高濃度乙醇發酵技術研究進展

惠繼星，胡 斌，寧艷春，陳希海，岳 軍，王 碩，屈海峰，胡世洋，范 銳

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 安全環保處，吉林 吉林 132021；3.吉林燃料乙醇有限責任公司，吉林 吉林 132101)

國家“十四五”規劃中明確提到要全方位加大節能力度，優化能源結構，重點是提高清潔能源比重，減輕對原油和天然氣進口持續上升的依賴，降低進口依存度。燃料乙醇作為一種清潔、可再生能源，能有效緩解對化石燃料的依賴、提高能源安全性[1]，對緩解石油短缺、降低環境污染、節能減排具有重要意義。但燃料乙醇目前生產成本較高，缺乏市場競爭力，相較汽油無明顯價格優勢，導致眾多燃料乙醇企業瀕臨虧損的邊緣，因此，最大限度地降低燃料乙醇的生產成本對燃料乙醇產業的健康、可持續發展意義重大。由于高濃度(Very high gravity，VHG)乙醇發酵技術在節能降耗方面具有顯著的優勢而備受關注，被認為是乙醇發酵行業未來發展的有效途徑之一。

發酵成熟醪中乙醇濃度是發酵工藝的一個重要技術指標，也是發酵技術先進與否的標志。在傳統發酵中，w(可溶固形物)=20%～24%，而高濃度乙醇發酵中w(可溶固形物)>30%，與傳統乙醇發酵工藝相比，VHG乙醇發酵技術具有成熟醪乙醇濃度高、生產成本低、設備利用率高、較低能耗與環境污染及乙醇產率高等優點。隨著發酵技術的日益發展進步，VHG乙醇發酵中底物濃度有逐步升高的趨勢[2]。

1 高濃度乙醇發酵的原理

VHG乙醇發酵技術的原理是采用提高發酵底物濃度的方法來提高發酵成熟醪中乙醇的濃度，減少單位乙醇產量所需要處理的物料流總量，進而降低乙醇生產中物料的傳輸、加熱、冷卻、精餾及飼料烘干等過程的能耗，同時減少廢液的排放，降低污水處理成本，是目前燃料乙醇生產技術領域最具發展潛力的技術之一。

2 高濃度發酵的優缺點

采用VHG發酵技術生產乙醇，可以節約工藝用水，在不增加工廠生產能力的基礎上提高乙醇產量，提高設備利用率，減少環境污染，節能降耗等。此外，VHG乙醇發酵還有利于抑制乙醇發酵過程中雜菌的生長和繁殖，生產高蛋白飼料、食品級副產品等[3]。

雖然VHG乙醇發酵有節約成本、增加乙醇產出等優點，但是VHG發酵也存在一些問題。在VHG發酵過程中，隨著底物濃度的提高，隨之而來的是滲透壓及乙醇濃度的升高，酵母細胞所處的環境不斷惡化，酵母細胞生長緩慢，發酵速率逐漸下降，乙醇生成受到抑制，再加上營養缺乏等因素導致發酵時間長、發酵不完全。此外，由于VHG發酵底物濃度較高，物料流動性變差，使醪液在攪拌、輸送以及加熱冷卻工序的運行都變得十分困難[4]，VHG乙醇發酵技術的應用，很大程度上依賴于低黏度糖化醪液的制備。

3 國內外VHG乙醇發酵技術研究概況

發酵成熟醪中乙醇濃度的高低是衡量乙醇發酵行業重要的技術經濟指標，為此人們也在不斷研究和優化發酵過程控制，建立新的發酵方法，提高發酵成熟醪乙醇濃度，降低生產成本。

VHG乙醇發酵條件下，提高發酵過程中酵母所受脅迫的耐受性，對于VHG發酵的順利進行至關重要。到目前為止，國內外對VHG乙醇發酵技術的研發大致分為2個方面。一是高耐受性及高產菌種的選育，二是發酵過程控制與優化。

3.1 高耐受性及高產菌種的選育

在菌種選育方面，構建、篩選在高糖濃度條件下，乙醇轉化效率高的工程菌可能是VHG乙醇發酵研究的一個重要方向。工程菌的成功構建取決于多方面因素，對VHG乙醇發酵條件下酵母菌的生理生化方面的研究，可能是解決問題的一個重要途徑。

研究人員通過構建、篩選得到一株釀酒酵母菌株，乙醇耐受性大幅度提高，與出發菌株相比，甘油產量明顯降低，乙醇產量明顯提高[5]。顧中鳳[6]通過誘變、選育獲得一株可在高溫和高濃度葡萄糖條件下進行發酵的優良突變菌株，發酵終點φ(乙醇)達到16.7%。李勇[7]篩選出一株適于VHG乙醇發酵的菌株，采用分組液化工藝，可使w(殘總糖)降低16.4%，φ(乙醇)提高1.93%。通過基因重組技術獲得的菌株往往具有較高的生產潛能。吳華昌等[8]從白酒酒糟中篩選出能在φ(乙醇)=18%條件下生長發酵產酒的菌株。

3.2 發酵過程控制與優化

為了促進VHG乙醇發酵，使酵母菌在各種脅迫條件下保持較高的活性，提高發酵效率，科研人員開展了多方面的研究，提出了各種應對策略，例如通氣、添加氮源、培養基優化、發酵工藝控制與優化等。

3.2.1 通氣

發酵液中溶解氧濃度(DO)是重要的影響因素之一，其對酵母細胞的生長和乙醇代謝具有重要的作用。氧氣有助于增強酵母細胞抵抗高濃度乙醇的抑制作用，還有利于酵母細胞的生長，促進類脂質等存活因子及不飽和脂肪酸的合成。

在VHG乙醇發酵過程中，由于底物的濃度較高，使物料的黏度升高、流動性變差，進而導致氧傳遞受阻，因此在VHG乙醇發酵過程中應提供足夠的溶氧供給，通氣可以提高酵母發酵初期活性，提高酵母發酵能力，反之，缺乏氧氣的供應，乙醇發酵過程受到很大抑制，酵母耗糖能力受阻[9]。

在VHG乙醇發酵過程中，通入微量的氧能夠快速提高發酵前期酵母細胞的濃度，減少殘糖量，增加乙醇生成速率和縮短發酵時間[10]。另外，對VHG乙醇分批發酵進行連續通風，酵母細胞密度和發酵效率明顯提高[11]。在釀酒酵母VHG乙醇發酵過程中通入適量的空氣能提高乙醇耐受性及存活率[12]。通氣還可使VHG乙醇發酵成熟醪中副產物甘油的濃度明顯降低[13]。

3.2.2 添加氮源

氮源是合成蛋白質和核酸所不可缺少的營養元素，糖發酵制備乙醇與氮源有一定關系。VHG乙醇發酵過程中，只有添加適量的氮源，才能保證酵母菌健康生長、抵抗較高滲透壓的影響，增加乙醇產出，及時添加氮源對VHG乙醇發酵至關重要。

在通常的發酵中，酵母菌不能利用淀粉質原料中的蛋白質，加入酸性蛋白酶后，其水解作用可增加發酵醪液中α-氨基氮的濃度，為酵母提供氮源，直接供酵母利用，促進酵母生長繁殖，目前已為國內較多燃料乙醇企業所應用。有關研究表明，以酸性蛋白酶作為氮源進行VHG乙醇發酵，發酵成熟醪中φ(乙醇)最高達到15.5%，發酵時間大幅縮短[14]。

在工業化大生產中，企業從成本上考慮，往往選擇添加尿素作為氮源。在酵母菌的VHG乙醇發酵過程中，添加尿素可明顯提高發酵醪液中乙醇濃度，提高酵母數量，此外添加尿素的發酵醪液中甘油和乙酸濃度明顯低于添加銨鹽及對照組[15]。

酵母膏是一種優質的天然復合有機氮源。有關研究表明，酵母膏為VHG乙醇發酵理想的氮源，但是由于酵母膏的價格昂貴，為了降低乙醇生產成本，可以采用價格低廉的尿素和硫酸銨來代替[16]。

3.2.3 發酵溫度

在乙醇發酵過程中需要維持酵母菌的生長和生產的最適溫度，這是保證酵母細胞活性的重要條件。有研究表明，影響VHG乙醇發酵的因素中，溫度是最主要的因素[17]。在VHG乙醇發酵過程中，將主發酵的溫度由34 ℃降為32.5 ℃，發酵成熟醪φ(乙醇)>16%[18]。對木薯生料VHG乙醇發酵過程采用梯度降溫控制的方法，使發酵醪液中φ(乙醇)=16.24%[19]。

3.2.4 發酵pH值

pH值是微生物生長代謝和產物合成的非常重要的狀態參數，是代謝活動的綜合指標，因此必須掌握發酵過程中pH值變化的規律，及時監控，使其處于生產的最佳狀態。有研究表明，在玉米VHG乙醇發酵過程中，通過流加氨水控制發酵液pH≥4.00，發酵成熟醪中φ(乙醇)=16.40%[20]。

3.2.5 同步糖化發酵工藝

同步糖化發酵工藝是采用發酵與糖化同步進行的方法，實現緩慢供糖，使糖濃度保持在較低的水平，避免底物抑制作用。將“同步糖化發酵”技術應用于木薯VHG乙醇發酵，最終φ(乙醇)=14.7%，糖化酶用量較常規乙醇發酵增加了17%[21]。另外，選擇適宜的糖化酶，可解決同步糖化發酵過程中定量供糖的問題，利于實現VHG乙醇發酵[22]。在VHG乙醇發酵大生產裝置上采用同步糖化發酵工藝，可使發酵成熟醪中φ(乙醇)由12%提高至14%[23]。

3.2.6 添加其他營養物質

有關研究表明，在培養基中添加適量的營養物質，如海藻糖、肌醇、脂肪酸等，都可有效提高酵母細胞的乙醇耐受力，易于實現VHG乙醇發酵。乙醛是酵母乙醇發酵途徑中的直接前體，乙醛由酵母通過代謝途徑產生，作為代謝的一個節點，乙醛既能還原成乙醇又能氧化成乙酸。VHG乙醇發酵過程添加乙醛，發酵終點的φ(乙醇)=17.0%，比對照組提高約10%[24]。

3.2.7 其他工藝

據有關報道，采用分批添加強制循環生料酒精發酵工藝能顯著提高發酵成熟醪乙醇濃度和淀粉利用率[25]。采用酒糟濾液回用技術可提高發酵醪酒度近2%[26]。利用固定化酵母技術進行VHG乙醇發酵，發酵96 h，φ(乙醇)=17.57%[27]。采用流加的方式進行VHG乙醇發酵，酵母細胞重復利用，不需化學處理，相比傳統發酵過程，ρ(乙醇)=132.90 g/L[28]。

4 結束語

VHG乙醇發酵技術有助于進一步改善常規乙醇發酵終點乙醇濃度低的問題，其不必對現企業的工藝、設備等進行大規模改造，就可顯著提高乙醇產量，降低生產成本，大幅度提高企業的盈利能力，符合清潔生產，保護生態環境，優勢顯而易見，因而近年來備受人們關注，是一項極具應用價值的前瞻性技術，將極大提高目前中國乙醇發酵工業的技術水平，是今后乙醇發酵工業所要努力的目標和方向。

雖然VHG乙醇發酵可顯著提高發酵成熟醪的乙醇濃度，降低產物分離的能耗和乙醇生產成本，但是酵母細胞生長和發酵卻面臨初糖濃度高及產物中乙醇濃度高的雙重脅迫，還存在高黏度物料的輸送、副產甘油、液化和糊化不徹底、不均勻、殘總糖高等問題，需要科研人員不斷的進行研究和改進。VHG乙醇發酵最根本、最關鍵的仍然是酵母問題，選育具備更高耐滲透壓能力、更高耐乙醇能力、更強發酵性能以及更高乙醇轉化率的酵母，是實現VHG乙醇發酵的關鍵，還需繼續研究，推動VHG乙醇發酵技術的發展，以便更好地服務于燃料乙醇的工業化生產。