發(fā)酵乙醇的優(yōu)勢

發(fā)酵乙醇的優(yōu)勢

由于石油資源的減少和國際原油價格的降低，以谷物為原料的燃料乙醇產(chǎn)量迅速增加。根據(jù)美國可再生燃料協(xié)會(RFA)的統(tǒng)計,美國有87家乙醇工廠,乙醇年產(chǎn)量超過38.5億加侖,但每年仍以雙位數(shù)增長。到2012年時,乙醇年產(chǎn)量可能會超過預(yù)計的80億加侖。除美國外,亞洲2004年所生產(chǎn)的燃料乙醇大約是1億2千萬加侖,2008年的目標(biāo)是要達(dá)到6億加侖。我國實際的乙醇生產(chǎn)能力在500萬t左右,2004年的產(chǎn)量是350萬t左右,而以淀粉類為原料生產(chǎn)的約為300萬t,其余是糖蜜原料乙醇。乙醇的生產(chǎn)主要有2種途徑:發(fā)酵法與化學(xué)合成法。其中發(fā)酵法的產(chǎn)量占乙醇總產(chǎn)量的絕大部分。在以淀粉類及糖蜜類為原料的發(fā)酵法乙醇生產(chǎn)中,又以淀粉類原料為主,糖蜜乙醇僅占發(fā)酵乙醇總產(chǎn)量的15%～18%。目前乙醇工廠主要是以谷物及其他的淀粉類糧食作物為原料,并使用耐熱的酶制劑進(jìn)行蒸煮,從而將淀粉轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵糖。杰能科國際生物公司新研發(fā)了一種酶產(chǎn)品,它的應(yīng)用有望為乙醇的生產(chǎn)帶來技術(shù)進(jìn)步。1無蒸煮工藝和生料發(fā)酵技術(shù)乙醇作為一種可以再生的能源燃料,是由某些植物,如玉米、大麥、高粱、黑麥、木薯和甜菜等,在碳的循環(huán)過程中所產(chǎn)生的淀粉或糖轉(zhuǎn)化而來。玉米則是其中的主要轉(zhuǎn)化來源,目前主要通過干磨法和濕磨法工藝來生產(chǎn)乙醇。典型的干磨工藝,是在粉碎的谷物中加水制成粉漿,加入α-淀粉酶,粉漿在高溫下經(jīng)過蒸煮(105～150℃)使淀粉糊化和液化,蒸煮醪冷卻后加入糖化酶,轉(zhuǎn)化液化后的淀粉成為可發(fā)酵性糖,調(diào)節(jié)并在糖化醪中添加酵母發(fā)酵葡萄糖成生乙醇和CO2(圖1)。液化和糖化過程中要求淀粉顆粒在高溫下處于膨脹狀態(tài),并逐步被分解成可溶性糊精、低聚糖以及可發(fā)酵性糖。而淀粉要達(dá)到徹底液化必須經(jīng)過完全糊化的過程,這與淀粉在蒸煮鍋中蒸煮成為糊化醪相同。糊化的最大難點是,淀粉顆粒在糊化過程中吸水而急速膨脹,使料液的黏度迅速升高,流動性降低,這個過程由于淀粉漿需要加熱直到超過淀粉的糊化溫度,因而需要大量的熱能。因此,在生產(chǎn)過程中需要有熱交換器、蒸汽噴射器和維持罐等特殊的設(shè)備。此外,還有生產(chǎn)設(shè)備和工藝要求的條件和局限性,尤其是原料濃度的局限性,限制了乙醇產(chǎn)量。乙醇生產(chǎn)中,能量消耗最大的是蒸煮和蒸餾2個工序,傳統(tǒng)蒸煮工序所消耗的蒸汽可占整個生產(chǎn)過程蒸汽消耗的25%～30%。如果能改進(jìn)生產(chǎn)工藝,將這部分蒸汽消耗全部或者大部分節(jié)省下來,對于減少乙醇生產(chǎn)過程的能量投入將起到重要作用。另外,高溫高壓蒸煮雖然能使淀粉徹底糊化,有利于糖化酶的作用,但是它同時也會造成原料中可發(fā)酵性糖的損失,這種損失會隨著蒸煮壓力和時間的增加而增加。在乙醇生產(chǎn)中,原料淀粉的出酒率是乙醇生產(chǎn)的基本技術(shù)指標(biāo),它是控制乙醇生產(chǎn)效益的關(guān)鍵指標(biāo),高溫蒸煮的結(jié)果是一部分淀粉被分解成不可發(fā)酵性糖和其他雜質(zhì),從而造成可發(fā)酵性物質(zhì)的損失,對于原料的淀粉產(chǎn)乙醇率有著重要的影響。研究表明,可發(fā)酵性糖的損失隨溫度的升高和時間的延長而增加。130℃,原料顆粒直徑1.5mm,蒸煮30min的條件下,可發(fā)酵性糖的損失高達(dá)6%。要降低蒸煮的能耗與可發(fā)酵性物質(zhì)的損失,采用無蒸煮工藝和生料發(fā)酵技術(shù)無疑是最為理想的。雖然目前有的乙醇工廠已經(jīng)采用無蒸煮工藝和生料發(fā)酵技術(shù),但是生產(chǎn)運行狀況表明,生料發(fā)酵還存在發(fā)酵時間長,糖化酶使用量大或需要添加其他多種輔助酶制劑,污染的危險性大等技術(shù)問題。2引發(fā)聚合物水解酶為了順應(yīng)日漸擴(kuò)大的乙醇市場,杰能科國際生物公司成功開發(fā)出了STARGENTM酶產(chǎn)品,它是一種生淀粉水解酶,適用于無蒸煮的低能耗工藝,能夠有效地水解淀粉,其乙醇生產(chǎn)工藝過程見圖2。2.1糖化酶和-淀粉酶STARGENTM酶產(chǎn)品是一種對生淀粉具有增效作用的復(fù)合酶,包括α-淀粉酶和糖化酶,它們能夠在淀粉顆粒上鉆孔,節(jié)省了處理原料淀粉所需要的比較高的能量,而且能夠提供更合算的葡萄糖用來轉(zhuǎn)化成乙醇以及其他的生物產(chǎn)品和生物物質(zhì)。以往的商品生料復(fù)合酶基本上是在糖化酶中加入一定量的纖維素酶及果膠酶等,其作用效果并不明顯,本質(zhì)上對于乙醇生產(chǎn)沒有太大的提高,很少能應(yīng)用于乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)。產(chǎn)生糖化酶的微生物包括Aspergillusniger,Humicolagrisea和Rhizopusoryzae。產(chǎn)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酶產(chǎn)品能夠在同步糖化和發(fā)酵的過程中(SSF)通過分解淀粉鏈成葡萄糖來水解不溶性顆粒(非蒸煮)淀粉成發(fā)酵性糖來生產(chǎn)乙醇。2.2引發(fā)-淀粉酶的活性成分淀粉是以分散的微?；蛘呤穷w粒形式自然存在且結(jié)構(gòu)獨特。它是由2種聚合物組成的復(fù)合物,一種是直線型的多聚糖,稱為直鏈淀粉;另一種是有較多分支的多聚糖,稱為支鏈淀粉。在天然淀粉的形態(tài)中,這2種形式的聚合物由于形成交互的半晶體和無定形體而組成淀粉顆粒。直鏈淀粉在淀粉顆粒中整齊的排列在膠囊的間隙周圍,而支鏈淀粉則形成結(jié)晶性的膠囊。結(jié)果是淀粉在冷水中不溶解并且不容易被水萃取。然而,當(dāng)加熱淀粉懸浮液時,氫鍵開始斷裂并且淀粉懸浮液變成一種透明的高黏度的糊狀物。研究表明,在玉米淀粉中加入來自于A.kawachi純的α-淀粉酶和來自于A.niger的純的糖化酶,其電子顯微鏡掃描(SEM)分析顯示結(jié)果見圖5。分析表明,STARGENTM復(fù)合酶具有互補的(和/或增效的)活性,能夠迅速使淀粉顆?？栈啥础Ｔ跍睾偷陌l(fā)酵條件下,淀粉微粒的晶體結(jié)構(gòu)被破壞。STARGENTM復(fù)合酶的顯著特點是:糖化酶的外切活力能夠使淀粉的表面形成無數(shù)個小孔并且將小孔鉆得尖和深,而α-淀粉酶的內(nèi)切活力則能夠擴(kuò)大小孔。2種酶聯(lián)合催化顆粒淀粉使之從孔中連續(xù)釋放發(fā)酵性的葡萄糖來滿足酵母的發(fā)酵條件。而且連續(xù)釋放的葡萄糖既能夠滿足酵母的生長代謝,又能夠保證幾乎所有的淀粉轉(zhuǎn)化成糖而被酵母利用。保證酵母始終處于一種健康旺盛的代謝狀態(tài),從而能夠產(chǎn)生并積累大量的乙醇,同時對于乙醇濃度增加的耐受性也有了顯著的提高。而如果這2種酶單獨作用淀粉顆粒,則效果非常不顯著。杰能科的科學(xué)家在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行更深入的研究,開發(fā)出在酵母發(fā)酵過程中,通過分階段添加干物質(zhì)來改進(jìn)乙醇的生產(chǎn)工藝。這個工藝包含連續(xù)的直接加入固體物質(zhì)或者增加料液的濃度。在酵母發(fā)酵中分階段加料的潛在益處包括,可以省略酵母擴(kuò)大培養(yǎng)和粉漿維持罐,這會消除生產(chǎn)過程中的污染,提高碳的轉(zhuǎn)化效率,改善原料的混合和水合作用,降低發(fā)酵終點的殘余淀粉含量,并增加生產(chǎn)過程的可靠性。2.3酶的申請條件2.3.1ph值與酵母的STARGENTM酶適合于低的pH值條件,特別是它與酵母的發(fā)酵最適pH值相吻合,這樣可以省略pH的調(diào)節(jié)工序并能夠控制有害微生物的污染。圖6表示的是不同pH值對于STARGENTM酶作用效果的影響。2.3.2酶添加量對淀粉顆粒大小的影響由于STARGENTM酶是作用于未蒸煮液化的淀粉顆粒,因此對于淀粉顆粒的大小有一定的要求,淀粉顆粒的大小與酶的添加量成正比。表1表示的是STARGENTM酶作用于不同尺寸的玉米淀粉顆粒與發(fā)酵的乙醇體系分?jǐn)?shù)及DDGS中的殘余淀粉含量的關(guān)系。2.3.3與玉米淀粉生產(chǎn)原料的比較STARGENTM酶可以作用于不同形式的淀粉原料,圖7表示的是STARGENTM酶在一定的添加量的條件下,分別作用于脫胚淀粉乳、干磨玉米粉和玉米淀粉發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的情況。2.3.4引發(fā)乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中,可以通過確定STARGENTM酶的添加量來滿足工廠的最大生產(chǎn)量和效益。圖8表示的是不同的STARGENTM酶添加量與產(chǎn)生的乙醇體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。由圖8可知,在乙醇的生料發(fā)酵中,乙醇的體積分?jǐn)?shù)隨著STARGENTM酶添加量的增加而增加,發(fā)酵速率也增加。工廠應(yīng)該根據(jù)乙醇產(chǎn)量與總的成本考慮選擇酶的添加量。2.4影響單位糖質(zhì)原料活性的因素STARGENTM酶及其應(yīng)用技術(shù)可以為乙醇生產(chǎn)帶來以下幾方面的益處:(1)節(jié)省能量——無需噴射蒸煮。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中,熱能應(yīng)用在谷物蒸煮中是幫助酶法分解,消耗了大部分的能量。使用STARGENTM復(fù)合酶,采用的是無蒸煮工藝,能夠顯著節(jié)省能量。(2)節(jié)省資金——省去蒸煮和冷卻設(shè)備。在傳統(tǒng)的工藝中,谷物水合物或者糊化液以及淀粉蒸煮后,粉漿的黏度非常高,需要有特殊設(shè)計的蒸汽噴射器和冷卻設(shè)備來處理高黏度的淀粉漿。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噴射器設(shè)備。這樣在新工廠設(shè)計和工廠擴(kuò)產(chǎn)中就可以顯著地減少資金投入。(3)操作成本的節(jié)省——減少勞動力,降低化學(xué)品用量。在無蒸煮過程中不需要調(diào)節(jié)pH值,與傳統(tǒng)工藝相比較,簡化了操作并降低了成本。因為在傳統(tǒng)的蒸煮工藝中,由于液化(pH5.0～6.0)和糖化/發(fā)酵(pH4.0～4.8)過程中的pH范圍不同,需要進(jìn)行2次調(diào)節(jié)。此外,在傳統(tǒng)的蒸煮工藝中還可能需要添加鈣鹽使α-淀粉酶在高溫下保持活性穩(wěn)定,這樣經(jīng)過長時間的作用就會在生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)表面形成不可溶性的鹽(酒石)而腐蝕設(shè)備。(4)增加生產(chǎn)量——較高的發(fā)酵能力。在傳統(tǒng)的蒸煮工藝中,料液黏度限制著發(fā)酵固形物質(zhì)的濃度。應(yīng)用STARGENTM酶原料可以有比較高的濃度而黏度不會有任何的變化,料液的輸送性能良好,不增加資金投入,即可提高工廠的生產(chǎn)量。(5)更高的碳轉(zhuǎn)化效率——單位糖的最大乙醇產(chǎn)量。傳統(tǒng)工藝中,高溫噴射蒸煮會導(dǎo)致一些可發(fā)酵性糖的損失和雜質(zhì)的產(chǎn)生,這些物質(zhì)不能夠轉(zhuǎn)化生成乙醇。無蒸煮工藝的機(jī)理是在發(fā)酵液中連續(xù)的葡萄糖的進(jìn)料(SSF),能夠大大提高淀粉轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的效率,而與傳統(tǒng)的蒸煮工藝相比較,發(fā)酵時間并不增加。(6)旺盛的過程——健康的發(fā)酵體系。采用STARGENTM酶工藝,發(fā)酵罐中發(fā)酵性糖的濃度較低,酵母始終處于一種饑餓的代謝旺盛狀態(tài),經(jīng)過STARGENTM酶作用,連續(xù)釋放的葡萄糖會不斷地供給酵母,因此能夠提高酵母的活力并且限制有害微生物的生長,從而提高淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇的能力。(7)更高濃度的發(fā)酵——增加乙醇蒸餾的效率。使用STARGENTM酶可以在很高濃度原料的發(fā)酵液中直接轉(zhuǎn)化顆粒淀粉,酵母所產(chǎn)生的乙醇濃度也會相應(yīng)地增加。在這種平衡界面下,能夠明顯地降低酵母的滲透壓,產(chǎn)生更高濃度的乙醇,并在最終的蒸餾工序中提高生產(chǎn)量。因為發(fā)酵液中乙醇濃度增加,蒸餾能耗相應(yīng)地下降,蒸餾效率增加。根據(jù)分析,發(fā)酵液的乙醇體積分?jǐn)?shù)每增加1%,蒸餾的能耗可以降低3%?？梢娬麴s效率得到了極大的提高。(8)減少副產(chǎn)物——更少量的甘油和有機(jī)酸。由于使用STARGENTM酶在發(fā)酵罐中不會產(chǎn)生高濃度的可溶性固體,因此與傳統(tǒng)的工藝相比較,在發(fā)酵系統(tǒng)中具有很低的滲透壓。這使得酵母產(chǎn)生的廢物產(chǎn)品量如甘油大大減少,甘油產(chǎn)量的減少能夠使更多的葡萄糖轉(zhuǎn)化成乙醇。在發(fā)酵過程中,乳酸菌、乙酸桿菌和丁酸菌的污染在發(fā)酵醪中可生成乳酸、乙酸、丁酸等有機(jī)酸。雜菌污染不僅消耗了數(shù)量可觀的葡萄糖,還給發(fā)酵過程帶來很大的負(fù)面影響。而使用STARGENTM酶技術(shù),生產(chǎn)環(huán)節(jié)減少,發(fā)酵條件宜于控制,且有足夠數(shù)量的優(yōu)質(zhì)酵母菌,因而可以減少有機(jī)酸的產(chǎn)生。(9)生產(chǎn)DDGS副產(chǎn)品——動物飼料中更高含量的蛋白質(zhì)。由于省掉了蒸煮步驟,乙醇生產(chǎn)過程中的美拉德反應(yīng)大大降低,淀粉的轉(zhuǎn)化能力提高,DDGS中的蛋白質(zhì)含量增加。使用STARGENTM酶能夠提高碳的轉(zhuǎn)化效率(生產(chǎn)量增加),也能提高DDGS中的蛋白質(zhì)含量。此外,由于使用STARGENTM酶能夠使甘油的含量明顯減少,這意味著可以改善DDGS的干燥過程,因為甘油具有比較高的保濕性,在酒糟的干燥期間就需要有更高的熱量。(10)節(jié)省用水量——最低限度的廢物和更低的處理成本。在大多數(shù)傳統(tǒng)工藝中相應(yīng)的發(fā)酵醪濃度比較低,結(jié)果會產(chǎn)生更多的清液和更多的廢水。使用STARGENTM酶,可以使發(fā)酵醪的濃度大大增加,減少清液和廢水量,降低處理成本,減