关于玉米原料超高浓度酒精发酵探讨刘新颖

刘新颖

摘要：从现阶段发展而言，玉米原料化工方面的研究相对较少，因此在玉米生产酒精的传统工艺中出现了诸多问题，在工业转化过程中，缺乏相应的成熟技术支持。为此，必须采取一些有效措施进行改进，提升酒精发酵的效果。

关键词：玉米原料；超高浓度；酒精发酵

由于石油危机而造成的国家能源安全、农民收入和环境等问题而使得生物酒精的生产日益受到重视，近几年发展较快，中国已成为世界上第三大生物酒精生产国。现在工业上的生物酒精绝大部分属第一代燃料乙醇，即用淀粉质原料来生产川。据酿酒协会酒精分会的统计，2004年我国酒精生产玉米原料占50.3％，经过近几年的发展，玉米现在已经占到65％。适度发展玉米燃料乙醇有益于粮食供需平衡，依然可以起到玉米供需平衡蓄水池的作用。同时玉米也是深加工链条最长、产品系列最丰富的粮食品种，因此相对于其他淀粉质原料，玉米酒精发酵的研究意义更大。

高浓度酒精发酵工艺具有高发酵率、高转化率、低残糖和节约能源等特点，可大幅度增加产量，显著提高经济效益。据相关公司的生产实践表明，按年产6万t酒精计算，实施浓醪发酵后年节约一次水12万t，吨酒精节电62.5°，吨酒精节约煤160kg，年节约资金675万元，减排废水15万t因此，酒精浓醪发酵是发酵酒精工艺的重大技术进步，已经成为酒精行业清洁生产重点推广的技术之一。

中国开展生料酿酒研究始于20世纪70年代。以节能、减排、高出酒率、高浓度发酵为特点的无蒸煮生料发酵工艺是燃料乙醇生产技术的未来发展方向。近期的研究增多，商业化过程进展也加快。但相对而言，生料超高浓度酒精发酵的研究并不多。若采取传统的蒸煮工艺进行超高浓度酒精发酵，由于黏度问题，在配料浓度很高的情况下，会造成液化非常不彻底，并且浓醪的换热和输送在工厂会变得异常困难，同时也影响发酵体系的传质，而使过程效率降低；即便不考虑黏度问题，在这种条件下往往需要特别的耐高糖度、耐高酒度的酵母。生料工艺除了可以节约能量外，由于整个系统中温度远远低于淀粉的糊化温度，没有剧烈的反应，体系黏度比传统过程低得多一，因此可以大幅提高发酵浓度而不必过分担心黏度问题。同时由于生料过程中，葡萄糖是逐步缓慢释放的，因此可以进行浓醪发酵而减轻高初糖浓度和高渗透压对酵母的生长抑制。

相关研究表明，传统的浓醪发酵温度对酵母的生长和发酵效率非常重要，采用温度梯度培养方式进行的砑究近期有所报道’，而针对玉米生料浓醪发酵过程中温度影响的研究尚未见报道，对酵母在不同工艺中的数量和形态的研究也未见报道。本文以玉米为原料，对不同过程的黏度变化与酵母情况进行考察，同时研究不同温度控制方式对玉米超高浓度酒精发酵的影响。

1玉米原料超高浓度酒精发酵的历史

近些年来，全世界的石油危机问题变得越来越严重，从而给我国的能源安全带来了一定程度的影响，依赖石油进行的化工工业发展受到一定的限制，随之而来影响高浓度酒精的生产率。目前，我国整体经济增长的速度非常高，已经成为了全世界第三大酒精生产国家。目前来看，生物酒精的主要材料则是燃料乙醇，也就是说能够直接使用淀粉质原料完成生产工作。根据相关资料的统计可以得知，早在21世纪初期，我国的酒精生产，玉米原料便已经达到了50.4%。在经过了十多年的发展之后，当前玉米作为化工原料的实际占有率已经达到了66%。由于相应机械设备的革新和技术的提升，对于我国粮食的供需平衡带来诸多帮助，不仅如此，玉米是工厂中整个深加工链最常用的一类食品，因此其研究工作便变得更为重要。

高浓度酒精的发酵率非常高，并且实际残糖量也很低，因此适合大面积生产。根据我国某企业的实践可以发现，如果按照酒精年产量为6t进行计算，在采用浓醪发酵之后，节水约12万t，整体资金成本节约680万元。伴随技术的发展，其已经成为了酒精行业的重点发展技术。我国对于生料酿酒工艺的研究起步于20世纪70年代，其主要研究方向则是节约能源、减少排放、提高出酒率以及高浓度发酵。近些年相关研究变得越来越多，从而使得商业化进展得到了提速。

2传统工艺和生料工艺的差别

2.1传统工艺

以前，工作人员普遍采用蒸煮的方式，以此对超高浓度的酒精进行发酵。由于具有黏度方面的问题，因此如果配料的浓度超过了预期，很容易造成液化不够彻底的情况发生。不仅如此，浓醪本身的换热和输送难度都将得到提高，同时对于整个体系中的传质也会带来一定程度的影响，进而降低整个操作的效率。即使不将黏度方面的问题考虑进来，基于这一条件，实际工作中必须确保酵母本身具有较强的耐高糖度以及耐高酒度。

2.2生料工艺

采用生料工艺的方式，不但能够有效减少能量的投入，而且由于整个系统中的实际温度远低于淀粉本身的糊化温度，内部没有任何剧烈的反应出现，从而使得整个体系黏度得到了大幅度降低。除此之外，由于在采用生料工艺的时候，内部葡萄糖的释放非常缓慢，所以在进行浓醪发酵的过程中，对酵母本身的生长带来一定程度的抑制。

从部分研究资料中能够了解，早期的浓醪发酵对于温度条件有着较高的要求，其直接影响着酵母的生长和发酵效率。因此通常都会采取温度梯度培养的方式，而在采用生料工艺的时候，便不需要考虑这方面因素。由此可以看出，温度控制是一项非常重要的方式。究其原因是生料主要采用的是无蒸煮工艺，因此内部葡萄糖释放的速度非常慢，从而造成体系内部的渗透压相对较低。此时采取合适的静止方式，可以使得酵母细胞本身能够维持足够的活力，进而使得酵母生产乙醇的能力大幅度提升，并且还能具有较强的酒精耐受性。一般情况下，在100h之内，生料工艺发酵而出的乙醇，其体积分数将会超过25%。

3生料酒精产量较高的主要原因

通过相关研究可以得知，玉米内部游离糖的实际含量一般都在1.0%~3.0%，如果仍然采用早期的操作模式，这些游离糖中的一大部分会与蛋白之间产生化学副反应，亦或者基于高温条件，从而出现了其他不同程度的变化，转变为不可发酵性糖。而在采用了生料之后，正常操作过程不再会有高温出现，这些糖便不会产生反应，进而能够投入使用之中。不仅如此，由于生料工艺本身并不会有任何可溶性干物质，整个体系内部的渗透压通常都比较低，因此在实际发酵的过程中，其中的副产物会有一定程度的减少，诸如甘油和有机酸。如此一来，内部的葡萄糖基本上全部都能够转变为酒精。在采取生料的方式时，由于整个操作过程中的酵母数量相对偏少，尤其是低于传统操作中阐述的数量。由此可以判断能够合成酵母的葡萄糖数量少于传统过程中，进而使得更多的糖能够转化为酒精。

结语

综上所述，传统酒精发酵工艺存在诸多缺陷，诸如黏度过高以及对于高耐久度酵母过于依赖的问题。而在应用生料工艺之后，这方面问题便能够得到有效处理，进而提升生产效果。

参考文献

[1]佚名.一种超高浓度乙醇发酵过程酵母回收技术[J].2015.

[2]佚名.一种以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术[J].2015.

[3]超高浓度酒精连续发酵过程中振荡行为的模拟及弱化机理的研究[D].大连理工大学,2006.