木薯乙醇清液制备过程中淀粉损失研究

王景胜 ，黄玉涛 ，董青山 ，刘 钺

（河南天冠企业集团有限公司 车用生物燃料技术国家重点实验室，河南 南阳 473000）

木薯乙醇清液制备过程中淀粉损失研究

王景胜 ，黄玉涛 ，董青山 ，刘 钺

（河南天冠企业集团有限公司 车用生物燃料技术国家重点实验室，河南 南阳 473000）

在实验室1 L三角瓶规模小试中，以普通棉纱布为过滤介质，手工压榨制取木薯乙醇清液，洗涤固体滤渣的水用于下批拌料，连续5批次，结果表明制取各清液过程中原料的淀粉损失率为3.91%；在1 m3罐中试试验中，以（LW250×1 100）卧式螺旋卸料沉降离心机制备木薯乙醇清液，结果表明制清液过程中淀粉损失率为5.9%。小试和中试木薯乙醇制取清液过程中淀粉损失率较高，现阶段实际生产中要大规模应用还存在困难。

木薯乙醇；清液发酵；淀粉损失

0 前言

我国是一个能源消耗大国，大力发展以燃料乙醇为代表的生物质能源有助于保障国家的能源安全[1]。近几年来，由于木薯具有淀粉含量高、分布广、不占用耕地、不与人争粮、易运输和储存等优点，作为1.5代燃料乙醇的主要原料来源[2]，逐渐取代了传统的以玉米、小麦等为代表的第一代燃料乙醇[3]。在不降低经济性的前提下追求更高的酒度一直是燃料乙醇行业人员追求的终极目标[4]。木薯燃料乙醇浓醪发酵由于发酵液黏度高，输送、蒸馏成本增加，目前进展甚缓。有学者提出，从“碳循环”的角度来看，采用清液发酵，虽然在制清液过程中会有淀粉损失，但是损失的淀粉是有可能通过更大的收益补偿的，例如料液黏度的降低、输送变得简单、机器设备磨损大大减轻，更高酒度的发酵不但提高了生产效率，蒸馏过程能耗也会降低[5]。此外，制清液过程损失的淀粉随着固渣进入饲料工序，提高了饲料产品的能量，饲料价格有望上调；同时损失的淀粉进入沼气工序，则增加了沼气发酵的C水平，沼气产量也会增加等。因此，从整个循环经济产业链的角度来讲，清液发酵还是有可能实现的，关键是进行清液制取工艺的不断优化和控制淀粉的损失。作者从1 L三角瓶小试出发，利用手工模拟机器压滤的方法核算清液制取过程中的淀粉损失率，并在1 m3实验平台上以卧式螺旋卸料沉降离心机工艺制取清液为例，进一步考察1 m3规模的木薯燃料乙醇清液制取和淀粉损失，为后续研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

木薯粉：取自生产车间（小试用淀粉含量69.57%）；奥谷液化酶（3万U/mL）；普通白棉纱布：市售；硫酸（工业级）；氢氧化钠（工业级）；LW250×1100卧式螺旋卸料沉降离心机：浙江丽水凯达；SGM-1500机械搅拌发酵罐：常州三高；水浴锅；恒温振荡培养箱；电炉等。

1.2 方法

1.2.1 1 L三角瓶小试木薯乙醇清液制备工艺

1 L三角瓶小试木薯乙醇清液制备工艺流程如图1所示。

取3个1 L广口三角瓶，每瓶分别加入150 g木薯粉及390 g自来水，搅拌均匀；用20%稀硫酸调节pH至5.8～6.0；加入稀释100倍后的液化酶1 mL，置于水浴锅中65℃预液化1 h后再86℃液化2 h；液化结束，置于冷水中快速降至常温后补水至原质量，用纱布人工压滤液化醪，得到清液备用。压滤后的固渣用50℃热水分3次清洗，每次热水用量为390 g，洗涤水全部回收用于下批次拌料；重复上面试验步骤，共做5批次，最后一批的洗涤水测定其总糖后，折算为原料（淀粉）从总淀粉中扣除，不计入淀粉损失。

图1 小试木薯清液工艺流程Fig.1 Technical route of the cassava clarifying solution lab test

1.2.2 中试规模（1 m3）木薯乙醇清液制备工艺

（1）拌料：在1 500 L拌料罐中加入300 kg木薯和700 kg自来水，搅拌均匀，调节pH值至5.5～6.0。

（2）液化：添加奥谷液化酶200 mL，搅拌均匀，升温至91℃，保温1.5 h。

（3）初次分离：液化完成后，将液化醪泵入卧式离心机，进行分离，此过程控制物料进入卧螺机的速度、主机转速及辅机转速（转速控制由预备试验确定）；清液备用。

（4）洗涤：分离完成后，将分离出来的固渣称质量并取样，然后将固渣再次加入拌料罐中，加入700 kg自来水，预加热至60℃，开搅拌（100 r/min）进行洗涤，时间 15 min。

（5）二次分离：固渣洗涤完成后，泵入卧式离心机进行二次分离（分离参数和初次分离一致），滤液（洗涤水）储存用于下次拌料用水，滤渣称质量并取样分析。

（6）重复以上各步骤，用二次分离的滤液（洗涤水）代替自来水用于拌料，重复5批次，最后一批次的二次分离的滤液取样化验，折算成淀粉，在计算淀粉损失的时候扣除，不计入淀粉损失。

1.2.3 发酵醪理化性质的测定

淀粉含量测定[6]：廉-爱浓法。

1.2.4 评价核算指标

制清液过程中的淀粉损失率（%）=MLD/MZ，式中：MLD为清洗后的滤渣中的淀粉质量，g；MZ为总淀粉质量，g。

2 结果与讨论

2.1 1 L三角瓶木薯乙醇清液制备试验

在1 L三角瓶小试中，经50℃温水洗涤后的滤渣中不能被回收的残留淀粉即是制备清液过程中的淀粉损失，清液制备过程中各项参数见表1。

表1 1 L三角瓶木薯乙醇清液制备过程参数Table 1 The process parameters of 1 L fermentation test

从表1可以看出，平均每批次手工压滤制取的清液量为1 214.22 g，并且5批次的清液质量都比较接近，差别不大，说明用滤布手工压滤液化醪操作的稳定性较好，担心手工压滤引起较大的试验误差的忧虑可以消除。5批次洗涤水量平均在1 243.34 g，各批次之间相差也很小，5批次滤渣平均淀粉含量为5.14%，平均水分含量为76.07%，水分含量较高。按照评价指标中的公式，根据表1中的数据可以计算出在1 L三角瓶小试5批次试验中，制备各清液工序中淀粉的损失率为：61.16÷（150×3×5×69.57%）×100%=3.91%。

2.2 1 m3罐规模（中试）清液制备试验

中试规模清液试验总计5批次，各批次原料木薯用量及淀粉含量如表2所示。

如表2所示，由于中试规模清液制备试验的要求，各批次木薯用量很大，各批次之间的淀粉含量差异也较大，批次木薯淀粉含量相差4～5个百分点在生产上是常有的事，为防止长时间的放置或新旧原料之间的淀粉含量不同而导致计算出现较大的误差，需要随用随测。

表2 1 m3木薯乙醇清液制备试验各批次所用木薯量及淀粉含量Table 2 Cassava mass and starch content of each batches in the 1 m3filtrate fermentation

进行预备试验，卧式螺旋卸料沉降离心机的主机转速设置为2 000 r/min，辅机转速1 400 r/min，液化醪经过卧螺机进行初次分离后各项数据如表3所示。

表3 液化醪分离（初次分离）数据Table 3 Initial separation data of fermentation liquid

如表3所示：5批次液化醪经卧螺机分离后，平均固渣质量为155.84 kg，约占初始料液质量百分比为 15.6%（155.84÷1 000），固渣平均水分含量为65.81%，大大低于小试的滤渣平均水分含量（76.07%），这主要是因为液化醪的黏度和渗透压较高，相比用自来水二次洗涤后其固渣水分含量就低得多。此外，由于未洗涤前的醪液经过卧螺机分离后是初次分离，还没有进行洗涤水洗涤，因此，固渣中淀粉含量大大增加，平均达到了22.63%，远远超过小试中5.14%的水平。这充分说明了在木薯乙醇清液制备过程中清液过滤设备和工艺的重要性，特别是二次洗涤回收固渣中的糖分和糊精是清液发酵研究的核心之一。

初次分离后的固渣在拌料罐中经60℃自来水洗涤后在卧螺机中经二次分离（主机转速2 000 r/min，辅机转速1 400 r/min）后的过程数据如表4所示。

表4 固渣二次分离过程数据Table 4 Process data of second solid cake separation

如表4所示：在不改变卧螺机设置的条件下，固渣经洗涤和二次过滤后，平均每批次滤渣质量从155.84 kg降至123.13 kg，平均每批次滤渣中的淀粉质量从35.08 kg降低至12.9 kg，说明二次清洗对滤渣中的淀粉回收效果非常好，正是有了二次自来水清洗这一步骤，能够清洗回收黏附在固渣里面的大量的液化糖分；同时，由于二次清洗后的滤渣黏度降低，吸水率增大，因此其含水量高于未洗涤前的固渣含水量，达到了77.65%，与小试水平相当。

根据表2—表4，可计算得到在1 m3罐规模木薯乙醇清液制备试验中，采用卧螺机分离制备清液过程中的淀粉损失，如表5所示。

表5 1 m3罐规模木薯乙醇清液制取过程淀粉损失Table 5 Starch loss of the preparation process in the 1 m3experiment

由表5可以看出：在整个清液制备过程中，如果不对固渣进行二次清洗回收淀粉，则淀粉损失率为16%；经过洗涤水洗涤回收后，制备清液过程淀粉损失率降至5.9%，效果明显。但相比1 L三角瓶小试中清液制备过程淀粉损失率3.91%，还是高出不少，这是由于试验是间歇进行的，每批次试验过程中由于罐底和管道残留等多种原因，无法精确估计。因此，5.9%的淀粉损失对于实际的损失来说，明显是高估的，真实的淀粉损失率应该在5.9%以下。

3 结论

（1）1 L三角瓶木薯乙醇制备清液过程淀粉损失为3.91%，在1 m3中试规模试验中，制备清液过程淀粉损失比例为5.9%。小试和1 m3中试的淀粉损失率都比较高，在目前还没有成熟的市场补偿机制下，现阶段在生产上直接应用清液工艺比较困难。

（2）清液发酵的关键是要减少滤渣中携带的淀粉量，因此需要在制备清液工艺设备方面进行研究改进，更好地对滤渣进行清洗，并降低其水分含量；此外更好的液化和糖化工艺也有助于淀粉的释放和清洗，减少损失。

（3）上下游产业链融合，提高全产业链附加值是未来木薯燃料乙醇清液发酵能否产业化的关键[7]。只有清液淀粉损失能够被后续工序消化，创造更大的经济和社会效益时，清液发酵才有出路，因此，加强对“糖”的循环转化研究也有重要的现实意义[8]。

［1］FRA IOLI V，MANCARUSO E，MIGLIACCCIO M，et al.Ethanol effect as premixed fuel in dual-fuel Cl engines:Experimental and numerical investigations ［J］.Applied Energy，2014，119:394-404.

［2］SHANAVAS S，PADMAJA G，MOORTHY S N，et al.Process optimization for bioethanol production from cassava starch using novel ecofriendly enzymes ［J］.Biomass&Bioenergy，2011，35（2）:901-909.

［3］刘永丽.木薯粉清液发酵乙醇的研究［D］.郑州：郑州大学，2014.

［4］张建博，周鹏，黄玉涛，等.高浓度清液酒精发酵技术研究［J］.创新科技，2014（12）:52-53.

［5］汪磊.木薯清液发酵生产柠檬酸的工艺研究［J］.科技创新与应用，2014（24）:12.

［6］ 王福荣.酿酒分析与检测［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［7］GOLDEMBERG J，COELHO S T，NASTARI P M，et al.Ethanol learning curve—the Brazilian experience［J］.Biomass&Bioenergy，2004，26（3）:301-304.

［8］陈俊英，刘永丽，黄会杰，等.木薯粉乙醇清液发酵中糖化条件的研究［J］.江苏农业科学，2015，43（7）:272-275.

STUDY ON STARCH LOSS IN THE PREPARATION PROCESS OF CASSAVA ETHANOL CLEAR LIQUID

WANG Jingsheng，HUANG Yutao，DONG Qingshan，LIU Yue
（State Key Laboratory of Motor Vehicle Biofuel Technology，Hennan Tianguan Group Co.，Ltd.，Nanyang473000，China）

In 1 L flask lab tests，the cassava ethanol clear liquid was prepared by manual pressing with common cotton gauze （diameter 50 μm） as filter medium; wash water of solid filter cake was added to the next material;and 5 batches of materials were processed continuously. Results showed that the starch loss rate reached 3.91% in the preparation process. In 1 m3pilot tests，a horizontal screw centrifuge （LW250×1100） was used to prepare cassava ethanol clear liquid，and the starch loss rate was 5.9%. Results of lab tests and pilot tests showed that the starch loss rate in the preparation process of cassava ethanol clear liquid was high. Therefore，it is difficult to realize large-scale application in the practical production at present.

cassava ethanol；clear liquid fermentation；starch loss

TS 201.2 文献标志码：B

1673-2383(2017)05-0100-04

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20171030.0936.036.html

网络出版时间：2017-10-30 9:36:41

2017-08-04

王景胜（1969—），男，河南南阳人，高级工程师，主要从事生物燃料乙醇研发及生产工作。