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        陳化水稻摻混生產(chǎn)燃料乙醇的工藝

        2021-01-09 13:58:18苗春雨張茂芬陳光偉國投生物能源雞東有限公司黑龍江雞西5800國投象嶼生物能源富錦有限公司黑龍江富錦5600
        化工管理 2021年4期
        關(guān)鍵詞:水稻工藝生產(chǎn)

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        0 引言

        目前將陳化水稻摻混到燃料乙醇生產(chǎn)過程中,需要嚴格控制液化、發(fā)酵過程中液化酶、糖化酶、酵母菌及氮源用量等因素,確保陳化水稻可以作為燃料乙醇生產(chǎn)的主要原材料,從根本上提升燃料乙醇生產(chǎn)期間的質(zhì)量以及效率。與普通燃料乙醇生產(chǎn)工藝相比,陳化水稻的主要應(yīng)用工藝種類更多,需要結(jié)合燃料乙醇生產(chǎn)條件以及實際生產(chǎn)需求,選擇適宜的陳化水稻摻混應(yīng)用方式,為實現(xiàn)燃料乙醇生產(chǎn)經(jīng)濟利益與生態(tài)利益最大化的目標(biāo)奠定堅實技術(shù)基礎(chǔ)。

        1 陳化水稻摻混生產(chǎn)燃料乙醇的可行性分析

        1.1 陳化水稻特征

        陳化水稻主要就是指水稻經(jīng)過多年儲存后,出現(xiàn)黃化、變質(zhì)或存在能夠?qū)θ梭w造成危害的黃曲霉毒素。陳化水稻碳水化合物的含量極為充沛,是發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)酒精的重要原材料[1]。經(jīng)過實際調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),我國陳化水稻現(xiàn)有1.25億t,需要花費十幾年的時間才可完全消化。

        由于水稻存儲量最大,其在儲存期間經(jīng)常會出現(xiàn)陳化或發(fā)霉變質(zhì)問題。通常情況下,水稻可儲存半年或一年,高溫情況下只可以儲存1~3個月。在水稻儲存約三年以上后,不可直接用作畜牧養(yǎng)殖,而是應(yīng)經(jīng)過特殊加工處理,實際處理成本巨大。

        燃料乙醇生產(chǎn)是當(dāng)前全世界各地處理陳化水稻的重要方式之一,由于水稻本身屬于高成分農(nóng)作物,因此將其摻和制燃料乙醇生產(chǎn)過程中,具有更加顯著的經(jīng)濟效益,符合我國水稻產(chǎn)量巨大的國情。

        1.2 陳化水稻應(yīng)用優(yōu)勢

        陳化水稻內(nèi)部含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì),是發(fā)酵工業(yè)中微生物發(fā)酵的良好碳源之一[2]。用陳化水稻生產(chǎn)燃料乙醇可降低生產(chǎn)成本,生產(chǎn)效益更高,現(xiàn)已成為燃料乙醇生產(chǎn)工業(yè)發(fā)展的重要研究課題。不僅如此,陳化水稻的應(yīng)用也可防止陳化水稻流入食品加工市場,緩解燃料乙醇生產(chǎn)原材料緊缺現(xiàn)狀,控制玉米等糧食銷量。當(dāng)前我國燃料乙醇生產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)開始嘗試摻混陳化水稻,并已研究出水稻脫殼粉碎后與玉米粉混合發(fā)酵、水稻全粉碎發(fā)酵兩種方式,使得陳化水稻在燃料乙醇生產(chǎn)中的應(yīng)用更加可行。

        2 陳化水稻應(yīng)用于燃料乙醇生產(chǎn)中的主要工藝

        陳化水稻由外而內(nèi)分別有稻殼(穎)、糠層(果皮、種皮、糊粉層的總稱)、胚及胚乳等部分結(jié)構(gòu)構(gòu)成。當(dāng)前在將陳化水稻摻混至燃料乙醇生產(chǎn)期間,需要對水稻進行脫殼粉碎或不脫殼粉碎兩種方式的預(yù)處理[3]。其中,脫殼粉碎需要去除陳化水稻表面的稻殼,并將此部分水稻單獨粉碎后使用。水稻脫殼粉碎后還應(yīng)經(jīng)過拌料、液化、同步糖化發(fā)酵、蒸餾脫水等環(huán)節(jié),最后生產(chǎn)出合格的燃料乙醇。同時,陳化水稻應(yīng)用于燃料乙醇生產(chǎn)出的思路也分為兩種:第一,將陳化水稻作為第一生產(chǎn)原材料;第二,將陳化水稻與木薯或玉米混合在一起,作為燃料乙醇生產(chǎn)原材料。在實際摸索與試驗過程中,發(fā)現(xiàn)脫殼后的陳化水稻與玉米粉混合后生產(chǎn)出的燃料乙醇與水稻直接粉碎后發(fā)酵生產(chǎn)出的燃料乙醇沒有區(qū)別,但對DDGS質(zhì)量影響極大。

        2.1 水稻與玉米混合發(fā)酵工藝

        當(dāng)前燃料乙醇生產(chǎn)多數(shù)使用陳化水稻脫殼粉碎后與玉米粉混合發(fā)酵的方式。利用礱谷機將陳化水稻去殼,將獲得到的糙米進行粉碎處理,最后通過20目篩,保障水稻粉通過率為85%[4]。粉碎后的水稻應(yīng)當(dāng)與全粉碎玉米粉按照一定比例混合配置成淀粉漿液,注重控制粉料與水的比例(料水比)、粉漿液pH值。在酸堿值內(nèi)摻入適宜劑量的耐高溫淀粉酶,確保液化溫度控制在90 ℃,液化時間維持在3 h左右。在液化后的液化醪冷卻后,將pH值調(diào)節(jié)在合理范圍內(nèi),加入適當(dāng)劑量的酵母、糖化酶,并于30~33 ℃環(huán)境下發(fā)酵72 h。

        通過對玉米粉及脫殼水稻粉混合發(fā)酵出的成熟醪進行液相色譜分析,發(fā)現(xiàn)在陳化水稻添加比例為40%的情況下,燃料乙醇出酒率最高;在陳化水稻添加比例為60%的情況下,發(fā)酵液體中的乳酸含量大于標(biāo)準值;在陳化水稻添加比例為80%的情況下,發(fā)酵液體內(nèi)部乙酸含量最高,導(dǎo)致燃料乙醇淀粉出酒率降低。在燃料乙醇生產(chǎn)過程中,玉米酒精糟DDGS也是重要產(chǎn)物。其中,高蛋白飼料主要就是原料與酵母混合發(fā)酵,生產(chǎn)出燃料乙醇及二氧化碳后剩余的發(fā)酵產(chǎn)物,可用于畜牧業(yè)養(yǎng)殖,也是當(dāng)前燃料乙醇工廠重要的經(jīng)濟來源。陳化水稻的摻混比例高低直接影響玉米酒精糟品質(zhì),進而影響整體效益。

        2.2 陳化水稻全粉碎發(fā)酵工藝

        當(dāng)前陳化水稻全粉碎發(fā)酵工藝也被廣泛應(yīng)用在燃料乙醇生產(chǎn)過程中。在陳化水稻不脫殼粉碎后,加入適當(dāng)?shù)乃渲瞥蓾{液,調(diào)節(jié)漿液內(nèi)部酸堿值。在漿液內(nèi)加入適量比例的耐高溫淀粉酶,確保漿液能夠在85~90 ℃條件下液化2.5 h。配置冷卻后的漿液應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加入糖化酶、尿素以及干酵母,在30~33 ℃環(huán)境下發(fā)酵成熟的醪液。發(fā)酵后的醪液需要經(jīng)過蒸餾與分子篩脫水,生產(chǎn)燃料乙醇。陳化水稻全粉碎發(fā)酵工藝在實際應(yīng)用期間,不僅會耗費大量的電力資源,粉碎后的稻殼進入系統(tǒng)內(nèi),對管道及設(shè)備磨損極大,會縮短設(shè)備壽命周期。同時,該種發(fā)酵工藝生產(chǎn)出的干酒糟飼料使用效果欠佳,牛羊等牲畜難以接受酒糟飼料內(nèi)的稻殼物質(zhì),但雞鴨等家禽對于酒糟飼料內(nèi)的纖維、蛋白質(zhì)以及稻殼接受度極高,因此需要細致分析地區(qū)畜牧業(yè)養(yǎng)殖需求,選擇適宜的陳化水稻應(yīng)用工藝。

        2.3 陳化水稻去殼后單獨發(fā)酵工藝

        現(xiàn)階段,我國燃料乙醇生產(chǎn)多數(shù)以玉米、水稻、木薯為原材料,由于各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不同,陳化水稻也可使用去殼后單獨發(fā)酵工藝。具體來說,對脫殼后的陳化水稻進行粉碎處理,將粉碎后的水稻粉與水配制成漿液,將漿液酸堿度控制在5.6左右。加入適宜的淀粉酶,并在85~90 ℃條件下進行液化處理。在漿液冷卻后,需要將酸堿值控制在4.5左右,適當(dāng)加入糖化酶、尿素、干酵母。此種方式獲得的發(fā)酵效果較好,但是陳化水稻前期預(yù)處理的成本較高,后期燃料乙醇廢醪分離難度較大。

        2.4 陳化水稻與木薯粉混合發(fā)酵工藝

        在陳化水稻脫殼粉碎處理后,將水稻粉與木薯粉按照一定比例配合成漿液。要求漿液酸堿度控制在5.6。在漿液內(nèi)添加適當(dāng)?shù)牡矸勖?,獲得漿液。在漿液冷卻到適宜溫度,酸堿值調(diào)節(jié)到4.4時,可加入適量的安菌泰、糖化酶、尿素以及干酵母。經(jīng)過實際研究發(fā)現(xiàn),將水稻粉與木薯粉混合,并不會直接影響到醪液實際發(fā)酵效果。水稻粉添加比例適宜控制在25%左右。在添加比例越高的情況下,發(fā)酵殘留物的糖值就越低,發(fā)酵期間的酒份高。但由于添加陳化水稻份,導(dǎo)致燃料乙醇后期過濾難度較大,生產(chǎn)出了更多的廢水,需要在生產(chǎn)期間有效控制廢水內(nèi)部的總懸浮物固體。與其他陳化水稻應(yīng)用工藝相比,將木薯粉與陳化水稻份相結(jié)合的方式能夠切實提升發(fā)酵期間的總糖量,使發(fā)酵后的酒糟副產(chǎn)品蛋白質(zhì)含量達20%,對提升實際生產(chǎn)效益具有重要意義。

        3 陳化水稻摻混生產(chǎn)燃料乙醇工藝的注意事項

        3.1 控制醪殘總糖

        醪殘的總糖含量也是評估陳化水稻摻混燃料乙醇生產(chǎn)工藝效果的重要標(biāo)準,可直觀展現(xiàn)出燃料乙醇發(fā)酵完全程度。隨著發(fā)酵過程不斷推進,醪液內(nèi)部糖分含量下降,發(fā)酵后的殘余糖分越少,是提高燃料乙醇生產(chǎn)期間經(jīng)濟效益的重要保障。因此在將陳化水稻應(yīng)用在燃料乙醇生產(chǎn)過程中,需要選擇合理的應(yīng)用工藝,確保醪殘總糖含量能夠被控制在最低范圍之內(nèi),使燃料乙醇發(fā)酵效果符合預(yù)期目標(biāo)。

        3.2 選擇適宜的酵母菌株

        在燃料乙醇實際發(fā)酵過程中,添加不同種類的酵母菌株也會對燃料乙醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成極大影響。要求在菌株選擇過程中,應(yīng)當(dāng)將燃料乙醇得率、酸度、還原糖等數(shù)值作為參考依據(jù),確保燃料乙醇生產(chǎn)質(zhì)量與效率能夠達到最佳效果。

        3.3 調(diào)整不同酵母的用量

        在將陳化水稻應(yīng)用在燃料乙醇生產(chǎn)過程中,需注重控制酵母的用量。 經(jīng)過試驗驗證,發(fā)酵液中酵母用量為0.5%,燃料乙醇得率最高,總脂含量最低,實際生產(chǎn)期間的經(jīng)濟效益十分顯著。

        3.4 嚴格控制發(fā)酵溫度標(biāo)準

        在明確糖化酶用量,選擇適宜酵母菌株以及酵母用量后,需要嚴格遵循發(fā)酵過程中及溫度控制標(biāo)準。具體而言,不同發(fā)酵溫度會對燃料乙醇生產(chǎn)質(zhì)量及效率造成不同程度影響。經(jīng)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),在溫度過低的情況下,酵母活性降低,燃料乙醇得率含量也將降低;溫度過高的情況下,發(fā)酵液體中的酸度、還原糖以及總脂率隨之升高,燃料乙醇得率也會下降,因此需要將溫度控制在30~33 ℃左右。

        4 結(jié)語

        總而言之,將陳化水稻摻混至燃料乙醇生產(chǎn)中的工藝均已成熟,生產(chǎn)出的燃料乙醇產(chǎn)品與其他原料生產(chǎn)出的燃料乙醇產(chǎn)品質(zhì)量相當(dāng)。為充分發(fā)揮出陳化水稻實際應(yīng)用期間的經(jīng)濟價值,還需要細致考慮當(dāng)?shù)仫暳鲜袌鲂枨?,選擇適宜的陳化水稻生產(chǎn)方式?,F(xiàn)階段國家及有關(guān)部門就燃料乙醇生產(chǎn)實施方案提出了更高要求,強調(diào)酒精燃料乙醇生產(chǎn)工作需要結(jié)合我國水稻儲存量巨大的國情,使酒精燃料乙醇生產(chǎn)成為去除陳化水稻庫存的重要手段,從根本上提升農(nóng)業(yè)資源利用率,促進地區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

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