发酵乙醇的优势

发酵乙醇的优势

由于石油资源的减少和国际原油价格的降低，以谷物为原料的燃料乙醇产量迅速增加。根据美国可再生燃料协会(RFA)的统计,美国有87家乙醇工厂,乙醇年产量超过38.5亿加仑,但每年仍以双位数增长。到2012年时,乙醇年产量可能会超过预计的80亿加仑。除美国外,亚洲2004年所生产的燃料乙醇大约是1亿2千万加仑,2008年的目标是要达到6亿加仑。我国实际的乙醇生产能力在500万t左右,2004年的产量是350万t左右,而以淀粉类为原料生产的约为300万t,其余是糖蜜原料乙醇。乙醇的生产主要有2种途径:发酵法与化学合成法。其中发酵法的产量占乙醇总产量的绝大部分。在以淀粉类及糖蜜类为原料的发酵法乙醇生产中,又以淀粉类原料为主,糖蜜乙醇仅占发酵乙醇总产量的15%～18%。目前乙醇工厂主要是以谷物及其他的淀粉类粮食作物为原料,并使用耐热的酶制剂进行蒸煮,从而将淀粉转化成可发酵糖。杰能科国际生物公司新研发了一种酶产品,它的应用有望为乙醇的生产带来技术进步。1无蒸煮工艺和生料发酵技术乙醇作为一种可以再生的能源燃料,是由某些植物,如玉米、大麦、高粱、黑麦、木薯和甜菜等,在碳的循环过程中所产生的淀粉或糖转化而来。玉米则是其中的主要转化来源,目前主要通过干磨法和湿磨法工艺来生产乙醇。典型的干磨工艺,是在粉碎的谷物中加水制成粉浆,加入α-淀粉酶,粉浆在高温下经过蒸煮(105～150℃)使淀粉糊化和液化,蒸煮醪冷却后加入糖化酶,转化液化后的淀粉成为可发酵性糖,调节并在糖化醪中添加酵母发酵葡萄糖成生乙醇和CO2(图1)。液化和糖化过程中要求淀粉颗粒在高温下处于膨胀状态,并逐步被分解成可溶性糊精、低聚糖以及可发酵性糖。而淀粉要达到彻底液化必须经过完全糊化的过程,这与淀粉在蒸煮锅中蒸煮成为糊化醪相同。糊化的最大难点是,淀粉颗粒在糊化过程中吸水而急速膨胀,使料液的黏度迅速升高,流动性降低,这个过程由于淀粉浆需要加热直到超过淀粉的糊化温度,因而需要大量的热能。因此,在生产过程中需要有热交换器、蒸汽喷射器和维持罐等特殊的设备。此外,还有生产设备和工艺要求的条件和局限性,尤其是原料浓度的局限性,限制了乙醇产量。乙醇生产中,能量消耗最大的是蒸煮和蒸馏2个工序,传统蒸煮工序所消耗的蒸汽可占整个生产过程蒸汽消耗的25%～30%。如果能改进生产工艺,将这部分蒸汽消耗全部或者大部分节省下来,对于减少乙醇生产过程的能量投入将起到重要作用。另外,高温高压蒸煮虽然能使淀粉彻底糊化,有利于糖化酶的作用,但是它同时也会造成原料中可发酵性糖的损失,这种损失会随着蒸煮压力和时间的增加而增加。在乙醇生产中,原料淀粉的出酒率是乙醇生产的基本技术指标,它是控制乙醇生产效益的关键指标,高温蒸煮的结果是一部分淀粉被分解成不可发酵性糖和其他杂质,从而造成可发酵性物质的损失,对于原料的淀粉产乙醇率有着重要的影响。研究表明,可发酵性糖的损失随温度的升高和时间的延长而增加。130℃,原料颗粒直径1.5mm,蒸煮30min的条件下,可发酵性糖的损失高达6%。要降低蒸煮的能耗与可发酵性物质的损失,采用无蒸煮工艺和生料发酵技术无疑是最为理想的。虽然目前有的乙醇工厂已经采用无蒸煮工艺和生料发酵技术,但是生产运行状况表明,生料发酵还存在发酵时间长,糖化酶使用量大或需要添加其他多种辅助酶制剂,污染的危险性大等技术问题。2引发聚合物水解酶为了顺应日渐扩大的乙醇市场,杰能科国际生物公司成功开发出了STARGENTM酶产品,它是一种生淀粉水解酶,适用于无蒸煮的低能耗工艺,能够有效地水解淀粉,其乙醇生产工艺过程见图2。2.1糖化酶和-淀粉酶STARGENTM酶产品是一种对生淀粉具有增效作用的复合酶,包括α-淀粉酶和糖化酶,它们能够在淀粉颗粒上钻孔,节省了处理原料淀粉所需要的比较高的能量,而且能够提供更合算的葡萄糖用来转化成乙醇以及其他的生物产品和生物物质。以往的商品生料复合酶基本上是在糖化酶中加入一定量的纤维素酶及果胶酶等,其作用效果并不明显,本质上对于乙醇生产没有太大的提高,很少能应用于乙醇的工业化生产。产生糖化酶的微生物包括Aspergillusniger,Humicolagrisea和Rhizopusoryzae。产生α-淀粉酶的微生物包括A.niger,A.kawachi,R.niveus,Bacilluscirculans和B.polymyxa[7,8,9,10,11,12,13,14]。STARGENTM酶产品能够在同步糖化和发酵的过程中(SSF)通过分解淀粉链成葡萄糖来水解不溶性颗粒(非蒸煮)淀粉成发酵性糖来生产乙醇。2.2引发-淀粉酶的活性成分淀粉是以分散的微粒或者是颗粒形式自然存在且结构独特。它是由2种聚合物组成的复合物,一种是直线型的多聚糖,称为直链淀粉;另一种是有较多分支的多聚糖,称为支链淀粉。在天然淀粉的形态中,这2种形式的聚合物由于形成交互的半晶体和无定形体而组成淀粉颗粒。直链淀粉在淀粉颗粒中整齐的排列在胶囊的间隙周围,而支链淀粉则形成结晶性的胶囊。结果是淀粉在冷水中不溶解并且不容易被水萃取。然而,当加热淀粉悬浮液时,氢键开始断裂并且淀粉悬浮液变成一种透明的高黏度的糊状物。研究表明,在玉米淀粉中加入来自于A.kawachi纯的α-淀粉酶和来自于A.niger的纯的糖化酶,其电子显微镜扫描(SEM)分析显示结果见图5。分析表明,STARGENTM复合酶具有互补的(和/或增效的)活性,能够迅速使淀粉颗粒空化成洞。在温和的发酵条件下,淀粉微粒的晶体结构被破坏。STARGENTM复合酶的显著特点是:糖化酶的外切活力能够使淀粉的表面形成无数个小孔并且将小孔钻得尖和深,而α-淀粉酶的内切活力则能够扩大小孔。2种酶联合催化颗粒淀粉使之从孔中连续释放发酵性的葡萄糖来满足酵母的发酵条件。而且连续释放的葡萄糖既能够满足酵母的生长代谢,又能够保证几乎所有的淀粉转化成糖而被酵母利用。保证酵母始终处于一种健康旺盛的代谢状态,从而能够产生并积累大量的乙醇,同时对于乙醇浓度增加的耐受性也有了显著的提高。而如果这2种酶单独作用淀粉颗粒,则效果非常不显著。杰能科的科学家在此基础上继续进行更深入的研究,开发出在酵母发酵过程中,通过分阶段添加干物质来改进乙醇的生产工艺。这个工艺包含连续的直接加入固体物质或者增加料液的浓度。在酵母发酵中分阶段加料的潜在益处包括,可以省略酵母扩大培养和粉浆维持罐,这会消除生产过程中的污染,提高碳的转化效率,改善原料的混合和水合作用,降低发酵终点的残余淀粉含量,并增加生产过程的可靠性。2.3酶的申请条件2.3.1ph值与酵母的STARGENTM酶适合于低的pH值条件,特别是它与酵母的发酵最适pH值相吻合,这样可以省略pH的调节工序并能够控制有害微生物的污染。图6表示的是不同pH值对于STARGENTM酶作用效果的影响。2.3.2酶添加量对淀粉颗粒大小的影响由于STARGENTM酶是作用于未蒸煮液化的淀粉颗粒,因此对于淀粉颗粒的大小有一定的要求,淀粉颗粒的大小与酶的添加量成正比。表1表示的是STARGENTM酶作用于不同尺寸的玉米淀粉颗粒与发酵的乙醇体系分数及DDGS中的残余淀粉含量的关系。2.3.3与玉米淀粉生产原料的比较STARGENTM酶可以作用于不同形式的淀粉原料,图7表示的是STARGENTM酶在一定的添加量的条件下,分别作用于脱胚淀粉乳、干磨玉米粉和玉米淀粉发酵生产乙醇的情况。2.3.4引发乙醇体积分数的影响在实际的生产应用中,可以通过确定STARGENTM酶的添加量来满足工厂的最大生产量和效益。图8表示的是不同的STARGENTM酶添加量与产生的乙醇体积分数的关系。由图8可知,在乙醇的生料发酵中,乙醇的体积分数随着STARGENTM酶添加量的增加而增加,发酵速率也增加。工厂应该根据乙醇产量与总的成本考虑选择酶的添加量。2.4影响单位糖质原料活性的因素STARGENTM酶及其应用技术可以为乙醇生产带来以下几方面的益处:(1)节省能量——无需喷射蒸煮。在传统的生产工艺中,热能应用在谷物蒸煮中是帮助酶法分解,消耗了大部分的能量。使用STARGENTM复合酶,采用的是无蒸煮工艺,能够显著节省能量。(2)节省资金——省去蒸煮和冷却设备。在传统的工艺中,谷物水合物或者糊化液以及淀粉蒸煮后,粉浆的黏度非常高,需要有特殊设计的蒸汽喷射器和冷却设备来处理高黏度的淀粉浆。由于STARGENTM酶不需要蒸煮即可以有效地作用于谷物原料,因此不需要配制蒸汽喷射器设备。这样在新工厂设计和工厂扩产中就可以显著地减少资金投入。(3)操作成本的节省——减少劳动力,降低化学品用量。在无蒸煮过程中不需要调节pH值,与传统工艺相比较,简化了操作并降低了成本。因为在传统的蒸煮工艺中,由于液化(pH5.0～6.0)和糖化/发酵(pH4.0～4.8)过程中的pH范围不同,需要进行2次调节。此外,在传统的蒸煮工艺中还可能需要添加钙盐使α-淀粉酶在高温下保持活性稳定,这样经过长时间的作用就会在生产设备内表面形成不可溶性的盐(酒石)而腐蚀设备。(4)增加生产量——较高的发酵能力。在传统的蒸煮工艺中,料液黏度限制着发酵固形物质的浓度。应用STARGENTM酶原料可以有比较高的浓度而黏度不会有任何的变化,料液的输送性能良好,不增加资金投入,即可提高工厂的生产量。(5)更高的碳转化效率——单位糖的最大乙醇产量。传统工艺中,高温喷射蒸煮会导致一些可发酵性糖的损失和杂质的产生,这些物质不能够转化生成乙醇。无蒸煮工艺的机理是在发酵液中连续的葡萄糖的进料(SSF),能够大大提高淀粉转化成产品的效率,而与传统的蒸煮工艺相比较,发酵时间并不增加。(6)旺盛的过程——健康的发酵体系。采用STARGENTM酶工艺,发酵罐中发酵性糖的浓度较低,酵母始终处于一种饥饿的代谢旺盛状态,经过STARGENTM酶作用,连续释放的葡萄糖会不断地供给酵母,因此能够提高酵母的活力并且限制有害微生物的生长,从而提高淀粉转化为乙醇的能力。(7)更高浓度的发酵——增加乙醇蒸馏的效率。使用STARGENTM酶可以在很高浓度原料的发酵液中直接转化颗粒淀粉,酵母所产生的乙醇浓度也会相应地增加。在这种平衡界面下,能够明显地降低酵母的渗透压,产生更高浓度的乙醇,并在最终的蒸馏工序中提高生产量。因为发酵液中乙醇浓度增加,蒸馏能耗相应地下降,蒸馏效率增加。根据分析,发酵液的乙醇体积分数每增加1%,蒸馏的能耗可以降低3%。可见蒸馏效率得到了极大的提高。(8)减少副产物——更少量的甘油和有机酸。由于使用STARGENTM酶在发酵罐中不会产生高浓度的可溶性固体,因此与传统的工艺相比较,在发酵系统中具有很低的渗透压。这使得酵母产生的废物产品量如甘油大大减少,甘油产量的减少能够使更多的葡萄糖转化成乙醇。在发酵过程中,乳酸菌、乙酸杆菌和丁酸菌的污染在发酵醪中可生成乳酸、乙酸、丁酸等有机酸。杂菌污染不仅消耗了数量可观的葡萄糖,还给发酵过程带来很大的负面影响。而使用STARGENTM酶技术,生产环节减少,发酵条件宜于控制,且有足够数量的优质酵母菌,因而可以减少有机酸的产生。(9)生产DDGS副产品——动物饲料中更高含量的蛋白质。由于省掉了蒸煮步骤,乙醇生产过程中的美拉德反应大大降低,淀粉的转化能力提高,DDGS中的蛋白质含量增加。使用STARGENTM酶能够提高碳的转化效率(生产量增加),也能提高DDGS中的蛋白质含量。此外,由于使用STARGENTM酶能够使甘油的含量明显减少,这意味着可以改善DDGS的干燥过程,因为甘油具有比较高的保湿性,在酒糟的干燥期间就需要有更高的热量。(10)节省用水量——最低限度的废物和更低的处理成本。在大多数传统工艺中相应的发酵醪浓度比较低,结果会产生更多的清液和更多的废水。使用STARGENTM酶,可以使发酵醪的浓度大大增加,减少清液和废水量,降低处理成本,减