超貯稻谷半連續濃醪發酵生產燃料乙醇工藝研究

武國慶，吳德旺，沈乃東，趙二永，張宏嘉，郭 翠，周錦怡，李紅波，李冬敏，佟 毅2，，4

（1.中糧營養健康研究院，北京 102209；2.國家能源生物液體燃料研發中心，北京 102209；3.中糧生物科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233010；4.玉米深加工國家工程研究中心，吉林 長春 130033）

生物燃料乙醇作為一種綠色可再生車用燃料，在改善大氣環境、支持“三農”建設、優化能源結構方面發揮了重要作用。自2017年9月國家發展改革委、國家能源局、財政部等十五部委下發《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》以來，國內燃料乙醇產業穩步發展，產量在多年徘徊在200萬t左右后，2019年達到284萬t[1]。盡管受疫情影響，2020年燃料乙醇產量再創歷史新高，達到約290萬t。

在生產發展的同時，也清醒看到尚存在的差距。與國外先進技術相比，國內燃料乙醇技術主要有兩點差別。一是裝置發酵工藝，與美國90%以上裝置采用間歇發酵工藝不同，國內有近一半裝置（產能）采用連續/半連續發酵工藝[2]。二是成熟醪酒份有差距。美國裝置普遍采用濃醪發酵酒份在17%vol～18%vol[3-5]，而國內通常在13%vol～16%vol，尤其是連續/半連續發酵工藝，酒份通常只有13%vol～14%vol[6-9]。

近十幾年來，美國燃料乙醇行業對間歇發酵技術不斷創新，通過酶與酵母性能的提升、高濃拌料液化工藝、同步糖化發酵工藝、新設備開發、能量耦合、工藝集成、開發聯產品等手段持續提高了成熟醪酒份和淀粉出酒率[10-11]。與間歇發酵相比，連續發酵工藝設備投資少，利用率高，連續生產易操控[12]，但因易染菌，且受限于發酵過程中酵母比生長速率與稀釋速率的平衡關系，難以在相同發酵周期內達到間歇濃醪發酵同樣水平的高酒份[13]。半連續發酵工藝融合了連續發酵與間歇發酵的部分優勢，較好的權衡了設備利用率、染菌和發酵酒份之間的關系，在國內酒精發酵領域得到推廣應用[7，14-16]，但因其主發酵期仍然采用連續發酵工藝，酒份普遍偏低，通常不超過14%vol，尚有提升的潛力。

生物乙醇濃醪發酵是指在發酵底物固形物含量大于300 g/L，發酵終點乙醇濃度高于15%vol的發酵技術[17]。濃醪發酵因兼具目標產物濃度高和生產速率高的特點，在降低能耗與水耗、提高產能、降低成本方面優勢明顯，一直是酒精發酵工業的一個重要發展方向。一般而言，成熟醪酒份每提高1個百分點，蒸汽消耗會降低約300 kg/t酒精，水耗會降低約0.7 t/t酒，經濟效益顯著，因此也是企業提高自身競爭力的研究熱點[7，18-19]。

近些年來，我國稻谷連年豐收，但也引起超儲的問題。稻谷不易儲存，其宜儲存年限約為3年[20-21]。超期儲存的陳化糧不能作為口糧，只能經工業轉化來消納[22]。因此及時消納大量陳稻谷成為國內燃料乙醇產業支持“三農”事業的一項重要使命。近期，陳化稻谷作為乙醇生產原料已在國內多套裝置使用，年消納量可超過300萬t[23-25]，但稻谷乙醇成熟醪酒份普遍偏低，鮮有超過14%vol。

針對上述問題，中糧營養健康研究院聯合中糧生物科技（安徽）股份有限公司沫河口分廠（簡稱中糧安徽沫河口分廠）開發全糙米半連續濃醪發酵技術，利用脫殼稻谷（糙米）為原料，首先在實驗室開展半連續發酵小試工藝優化實驗，在此基礎上改進工廠生產工藝，進行高濃粉漿拌料、噴射液化、同步糖化半連續發酵，提高乙醇發酵濃度，實現了企業提質增效的目標，為現有乙醇企業的技術開發提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

超貯稻谷：中糧安徽沫河口分廠；玉米：安徽蚌埠地區收購；α-淀粉酶（14萬U/g）：杰能科（中國）生物工程有限公司；糖化酶（25萬U/g）：山東隆大生物工程有限公司；尿素：陜西陜化煤化工集團有限公司；酸性蛋白酶（10萬U/g）：山東隆大生物工程有限公司；安菌泰：柳州龍泰科技有限公司；超級釀酒高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；葡萄糖：山東西亞化學工業有限公司；鹽酸、硫酸、氫氧化鈉、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、亞甲基藍指示劑：國藥集團化學試劑有限公司；酚酞指示劑：北京化工廠。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

BIOTECH-5JG*1-2JG*2-5JG*5連續/半連續發酵小試設備：上海保興生物設備工程有限公司；ME2002電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PB-21 pH計：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；PC-E6000數顯恒溫水浴鍋：常州榮華儀器制造有限公司；DL-1萬用電爐：林茂科技（北京）有限公司；B203生物顯微鏡：重慶奧特光學儀器有限責任公司。

1.3 方法

1.3.1 半連續發酵小試

在實驗室采用定制設備模擬實際生產線工藝，針對糙米原料，對發酵原料的葡萄糖當量（dextrose equivalent，DE）值、發酵氮源尿素和蛋白酶用量、糖化酶用量進行了小試發酵研究，并從中選取了典型的三個批次發酵結果。該設備由1個進料罐，2個酒母擴培罐，3個連續發酵罐與2個間歇罐組成，半連續發酵小試實驗流程如下：

（1）單獨糖化發酵試驗

第一批次首先模擬工廠原單獨糖化半連續發酵工藝，小試采用干物為30.5%的糙米液化醪單獨糖化至DE值為40，糖化酶用量0.7 g/kg原料，然后進行酒母擴培和連續發酵，其中尿素用量0.75 g/kg原料，蛋白酶用量0.05 g/kg原料。

（2）單獨糖化發酵酵母氮源營養供應優化

第二批小試仍采用干物為30.5%的糙米液化醪單獨糖化至DE值為40。為了給酵母提供更多氮源[26]，在第一批次基礎上分別增加尿素和蛋白酶用量至1.5 g/kg原料和0.1 g/kg原料。

（3）同步糖化發酵中酵母碳源營養供應優化

為優化酵母碳源營養供應，第三批小試直接采用DE為20的液化醪進行同步糖化發酵，并提高糖化酶用量至0.91 g/kg原料。

1.3.2 工業應用試驗

試驗結果在中糧安徽沫河口分廠30萬t/年工業裝置上進行了應用驗證。該裝置原設計以玉米為原料，成熟醪酒份為13.5%vol。采用玉米干法預處理（預留半干法）、噴射液化及半連續發酵、三塔壓差熱耦合節能精餾、兩級串聯管束干燥、干燥機尾氣為主要熱源的順流/混流蒸發等工藝技術。目前，該裝置現已改為用陳化稻谷生產燃料乙醇，增加了稻谷脫殼的相關設備，其工藝流程及操作要點如下：

操作要點：

脫殼粉碎拌漿：水稻原料經礱谷機脫殼成糙米，糙米經粉碎機粉碎，糙米粉和一次工藝水、回配清液在拌料絞龍內按一定料水比拌漿，控制粉漿干物質含量30%～31%，絞龍內調節粉漿pH為5.6～5.8，添加α-淀粉酶（0.6 kg/t酒）。

液化：絞龍內粉漿料在粉漿罐預熱至65 ℃左右，然后進行噴射液化（90～92 ℃），再經過液化閃蒸后進入液化罐（88～90 ℃，2.5 h），液化結束調節pH至4.0～4.4，經換熱器降溫至28～32 ℃，得到糙米液化醪。

同步糖化發酵：液化醪在流入酒母罐前添加糖化酶、尿素、酸性蛋白酶[10-13]和抑菌劑，酒母罐內的酵母在29 ℃條件下培養10 h后以45%接種量與液化醪一同進入一級連續發酵罐，一級罐控制30～31 ℃，發酵液停留12 h左右從罐底泵入二級發酵罐，二級罐控溫31～32 ℃，二級發酵罐滿后泵入三級發酵罐，控溫31～33 ℃，三級罐滿后泵入間歇發酵罐控溫31～32 ℃。發酵總時間約65 h，得到糙米發酵成熟醪。

精餾：精餾工段采用三塔差壓工藝，粗塔為負壓操作，組合塔為常壓操作，精塔為加壓操作。成熟醪經預熱后進入粗塔蒸餾，粗塔塔頂酒氣一部分回流，一部分預熱后給精餾塔進料。粗塔側線采出醪液經換熱加熱后進入組合塔，組合塔中部采出淡酒一部分回流，一部分預熱后去精餾塔進一步提純。組合塔頂部酒氣一部分回流，一部分采出進入分子篩脫水入乙醇成品罐。組合塔與精餾塔中部引出雜醇油，精餾塔塔頂汽冷凝后一部分給精餾塔回流，一部分泵至組合塔頂部回流。

干燥：精餾提取乙醇產品后，從組合塔塔底和粗塔塔底排出的糙米廢醪液，經臥螺離心機機分離，得到清液和濕糟，清液經蒸發濃縮塔得到DDS糖漿，濕糟與清液濃縮物混合進入管束干燥機干燥，即可得到糙米干酒糟及可溶物（distillers dried grains with solubles，DDGS）成品。

1.3.3 分析檢測

淀粉含量測定：按照GB/T 5009.9—2016《食品中淀粉的測定》中的方法；水分、粗脂肪、粗纖維、蛋白質含量測定：按照GB/T 18868—2002《飼料中水分、粗蛋白質、粗纖維、粗脂肪、賴氨酸、蛋氨酸快速測定》中的方法；殘糖含量測定：按照斐林試劑法[27]；外觀糖度、酒精度、揮發酸、酸度等指標測定按照酒精廠常規分析測定方法。殘淀粉、殘糊精含量計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 原料檢測

稻谷與玉米原料的化學組成見表1。由表1可知，脫殼稻谷（糙米）淀粉含量為70.74%，高于玉米淀粉含量，顯著高于未脫殼稻谷淀粉含量。未脫殼稻谷淀粉含量低，僅為55.37%，纖維含量高，其成熟醪酒份通常約為13%vol，難以實現濃醪發酵[25]。因此，本研究采用糙米進行實驗，以提高發酵終點酒份，并減少工藝過程中設備磨損[28-29]。另一方面，由于糙米蛋白質含量高，粗纖維含量低，粉漿干物質含量過高會影響到后續的廢醪分離與干燥，影響DDGS的產品質量。通過研究表明，全糙米粉漿干物質含量在30%～31%較為適宜。

表1 超儲稻谷的化學組成Table 1 Chemical composition of overstored rice

2.2 半連續發酵小試結果

全糙米小試半連續發酵結果見表2。由表2可知，第一批次經過36 h的連續發酵和34 h的間歇發酵，發酵終點酒份為14.46%vol，殘總糖為2.09%，殘還原糖為0.46%，殘糖含量偏高。初步分析原因是由于提高了發酵底物濃度，采用高DE糖化醪進行擴培，底物抑制對酵母活性產生影響，發酵過程中還原糖釋放快、酵母代謝慢，造成后期殘糖積累，影響發酵結果。

表2 全糙米小試半連續發酵結果Table 2 Continuous fermentation results of whole brown rice

因處于生長期的酵母產酒速率是非生長期的30倍[30]，給酵母足夠營養供應以保持其生長性能非常重要。尿素可為酵母提供直接無機氮源，快速滿足酵母生長需要，保持酵母處于高發酵強度水平，提高抵抗高滲透壓的能力；蛋白酶可有效水解原料中的蛋白質和多肽，為酵母提供有機氮源，促進酵母生長，增強產酒能力，另外蛋白酶水解原料中的蛋白質后，有利于糖化酶作用，增加醪液中的可利用糖[31-32]。由表2可知，通過對初始原料DE和氮源優化，第二批發酵終點酒份提高至14.88%vol，殘總糖降低至1.55%，殘還原糖降低至0.24%，殘淀粉和殘糊精也有所降低，但仍未達到理想水平。

同步糖化發酵工藝在間歇濃醪發酵中常被采用，有研究認為同步糖化發酵中控制糖化速率與酵母發酵速率的一致性是個難點[33]，糖化速率快，高濃葡萄糖對酵母菌形成高滲透壓，使酵母發酵速率遲緩，易造成單糖積累；糖化速率慢，缺乏碳源易造成酵母生長不旺盛。在發酵過程中，菌體生長、乙醇生成、能量產生三者緊密聯系，需要有機協同。由表2可知，經過第三批發酵小試，終點酒份達到15.09%vol，殘總糖降低至1.21%，殘還原糖降低至0.18%，過濾總糖由第一批的1.46%降低至0.70%，殘淀粉和殘糊精也均降低至較低水平，分別為0.46%和0.47%。

綜上所述，通過由“糖化-半連續發酵”工藝調整為“同步糖化半連續發酵”工藝，并提高酵母氮源營養供應和糖化酶用量，發酵終點酒份最終突破15%vol，各項殘糖指標較優，在小試水平實現了半連續濃醪發酵。

2.3 工業應用試驗

在中糧安徽沫河口分廠30萬t/年半連續發酵工業裝置上，用全糙米共進行10個批次的生產試驗，結果見表3。

表3 全糙米生產酒精發酵結果Table 3 Results of ethanol fermentation with brown rice

本次試驗中取消了原有的糖化過程，采用同步糖化工藝緩慢釋放還原糖，使還原糖產生速率與酵母代謝速率盡可能匹配，避免底物抑制以及前期發酵過于劇烈，熱量集中釋放加速酵母衰老、死亡等問題，為實現濃醪發酵創造條件。

在酒精生產過程中，成熟醪殘總糖是衡量酒精液糖化、發酵完全程度的重要指標之一[34]，其中殘淀粉代表著液化是否完全，殘還原糖表示發酵的水平優劣，總酸代表染菌程度。隨著發酵過程的進行，糖分含量不斷下降，在發酵結束后殘余的糖分越少，說明發酵效果越好，意味著淀粉出酒率越高。由表3可知，整體發酵水平較為穩定，平均殘總糖含量為1.29%，最低殘總糖1.08%；平均還原糖含量0.22%、殘淀粉含量0.39%、殘糊精含量0.57%、酸度8.47 °T、揮發酸0.35 g/L，達到了濃醪發酵生產酒精的指標要求。

3 經濟效益分析

對全糙米生產燃料乙醇的能耗成本進行分析。裝置設計之初產能為30萬t/年，成熟醪酒份為13.5%vol。而實際生產成熟醪酒份提至15.36%vol后，結合中水回用，噸酒蒸汽消耗降低約300 kg，水耗降低約3 t，產能增加約2萬t/年。按照公用工程消耗成本降低估算，噸酒降低成本約40元，結合產能增加帶來的效益按噸酒利潤500元估算，僅此兩項預計可為企業增效超過2 000萬元/年。

4 結論

使用全糙米進行半連續小試發酵制備乙醇的研究，經過中糧安徽沫河口分廠30萬t/年裝置工業試驗證實，全糙米發酵成熟醪平均酒精度15.36%vol、平均殘總糖1.25%，殘還原糖0.21%，實現了半連續工藝的濃醪發酵。與裝置設計值相比，成熟醪酒份提高1.8%，水耗與汽消耗顯著降低，噸乙醇成本降低約40元，裝置產能增加約2萬t，預計每年可為企業增效超過2 000萬元，值得在行業進行推廣應用。