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生料乙醇發酵試驗


摘要: 以整粒生大米為原料,直接加水,接入酒曲,在自然 pH 條件下,通過對發酵過程中 pH、發酵溫度、醪液中還原糖含量、酒精度的變化情況的觀察、分析、化驗,探討生料乙醇發酵工藝的可行性。實驗表明:以整粒生大米為原料,接入以純種根黴、酵母培養的酒曲,可以生料大米乙醇發酵的安全進行。此工藝具有工序簡單,操作簡易,設備少,節約能源,出酒率高,顯著降低產品成本的優點。發酵的工藝條件為:自然 pH、料水質量比 1∶2.5、接種溫度 35 ℃~36 ℃、接種量為原料質量的 1%左右 (本試驗所用酒曲)、發酵周期13 d~14 d。
燃料乙醇作為可替代日益減少的石油資源的可再生的、環保的生物能源,越來越受到世界各國的重視,尤其在發達國家,起步更早。作為替代產品,其能夠被廣泛應用的前提是性能優於或接近被替代產品,成本低於被替代產品,原料來源充足,經濟環保。因此,燃料乙醇作為不可再生的石油的替代品,在當前就成為首選。
在傳統的乙醇發酵中,作為終端產品的乙醇,是靠消耗大量的能源為代價獲得的,能源利用率低,而且對環境造成汙染。在高溫蒸煮、降溫糖化、發酵的過程中即消耗了生產總耗能的 35%~40%。為發酵生產的順利、安全進行所采取的這些必要措施,導致了產品成本居高不下,從而限製了乙醇作為燃料的推廣應用。
降低產品的成本,主要通過采用新原料、研製新設備、開發新工藝的途徑,從目前的現狀來看,進行新工藝的探索是具潛力的。
生料乙醇發酵,不僅可以減少工序,節省設備,而且可以顯著節省原料粉碎、蒸煮殺菌等工序的能源消耗,大大降低產品成本。
www.青春草以大米為原料,接入以純種根黴、酵母培養的酒曲,對生料乙醇發酵工藝的可行性進行了探討性的試驗,同時以相同條件下的熟料發酵做對比。

1 試驗目的
a) 通過對生料、熟料發酵過程中酸度、溫度、發酵醪中的糖分、酒精等各指標的觀察分析,驗證生料乙醇發酵工藝的可行性。
b )通過對不同加曲量、不同環境溫度、不同接種溫度發酵情況的對比,確定適宜的工藝條件。

2 實驗器材
3 L 三角瓶、恒溫箱、蒸餾裝置。

3 原 料
大米:黑龍江建三盛達精米加工廠生產,水分13.2 g/100g、澱粉 71 g/100g;生料高產曲:湖南永州產;自來水:PH=7。

4 試驗步驟
4.1 輪實驗
a) 分別稱取 1 000 g 大米兩份,直接放入兩個3 L 三角瓶內,按原料質量的 2.5 倍加水,調節品溫至 36 ℃,加入原料質量 0.7%的酒曲,攪拌均勻,密封放置於 33℃恒溫箱中。
b) 分別稱取 1 000 g 大米兩份,浸泡蒸熟。將蒸熟的大米攤晾打散降溫,要求鬆散無飯團。分別放入兩個三角瓶,按原料質量的 1.5 倍加水,在品溫36 ℃條件下加入原料質量 0.5%的酒曲,攪拌均勻,密封放置於 33℃恒溫箱中。
c) 發酵 2 d 後,每隔 2 d 攪拌一次,觀察記錄發酵醪的溫度、pH。
d) 自第二次攪拌開始,分別取生料、熟料發酵醪各一個做樣品,化驗分析酒精度、糖度變化情況。
4.2 第二輪實驗
a) 操作步驟同輪實驗。
b) 加曲量均增至 1%,加曲溫度降至 35 ℃。
c) 恒溫箱溫度調至 30 ℃。

5 試驗結果
5.1 輪實驗
5.1.1 生料組
出酒折體積濃度 96%的酒精為 340 g。
原料出酒率 = 出酒質量÷原料質量×=340/1 000×=34.0%。
澱粉利用率 =34.0%÷ (71%×60.54%) ×=79.1%,
式中:71%———大米的澱粉含量質量分數;60.54%———100 單位澱粉理論出酒率 (折體積濃度 96%酒精),下同。
5.1.2 熟料組
出酒折體積濃度 96%酒精為 383.7 g。
原料出酒率 =388.7/1 000×=38.37%。
澱粉利用率 =38.37%÷(71%×60.54%)×=89.3%。
5.2 第二輪實驗
5.2.1 生料組
出酒折體積濃度 96%酒精為 381.7 g。
原料出酒率 =381.7/1 000×=38.17%。
澱粉利用率 =38.17%÷(71%×60.54%)×=88.8%。
殘渣收得率 = 烘幹後的殘渣質量÷原料質量×=37.8/1 000×=3.78%
5.2.2 熟料組
出酒折體積濃度 96%酒精為 390.6 g。
原料出酒率 =396.6/1 000×=39.06%。
澱粉利用率 =39.06%÷(71%×60.54%)×=90.9%。
殘渣收得率 =24.6/1 000×=2.46%。

6 試驗分析
a) 通過兩輪實驗結果看,發酵醪的 pH值經過3 d~4 d 的發酵後,無論是生料還是熟料,從起始pH7 下降到 pH5,然後維持在 pH5 的水平,在這階段,從發酵的表麵觀察正是發酵旺盛期。在這個pH值水平上,正是根黴糖化、酵母發酵比較適宜的酸度環境。從 pH值的變化情況可以分析得出:在發酵的過程中沒有染菌的現象,發酵是安全的。
b) 在發酵的主酵期,發酵醪中的還原糖水平基本維持在一個較低的、穩定的水平,這是由雙邊發酵工藝的機理決定的。在邊糖化邊發酵的工藝條件下,開始就處於絕對優勢的根黴菌,均勻的層層作用於原料,這就為同時占據絕對優勢地位的酵母充分利用創造了便利的自然條件,使雜菌沒有機會繁殖。當根黴菌與酵母繁殖到一定的數量,發酵達到平衡狀態,在這樣一個平緩的、持續的平衡狀態下,根黴菌分解澱粉得到的糖分被酵母菌迅速充分的利用,從而不會造成發酵醪中還原糖的積累,因此,發酵醪中的還原糖含量比較低而且穩定。從化驗結果看,在生料、熟料發酵中,還原糖的水平均維持在 1 g/100mL 左右。在這樣一個低水平下,不會造成發酵過猛的現象,發酵所處的環境有利於酵母保持旺盛的活力,雜菌也沒有機會繁殖。同時隨著發酵過程的進行不斷積累的乙醇也抑製了雜菌的繁殖。在這種發酵機理作用下,生料乙醇發酵的原料雖然沒有經過高溫殺菌,也沒有通過其他措施控製雜菌,卻沒有出現雜菌汙染,並能使發酵安全、進行,說明雙邊發酵的工藝具有自身免疫的優勢,從上麵的分析也可以說明這一點。
c) 為有利於酒曲菌種的迅速複活,發酵的啟動,把接種溫度設計在 35℃ ~36 ℃,可以避免為原料本身所帶的雜菌創造適宜的繁殖環境 (雜菌繁殖的適宜溫度為 37℃~50 ℃)。在雙邊發酵的機理下,發酵醪中的還原糖不會大量積累,進而出現發酵過猛、品溫過高的現象,從發酵品溫的觀察記錄印證了邊糖化邊發酵工藝所具有的這種優點。

7 試驗結論
a) 以整粒大米為原料,接種以純根黴、酵母培養而成的酒曲,進行生料乙醇發酵,可以安全順利進行。
b) 發酵的適宜工藝條件:自然 pH環境,料水質量比為 1∶2.5,接種溫度 35 ℃~36 ℃,接種量為原料質量的 1%左右,發酵周期 13 d~14 d。
c) 此工藝的優點:①工序簡單。用大米或與大米差不多粒徑的原料,可以省去了粉碎、蒸煮、糖化等工序。②設備少,減少了投資和占地。由於工序的簡化,省去了蒸煮、糖化設備,減少了這部分設備的投資及占地。③節約能源。節約了粉碎、蒸煮、糖化等所消耗的水、電、汽 (其占總能耗的35%~40%),節能效果顯著,可大大降低產品成本。④出酒率高,澱粉利用率高。原料出酒率可達 39%,澱粉利用率可達 90%。⑤人員減少,節省開支。工序的簡化,帶來的是操作人員的減少,費用的降低。

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