淀粉，同時(shí)利用糖化酶的外切活力和淀粉酶的內(nèi)切活力使淀粉粒表面及內(nèi)部形成更多水解入口，并水解釋放葡萄糖。生淀粉酶的水解性能是決定生料發(fā)酵技術(shù)成敗的最重要因素。如果生淀粉水解能力不足，則發(fā)酵周期長(zhǎng)、殘淀粉含量高，酒精得率低；如果添加量大，成本很高，則沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值。因此，開(kāi)發(fā)性能高效、成本可控的生淀粉酶（配方）一直是酶制劑公司和生物燃料乙醇企業(yè)研發(fā)的方向。

目前，國(guó)際上僅有諾維信、杰能科和帝斯曼等少數(shù)幾家大型酶制劑公司擁有生料淀粉酶的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)與產(chǎn)品，且一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平[7]。美國(guó)的POET 公司的27 個(gè)燃料乙醇工廠使用了諾維信的生淀粉酶Novozyme50009 用于燃料乙醇生料發(fā)酵。由于雙方簽訂了排他協(xié)議，該生淀粉酶未能在其他企業(yè)推廣。杰能科提供了一種用于生料發(fā)酵的專(zhuān)用酶制劑產(chǎn)品，商品名為Stargen。雖然國(guó)內(nèi)使用生淀粉酶Stargen001 的酒精生料發(fā)酵小試結(jié)果不錯(cuò)[10]，但是，由于缺少對(duì)涉及該項(xiàng)技術(shù)的其他應(yīng)用環(huán)節(jié)的開(kāi)發(fā)和掌握，目前國(guó)內(nèi)生物燃料乙醇企業(yè)還沒(méi)有使用該生淀粉酶進(jìn)行酒精生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)的山東隆大生物公司也開(kāi)發(fā)出了真菌α-淀粉酶的商業(yè)化產(chǎn)品，但是也尚未在酒精生產(chǎn)中應(yīng)用。另外，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院校也一直在圍繞開(kāi)發(fā)新的生淀粉酶開(kāi)展研究工作[11-13]，希望能獲得新的生物資源，大幅度提高酶活性能。

2.2.2 水解技術(shù)

（1）配料濃度

為了減少用水量，節(jié)省能源消耗，同時(shí)兼顧糖化和酒精發(fā)酵的效果，通常會(huì)將配料濃度控制在干物含量為25 %～45 %，更多地會(huì)選擇30 %～35 %的范圍。為了發(fā)酵能快速啟動(dòng)，也可以選擇采用梯度配料，在發(fā)酵罐裝填前期選用40%的配料濃度，而后期選用30 %的配料濃度，總體配料濃度則維持在35 %。為了抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，配料時(shí)需要將pH 值調(diào)至酸性條件，一般維持在pH3～5，實(shí)際應(yīng)用中一般調(diào)至pH4.2～4.5[3-4，14]。

（2）溫度調(diào)控

酶法水解淀粉顆粒的初始階段為酶與淀粉顆粒相結(jié)合，因此，顆粒淀粉水解率與初始形態(tài)、孔隙率、淀粉顆粒的粒徑和表面積有關(guān)。α-淀粉酶和糖化酶的顆粒尺寸偏大，分別為幾納米，因?yàn)槠湎鄬?duì)較大的尺寸，這些酶與淀粉顆粒的結(jié)合受到限制，從而降低了顆粒淀粉的水解率。為解決該問(wèn)題，需要盡量使淀粉顆粒膨脹，增加淀粉顆粒的比表面積（每單位質(zhì)量的干淀粉表面面積）并破壞淀粉顆粒表面。因此，在生淀粉發(fā)酵之前，一般都會(huì)有一個(gè)較高溫度的預(yù)處理水解過(guò)程。POET在專(zhuān)利中提到了維持半小時(shí)左右的拌料糖化工序，溫度維持在25～40 ℃[4]。史永成[15]提出了一種對(duì)生淀粉進(jìn)行膨脹處理的方法，優(yōu)選溫度在50～55 ℃條件下維持30 分鐘。劉文信等[16]在玉米粉拌料過(guò)程中加入蛋白酶和淀粉酶，并調(diào)整攪拌速度為90 r/min，然后在60 ℃下維持60 min。房丹[17]研究了兩階段溫度控制對(duì)生淀粉酶酶解高濃度玉米淀粉乳的影響，結(jié)果表明，與恒溫反應(yīng)體系相比，利用兩階段溫度控制（第一階段55～65 ℃，第二階段65～70 ℃）明顯提高了生淀粉水解的葡萄糖得率和DE值。

（3）催化因子

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，添加少量的金屬離子對(duì)淀粉酶活性有顯著提高，其中以二價(jià)金屬離子為主。鈣離子在增加α-淀粉酶酶解效率方面有著雙重的作用，除了能夠促進(jìn)酶活和維持酶的二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性之外[7，18]，還能夠降低淀粉乳的黏度和糊化溫度。房丹[17]研究了鈣離子濃度對(duì)生淀粉水解的影響，結(jié)果表明，當(dāng)添加160 mg/L 的鈣離子時(shí)，不僅可以顯著提高酶活，而且酶解過(guò)程中的黏度明顯下降，葡萄糖得率提高了12 %～16 %。但是，如果鈣離子濃度超過(guò)了一定的范圍，反而會(huì)對(duì)酶的活性產(chǎn)生抑制作用[17-18]。其他金屬離子對(duì)酶活力也有影響。韋榮霞等[11]在研究生淀粉糖化酶時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+、Mg2+、Mn2+和Co2+對(duì)該酶均有激活作用，其中Fe2+作用明顯；Cu2+和K+對(duì)該酶的酶活力有抑制作用。因此，必須準(zhǔn)確掌握各種催化因子對(duì)酶活力的影響情況，最大限度發(fā)揮酶活性能，避免引起酶水解過(guò)程的異常波動(dòng)。

2.3 發(fā)酵技術(shù)

由于酒精生料發(fā)酵周期較長(zhǎng)，且原料未經(jīng)過(guò)蒸煮滅菌，發(fā)酵過(guò)程容易染菌，因此，主要選用高濃度間歇發(fā)酵技術(shù)。該技術(shù)的核心要素包括酵母菌、溫度、pH 值、發(fā)酵周期。目前，酒精工業(yè)化生產(chǎn)主要使用的微生物是釀酒酵母，酒精生料發(fā)酵主要也是采用釀酒酵母。POET 研究表明，F(xiàn)ali (Fleischmann's)、Thermosac (Alltech)、Ethanol Red (LeSafre)、BioFerm AFT(North American Bioproducts)等酵母產(chǎn)品均能適應(yīng)酒精生料發(fā)酵。國(guó)內(nèi)商業(yè)化用于酒精生產(chǎn)的酵母產(chǎn)品有安琪高效釀酒活性干酵母、新疆昇力酒用高活性干酵母等。根據(jù)酵母的特點(diǎn)，發(fā)酵溫度可以控制在26～37 ℃的范圍內(nèi)，或者在該范圍內(nèi)采用梯度控溫法[19]，即在發(fā)酵初期將溫度控制在33 ℃左右，高溫下有利于酵母細(xì)胞代謝的快速啟動(dòng)。隨著乙醇濃度的升高，將溫度逐漸降低至20 ℃左右，降低高濃度的乙醇對(duì)酵母的傷害，延長(zhǎng)酵母壽命。由于細(xì)菌的最適pH值為5以上，酵母為3～6，為了有效防止染菌，發(fā)酵的初始pH值可以控制在3～5[20]。通常情況下，為了同步糖化發(fā)酵更加協(xié)調(diào)，pH 值一般控制在4.5 左右。由于生料水解過(guò)程溫度低，因此水解速率較低、發(fā)酵周期相對(duì)較長(zhǎng)，在配料濃度在28%～34%的情況下，生料發(fā)酵的周期一般為72～96 h[3，5，16，21]。RASMUSSEN等[3]在研究玉米酒精生料發(fā)酵時(shí)，配料濃度為35%（w/w），按醪液量的0.25 %添加干酵母（Fermentis Ethanol Red,Lesaffre Yeast Corp.），初始pH 值為4.5，發(fā)酵溫度27 ℃，在發(fā)酵96 h 后，乙醇濃度達(dá)到了147 g/L。趙二永等[14]在研究小麥酒精生料發(fā)酵時(shí)，配料濃度為30 %（w/w），按醪液量的0.025 %添加安琪高效釀酒活性干酵母，初始pH 值為4.5，發(fā)酵溫度30 ℃，在發(fā)酵90 h后，乙醇濃度達(dá)到了137.8 g/L。

2.4 染菌防治技術(shù)

與傳統(tǒng)發(fā)酵相比，酒精發(fā)酵過(guò)程中的清潔和衛(wèi)生方面的管理是很不嚴(yán)格的，除了生產(chǎn)菌外，還會(huì)從原料、空氣、水等帶入一定數(shù)量的雜菌，雜菌感染是影響酒精得率的主要因素。常見(jiàn)雜菌包括乙酸菌、乳酸菌、枯草芽孢菌等，其中乳酸菌是最主要的雜菌，幾乎從所有廠里分離出來(lái)的菌群中都有[20]。少量雜菌不會(huì)對(duì)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生明顯的影響，但如果雜菌大量繁殖，就會(huì)給酒精生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失[22]。由于酒精生料發(fā)酵周期較長(zhǎng)，且原料未經(jīng)過(guò)蒸煮滅菌，因此，相比傳統(tǒng)的酒精發(fā)酵工藝，發(fā)酵過(guò)程更容易染菌。因此，能否有效控制生料發(fā)酵過(guò)程中雜菌污染是決定該項(xiàng)技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)推廣的關(guān)鍵因素之一，這對(duì)于保證酒精生產(chǎn)的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。

2.4.1 抗菌劑

選擇合適的抗菌劑是酒精生產(chǎn)過(guò)程中控制雜菌最有效方法和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)?？咕鷦┦且种莆⑸锷L(zhǎng)的化合物，比如防腐劑，有雙氧水、焦亞硫酸鉀；例如抗生素，有青霉素、莫能菌素、四環(huán)素、鏈霉素和維吉尼亞霉素（見(jiàn)表1）。酒精生產(chǎn)中常采用的抗菌劑有漂白粉、青霉素、安菌泰、克菌靈、酒花等。

表1 乙醇工業(yè)上使用的抗菌劑

漂白粉作為消毒劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用在自來(lái)水中，其在自來(lái)水中產(chǎn)生的次氯酸和次氯酸根能夠穿過(guò)細(xì)菌的細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，在氯離子的氧化作用下，細(xì)菌內(nèi)的某些酶系受到破壞，導(dǎo)致細(xì)菌死亡[23]。筆者曾在拌料過(guò)程中添加有效氯含量為0.5～2.0 mg/mL的漂白粉，并維持1～2 h，對(duì)控制生料發(fā)酵的染菌水平起到了很好的效果。陳世忠等[24]在發(fā)酵醪中添加漂白粉殺菌，有效控制住了雜菌的數(shù)量，揮發(fā)酸 從0.13～0.15 mg/mL 降 到0.11 mg/mL 以 下。ClO2也是非常好的替代抗生素用于燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程中防止和控制染菌的抗菌劑。由于ClO2作為抗菌劑，其作用受玉米乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境pH值和溫度的影響很小，因此有很明顯的優(yōu)勢(shì)。ClO2的使用可以與很多工藝過(guò)程相結(jié)合并得到很好的控制，比如對(duì)用于擴(kuò)培和發(fā)酵的物料的預(yù)處理，對(duì)拌料水、回配清液和CIP 清洗液的消毒。ClO2被認(rèn)為是一種潛在的替代抗生素的安全的抗菌劑，可以用于所有需要控制和防止染菌的工業(yè)發(fā)酵中[20]。

酒精工業(yè)生產(chǎn)主要通過(guò)添加抗生素來(lái)控制雜菌污染。由于酒精生料發(fā)酵的拌料溫度和水解溫度一般為50～60 ℃，非常適合乳酸菌的生長(zhǎng)和繁殖，因此，必須在拌料過(guò)程中就添加抗生素。另外，在發(fā)酵前期的醪液、清液和糖漿貯存時(shí)，也需要添加適量的抗生素。北美主要使用青霉素G（有時(shí)青霉素V）和維吉尼亞霉素來(lái)處理燃料乙醇發(fā)酵過(guò)程中的染菌。維吉尼亞霉素推薦的添加量是0.25～2 mg/L[25]，低于2 mg/L 時(shí)，都不會(huì)對(duì)酵母乙醇發(fā)酵產(chǎn)生影響，但是當(dāng)濃度達(dá)到20 mg/L 左右時(shí)，酵母消耗葡萄糖的速率就會(huì)降低[26]。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加維吉尼亞霉素的發(fā)酵組（0.5 mg/kg 淀粉漿）比對(duì)照組的乙醇得率高11 %[27]。國(guó)內(nèi)主要使用青霉素、安菌泰（商品名）、莫能菌素等來(lái)處理燃料乙醇發(fā)酵過(guò)程中的染菌。劉勁松[28]研究了生料發(fā)酵中復(fù)合抑菌劑的效果，結(jié)果表明，青霉素1.5 mg/L、莫能菌素1 mg/L、克茵靈0.5 mg/L、桿菌肽0.5 mg/L 的添加量時(shí)，抗菌控制效果最佳。孫振江等[29]研究了青霉素、安菌泰、莫能菌素3 種殺菌劑在木薯酒精發(fā)酵中的殺菌效果，指出3 種殺菌劑均能有效殺菌，最好在發(fā)酵初期添加，但殺菌劑添加量不能超過(guò)10 mg/L，否則會(huì)對(duì)酵母產(chǎn)生抑制作用。

另外，從酒花中提取得的酒花天然抗菌劑Iso tab 產(chǎn)品也已經(jīng)在歐美的酒精企業(yè)中廣泛應(yīng)用[30]，是未來(lái)替代抗生素的發(fā)展方向之一。酒花中含有的多種有機(jī)酸，對(duì)酒精發(fā)酵過(guò)程中的雜菌都具有良好的抗性，可以消除跨膜pH 值梯度，抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)[31-32]。WONGSAGONSUP 等[5]在生料發(fā)酵前，在醪液中添加2 mg/L 的維吉尼亞霉素和40 mg/L 的酒花提取物。

2.4.2 醪液pH值調(diào)控

由于當(dāng)pH 值低于5.0 時(shí)，可以大大降低以乳酸菌為代表的細(xì)菌的生長(zhǎng)速率，因此，大多數(shù)乙醇生產(chǎn)廠都會(huì)通過(guò)添加硫酸來(lái)調(diào)節(jié)醪液pH 值至4.5 以下，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌感染的控制。有些工廠采用連續(xù)發(fā)酵工藝，甚至將發(fā)酵初始的pH 值調(diào)整至4.0 或者更低[20]。然而，較低的pH 值也會(huì)降低酵母的代謝活力和糖化酶的活力[33-34]，并導(dǎo)致乙醇得率的下降。如果物料中存在弱酸，如乳酸、乙酸，調(diào)低pH值會(huì)導(dǎo)致弱酸的非解離態(tài)濃度升高，進(jìn)而增強(qiáng)了弱酸對(duì)酵母生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵的抑制作用[20]。

2.4.3 清潔生產(chǎn)措施

酒精生產(chǎn)設(shè)備主要以各種罐體和管道為主，制漿水罐、拌料罐、水解罐、發(fā)酵罐、糖漿貯罐等各種罐體和管道的材質(zhì)以不銹鋼為主，防止菌體的藏匿和滋生，定期用雙氧水、酸堿液等消毒試劑清洗罐體和管道是清潔生產(chǎn)的主要措施[20]。另外，還可以定期對(duì)環(huán)境進(jìn)行消毒，尤其是制漿水罐。制漿水罐是常被忽視，進(jìn)水和貯水周期等問(wèn)題在大多數(shù)工廠都沒(méi)有嚴(yán)格的管理。由于制漿水中存在有機(jī)物和細(xì)菌，因此在貯存過(guò)程中微生物會(huì)滋生并產(chǎn)生有機(jī)酸。制漿水罐有兩個(gè)缺陷，一是設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有帶攪拌，二是溫度低于60 ℃（而不是高于71.1 ℃），使得產(chǎn)乳酸細(xì)菌和其他耐高溫的細(xì)菌可以存活和生長(zhǎng)。由于缺失攪拌，時(shí)間一長(zhǎng)，底部就會(huì)產(chǎn)生沉淀，這些沉淀物可以為雜菌提供保護(hù)，甚至在溫度較高的液體中也有保護(hù)作用。防止染菌的主要措施是改進(jìn)對(duì)制漿水罐的日常監(jiān)測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，掌控潛在的風(fēng)險(xiǎn)。解決此處問(wèn)題的方法是停機(jī)后清除罐內(nèi)的沉積物，定期添加商業(yè)化殺菌劑可以控制細(xì)菌數(shù)量。當(dāng)然，如果此處的問(wèn)題反復(fù)出現(xiàn)，那么可以通過(guò)重新設(shè)計(jì)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)將溫度加熱至71.1 ℃左右，達(dá)到巴斯消毒法的效果[20]。

2.4.4 其他方案

玉米在采收和儲(chǔ)存過(guò)程中都會(huì)攜帶各種微生物，尤其是當(dāng)玉米籽粒出現(xiàn)破損、環(huán)境條件適宜的情況下，微生物還會(huì)滋生并產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。對(duì)此，有人研究通過(guò)化學(xué)法、輻射法、物理篩分法等途徑對(duì)儲(chǔ)存過(guò)程中和加工前的玉米進(jìn)行預(yù)處理，殺滅微生物、消除有毒有害成分[35]。但是，這種針對(duì)玉米籽粒的前處理方式，或者因?yàn)樘幚沓杀靖?，或者因?yàn)檠b備設(shè)施無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，都尚不具備工業(yè)化推廣應(yīng)用的條件。

2.5 蒸餾及DDGS顏色控制

由于淀粉生料發(fā)酵結(jié)束時(shí)，殘淀粉含量較高，蒸餾過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)殘淀粉糊化，黏度增加，導(dǎo)致蒸餾塔中殘留物增加；另外，物料顆粒度細(xì)，固液分離時(shí)，清液中固形物含量高，蒸發(fā)濃縮處理量大；最終還可能導(dǎo)致飼料顏色加深，影響DDGS 的品質(zhì)。這些問(wèn)題對(duì)酒精生料發(fā)酵技術(shù)能否推廣應(yīng)用同樣起著決定性的作用，一方面關(guān)系到能否穩(wěn)定生產(chǎn)，另一方面也會(huì)影響飼料的銷(xiāo)售收益。目前，有關(guān)這方面的技術(shù)研究報(bào)道還很少，需要在實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)中去摸索和解決。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然酒精生料發(fā)酵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，但是，由于核心關(guān)鍵技術(shù)（酶制劑）的脫節(jié)以及系統(tǒng)性應(yīng)用方案的配套不足，導(dǎo)致該項(xiàng)技術(shù)未能在世界范圍內(nèi)推廣。相反，掌握了核心關(guān)鍵技術(shù)的美國(guó)POET公司旗下的27家燃料乙醇企業(yè)已經(jīng)全面應(yīng)用生料發(fā)酵技術(shù)，并且為企業(yè)帶來(lái)了十分顯著的效益。因此，我們必須勇于創(chuàng)新，迎難而上，系統(tǒng)性地攻克阻礙技術(shù)發(fā)展的各個(gè)障礙，尤其是要集中各方面的科研力量，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)生產(chǎn)特色的酶制劑產(chǎn)品，最終實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)的全面推廣應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)生物燃料乙醇事業(yè)的發(fā)展。

當(dāng)前，全球生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，以美國(guó)和巴西為代表的世界最大的生物燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)憑借其國(guó)內(nèi)廉價(jià)的原料和先進(jìn)的生產(chǎn)管理技術(shù)生產(chǎn)出低價(jià)的產(chǎn)品，不斷威脅著國(guó)內(nèi)生物燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)。創(chuàng)新將成為國(guó)內(nèi)企業(yè)面對(duì)挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存的新時(shí)期的唯一制勝法寶。