高濃度乙醇發酵技術分析

陳 思

(廣西中糧生物質能源有限公司 廣西 北海 536000)

0 引言

國家對節能環保、生態建設工作的重視程度不斷提高,隨著能源結構的優化升級,高濃度乙醇得到了極大的重視,通過對其技術工藝的分析,可以有效降低生產生本,讓產業得到健康發展,促進產業可持續發展。高濃度乙醇生產技術作為目前最具潛力的生產技術之一,但相應的生產工藝技術還需要得到進一步優化。

1 高濃度乙醇發酵技術概述

近幾年來,國家對生態環境保護工作的重視程度不斷提高,對工業行業提出了全新的發展要求,實現綠色化、生態化的工藝技術是化工行業的重點戰略目標。乙醇發酵在諸多行業內都發揮著至關重要的作用,但傳統的發酵技術成本高、產量低,還會產生大量的污水,嚴重影響了工業乙醇的發展進步。在新常態下,乙醇發酵工作還需要得到進一步優化,降低成本、提高產量都是現階段的主要任務,在此背景下,高濃度乙醇發酵技術被提出。根據行業經驗來看,高濃度乙醇發酵技術利用純天然的谷物為原料,讓可溶性物質的比例達到20%以上。但在發展初期高濃度乙醇發酵技術面臨諸多困境,并沒有得到大規模的推廣應用。隨著工藝技術水平的提高,機械設備利用率增強,高濃度乙醇生產技術的產出量增加,工廠效率也得到了根本上的改善,能實現批量化、規?；?、工業化生產。從現行的高濃度乙醇發酵技術來看,發酵時間大幅度縮短,材料利用率得到提高,酒精濃度也隨之增加。在此基礎上,結合具體的數據來看,高濃度乙醇發酵技術中發酵乙醇濃度從12%提高到16%,發酵時間控制在50h以內。傳統乙醇發酵技術酒精濃度在12%vol-13%vol,但高濃度乙醇發酵技術生產出來的酒精濃度可達到18%vol。傳統乙醇發酵技術需要承擔較高的酒糟成本,生產過程中設備能耗較大。以某企業為例,在沒有進行乙醇發酵技術更新優化前,每生產一噸乙醇,耗電量達到89kWh,蒸汽消耗量3t,水的消耗量為1t。但在高濃度乙醇發酵技術落實后,不僅乙醇濃度增加,蒸汽消耗量也隨之降低,每噸乙醇都可以節約蒸氣150kg。

2 高濃度乙醇發酵技術運用

由上可知,高濃度乙醇發酵技術符合當前國際社會對生態環境建設的要求,對乙醇生產企業轉型升級發展具有促進性作用,因此,加強對高濃度乙醇發酵工作的研究分析,是現階段工業領域的重點內容。在這一工藝技術手段的加持下,企業能夠新常態背景下得到可持續發展,擁有良好的市場競爭實力。從整體上看,高濃度乙醇發酵工藝成本較低、工作效率較高,而且隨著研究工作的深入,技術理論也會隨之豐富,相應的技術手段也會進一步的落實,乙醇發酵工作將會邁入新的發展階段。從過往的發酵工藝內容可知,30°是最為常見的酒精發酵溫度,低于這一發酵溫度僅能夠實現三分之一的完全發酵,產生超過四分之一的乙醇。在這個過程中,還需要對發酵液進行控制、處理,從而確保發酵狀態最大化,讓發酵質量得到根本上的提高,切實提高酒精發酵速度,保證酵母存活率。在高濃度乙醇發酵工藝技術發展過程中,涉及諸多要素,通過調整這些要素內容,可以讓這一工藝技術得到更好的發展,讓高濃度乙醇發酵工作實現工業化、智能化,為后續的發展工作奠定良好的基礎。以水稻為原料的高濃度乙醇發酵工作為例,在開展發酵工藝的過程中,需要對原料進行系統的監測,明確不同比例下發酵工藝的開展效果,確保發酵工作順利進行,落實相應工藝操作要點。企業在應用高濃度乙醇發酵的過程中,想要切實提高生產效率,就必須要提前制定相應的預案,重點關注生產參數,保證生產效果。

3 高濃度乙醇發酵技術分析

由上可知,高濃度乙醇通過提高干物質濃度的方式提高發酵成熟醪中乙醇的濃度,這種發酵工藝成本低、產出高,也符合生態環保建設體系的實際需求,可以說是目前最具有發展前景、發展潛力的技術手段。但隨著干物質的提高,發酵速率也會隨之下降,極容易出現發酵不完全的情況,需要強化低黏度糖化醪液的制備工藝,以保證技術工藝的穩定落實[1]。

3.1 高濃度乙醇發酵工藝原料分析

本文研究的高濃度乙醇發酵技術,以水稻為原料,想要在升高干物質含量的同時,保證酵母的活性,提高發酵效率,還需要強化其他方面的技術手段,從而讓發酵工藝得到更好地控制和優化。在高濃度乙醇發酵過程中,在不改變發酵罐體積的情況下,隨著酒精濃度的提高,酒精產量也會隨之增加,高濃度乙醇發酵工藝由此發展而來,傳統乙醇發酵模式中,水稻干物質在26%-29%左右,但在高濃度乙醇發酵工藝中,水稻的含量至少要在33%。尤其是在發酵工藝不斷發展的過程中,水稻的干物質還會不斷提高,想要讓高濃度乙醇工藝得到進一步發展,就要明確具體的調漿比例,以此確保工藝技術的穩定落實。表1 為不同酒精濃度下水和干物質之間的調漿比例,從表中的數據能夠明顯看出,隨著酒精濃度的提高,水和干物質的配比無限接近1:1。也就是說,想要得到高濃度乙醇,還需要不斷提高水和干物質之間的調漿比例,但底物濃度的提高,也會給具體的酒精發酵造成負面影響[2]。

表1 不同酒精濃度下水和干物質之間的調漿比例

乙醇發酵本身較為復雜,尤其是高濃度乙醇工藝,較高的酒精濃度和初始糖濃度嚴重抑制酵母作用。在進行高濃度乙醇發酵過程中,以水稻為原料,還會根據實際情況科學加入氮源、營養鹽等物質,如果氮源等添加導致發酵周期延長,對酵母菌產生一定的負面影響。所以想要讓高濃度乙醇發酵工藝得到更好地落實,就要保證營養鹽的供應。而最為嚴重的是高濃度酒精,如果酒精含量超過23%vol,那么酵母菌細胞可能會直接死亡,高濃度酒精對細胞的形態和生理活性產生著嚴重的負面影響。

3.2 高濃度乙醇發酵工藝優化分析

3.2.1 營養物優化手段

目前高濃度乙醇發酵過程中常見的控制和優化手段,包括:通氣、添加氮源、培養基優化、發酵工藝控制與優化等。一定溶氧供應可以幫助酵母更好地應對高濃度酒精帶來的負面影響,讓酵母細胞和乙醇代謝得到全面落實。因此,在高濃度乙醇發酵過程中可以進行定期微量的通風,一般認為微量氧(6.67—14.7Pa的氧分壓),可提高酵母本身的活性,強化耐受性和存活率,從實際數據來看,在定期微量溶解氧狀態下酵母細胞密度和發酵效率得到了明顯提高,不僅如此,在此狀態下高濃度乙醇發酵成熟醪中的副產物濃度也隨之降低整體生產質量得到有效提高。氮源在高濃度乙醇發酵中發揮著至關重要的作用,是必不可少的營養物質,其可以提高酵母菌健康程度,但需要注意的是氮源的加入時機非常關鍵,想要其更好作用于酵母,促進酵母生長繁殖,就要科學地選擇氮源。目前酸性蛋白酶、硫酸銨、尿素是較為常見的氮源,但根據具體的高濃度乙醇應用需求進行分析,從成本層面考慮尿素更加合理,而且尿素可以讓發酵醪液中的甘油和乙酸濃度進一步降低[3]。比如:肌醇也是一種營養物質,其可以有效提高酵母耐酒精能力,表2為肌醇濃度對酒精產量的影響。

表2 肌醇濃度對酒精產量的影響

3.2.2 細節參數優化手段

除了上述幾個方面之外,加強對高濃度乙醇發酵參數的控制,也能夠讓發酵工作更加順利地進行,主要的控制參數包括溫度和pH 值。根據相關試驗數據來看,隨著溫度在一定范圍內的升高,酵母細胞活性增強,發酵成熟醪中的乙醇含量也會隨之提高。從具體的實驗分析數據來看,以水稻為原料的高濃度乙醇發酵工作中,如果采用梯度降溫控制手段,發酵醪液中的乙醇濃度能夠保持在16.24%vol。pH值的控制可以通過硫酸進行,另外在發酵過程中,還需要采取動態監控手段,保證硫酸添加合理。通過這種方式讓發酵液中的pH 值始終在4.2 左右,根據具體的數據顯示,在以水稻為原料的高濃度乙醇發酵工作中,這種控制手段可將發酵醪液中的乙醇濃度提高到16.40%vol。根據國內外的研究資料顯示,還可以在發酵過程中添加其他營養物質,這些都能夠進一步提高乙醇濃度,以此更好地實現高濃度乙醇發酵工藝。以水稻為原料的高濃度乙醇發酵工作中,如果將乙醛作為直接前體,展開酵母乙醇發酵,那么乙醛將會成為酵母代謝的一個節點,最終得到的乙醇濃度提高到17%vol[4]。

3.3 其他工藝落實分析

除了上述內容之外,想要實現高濃度乙醇發酵還可以采用同步糖化發酵工藝或者批量添加強制循環生料酒精發酵工藝,又或者利用固定化酵母技術進行發酵,最終濃度還可以提高。從整體上看,高濃度乙醇發酵技術有效解決了傳統乙醇發酵工作中存在的問題,但在實際應用過程中還存在諸多問題,需要工作人員根據具體乙醇發酵原料、手段展開綜合性分析,切實明確高濃度乙醇發酵過程中存在的影響因素,選擇科學的處理手段和改進措施,切實提高發酵技術水平,實現工業化發展?，F如今,高濃度乙醇發酵工作中急需要解決的問題主要表現在:高黏度物料的輸送、副產甘油、液化和糊化不徹底、不均勻、總糖殘高等方面,但無論如何,酵母都是最為關鍵的部分,必須要提高重視,采取科學的手段更好地服務于乙醇的工業化發展。在改進工藝的同時,還可以通過改進設備的方式,來進一步強化發酵工藝的整體質量,從而更好地提高酒精產量。如:通風設備、機械攪拌裝置等,從而有效降低抑制作用。近年來,還推出了產品耦合工藝,通過真空發酵法、膜分離發酵法、萃取發酵法等方式,來降低酒精的抑制作用,切實提高發酵速度和發酵強度,這也是當前生物工程領域中最為主要的課題。以某企業為例,其采用的無糖化工藝,以水稻為原料展開高濃度乙醇發酵工作,讓酒精生產進入了濃醪發酵模式,產量大幅度增加,根據不完全統計產量至多增加了9669.6t,經濟效益大幅度提高。

3.4 酵母元素改造分析

在高濃度乙醇發酵過程中,酵母改造工作也十分重要,具體表現為酒精濃度增加,但在這個過程中對酵母的影響也隨之加大,上述都是通過改變其他條件來保證酵母本身的活性。未來,可以通過改造酵母的方式,確保高濃度乙醇發酵工作順利落實,從現有的研究結果來看,以東北椴樹蜜為原料,可以得到釀酒酵母,酒精產量較高、發酵速度較快,還可以從白酒窖池中的酒糟中提取酵母菌株。目前大部分酵母都是利用紫外線照射的方式展開處理,這是誘變育種中最為基礎的手段,在此基礎上通過雜交處理培養出的酵母菌在實際發酵中也表現出了良好的性能。總的來看,采用固定化的酵母可讓酒精產率得到提高,而且酵母本身的耐滲透壓也得到提高,最終的酒精濃度能夠達到相應的需求,經濟效益也得到提高。

4 總結

綜上所述,在以水稻為原料的高濃度乙醇發酵工作中,需要對其中諸多要素展開實驗分析,找到最優生產參數工藝,從而進一步落實控制質量,確保高濃度乙醇生產工作得到順利進行。不僅如此,未來還需要根據不同質量、不同種類水稻進行試驗,以此進一步降低生產成本、切實提高生產效率。