木薯酒精生产工艺研究
2010-12-13 17:22:01   来源：本站原创   评论：0 点击：

【摘要】本文介绍了木薯酒精的生产工艺，讨论了各种发酵技术在木薯酒精发酵中的应用，通过与传统发酵工艺的对比，列举了每种发酵方法的优缺点，并对典型的木薯酒精发酵工艺进行了成本核算。研究结果表明：木薯酒精生产有很好的市场发展前景。

【关键词】木薯酒精工艺发酵成本

随着全球能源的短缺，酒精作为一种清洁环保的新型能源逐渐受到人们的关注。目前世界上的一些国家(如巴西)，已完全使用酒精代替汽油作为汽车燃料。虽然我国的酒精生产发展历史悠久，但是绝大部分只是作为饮用酒进行生产，而作为酒精能源的生产利用却严重匮乏。

自20世纪90年代，我国即开始发展以鲜木薯和木薯干为原料的酒精生产业，到目前为止，全国约有100多家企业能够生产木薯酒精。我国的木薯产区主要在南方的亚热带地区，如海南、湛江、广西和云南的部分地区等。至2004年，全国木薯种植面积已超过45万公顷，每公顷平均产量19．5吨，总产量已达到870多万吨，木薯资源较为广泛和丰富。在20世纪90年代以前，我国普遍以玉米、甘薯、糖蜜等为原料生产酒精。玉米单产约710kg／亩，市场价约1200～1400元/吨，木薯单产约1200kg/亩，市场价约1000～1200元/吨，由此可见，木薯较玉米更具有资源和价格优势。由于木薯中淀粉含量较高，原料出酒率可达36％～39％，所以木薯的产酒率远远高于玉米等其他作物，用木薯生产燃料酒精，可大量节约国家粮食。再者，由于木薯中各种营养成分的含量大多数都高于玉米和甘薯，尤其是微量元素比较丰富，因此给酒精发酵带来了便利条件。

本文结合作者研究经验，介绍了木薯酒精的生产工艺，探讨了不同的发酵方法对木薯酒精生产的影响，通过产酒率、工艺条件等各方面的比较，寻求最合适的发酵途径，并对典型生产工艺进行了成本核算，对木薯酒精的市场前景做出大致预测，从而为木薯酒精的推广生产提供理论支撑。

1木薯酒精生产工艺

1．1工艺流程

木薯原料——粉碎——拌料——蒸煮——糖化——发酵——蒸馏——酒精

1．2操作要点

1．2．1粉碎

由于木薯干中淀粉含量高、纤维素少，因而易被粉碎，为了最大限度地保留木薯中的营养成分，应先使用粗碎机把带皮木薯干磨成小块，再使用细碎机将其磨成粉末，本试验使用直径1．5mm筛孔，效果较好。

1.2.2拌料

为了使原料蒸煮环节顺利进行，可先把木薯粉添加到约4倍质量的50℃的温水中，边添加边搅拌，以使木薯粉均匀分散，之后再加入少量淀粉酶，从而最大限度地利用木薯中可发酵成分。搅拌约30min后，将该混合液注入加热器中。

1．2．3蒸煮

采用蒸汽给木薯粉混合液加热，温度控制在121℃左右，气压1．4个大气压，蒸煮时间为30～60min。

木薯粉在高温高压作用下，细胞膜和植物组织破裂，使其变成可溶性淀粉，同时蒸煮过程有杀菌作用，从而保证在发酵过程中原料不受杂菌的污染。

1．2．4糖化

蒸煮结束后，停止加热，打开冷却系统使醪液迅速冷却，当温度降至60℃左右时加入糖化酶，之后继续降温，直到30℃左右，保持该温度30min，以使醪液完全糖化。

急速降温的目的在于：使淀粉颗粒的细胞完全破裂，再通过糖化酶作用变成可发酵性糖，进而为酵母所利用。

1．2．5菌种选择与发酵

本实验利用双酶法糖化发酵带皮木薯淀粉来生产燃料酒精，分别比较了As2．399，As2．109，R12，高酒酵母，以及安琪酿酒高活性干酵母等五种酵母的产酒能力，得出较优菌种为高活性干酵母，并用该菌种研究木薯淀粉生产酒精的实验室条件，初步得出较优条件为接种量0．5‰，培养温度为34℃，培养时间为72h。

2木薯酒精发酵工艺对比

2．1传统发酵工艺

传统发酵工艺包括原料粉碎、温水拌料、高温蒸煮、糖化、发酵和蒸馏产酒几个工序，每个工序又各有不同的方法。思路就是将糊化后的淀粉糖化，使之成为易于发酵的单糖，然后植入酵母菌，保持在一定的温度下进行发酵。传统发酵工艺发酵周期长，出酒率不高，而且发酵过程中须调整pH值和温度等影响因素，操作繁杂。

应用该工艺进行木薯发酵，发酵周期约70小时，产酒率32～36％，发酵过程中pH值控制在4～5之间，温度28～32℃。发酵后所得残液，粒度小于800，用显微镜观察，其中仍有菌种存在，可进行回收再利用。

2．2固定化酵母发酵技术

即采用性能优良无毒的高分子聚合物为原材料，利用发泡技术包埋固定酵母，使酵母在载体内形成稳定的酵母场，结构外形呈蜂窝状，用不锈钢网围放在发酵罐内，以源源不断的供应酒精发酵。

固定化酵母发酵技术较之传统的发酵技术，发酵速率提高了10％～30％，设备利用率和酒精产量同时提高了10％～30％，大大节省了酒母的培养时间，抗杂菌感染能力增强，而且工艺操作简单、方便，操作条件弹性大，能适应生产条件较大的波动，因此大大提高了生产效率。

试验中采用海藻酸钠溶解后加钙盐所得的凝胶为载体，由于海藻酸钠凝胶在高温水中浸泡多时会自行溶解，因而使用几次之后须更换新的凝胶。曾有报道指出，采用固定化发酵技术生产酒精，每生产一吨酒精，可节省原料10％左右，由此而增长的经济效益是280元／吨。

2．3高浓度酒精发酵技术

该项技术是指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，在一定时间内获得尽可能多的酒精。较之传统的发酵工艺，高浓度酒精发酵的单位设备的生产率提高了，而能耗却降低了。

在人们进行新菌种、新设备、新工艺等方面的开创性研究的基础上，高浓度酒精发酵技术着眼于现有设备及工艺的高效利用，采用完全间歇发酵方式，通过在发酵醪液中添加酵母菌厌氧生长增值所必需的物质，提供增强酵母菌对细胞抵抗不良环境因素的物质，从而优化发酵醪液的组成，最终实现高浓度酒精发酵。

国内关于浓醪发酵工艺的研究，最具代表性的是湖北安琪集团，他们在实验室中利用其活性干酵母发酵淀粉质原料，实验结果已经达到：料水比1：1.8～2；发酵醪液中淀粉含量23％～25％(w／v)；产酒率16％(v／v)左右。

2．4无蒸煮无糖化一步发酵法

所谓无蒸煮无糖化一步发酵法生产燃料酒精，是指既不对原料进行加热蒸煮处理，也不预先对原料进行液化或糖化使其分解成单糖，而是将木薯等原料粉碎成所要求的粒度(或制成粉浆)，直接加入30～32℃的水装罐，然后接入发酵剂进行发酵。对发酵罐和管道亦不需要进行灭菌，操作工艺非常简单。目前这项技术尚无统一称谓，有的称之为生料酿酒技术，也有的称之为生淀粉发酵酒精或生谷物发酵酒精等。

由于一步发酵法实行边糖化边发酵，原料不需蒸煮和预先糖化，直接进行发酵，因而节约了大量的能耗和冷却用水，同时还减少了因蒸煮而造成的可发酵性糖的损失，使发酵醪中单糖的含量始终保持在较低的水平，pH值也不需调整，从而使原料出酒率大大提高。此外，发酵过程也比较平稳，发酵温度升得不快，较容易控制。同时由于发酵醪中无机盐类的含量较低，使得糟液可以进行回配，或者对糟液的处理变得更加容易。应用该工艺进行生产，在工厂建设中就可以省去蒸煮设备、糖化设备以及有关的附属配套设备，大大节省了基建和设备投资，必然也节省了由此引起的动力、用水、人工、维修等方面的消耗，由此也大大降低了生产成本。采用此种无蒸煮工艺时，由于醪液里的淀粉没有被糊化，且糖化和发酵同步进行，因此生淀粉分解出的可发酵性糖立即可被酵母直接转化成酒精。此外，由于发酵醪液里残留的可发酵性糖非常之少，所以能减少淀粉降解后产生的糖对酶反应的抑制作用，因而对醪液的浓度可以控制得非常高。醪液浓度大，即可以大大提高生产能力及设备利用率。再者，采用酒糟的滤清液回配，也可减少污水处理量，减轻环境污染。

有研究报道了同时糖化和发酵木薯淀粉生产酒精的方法，结论指出，用扣囊拟内孢酶NRRL76和运动发酵单细胞菌ZM4混合发酵木薯淀粉(22.5％，V／v)，酒精产率为10.5％(v／v)，效果优于单菌混合发酵。在该混合发酵基础上，往发酵培养基中添加0．01％的葡萄糖淀粉酶，可使酒精产量提高至13.2％，这一数值已接近理论值。由于生料发酵具有能耗低、工艺简单、设备投资省等优点，因而具有良好的应用前景，如何进一步提高此发酵工艺的生产效率是今后研究的重点。

2．5使用絮凝酵母进行发酵

即利用酵母自身的絮凝性保持发酵罐中高的细胞浓度，从而提高发酵速率，增加生产效益。与固定化酵母发酵技术相比，此种发酵技术可克服固定化酵母发酵技术载体耗资、菌体固定化工艺复杂、使用寿命有限等缺点；与菌体反馈法如离心增浓和微孔膜过滤截留等相比，可克服固定资产投资大、技术复杂等不足。

将絮凝酵母用于啤酒生产已有很长历史，近年来许多研究者致力于将絮凝酵母开发应用于酒精生产，已取得了较好成绩。Kida等以糖蜜为原料，利用絮凝酵母进行了循环分批及连续发酵。多位研究者对絮凝酵母的絮凝机理、发酵性质进行了研究，如栗山博对絮凝酵母用于酒精生产的系统开发进行了详细研究；钟娅玲等利用耐温絮凝酵母KF一7进行了糖蜜循环分批发酵研究，考察了温度及通气对发酵的影口向。

2．6真空发酵

早在1948年就有人提出通过抽真空使发酵产生的酒精不断的逸出，从而消除对酵母的抑制。Cysewski(实现了在真空发酵下生产酒精82g／hL，但需不断移出CO2保持低压，并通入O2保持酵母的活性，维持此系统很困难，能耗很高。人们对此进行了改进，将发酵罐和闪蒸罐串连，在常压下发酵的醪液进入闪蒸罐，除去酒精后，将糖液再注回发酵罐继续发酵。K．Ishida等对于闪蒸发酵系统提出了新的间歇操作方式，酒精的生产率为12g／hL。FranciscoMangeri等设计了由发酵罐、闪蒸罐、离心机和处理罐4个部分组成的系统，进行连续发酵，并用数学方法模拟优化了该过程，酒精的生产率可达23g／hL。

此外还有膨化发酵、低温发酵、真空发酵等发酵技术，都是新近发展起来发酵方法，并且已有应用于玉米、小麦等原料发酵的研究。如何将这些发酵方法应用于木薯酒精的发酵，以提高生产效率，节约生产成本，这是以后研究的一个方向。

3木薯酒精生产成本核算

根据试验检测，每生产1t纯度为95％的酒精，约需干木薯2.7t，按照全国平均电价0.60元／度，平均水价1.70元／吨，平均污水处理价格O.8元／吨，进行大概的成本核算。

吨酒消耗木薯2．7吨：2．7吨×1200元／吨=3240元

吨酒耗水10吨：10吨×1．70元／吨=17元

吨酒污水处理费用：10吨×O．8元／吨=8元

吨酒耗电220度：220度×0．60元／度=132元

吨酒消耗糖化酶、酵母等费用：80元

吨酒人工费用：100元

设备折旧费：10元

工商等各种税务支出：300元

合计：3887元

目前市场上酒精售价为：4200～4400元／t。扣除各种费用后，酒精盈利是313～513元／t。按年产50万t酒精计，年盈利超过1．5亿元。

4木薯酒精工业展望

我国南方地处热带和南亚热带，是木薯的主要产地，因而生产木薯酒精具有资源优势。目前生产木薯酒精的大企业不多，本文尝试通过发酵工艺条件的改变来提高木薯的产酒率，从而取得木薯干出酒率大于37％、淀粉利用率96％的效果。由木薯酒精生产工艺研究周期长、受实验室的实际条件所限，不允许投入更多资金改变生产流程和增加设备，因此只能利用现有条件作些改进。虽然目前需要探索的因素还很多，但我们坚信，发展木薯酒精工业具有广阔的前景。

1)由于受木薯的产地、品种、气候等的影响，原料的各成分含量是不稳定的，因此研究有利于酒精发酵的木薯品种和规范种植技术，是获得稳定的高质量酒精的前提；

2)木薯酒精发酵工艺中所使用的淀粉酶、糖化酶及菌种的种类和用量选择有待根据原料特性进行优化。同时，各工序中温度的控制、时间的掌握也很重要。坚持对每批新原料进行成分分析，原料发酵过后也要取样液，检测其中的成分和细菌数目，从而不断改进工艺；

3)引入新的技术，改变当前高能耗、低效率的生产方式是酒精工业生产发展的趋势。尤其是酒精分离工艺及设备的改进，对节能降耗可起到至关重要的作用。新技术的使用往往须经过反复的验证，最终才能确定木薯酒精生产的最适工艺；

4)实验表明：木薯经发酵酒精后的残液经过滤后，所得清液和残渣仍有较丰富的营养成分，对其进行回配循环利用或开发其他用途均具十分重要的意义；

5)木薯酒精目前已在燃料酒精工业中发挥作用，并逐步显示出其优越性，因此，大力发展木薯产业适合当前我国农业产业的结构调整政策。在世界能源短缺的今天，木薯酒精工业的发展机遇到了。

（作者：朱德明    韩志萍    匡  钰）