甜高粱固态发酵生产..

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1、甜高粱固态发酵生产燃料乙醇一、甜高粱固态发酵生产燃料乙醇简介随着经济快速增加，能源需求量不断增大，我国已成为世界第二大石油入口 国，石油入口依存度接近 50%，进展生物能源已成为关系国家能源战略平安的大 事。依照国家“可再生能源十一五计划”到2020年将增加非粮原料燃料乙醇 年利用量200万吨，鼓舞以甜高粱茎杆和薯类作物等非粮生物质为原料的燃料乙 醇生产。甜高粱生长迅速、糖分积存快，茎杆中的糖分通过简单发酵就生成燃料 乙醇，而且甜高粱具有抗旱、耐涝、耐盐碱，对土壤肥料要求不高，可利用低质 土地种植，不挤占耕地，适合我国人均耕地面积少的国情，因此甜高粱乙醇被以 为是在我国进展燃料乙醇的最正确选择

2、。甜高粱乙醇存在着产率低和季节性强的问题，每生产 1 吨燃料乙醇需要 1618 吨甜高粱茎杆，同时产生与原料相同重量的固体废渣，而且甜高粱季节性 强需要在短时刻内集中收成，这致使甜高粱乙醇的运输和贮存本钱很高，而且甜 高粱种植半径随着生产规模的扩大而增大，运输本钱将成倍增加，因此甜高粱乙 醇不适于工业化大规模生产。中粮和BP公司曾经联合在河南和山东等地开展甜 高粱乙醇试点项目，最终确实是由于甜高粱运输和贮存本钱太高，不适于工业化 大规模生产而舍弃。化整为零分散式和土地轮作的生产方式是甜高粱乙醇运输和贮存本钱高的 有效解决途径。万亩种植面积或村镇为单位，分散成立年产量千吨级的工厂，所 产生的固体

3、废料作为饲料当场直接销售，减少周转环节降低运输本钱；增加土地 轮种次数能够减少工厂与种植基地的运输距离，还能够保障工厂长时刻原料供 给，减少原料贮存本钱。甜高粱适应性很强在南北方都可种植，可是在不同地域甜高粱可轮作的次数 不同。东北地域每一年可种植一季甜高粱，华北地域每一年可种植一季半，南方 地域每一年可种植两到三季。南方地域更适于甜高粱轮作的生产方式。可是，南 方甜高粱乙醇的生产模式目前未见报导，有待于开展系统性的研究。甜高粱乙醇分散式生产方式由多个千吨级的工厂组成，由于每一个工厂的生 产规模小，这就要求设备工艺简单，易操作保护；环境污染少，无需污染物处置 设备。与液态发酵相较，固态发酵具有

4、设备工艺简单，投资本钱少，易于操作保 护，在小体积下有更好的经济性；基质水分含量低，发酵废渣经干燥就可做成饲 料，无废水和废物排放，真正做到清洁生产。固态发酵更符合分散式生产方式的 要求。固态发酵生产燃料乙醇还存在一系列问题有待解决，传统固态发酵技术为开 放式体系易染杂菌，发酵条件难以精准操纵，底物转化率低，产物生成速度慢， 机械化和自动化程度低，要紧依托体会操作，劳动强度大。最近几年来，随着人 们对固态发酵熟悉的不断深切，理论体系的不断完善，开发出一系列新工艺和新 型生物反映器及设备，在必然程度上克服了传统固态发酵的缺点，提高了固态发 酵的生产效率。这些理论和工程技术的研究功效在甜高粱固态发

5、酵生产燃料乙醇 领域的应用，必然将加速甜高粱乙醇产业的形成和进展，增进我国能源结构的优 化。二、甜高粱乙醇固态发酵工艺2-一、固态发酵概述固态发酵是指在不含或几乎不含自由水的湿的固体物料中培育微生物的进 程，基质水活度低是固态发酵最显著的特点。发酵环境类似于自然环境，固态底 物不仅起到一个提供碳源、氮源、水分、无机物和其它营养物的作用，也为微生 物的生长提供了一个固定的位置，适于真菌生长。发酵体系多为稳固的复合菌群， 代谢产物途径多样，形成复杂的代谢网络，不但提高基质降解和产物生成速度， 还能够产生风味物质和香气物质等特殊产物。固态发酵原料来源普遍，本钱低廉，多为廉价的天然基质或工业生产的下脚

6、 料。设备投入少，易于操作和保护。节约能源，动力本钱低。基质水分含量低， 产物浓度高，下游加工的本钱低。无废渣和废水产生，易实现清洁生产。已被普 遍应用于在酿酒、食物、农业、医药和环保等行业，用于生产酶制剂、单细胞蛋 白、有机酸、酒精和生物杀虫剂和生物能的转化、固态废弃物的处置。固态发酵基质含水量低，传热传质差，造成基质中热量和物质散布不均匀。 通过有效的通风调剂、混合和热的移除来操纵温度、水活度、气体的氧浓度等操 作参数，维持基质床层内部的均匀性。固态发酵培育微生物种类多样，包括真菌、 酵母和细菌，各类微生物对温度、湿度、供氧、搅拌、无菌操纵等条件的要求不 一。为知足不同微生物生长和产物形成

7、的要求，与液态发酵反映器相较，固态发 酵反映器结构更为多样。依照基质运动状态，固态发酵反映器能够分为静态固态 发酵反映器和动态固态发酵反映器。在静态固态发酵反映器中，物料在发酵进程 中处于静止状态，设备具有结构简单、放大问题小、操作能耗低等优势。可是由 于物料处于静止状态，传热与传质即热量和氧气传递困难，致使基质内部温度、 湿度不均，菌体生长状态不均匀，在发酵进程中通常需要人工间歇翻动物料。静 态固态发酵反映器要紧包括塔柱式、浅盘式和强制通风物料静态反映器等。在动 态固态发酵反映器中，物料处于间歇或持续的运动状态，有利于传热和传质，设 备结构紧凑，自动化程度相对较高。但机械部件多，结构复杂，灭

8、菌消毒比较困 难，固态物料的搅拌能耗过大，设备的放大较困难。动态固态发酵反映器要紧包 括转鼓式反映器、旋转圆盘式反映器、固态搅拌反映器、流化床反映器和塔式反 映器。2-二、白酒固态发酵工艺 我国白酒采纳固态酒醅发酵和固态蒸馏传统操作，是世界上独特的酿酒工 艺。乙醇固态发酵工艺是在白酒固态发酵工艺的基础上改造而来，至今仍有许多 地址将闲置的白酒厂经适当的技术改造，用于甜高粱乙醇的生产。对白酒固态发 酵工艺的了解有助于加深乙醇发酵进程中关键问题的明白得。固态发酵法白酒生产特点之一，是采纳比较低的温度，让糖化作用和发酵作 用同时进行，即采纳边糖化边发酵的同步糖化工艺。糖化进行缓慢，但如此便于 操纵。

9、因起始时期发酵缓慢，窖内升温慢，酵母不易衰老，发酵度会高。开始糖 化温度高，那么糖分过量积存，温度又高，杂菌容易繁衍。在边糖化边发酵进程 中，被酵母利用发酵的糖，是在整个进程中慢慢产生和供给的，酵母不致过早地 处于浓厚的代谢产物环境中，故较为健壮。操纵入池温度，能够避免酵母快速衰 老，避免杂菌污染，但也降低了糖转化率低。续渣发酵是白酒固态发酵的另一特点，发酵进程中水分大体上是包括于酿酒 原料的颗粒中。由于高粱、玉米等颗粒组织紧密，糖化较为困难，更由于是采纳 固态发酵，淀粉不容易被充分利用，故蒸酒后的酒醅需再进行继续发酵，以利用 其残余淀粉。常采纳减少一部份酒糟，增加一部份新料，配醅继续发酵，反

10、复多 次，这是我国特有的酒精发酵法。发酵成熟醪中除含有 7%11%的酒精外，还含有大量的水分、醇、醛、酸、 酯类挥发性物质、浸出物、无机盐、酵母泥和其他不挥发性物质和夹杂物。要取 得高浓度和高纯度的酒精就需要用酒甑蒸馏和精馏，把酒精从成熟醪中分离出 来。2-3、甜高粱乙醇固态发酵的研究现状我国人均耕地面积少，人均粮食产量低的国情决定的，不适于发酵粮食乙醇。甜高粱散布广，从海南岛到黑龙江，凡10oC以上的积温达26004100oC的地域 都可种植。甜高粱适应能力强，具有抗旱、耐涝、耐盐碱的特性，能适应的土 壤，能够利用低产、荒芜的盐碱地和其他荒地。我国仅盐碱地就有1067 万公顷。 茎秆富含糖份

11、，糖汁含量高达 50%70%，锤度 12%22%。甜高粱压榨出汁 率%1，要紧糖成份为蔗糖、果糖和葡萄糖，其中蔗糖成份最高占到糖总量 的 %，第二是果糖占%，葡萄糖占%2。利用甜高粱杆发酵制取乙醇，多是采纳榨汁后液态发酵的方式。甜高粱在收 成后的贮存进程中，水分流失比较严峻必需当即集中进行榨汁，存在着额外的运 输费用与榨汁费用。更重要的是液态发酵中废水处置是个大难题，污染比较严峻。 利用甜高粱直接粉碎后进行固态发酵，能够节省榨汁本钱。另外，固态发酵具有 需水量少，发酵残渣少，需要能量少，投资少，运作费用低，空间要求低，产生 废水少等一系列。表 1 不同原料的产量和乙醇产出量比较作物种类作单位面

12、积产量物/thm-2产糖或淀粉含量量/%及乙醇产出率乙/Lt-1醇单位面积乙醇产产量/Lhm2出乙醇产出比量/元t-i 价格/元t-i乙醇生产成本/元t-i玉米稻谷小麦木薯甜高粱能源甘蔗409070697566251441045039015010070209928401658600090004900105019001440380240195424070004700425940004600表2 甜高粱固态发酵生产燃料乙醇的性能指标反应器类型锤度(。)总糖(%)含水量(%)培养温度(C)发酵时间(h)乙醇收率(g/100g 鲜重)参考文献转鼓式1591070-403转鼓式18131468-423发

13、酵池18703032844锥形瓶14762848王祥和锥形瓶-793524宋俊萍锥形瓶-762548薛洁锥形瓶-753740Jianliang锥形瓶-固态基质传热性致使发酵热积存，基质温度迅速上升，酵母失活，发酵提早终止， 乙醇得率下降。传统固态发酵通过将入窖温度降至酵母发酵的最适温度之下，降 低发酵速度，减慢生物热的产率，从而达到操纵发酵温度的目的。该方式以捐躯 发酵速度为代价，这在乙醇发酵工艺中是不可取的，酿酒酵母经选育发酵温度能够提高到40C，并维持较高的乙醇产率。产品化的 安琪耐高温活性干酵母发酵温度可达到42oC，耐乙醇可达17% (v/v)。利用该 酵母发酵含糖28%的甜高粱茎汁实

14、验说明，3538oC发酵4055h，乙醇含量可 达%( v/v) 6。强制通风是固态发酵控温的要紧方式， Sato 等人用淀粉质固体原料进行乙醇发酵，然后用循环惰性气将产生的乙醇移出，发酵效率达80%以上。3、固态发酵新工艺与设备3-一、温度操纵为了克服固态发酵反映器在物料发酵进程中的有效热互换率低，微生物的生 长活性不均一等缺点，在封锁卧式搅拌反映器内加装换热器，通过流体在换热器 中的循环操纵反映器内部的温度。另外，在进料和出料口处加装螺旋浆叶，实现 自动进料和出料。在该反映器中能够完成微生物发酵的所有操作，物料动态混合， 不易板结，物料自动输入输出，反映器内的操作参数能够精准操纵，并提高固

15、态 发酵的产量和质量。在多层盘式发酵罐中加装贯穿各层的冷却管，冷却管为内外衣管，内有循环 的冷却液，冷却管呈三角形排列以更好的吸收热量。该方式在发酵罐内管线布局 简单，且冷却管从发酵罐外部进入时仅需在罐壁一处破口，冷却液泄漏风险降低 3-二、湿度操纵在固态发酵罐两头的中部安装超声雾化器，该超声雾化器具有多个喷雾头， 安装在固态发酵罐的底上。超声雾化器电源通过单片机湿度测量操纵仪与超声雾 化器电源连接。在发酵进程中，依照不同微生物或不同发酵时期对湿度要求，通 过单片机湿度测量操纵仪在线操纵超声雾化器的开启，固态发酵中灵活操纵固态 发酵罐进程中水活度或湿度，能够使整个发酵进程的相对湿度维持在 90%95%， 幸免了传统加水或加湿方式难于做到无菌操作，固体培育基加湿不均匀。 3-3、发酵工艺和设备1. 基于固态发酵料持续分离乙醇与余热利用的方式和系统持续分离乙醇和余热综合利用的一体化方式及系统，基于甜