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提高木薯酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 摘要 以酒精发酵理论为指导，本论文重点研究了木薯酒精浓醪发酵酵母菌 的发酵性能、发酵培养基营养成分对原料出酒率的影响、应用纤维素酶提 高木薯酒精浓醪发酵原料出酒率的方法，并以三角瓶发酵最优条件为基础， 进行了5l 发酵罐发酵试验。初始发酵条件为发酵p h4 5 、发酵温度为3 3 ， 木薯粉发酵培养基以木薯粉：水为1 ：2 3 为基准。现将全文主要研究结果总结 如下： ( 1 ) 研究了酵母菌的发酵性能。通过试验确定了酵母菌的最佳发酵接 种量为1 0 ( v v 。) ；酵母菌的耐酒精能力为1 5 ；耐葡萄糖能力为2 5 。 ( 2 ) 研究了发酵培养基营养成分对原料出酒率的影响。通过试验确定 了需要外加的最佳氮源尿素的添加量为2 5g l 、氯化钙和磷酸氢二钾添加 量分别为o 8g l 。和o 1 0g l 一，在此条件下原料出酒率均在最高值。 ( 3 ) 采用了添加纤维素酶的方法提高原料的出酒率，并对纤维素酶的 作用条件进行了研究。通过试验确定了纤维素酶酶解的最佳作用条件：纤 维素酶用量为2 0u g 。木薯粉、温度6 0 、p h 值5 0 。在此作用条件下， 酒精度由空白对照的1 4 3 0 升高到1 4 7 2 ，相对升高了2 9 4 。原料出酒 率由3 4 9 8 升高到3 6 0 0 ，相对提高了2 9 2 。 ( 4 ) 研究了提高原料出酒率的三角瓶发酵条件。采用单因素和正交设 计法对发酵条件进行了优化研究。优化条件为：p h4 5 、3 3 、纤维素酶 用量为2 5u g j 木薯粉。在此优化条件下发酵4 8h ，酒精度由初始发酵条件 下的1 4 3 0 升高到1 4 7 5 ，相对提高了3 1 5 。原料出酒率由3 4 9 8 升高 到3 6 0 8 ，相对提高了3 1 4 。 ( 5 ) 以三角瓶发酵最优条件为基础，对菌株g g f s l 6 进行了5l 发酵罐 发酵小试试验。结果显示添加纤维素酶的5l 罐发酵酒精度达到1 4 9 0 ，原 料出酒率达到3 6 4 4 ，比没有添加的5l 罐发酵的酒精度和原料出酒率 1 4 6 0 、3 5 7 1 分别相对提高了2 0 5 和2 0 4 。 本文对提高木薯酒精浓醪发酵原料出酒率做了一定的研究，为进一步 提高原料出酒率奠定了一定的基础。通过对5l 罐发酵过程分析，有助于进 一步研究酒精浓醪发酵，对工业化生产具有理论指导意义。 关键词：木薯酒精原料出酒率浓醪发酵 s t u d yo np r o v i n gt h el i q u o ry i e l d o fc a s s a v a a l c o h o lb yh i g h g r a v i t yf e r m e n t a t i o n a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fa l c o h o lf e r m e n t a t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so n t h ec h a r a c t e r so ft h ey e a s t ，t h ea f f e c t i o no ft h en u t r i t i o nf o rf e r m e n t a t i o n m e d i u mo nl i q u o ry i e l d ，t h ew a yo fp r o v i n gt h el i q u o ry i e l do fm a t e r i a lf o r p r o d u c i n gc a s s a v aa l c o h o lb yh i g h - g r a v i t yf e r m e n t a t i o n ，a n dt h ef e r m e n t a t i o n w a sp e r f o r m e di n5 - l i t e rf e r m e n t o rb a s e do nt h eo p t i m u mc o n d i t i o ni nf l a s k s f e r m e n t a t i o n t h eo r i g i n a lf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o ni s3 3 ，p h4 5 ，a n dt h er a t e o fc a s s a v aa n dw a t e ri s1 ：2 3o ff e r m e n t a t i o nm e d i u m t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r so ft h ey e a s tw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ea m o u n t o ff e r m e n t a t i o ni n o c u l a t i o ni slo ( v 。v 。) ，t h e a b i l i t y o ft h ey e a s te n d u r i n g e t h a n o li s15 a n de n d u r i n gg l u c o s e2 5 ( 2 ) t h ea f f e c t i o no ft h en u t r i t i o nf o rf e r m e n t a t i o nm e d i u m o nl i q u o ry i e l dw e r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a m o u n to fu r e a2 5 g - l ，c a l c i u mc h l o r i d e 0 8 g l 。1a n dp o t a s s i u md i h y d r o g e n p h o s p h a t eo 1g l 以a r en e e d e dt oa d di n t o f e r m m t a t i o nm e d i u m ，t h el i q u o ry i e l da leh i g h e s tu n d e rt h e s ec o n d i t i o n ( 3 ) e n z y m o l y s i sc o n d i t i o n so fc e l l u l a s ew h i c hw a sa d d e di n t ot h et h em a t e r i a l f o rp r o v i n gt h el i q u o ry i e l do ft h em a t e r i a lw e r es t u d i e d t h ee n z y m o l y s i s c o n d i t i o n sw e r ed e f i n i t e da r ea sf o l l o w s ：c e l l u l a s ei sa d d e dw i t h2 0up e rg r a m o fc a s s a v af l o u r , 6 0 ，p h5 0 t h ea l c o h o lc o n c e n t i o nf r o m1 4 3 0 t o1 4 7 2 w a sr e l a t i v e l yp r o v e d2 9 4 a n dt h el i q u o ry i e l do fm a t e r i a lf r o m3 4 9 8 t o 3 6 0 0 w a sr e l a t i v e l yp r o v e d2 9 2 t oo r i g i n a lu n d e rt h i sc o n d i t i o n ( 4 ) t h ec o n d i t i o n so ff l a s k sf e r m e n t a t i o nf o rp r o v i n gt h el i q u o ry i e l do ft h e m a t e r i a lw a ss t u d i e d t h ef e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d b yo r t h o g o n a l d e s i g na n ds i n g l ee x p e r i m e n t t h ea l c o h o lc o n c e n t i o nf r o m14 3 0 t o1 4 7 5 w a sr e l a t i v e l yp r o v e d3 15 a n dt h el i q u o ry i e l do fm a t e r i a lf r o m3 4 9 8 t o 3 6 0 8 w a sr e l a t i v e l yp r o v e d3 1 4 t oo r i g i n a lu n d e rt h i sc o n d i t i o na f t e r f e r m e n t a t i o nf o r4 8h o u r s ( 5 ) b a s e do nt h ea b o v eo p t i m u mc o n d i t i o n ，t h ef e r m e n t a t i o nw a sp e r f o r m e di n 5 - l i t e rf e r m e n t o r t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ea l c o h o lc o n c e n t i o nw a sr e l a t i v e l y p r o v e d2 0 5 t oo r i g i n a lc o n d i t i o n ，f r o m1 4 6 0 t o1 4 9 0 ，t h el i q u o ry i e l do f m a t e r i a lw a sr e l a t i v e l yp r o v e d2 0 4 t oo r i g i n a lc o n d i t i o n ，f r o m3 5 7 1 t o 3 6 4 4 i tw a ss t u d i e do np r o v i n gt h el i q u o ry i e l do fm a t e r i a lo fc a s s a v aa l c o h o lb y h i g h g r a v i t yf e r m e n t a t i o n c e r t a i nf o u n d a t i o nw a sf u r t h e re n h a n c e dt op r o v et h e l i q u o ry i e l do fm a t e r i a l i tw o u l db e n e f i tt h eo p t i m i z i n gc o n t r o lo fa l c o h o l f e r m e n t a t i o ni ni n d u s t r i a lp r o d u c i n gb a s e do nt h ed a t aa n a l y s i si nt h e5l f e r m e n t o r k e y w o r d s ：c a s s a v a ；a l c o h o l ；l i q u o ry i e l do fm a t e r i a l ； h i g h g r a v i t yf e r m e n t a t i o n 符号说明 意义 质量 温度 体积 物质的量浓度 酶用量 亩( 面积单位) 发酵时间 单位或量纲 g m l m 0 1 l 。1 u - g 1 h 碍 w r 矿 c e 口 ， 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 谢 j 吞毒 l如。7 年6 月b 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：帝乐莘导师签 舞月日 广西大掌硕士学位论文 提高木| 酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 第一章绪论 酒精的分子式为c 2 h 5 0 h ，是一种无色透明的简单醇类，具有很强的挥发性和刺激 性气味，极易燃烧生成c 0 2 和h 2 0 ，同时放出大量的热量。它是许多化工产品如乙酸、 乙醛、丁醇和乙烯的生产原料。除大量应用于化工、医疗、制酒业外，还能作为能源工 业的基础原料燃料( 燃烧低热值为2 6 9 0 01 ( j k g 。) 。在国计民生中，酒精工业占有重要的 位置【l 】。如果将乙醇进一步脱水再加上适量汽油后形成变性燃料乙醇。 1 1 燃料酒精在国内外的研究进展 1 1 1 燃料酒精在国外的发展概况 在2 0 世纪7 0 年代石油危机的刺激下，各国出于战略考虑纷纷开始了可替代石油的 新燃料的研究。全球性的石油危机已经严重影响到石油进口国的经济发展，2 0 0 9 年国际 原油价格已经达到了6 5 美元桶。早在1 9 0 3 年，巴西开始将乙醇以不同比例添加到汽油 中使用1 7 】；1 9 0 8 年，美国人h e n wf o r d 设计并制造了世界上第一台使用纯乙醇的汽车， 并预言酒精会成为未来的动力燃料【8 】。 因此燃料酒精作为生物燃料的重点，在美国、巴西、澳大利亚等国得到了长足的发 展。研究表明，酒精作为内燃机的燃料与汽油相比有不少优势，是一种高效燃料。酒精 便于储存、输送，并完全与现有的加油站设施相容，而且在减少环境污染方面还有极大 的优势【9 1 。早在1 9 7 5 年巴西政府就已经推行了车辆使用乙醇汽油的计划，并且在税收和 贷款等方面对燃料乙醇产业的发展配套实施了相应完整的支持政策。巴西与美国有所不 同的是，巴西是以砂糖、甘蔗、糖蜜为主要原料生产燃料乙醇。2 0 0 0 年其燃料乙醇生产 的总产量达到7 9 3 x 1 0 4t ，约占该国汽油消耗总量的1 3 t 1 0 】。到目前为止巴西是世界上最 大的燃料乙醇生产国和消费国，同时也是唯一一个不使用纯汽油作为汽车燃料的国家。 巴西的平衡外贸逆差、促进汽车工业的发展、振兴种植业、扩大社会就业、缩小地区经 济差别、改善城市环境质量都与这一计划的实施紧密相关，另外巴西通过“乙醇替代计 划”已经使得温室气体的排放量减少了2 0 。同时每年增加农业出口2 x 1 0 8 美元，并且 节省进口m t b e ( 甲基叔丁基醚) 的费用到1 1 x 1 0 8 美元【1 0 】。巴西还开发了以甘蔗渣为 原料制酒精的新技术( 迪丁尼快速水解法d h r ) ，d h r 技术可减少水解蔗渣的时间而获 得高的转化率，它的技术性和经济性得到了认可【l l 】。日本和欧洲共同体也陆续加大了乙 醇汽油的生产开发力度。从1 9 9 5 年开始，南非、古巴、泰国、英、法等越来越多的国 广西大掌硕士掌位论文提高木量 酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 家也纷纷加入到乙醇汽油生产开发中来。由于各国对燃料乙醇的重视，近年来世界乙醇 产量大幅增加( 图l 一1 ) ，目前全世界的乙醇总产量超过3 0 0 0 x 1 0 4t ，其中巴西和美国各 占3 5 左右【1 2 1 ，中国的乙醇产量约为3 0 0 x 1 0 4 t ，位居世界第三位。 一 2 百 磊 吉 o e - 2 芑 j 勺 2 厶 图1 - 1 世界乙醇生产情况( b e r g ，2 0 0 4 ) f i g 1 - 1e t h a n o lo u t p u ti nw o r l d 作为重要能源战略，美国还制定了相关法律和扶持政策，未来l o 年，美国准备采 取增加财政补贴等办法，鼓励大量生产燃料乙醇，并支持他们同普通燃料生产企业进行 竞争，到2 0 1 2 年把燃料乙醇生产扩大到每年1 4 4 0 x1 0 4t 或每年1 5 0 0 x1 0 4t 1 2 】。2 0 0 7 年 3 月9 日，美国与巴西建立乙醇燃料发展战略。从1 9 8 0 年- 2 0 1 2 年美国的乙醇产量逐步 上升( 见图1 2 ) 。布什希望通过开发和推广应用乙醇技术和其他能源技术，使美国到 2 0 2 5 年时，将可再生燃料的应用量增加8 0 ，将中东进1 2 1 石油的数量减少7 5 t 1 3 , 1 4 】。 一 2 、 弓 写 专 o o 芒 2 芑 ： 勺 2 厶 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 1 9 8 01 9 8 81 9 9 62 0 0 42 0 1 2 y e a r 图1 21 9 8 0 2 0 1 2 美国乙醇产量( r f a 2 0 0 7 ) f i g i - 2u sg r a i ne t h a n o lp r o d u c t i o n ，1 9 8 0 - 2 0 1 2 2 广西大掌硕士掌位论文提高木i 酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 1 1 2 燃料酒精在国内的发展概况 我国是能源消耗大国，位居世界第二，每年的能源消耗占全球总量的1 1 ，从1 9 9 3 年起我国已成为石油净进口国，进口量以年均1 3 的速度增长，2 0 0 3 年进口量达 0 3 1 1 2 1 0 8t ，约占全国石油消耗量的3 6 ，2 0 0 4 年我国原油进口量突破l x l 0 8t ，达到 1 2 x 1 0 8 t 【2 1 ，2 0 0 6 年进1 3 原油超过1 4 x 1 0 8 t ，占原油表观消费量的4 5 ( 图1 3 ) 。 卜- p r o d u c t i o no f o i l + d e p e n d e n c ed e g r e e _ 卜a m o u n to f p u r eo i li m p o r t e o 厶 言g o 一 -= oo g 薹茎 摹 8 名 q 2 o 勺 g 乱 o q 图1 31 9 7 8 2 0 0 6 我国每年原油生产量、净进口量和依存度 f i g 1 - 3y e a r l yc r u d eo i lo u t p u t ，i m p o r ta n dd e p e n d e n c ed e g r e e 19 7 8 2 0 0 6 数据来源：2 0 0 6 年中国统计年鉴【2 1 中国海判3 】 根据国家发改委能源发展“十一五”规划，2 0 1 0 年我国石油生产将在1 8 1 0 8 t 左 右，石油进口依存度将达到5 0 【4 1 ，到2 0 2 0 年我国石油消耗将达5 x 1 0 8t ，届时石油对 外依存度将在6 0 左右，同时天然气进口量也将达1 0 0 0 x 1 0 8 m 3 ，对外依存度5 0 【5 1 。 我国能源安全和石油资源安全的问题将越来越突出，会严重影响国家的经济发展和 国家安全。因此，可再生的生物质能源的发展是我国能源保障的战略需要。进口依赖性 的增强和世界性石油危机日益成为制约我国经济发展和外交战略的长期压力，甚至影响 到国家的安全【6 】。近年来，国家出于对能源安全、环境压力和“三农问题”的需要，在 “十五 期间也启动并鼓励用陈化粮生产燃料乙醇，国家先后出台了一系列法规和优惠 政策来支持燃料乙醇工业的发展，期间乙醇工业稳步发展，产量逐年增加( 图1 4 ) 。河 南、吉林等省市已经陆续试用乙醇汽油。燃料乙醇是通过光和作用，从田间获得的再生 资源，是可以转化的太阳能，资源十分丰富。 3 如如加m 广西大掌硕士掌位论文提高木| 酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 ， 2 弓 磊 吉 o 口 金 芑 。 勺 2 厶 y b 盯 图1 4 我国的乙醇产量变化 f i g 1 - 4e t h m o ly i e l d si nc h i i l a 根据我国汽油现在的消耗水平进行理论预测，为国家节省外汇1 5 x 1 0 8 美元，意义 重大。我们需要通过加工转化和扩大出口等多种方式方法来解决粮食作物等农产品现阶 段供大于求的问题。而发展车用乙醇汽油，不仅仅可以有效解决玉米等粮食作物的加工 转化，从而形成一个长期稳定并且可控的粮食消费市场，而且国家又增加了一个粮食调 控手段，这些有助于增加农民收入，实现我国农业生产的良性循环，可以为农业的产业 化探索一条新途径。我国目前的汽油年消耗量约为每年3 6 0 0 x 1 0 4t ，如果按理论推算， 即使全部使用乙醇汽油，那么生产乙醇所需玉米也仅占我国玉米生产总量的8 左右。 不会对国内的粮食供应产生很大冲击。如果用燃料乙醇代替等量的汽油使用，则可以提 高汽油的辛烷值，同时减少汽油替换，还可以清洁汽车引擎，降低汽车尾气有害物质的 排放。燃料乙醇还可替代m t b e 、e t b e ( 乙基叔丁基醚) 作为增氧剂，避免对地下水 造成污染，有利于环境的改善。 1 2 酒精发酵的机理 1 2 1 酒精的工业生产方法 酒精工业生产方法一般可分为化学合成法和微生物发酵法。化学合成法一般是利用 石油裂解气为原料直接或者间接生产酒精。这种方法对操作条件和设备要求都很高，特 别会受到国际石油价格波动的影响和制约。另据科学家推测，世界上的石油最多只能维 持5 0 年，因此能源危机以及成本问题势必影响合成法生产酒精。 微生物发酵法一般是利用淀粉质原料或者糖质原料在微生物作用下发酵而生成酒 精。我国生产酒精以微生物发酵法为主。南方以薯干、糖蜜为主要原料生产酒精，北方 4 广西大掌硕士学位论文提高木罩 酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 一般以玉米、甜菜为主要原料生产酒精。 1 2 2 酒精生物合成的机理 糖酵解途径( e m p ) 是酵母代谢葡萄糖的途径。葡萄糖和果糖通过e m p 途径转化 为丙酮酸。在酵母中，丙酮酸转化为乙醛，由乙醛作为最终的电子受体而生成酒精【2 6 】。 酵母细胞利用葡萄糖生成酒精总的生物化学反应式为： c 6 h 1 2 0 6 + 2 a d p + 3 h 3 p 0 4 + 2 c h 3 c h 2 0 h + 2 c 0 2 + 2 a t p + 1 0 4 6 0 0j 从反应式中可以看出每消耗1m o l 葡萄糖可以生成2m o l 酒精，则质量理论转化率为： 2x4 6 0 5 1 0 0 ：5 1 1 1 8 0 1 式中1 8 0 1 为葡萄糖的相对分子质量，4 6 0 5 为酒精的相对分子质量。lm o l 葡萄糖 ( 或果糖) 能产生2m o lc 0 2 和2m o l 酒精。1 8 0 1g 葡萄糖理论上可以产生9 2g 酒精( 质 量分数为5 1 ) 和8 8gc 0 2 ，而实际上酒精生产约为理论值的9 5 ，则酒精对葡萄糖的 实际最大转化率约为4 8 5 。也即1g 葡萄糖在实际中最多可以生成0 4 8 5g 酒精。 1 3 影响提高酒精发酵原料出酒率的因素 近些年由于人口的增加和可使用耕地面积的减少，使得粮食问题越来越成为困扰社 会的一个问题。而以发酵法生产酒精要耗用很多原料，而大多数原料都是粮食作物。木 薯曾代替粮食而被人们食用，甜菜、甘蔗是生产食用糖的主要原料，玉米更是食用粮。 提高酒精发酵原料出酒率是节省原料、节省粮食、节省土地资源的一个可行的方法。影 响酒精发酵原料出酒率的主要因素有： 1 3 1 发酵液浓度问题 所谓的高浓度的酒精发酵，是以提高单位体积内发酵醪液中淀粉的含量，在适量的 酿酒酵母菌作用下，在一定的时间内力求得到最多的发酵终产物一酒精。1 9 8 5 年加拿大 萨斯喀彻温大学的i n g e l d e w 教授和t h o m a s 第一次提出了高浓醪发酵技术 1 7 1 8 。并且 成功将传统上l oo 1 2o 的可溶性固形物的啤酒发酵提高到1 8o 的可溶性固形物，他们然 后又进行了以黑麦、小麦等为发酵原料的高浓度酒精发酵以及发酵条件的优化的研究 【1 9 】 o 现在，一般的酒精生产企业用来生产酒精的淀粉质原料糖化醪的可溶性固形物含量 为2 0 - 2 5 ( w v 叫) ，因此有人将高浓度酒精发酵定义为每1l 发酵液中含3 0 0g 或者 更高的可溶性固形物的酒精发酵2 2 1 。与传统的酒精发酵工艺相比，高浓度酒精发酵具 有如下明显的优点：( 1 ) 单位设备的生产率提高2 3 】：如果采用高浓度醪液发酵，理论上 广西大学硕士掌位论文提高木毒 酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 发酵成熟醪中酒分可以达到1 8 ( v v 。) 。，在基本相同或接近的发酵时间情况下，高浓 度酒精发酵可以明显地提高单位设备的生产率和利用率。( 2 ) 降低能耗：可以大大降低 蒸煮、发酵、蒸馏和d d g s ( 酒糟蛋白饲料) 浓缩干燥过程中的能量消耗【2 1 2 3 1 。他们从 工厂的发酵管理、原料的粉碎粒度、加入酵母所需的营养元素、提高酵母的抗逆性、诱 变菌株等方面对影响酒精发酵的因素进行改进，从而达到提高酒精产率的目的【2 3 之5 1 。 1 3 2 浓醪酒精发酵菌种对出酒率的影响 在发酵工业生产中菌种的优良与否直接影响到产量，是发酵中的关键因素。在浓醪 酒精发酵生产中，选育优良菌株可以大幅度地提高酒精的发酵产率和原料出酒率，从而 提升酒精产业的整体经济效益。k w m a 等人通过代谢控制工程育种，使f a d 2 基因和 酿酒酵母o l e l 基因过度表达，从而得到了耐酒精度为1 5 ( 体积分数) 的优良菌株【2 7 1 。 刘建军等以葡萄汁酵母和高产酒精酵母做亲本，应用原生质体融合技术选育出了高产的 酒精酵母菌株，其酒精产率可达1 7 5 1 8 5 ，耐酒精能力可达2 0 以上【2 8 1 。章克副2 9 1 、 赵华【3 0 】、黄宇彤刚等人也进行了耐高浓度酒精菌株的选育研究，发酵最终酒精浓度可达 1 3 以上。 1 3 3 培养基组分对出酒率的影响 在酒精浓醪发酵工艺中，要想提高原料的出酒率，就一要保证酵母有足够的宏量和 微量营养，而且要保持发酵过程中抑制因子的水平尽可能低。因此培养基组分对出酒率 也有一定的影响。 1 3 3 1 营养物质对出酒率的影晌 有关研究结果表明适量添加营养物质可提高酵母的酒精耐性，尤其是氮源的添加。 初始氮源浓度比较高的糖化醪，醪液中细胞的数量多，发酵速度快，发酵比较彻底，残 糖比较低，酒精转化率高。1 1 1 0 m a s 和i n g l e d e w 甚至认为高浓度酒精发酵中不是积累的 酒精而主要是营养缺乏导致发酵活性降低的【1 7 ，2 2 1 。c a s e y 谈到抑制酿酒酵母生产酒精的 因素是营养物，而不是酒精毒性，如果能满足它需要的营养，可能会增加酒精发酵的最 终酒精产量【2 0 1 。有报道称在酒精发酵过程中适量添加氮源( 乳清，酵母膏，黄豆粉，尿 素，州h 4 ) 2 s 0 4 ，( n h 4 ) 2 h p 0 4 等) ，酸i 生蛋白酶3 2 埘】，无机盐( 如磷、锌、硫、钙、镁， 钠f 3 6 3 7 】) ，酒花酸，维生素等都能提高发酵醪中酒精浓度与酒精发酵的原料出酒率。 在初糖浓度1 5 时，酒精度和出酒率与初糖浓度基本呈线性关系，说明在初糖浓 度s 1 5 时，基质抑制和产物抑制对发酵基本没有影响，而当初糖浓度继续升高时，由 于基质抑制和产物抑制的双重作用，而其中基质的抑制对产物的生成的影响较大，最终 6 广西大掌硕士掌位论文 提高木鼍 酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 使酒精度和出酒率与初始基质浓度之间不再具有线性关系1 5 5 1 。 1 3 3 2 非淀粉物质对出酒率的影响 在发酵过程中，原料中的蛋白质类没有被降解，影响到发酵速率、酒精度以及出酒 率。发酵速率的提高和出酒率的增加与酵母菌质量密切相关，而醪液的营养，尤其是酵 母可吸收性氮的水平，对酵母菌的生长与代谢会产生显著的影响【3 引。氮是构成酵母细胞 蛋白质和核酸的重要元素，而生物合成蛋白质必须首先合成氨基酸。氨基酸的生物合成 与代谢中的糖酵解途径( e m p 途径) 、五碳糖磷酸途径及三羧酸循环等密切相判2 6 1 。据 文献报道【”j ，在醪液中添加州出) 2 s 0 4 效果良好，推测其原因可能是不同氮源对酵母菌 体糖代谢及氨基酸合成代谢的影响不同所致。添加酸性蛋白酶能促进原料中蛋白质的降 解，增加醪液中f a n 水平。酵母菌直接利用游离氨基酸合成菌体蛋白质，既能促进酵 母菌生长繁殖，提高酒精发酵速率。 应用纤维素酶提高出酒率生产酒精的原料大多为玉米、高粱、木薯、薯干等。这些 原料中除含有丰富的淀粉外，尚含一定比例的纤维素、半纤维素及其他碳水化合物。这 部分成分通常不能被淀粉酶、糖化酶直接利用，但在相应条件下，可为纤维素酶所分解。 并部分转化为可发酵性糖。日本、丹麦、美国、巴西、印度及俄罗斯等有许多关于纤维 素酶应用于酒精生产的报道；丹麦等国应用较好的原料出酒率可提高1 3 ，以黑麦 为原料可达5 t 4 0 1 。我国酒精生产所用原料是玉米、瓜干、黑麦等类含淀粉原料。酒精 生产成本中原料所耗费用达7 0 以上。提高淀粉利用率，增加原料出酒率，是降低生产 成本、获取最大的经济效益、提升市场竞争力的主要途径。为了提高淀粉利用率，国内 外许多专家都为如何提高出酒率做了大量的工作，其中日本、丹麦、前苏联等国家把纤 维素酶应用于酒精生产试验中【4 1 1 。能它与a 一淀粉酶在原料淀粉液化、糖化过程中产生协 同作用，水解难以水解的高分子碳水化合物，并通过酶的作用，崩溃植物细胞壁，使其 内容物充分释放出来，转化为可发酵性糖【4 2 1 。因此，将复合纤维素酶用于酒精生产，可 节约原辅材料消耗，提高淀粉利用率和出酒率。出酒率计算是以c 0 2 失重为基准导出理 论出酒率【4 3 】，一般以9 6 的酒精度计。挥发酸、外观糖、残糊精等测定方法为常规分析 方法【4 4 1 。在生产中使用纤维素酶优于未使用纤维素酶。而纤维素酶加入糖化罐优于加入 发酵罐，说明该酶系以加入糖化罐为最好【4 引。使用纤维素酶后，平均出酒率提高0 9 8 。 t 酒精粮耗降低3 。同时，从试验结果发现，发酵酒精度明显提高，特别是发酵时间， 平均缩短1 0h 显著提高了设备利用率。 1 3 3 3 无机盐及生长因子对出酒率的影响 7 广西大学硕士学位论文提高木薯酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 m 9 2 + 、c a 2 、k + 、p 0 4 孓、f e 2 + 、m n 2 + 、s 0 4 2 是菌体生长必需的无机盐类，这些无 机盐参与酶的组成、构成酶的活性基，激活酶的活性，维持细胞结构的稳定性，调节细 胞渗透压，在调节微生物生命活动中起着重大作用。生长因子是一类对微生物正常代谢 必不可少却不能用简单的碳源或者氮源自身合成的有机物。在配制培养基时，可通过加 入富含生长因子的原料酵母膏( 或酵母粉) 、水解液等起作用。 1 3 4 渗透压对出酒率的影响 浓醪发酵时由于发酵醪液浓度较大，因此酵母所受渗透压提高导致生长受到抑制， 活力降低。这主要是由于在高渗透压下的条件下，酵母细胞膜的磷脂双分子层流动性降 低，使进行发酵的底物难以进入细胞，产物难以从细胞内扩散，抑制了糖酵解途径中相 关酶的活性，从而使酵母活性和发酵能力下降，抑制了酒精的生成，导致原料出酒率降 低，同时会生成大量的副产物【4 6 1 。要想在高浓度下维持酵母活性和增加酒精产量，就必 须降低渗透压对细胞膜和膜结合蛋白的损害作用。在高渗透压下就会抑制酵母产生的乙 醇向发酵醪液中扩散。实践证明，连续发酵或连续流加或分批流加均有利于酒精度的增 加【47 1 。同时高渗透压会导致葡萄糖效应的产生，从而造成底物抑制。也可以选择边糖化 边发酵的发酵工艺，这个工艺采用的是乙醇代谢、酵母增殖、糖化三步同时进行的技术 路线。a l k a s r a w i ，刘振等人进行了边糖化边发酵工艺的研究，他们认为边糖化边发酵工 艺具有工艺简单、能耗低、发酵迅速、醪液酒精度高、原料出酒率高等优点【4 8 5 0 1 。 1 3 5 发酵条件对出酒率的影晌 目前，国内采用木薯原料进行酒精发酵的企业越来越多，但对木薯原料酒精发酵进 行系统研究的很少【5 1 5 4 】。发酵条件如温度、p h 值、通风量、发酵时间对酒精度和出酒 率都有很大的影响。p h 对微生物的生长和代谢产物的形成都有很大的影响。p h 能够影 响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况。细胞膜的带电荷状况如果发生变化，膜的透性 也会改变，从而有可能影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的分泌。此外，p h 还 会影响培养基中营养物质的分解等。因此，应控制发酵液的p h 。但不同菌种生长阶段 和合成产物阶段的最适生长p h 往往不同，需要分别加以控制。 温度对发酵产酒精的影响是多方面的，从酶反应动力学来看，温度升高，反应速度 加快，生长速度快，产物生成提前。但是，酶受热容易失活，温度越高，失活越快，菌 体也越容易衰老。温度还可以通过影响发酵液的性质，如基质和氧的溶解而间接影响发 酵。各种微生物在一定条件下，都有一个最适的生长温度范围，但最适合产酒精的温度 未必与菌体生长的最适温度吻合。通常，必须通过实验来确定不同菌种各发酵阶段的最 8 广西大掌硕士掌位论文提高木薯酒精浓醪发酵出酒率的试验研究 适温度，采取分段控制。另外酵母酒精发酵属于兼性厌氧菌发酵，溶解氧对发酵有密切 关系，发酵过程中应保证一定的氧气量，以满足菌种生长的需要。 1 4 广西发展木薯燃料酒精的优势及意义 1 4 1 地区优势 木薯是热带和亚热带广泛种植的粮食和经济作物，而北回归线横贯广西境内，因此 广西气温高，多雨，秋旱，非常适宜木薯生长。在广西，木薯粗生易种，适应性广，抗 逆性强，耐干旱贫瘠。目前种植面积2 7 x 1 0 4 多公顷，总产量接近4 0 0 x 1 0 4t ，种植面积和 总产量均占全国的6 0 以上。广西目前尚未开发的荒山荒地约8 0 0 x 1 0 4 公顷，其中约有 2 0 0 x 1 0 4 公顷干旱的低坡荒地适宜种植木薯。木薯还可与甘蔗轮种，还可与黄豆、西瓜、 红瓜子、花生等作物间作套种，不但可以提高土地利用率和土壤肥力，而且可以增加薯 农的经济效益。开发木薯生物乙醇的潜力非常巨大，因为它既不与粮争地，也不与甘蔗、 果品争地，这是广西为替代以粮食为原料生产乙醇的建立规模巨大的木薯生物乙醇产业 的一个优越条件。据有关专家称，广西木薯产量仍有3 0 以上的增长潜能【1 5 1 。 1 4 2 原料优势 我国南方盛产木薯，产量高，淀粉含量高，木薯的块根淀粉含量达2 5 3 0 左右， 木薯干淀粉含量达7 0 左右。木薯已被世界公认具有很大发展潜力、很有前途的酒精生 产的可再生资源。木薯是取代玉米粮食作物等原料生产酒精的理想替代物，开发木薯酒 精资源前景看好。在同样的土地资源条件下，种植木薯可比种植甘蔗多产酒精；木薯秆 与蔗渣的产量与功能基本相当，并且其灰烬是很好的钾肥【_ 7 2 】。甘蔗一般只有5 个月左右 的收获期，因而加工燃料乙醇也仅有5 个月，而木薯燃料乙醇则可以全年生产，因此设 备利用率比甘蔗生产燃料乙醇高l 倍，与甘蔗和玉米相比，木薯所含的非淀粉类杂质最 少，因此生产出来的乙醇质量较好，在乙醇生产过程中所排放的废液也比较容易处理。 我国的黄诗铿【i6 】对甘蔗、木薯、甜菜、甜高粱、玉米、小麦、水稻等几种农作物生产酒 精的原料成本进行对比，木薯的原料成本最小( 表1 1 ) 。 另外利用木薯为原料生产燃料酒精的技术比较成熟，经济效果比较好。从许多贫困 落后地区的木薯产业发展来看，木薯与其它作物在生产燃料酒精方面相比，其经济效益 和社会效益均较好。从生长的适应性强、淀粉的转化率高、生产成本低、技术比较成熟、 经济效益好等各方面来看，利用木薯生产酒精的主要优势在于：( 1 ) 光、热、水资源的 利用率高。木薯生产中单位面积的作物产量高于我国海南等地，1 0 个月生长期的小面积 单产潜力最高可达到亩产2t 3t 鲜薯，且鲜薯的淀粉含量较高，达到3 0 左右。 9 广西大掌硕士学位论文提高木鼍融酉精浓醪发酵出酒率的试验研究 表1 1 各种能源作物单位面积产品原料加工酒精量的统计表 作物种类初级产品年产量t a 1糖或淀粉质量分数年酒精产量t a 。1 根据7t 鲜薯或3t 木薯粉可生产1t 酒精，如果按照单位面积和单位鲜薯生产酒精 的产出率计算，则在各能源作物中具有比较强的竞争优势。( 2 ) 木薯抗旱、抗风、耐瘠 薄和抗病虫害。一般的木薯都能抗9 级台风，且在经历台风侵袭后恢复很快，因此对木 薯产量影响很小；另外木薯能在其它作物难以生长的贫瘠土壤中生长并可以获得较高的 产量；木薯种植中几乎没有发现严重的病虫害。 1 4 3 政策优势 我国人多地少的而产生的粮食问题一直是影响我国经济发展的重要因素之一。根据 粮食单产提高的幅度、耕地资源等多因素分析和预测，2 0 1 0 年粮食产量将分别达到 4 9 0 1 0 8t ，据预测，2 0 1 0 年我国粮食产销缺口为3 5 0 0 1 0 4t 左右。因此，生产燃料乙醇 的原料应立足于利用陈化粮，不宜利用非陈化粮，而且陈化粮也是有限的。2 0 0 6 年1 2 月 1 4 日，国家发展改革委员会和财政部联合下发了关于加强生物燃料乙醇项目建设管理、 促进产业健康发展的通知【4 1 ，对一些地方盲目的大力发展以玉米为原料生产加工燃料 乙醇一事明确表态不予支持。因此，对于作为非粮作物的木薯为原料生产燃料乙醇，国 家是大力支持的。 1 4 4 广西发展木薯燃料酒精的意义 广西具有大量丰富的木薯资源，大力发展木薯燃料酒精项目能优化广西的能源消费 结构，从而可以增强广西发展的可持续性。作为我国第一个非粮燃料乙醇试点省份，广 西实现封闭运行推广使用车用乙醇汽油，成为我国第十个乙醇汽油推广省份。2 0 0 8 年5 月1 2 日，国家发改委发布报告显示，经过一年多的试点，广西非粮燃料乙醇产业呈强劲 发展势头，2 0 0 7 年薯农卖木薯收入达7 8 1 0 8 元，人均增收1 0 5 0 元。因此，发展木薯燃料 酒精将对我区以及我国燃料酒精生产与我国经济发展有具大的意义。它可以拓宽农业服 务领域，为广西农民增收开辟新途径。同时，还可为社会提供数百个就业岗位，可以有 l o 广西大学硕士掌位论文 提高木i 酒审_ 浓醪发酵出酒率的试验研究 效缓解石油紧缺矛盾，有利于环境的改善。 1 5 本课题选题背景及研究内容 1 5 1 选题背景和课题来源 1 5 1 1 选题背景 现今的能源短缺已经让酒精的生产成为越来越多国家重视的焦点。如何提高出酒 率、如何提高酒精度、如何提高淀粉的利用率已经成为酒精工业的重点。我国的燃料酒 精产业才刚刚起步，应根据我国的实际情况，走出一条具有中国特色的发展之路。我国 拥有多样性气候条件，北方盛产玉米，广西拥有木薯的生产条件，因此可以在广西发展 以木薯等为原料的燃料酒精产业。综合考虑单位土地面积上的作物量和酒精产量，以木 薯为原料时，酒精的产量最高、成本最低。因此，利用木薯为原料生产燃料酒精应成为 广西生物燃料酒精的重要发展方向之一。木薯是国家“十一五 重点发展的生物能源原 料作物，是我国燃料乙醇产业规模扩大化发展可供选择的重要理想原料之一。可以这样 说，燃料乙醇的发展带动了木薯种植业的发展，而同时木薯种植业的发展给燃料乙醇的 扩大生产提供了原料上的保障。利用木薯为原料生产燃料酒精与用薯干、玉米等原料相 比，淀粉含量高但是氮元素含量不足，致使酵母菌在发酵过程中营养物匮乏，生长和发 酵过程受到影响，需要外源补加一定营养物，才能满足酵母菌的生长繁殖，从而保证酒 精发酵的顺利进行，否则会直接影响到原料的出酒率。以木薯为原料生产燃料酒精，充 分利用可发酵的成分，科学添加营养物( 氮源、无机盐及金属离子等) ，优化发酵条件， 促进酒精发酵，提高原料出酒率，是本论文所研究的内容。我国酒精生产发酵成熟的酒 分一般在9 1 1 ( v v 。1 ) ，淀粉利用率一般在9 0 左右，生产t 酒精平均耗水在6 0m 3 ， 耗电量在1 8 0k w h 以上，耗煤量在6 0 0k g 7 0 0k g e 7 2 1 。与国际较好的美国同行比，还有 一定的差距，尤其是在废水治理方面和耗能方面，差距更