木薯小麦混合发酵生产燃料乙醇研究

李永恒 苏云 崔春生 李海浪 胡子超 孙成龙 唐青青 秦宏韬

【关键词】木薯;小麦;酒精;发酵;DDGS

【中图分类号】TQ223.122 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）10-0037-03

酒精是目前世界上生产历史最悠久、产量最大的发酵工业产品[1]。木薯是廣西丰富的生物质资源，符合国家的非粮能源战略。我国人口众多、资源贫乏，在较长的一个时期里，国家的粮食供应还将处于平衡偏紧状态，决定了我国只能发展以非粮为主的生物燃料乙醇。广西具有丰富的生物质资源，其中木薯的种植和产量均占全国的70%以上，发挥地方资源优势，将木薯转化为燃料乙醇，既符合国家“不与人争粮，不与粮争地”的非粮生物能源发展战略，也符合广西经济的发展实际[2]。目前，我国小麦主要是用来加工小麦淀粉，利用小麦生产酒精的报道也很少。小麦含淀粉、蛋白质和脂肪等成分，营养丰富，食用价值很高。目前，国内的小麦生产在某些年份和某些地区相对过剩，甚至出现了陈化小麦，用小麦为原料发酵生产酒精，主要考虑到陈化小麦不适于食用，而小麦的营业成分高，需要提升其综合利用的价值。小麦酒精糟是小麦在生产酒精过程中的主要副产物，干物质中粗蛋白含量约占39%[3]，并且含有丰富的氨基酸和多种微量元素等[4-5]，可直接饲喂猪、牛等动物，通常是烘干生产小麦酒精糟[6]。

2015年，国家开始消化超期存储和“蓆茓囤”存储粮食，对于不适于进入食品链的粮食亟须处置。根据国家战略需求和广西原料市场，木薯、小麦、玉米全稻谷等多元化原料共线制备燃料乙醇是亟待攻关的课题。广西中粮生物质能源有限公司在年产20万t木薯燃料乙醇装置的基础上，开发多元化原料共线制备燃料乙醇关键技术。为了探究多元化原料高效制备燃料乙醇关键技术，根据政策和原料市场变化，实施多元化原料高效共线制备燃料乙醇。实现由单一原料生产燃料乙醇到多元化原料随时切换生产燃料乙醇，这需要克服预处理工艺、液化发酵、精馏、废醪处理等全流程瓶颈问题，使之满足多元化原料生产燃料乙醇，需要对多元化原料生产燃料乙醇难题进行技术攻关。

本文主要是针对木薯和小麦混合发酵生产燃料乙醇进行研究，为公司大规模使用混合原料生产燃料乙醇进行发酵研究及酒糟的综合利用提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

小麦粉、木薯粉通过1.8 mm筛网，杰能科淀粉酶（杰能科中国生物工程有限公司生产）、隆科特糖化酶（山东隆科特酶制剂有限公司生产）、酸性蛋白酶（广西乐酵生物科技有限公司生产），超级酿酒高活性干酵母（安琪酵母股份有限公司生产），安菌泰（柳州龙泰科技有限公司生产）;氨水（含氮17%）、0.25%葡萄糖、0.5%次甲基蓝指示剂、斐林试剂、20%氢氧化钠、20%盐酸、65%硫酸，其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

仪器包括高效液相色谱（美国戴安公司生产）、快速水分测定仪（日本AND公司生产）、恒温水浴锅（荣华仪器有限公司生产）、50 L三联中试发酵罐（上海高机生物工程有限公司生产）、精密型台式pH/电导率测量仪（梅特勒-托利多公司生产）、分析天平（湖南湘仪实验室仪器开发有限公司生产）、电子天平（梅特勒-托利多公司生产）、可控温电炉、黏度计（型号为NDJ-5S）、摇床（上海智城分析仪器制造有限公司生产）、容量瓶、三角瓶等。

1.3 试验方法

1.3.1 木薯小麦混合液化、糖化发酵工艺流程

木薯小麦混合液化、糖化发酵工艺流程如图1所示。

木薯小麦混合发酵生产燃料乙醇是以木薯、小麦为原料，按比例混合后进行调浆、液化、发酵等工序制备而成，具体工艺简述如下：木薯、小麦分别粉碎，过1.8 mm筛网，加水拌料调浆，获得固形物含量≥28%的粉浆。液化阶段添加淀粉酶，85～87 ℃保温液化2.0 h。液化醪冷却降温后，添加糖化酶、酸性蛋白酶、安菌泰、活性干酵母等辅料，按发酵试验条件直至结束。

1.3.2 调浆

小试试验：取木薯粉、小麦粉分别检测水分，称量木薯粉、小麦粉并放置于3 L的玻璃缸中，混合均匀;调浆水按中水15%、清液35%、工艺水50%的比例混合，称取调浆水加入盛有木薯粉、小麦粉的玻璃缸中，配制固形物含量为28%的粉浆，添加淀粉酶（0.14 kg/t粉）、氨水（4.8 kg/t粉），用65%硫酸调节pH值至5.60，搅拌均匀，调浆完毕。

中试试验：取木薯粉、小麦粉分别检测水分，称量木薯粉、小麦粉放置于50 L的不锈钢夹套锅中，调浆水按中水15%、清液35%、工艺水50%的比例混合，称取调浆水加入盛有木薯粉、小麦粉的不锈钢夹套锅中，启动搅拌机，配制固形物含量为28%的粉浆，添加淀粉酶（0.14 kg/t粉）、氨水（4.8 kg/t粉），用65%硫酸调节pH值至5.60，搅拌均匀，调浆完毕。

1.3.3 液化

小试试验：调浆完成后，将玻璃缸放进温度为85～87 ℃的水浴锅中，水位与玻璃缸液位持平或略高，玻璃缸粉浆搅拌转速调至260 r/min，粉浆温度达到85～87 ℃后开始计时，液化2.0 h。液化完毕后，将3 L玻璃缸取出放在冷却水（冷却水中加冰袋）中冷却至32 ℃，用65%硫酸调节pH值至4.40，进入添加辅料环节。

中试试验：不锈钢夹套锅内调浆完成后，排完夹套余水，缓慢开启蒸汽预热，待夹套内冷气排完，关闭排污阀，蒸汽正常开启，将粉浆加热至85～87 ℃开始计时，液化2.0 h。液化完毕后，用65%硫酸调节pH值至4.40，将液化醪打入发酵罐内，启动发酵罐搅拌机，开启冷却水，冷却至30 ℃，进入添加辅料环节。

1.3.4 发酵

小试试验：液化醪pH值调至4.40后，温度为30 ℃，依次称量辅料安菌泰（5 ppm）、糖化酶（0.68 kg/t粉）、酸性蛋白酶（0.06 kg/t粉）、发利干酵母（0.05%液化醪）加入液化醪中，并均匀搅拌，分装到500 mL三角瓶中，瓶口封8层纱布，用胶圈扎紧，放置摇床培养箱中培养，在温度为30 ℃，转速为120 r/min条件下培养8.0 h;培养8.0 h后培养箱温度调至33 ℃发酵，持续至72 h结束，取样成熟醪检测发酵指标。

中试试验：液化醪冷却至30 ℃，依次称量辅料安菌泰（5 ppm）、糖化酶（0.68 kg/t粉）、酸性蛋白酶（0.06 kg/t粉）、发利干酵母（0.05%液化醪）加入液化醪中，发酵罐搅拌机连续运行，发酵温度由冷冻水控制，前8.0 h温度控制在30 ℃，8.0～72 h温度控制在33 ℃，发酵结束，取样检测发酵指标。

2 结果与分析

2.1 液化试验结果

在粉浆浓度为28%的条件下，原料液化2.0 h，添加0.14 kg/t粉淀粉酶，小试、中试液化终点碘试结果对比显示满足发酵底物要求（结果如图2所示），液化效果较好。中试高温液化时水分蒸发较大，导致液化醪固形物含量有所增加，但与小试实验液化相比其固形物含量相差较大，液化醪黏度也有所升高。由表1可以看出，小试液化醪黏度为406.18 mPa·S，中试液化醪黏度为495.0 mPa·S，该黏度液化出料能力不受限制。

2.2 发酵试验结果

由表2可知，50%小麦粉与50%木薯粉混合发酵中试实验，残总糖高于小試，但残糊精、残淀粉优于小试试验;50%小麦粉与50%木薯粉混合发酵中试实验酒精度达到14.90% vol，小试实验酵母糖耗率较高，但糖醇转化率明显低于中试实验。发酵后醪液黏度为156.74 mPa·S，黏度与小试试验相差不大。

2.3 木薯与小麦混合发酵废醪液研究

发酵成熟醪废醪用80目滤布进行漏斗过滤，中试实验过滤速度较快，清液COD含量为73 250 mg/L，与小试实验相差不大（见表3）。将废醪烘干粉碎后测量其指标，各理化指标见表4，蛋白含量较高，绝干蛋白高达27%左右，表明木薯小麦制备的DDGS是一种良好的蛋白饲料，纤维、灰分低。

3 结论

小麦粉和木薯粉混合发酵酒精度达到13.70% vol，发酵后醪液黏度也较低，黏度为129.50 mPa·S，清液COD含量为73 250 mg/L。将废醪烘干制成饲料后，蛋白含量较高，绝干蛋白高达27.12%，纤维为12.55%、灰分为9.45%，脂肪（绝干）为1.00%。

中试实验液化醪固形物为33.20%，酒精度为14.90% vol，残总糖为3.06%（较高），由于发酵罐搅拌混合均匀，因此残糊精残淀粉较低。中试实验过滤速度较快，清液COD含量为73 250 mg/L，清液总固形物为7.70%，废醪固形物为14.10%，都较高，绝干蛋白高达27.02%，和小试试验差不多，粗脂肪、纤维、灰分比小试试验都稍微增高。

综合小试、中试试验研究可以看出，木薯小麦混合发酵生产燃料乙醇工艺是可行的，陈化小麦出厂价为1 200元左右，可以有效降低原料成本，同时小麦中的蛋白质可以提高混合DDGS的蛋白质含量和饲料的附加值，为提高企业的经济效益开辟了新途径。

参 考 文 献

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