利用甜高粱秆液态发酵生产酒精的工业研究进展（终稿）

《科技论文写作》课程结业论文 姓 名 葛鹏展 格 式

班 级 学 号 平时 出勤 文献格式 总成绩 整体可读性 09食工（2） 20094061207 内 容 文献数目 综述题目 利用甜高粱秆液态发酵生产酒精

的工业研究进展

黑龙江八一农垦大学

利用甜高粱秆液态发酵生产酒精的工业研究进展

摘要：

甜高粱秆生产燃料乙醇极具开发价值，它对能源安全和环境保护具有举足轻重的作用。文章简单介绍了甜高粱饥秸秆用于生产低成本燃料乙醇的背景、方法、优势以及工业化过程中面临的问题，并提出了解决这些问题应采取的对策。

关键词： 甜高粱秆 液态发酵 工业酒精 能源原料

Abstract：

Fuel ethanol production from sweet sorghum stalk development value extremely, it is about energy security and environmental protection have play a decisive role role. The article simply introduces the sweet sorghum straw for the production of low-cost hunger for fuel ethanol method, background, advantages and problems in the process of industrialization, put forward to solve these problems countermeasures.

Key words：

Sweet sorghum stalk Liquid fermentation Industrial alcohol Energy raw materials

前言：

甜高粱作为能源作物是在世界能源紧缺，尤其是石油资源面临枯竭的形势下提出的。甜高粱茎秆中含有的糖分，可以通过酵母发酵成酒精，再经蒸馏得到无水乙醇，即可混合到汽油中成为汽车燃料，是一种非常理想的再生和代粮能源作物。

1甜高粱秆研究的背景及历史

始于20世纪70年代的“能源危机”使人们开始认识到，廉价的原油是会用完的。一直以来，石油作为一种重要的战略能源物资，在世界经济活动中扮演着不可或缺的重要角色。由于石油价格的飚升而形成的世界石油危机严重地影响世界经济发展。1996年以来，石油价格走高态势显而易见。随着经济的快速发展，能源问题正在成为困扰中国经济发展的一大难题。用现代技术开发利用包括

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生物质能在内的可再生能源资源，开发和利用生物能源己成为一种战略选择。燃料乙醇正逐渐成

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为化石燃料的替代品，它既能摆脱天然能源的限制，又能减少环境污染。这对于建立持续发展的能源系统，促进社会经济的发展和生态环境的改善具有重大意义。往汽油添加酒精作为燃料始于第一次世界大战，到1921年德国的混合酒精生产量己达到21000t，但五十年代初期由于大量便宜石油的出现而停止了生产。

自从七十年代中期发生石油危机以来，各国又开始关注生物酒精燃料，使其发展得到了大大的加强1999年12月，美国能源部再一次颁布了关于实施“生物质转化酒精”项目的计划。同时，世界各国特别是欧美等发达国家，纷纷开始制定生物质资源逐步替代石油资源的科技与产业发展规划[4]

。同时，2003中国进口石油产品已达l亿t，2005年全国需求总量还在增加，国内油料供应缺口很大。2001先后批准建设4个以消纳陈化粮为主要目的的燃料乙醇企业，并示范推广“燃料乙醇汽油”的应用，这是一个重大战略举措。开创了中国较大规模应用可再生能源液体燃料的局面。

目前，有4家燃料乙醇厂家己达到的年产102t的生产能力，若达到满负荷生产，国家需对其每年补贴18亿元。国家的能源安全和粮食安全同样是严峻的问题。燃料乙醇生产应建立多元结构的原料资源体系。“甜高粱茎秆制取乙醇”国家发改委的“十一五”和能源中长期规划中都明确甜高粱茎秆是生产燃料乙醇的原料之一。这是国家发改委第一次肯定能源作物甜高粱在生物质液体燃料产业建设中的地位。

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2甜高粱秆的液态发酵

2.1利用甜高粱秆作为原料

2.1.1甜高粱秆的经济价值

甜高粱是近年来一种新兴的糖料作物、饲料作物和能源作物。甜高粱的适应性较高，一般在比较贫瘠的土地上都有较高的产量，每公顷产鲜茎秆60t~90t，比玉米高出0.5~1.0 倍，其茎秆中含

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汁量为60%~80%，汁液的糖度为10%~20%，汁液中溶有蔗糖、葡萄糖、果糖等糖份，还有淀粉、果

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胶、有机酸、树胶等非糖分以及细碎的残渣、腊质物、色素等。甜高粱在我国栽培历史悠久，适合在不同生态区域种植。我国新疆地区干旱少雨，光照充足，全年日照时间为2 500～3 500 h，为甜高粱提供了得天独厚的生长条件。

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甜高粱植株高达4 m 以上， 鲜生物量产量可达160 t/hm2 ，甜高粱所合成的碳水化合物的产量为玉米的3.2 倍。甜高粱具有适应性强、抗旱、耐涝、耐盐碱、对土壤及肥料要求不高、生长迅速、糖分积累快、生物学产量高等优点，每公顷甜高粱的乙醇产量可高达6 000 多L，用甜高粱秸秆生产乙醇比用粮食生产乙醇的成本低50%以上。甜高粱是一种能源、糖料和饲料作物，具有很高的综合利用价值。

2.1.2甜高粱秸秆作为生物质能源原料的意义

生物质资源包括植物和有机废弃物等资源。地球上生物质资源极其丰富，每年经光合作用产生的生物质约1 700 亿t，但作为能源利用的生物质资源还不到总量的1%，开发潜力巨大。目前，生

物质能是世界第4 大消费能源，位于石油、煤和天然气3 大常规能源之后， 占世界总能耗的11%。不同国家和地区的生物质能消费在其总能耗中所占比例差别很大： 发达国家普遍在3%左右，如美国为4%，芬兰、瑞典和奥地利较高，分别为18%，16%和13%； 发展中国家占有的比例较高，为33%；非洲地区所占比例更高，达55%，如苏丹生物质能消耗占国家能源消费总量的87%；中国生物质资源

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丰富， 目前生物质能消耗占总能耗的15%左右。

近年来，能源作物（如甜高粱、甘薯、木薯、芭蕉芋、绿玉树、巨藻等）作为现代生物质能资源在我国已引起广泛关注， 开发生物质能源对我国农村发展、能源开发、环境和资源保护、国家安

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全和生态平衡具有重要意义。2.2甜高粱秆酒精液态发酵方法：

2.2液态发酵法

2.2.1概述

液体发酵法是借助于液体介质来完成面团的发酵，即先将酵母置于液体介质中，在液体中经几个小时的繁殖，制成发酵液，然后用发酵液与其他原辅料搅拌成面团。欧美等国家多采用此法进行大批量自动连续化生产面包。 2.2.2液体发酵法的特点

缩短了面团发酵时间，提高了生产效率；从原辅料处理到成品包装可实现全部自动化和连续化生产；提高了面包大的贮存期，延缓了老化速度；缩短了发酵时间。 2.2.3工艺流程

原料混合→液体发酵→热交换器→冷藏贮存→搅拌→延续发酵→整形→醒发→烘烤→冷却→包装。液体发酵有两种形式：无面粉发酵液和含面粉发酵液。无面粉发酵是发酵液中没有加入面粉，面粉主要加入到面团中。发酵液中主要是酵母与水的比例变化，一般在(4~20)∶1范围内变化。无面粉发酵所需要的时间为45~90min。液体发酵完成以后，发酵液要冷却到4~7℃，并放置在冷却箱内，可以贮存24~48h,甚至更长的时间。含面粉发酵液与无面粉发酵液发酵的主要区别是在发酵液中含有一定量的面粉。面粉的添加范围是10%~60%，如果超过60%，其现象类似于普通种子面团，失去了液体发酵的优点。

2.3液态发酵与固态发酵的区别

固态发酵是指干物质含量在30-50%之间，就是说没有自由流动的水或很少可自由流动的水。而液态发酵干物质含量一般只有百分之几。

广义上讲固态发酵是指一类使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，既包括将固态悬浮在液体中的深层发酵，也包括在没有（或几乎没有）游离水的湿固体材料上培养微生物的工艺过程。多数情况下是指在没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物发酵的一个生物反应过程。

狭义上讲固态发酵(solidstate fermentation)是指利用自然底物做碳源及能源，或利用惰性底

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物做固体支持物，其体系无水或接近于无水的任何发酵过程。

2.4液态发酵工艺在工业制酒精中的具体应用

由于甜高粱汁液中氮源、无机盐含量不能满足酵母菌的需求,大多数研究者通过在汁液中添加氮

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源和无机盐来研究最佳的发酵工艺条件。刘荣厚等考察了添加(NH4 ) 2 SO4 、MgSO4 、KH2 PO4 、CaCl2 对酒精发酵的影响,其中MgSO4 、CaCl2 对发酵结果影响显著。从节省水资源、降低劳动强度和减少费用的角度考虑,高密度发酵更具竞争力。当可溶性固形物含量从16gP100g 升高到31gP100g 时,可节约5815 %的用水,同时减少环境污染,提高设备利用率,而且高密度发酵可以增加

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发酵速率和酒精得率。Bvochora 等 研究了在甜高粱汁液和磨碎的甜高粱籽粒混合液中加入蔗糖(浓度34gP100ml 混合液)进行高密度液态发酵,酒精的最大得率能达到1618 %(vPv) 。高密度液态发酵有利于提高从甜高粱茎秆汁液中获取燃料乙醇的收益。甜高梁茎秆汁液高密度发酵工业化生产

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往往采用固定化酵母发酵工艺 ,固定化技术应用于酒精发酵的机理是利用活细胞或酶的高度密集,从而比普通游离状态的细胞成倍地增长,加快反应速度、缩短反应周期和提高工作效率。载体内部的酵母受外界影响较少,并不断增殖向外扩散,载体内部一直保持原有品质,而且拥有较好的抗污染能

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力。从固定化入手来提高发酵强度是一种切实可行的方法。刘荣厚等研究了在摇床和流化床反

应器上进行固定化酵母汁液酒精发酵,取得了很好的效果,为燃料乙醇的发展提供了科学依据。

这是目前世界上比较先进的发酵工艺，将甜高粱杆压榨提取汁液，采用固定化酵母流化床生物反应器快速发酵工艺，发酵醪经蒸馏直接生产出无水酒精，发酵时间由72~96h缩短为8~10h，与固态发酵相比，该工艺具有发酵速度快、周期短、产量高的优点，适宜高效率、自动化、大规模产业化生产。

2.5液态发酵体现的问题与对策

2.5.1甜高粱秸秆液态发酵的弊端

甜高粱秸秆液态生产乙醇的方法主要是将高粱秸秆压汁后，用汁液直接进行液体发酵生产乙醇，

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此法每公顷可产乙醇3.75t~6t。液态发酵法的废液治理难度较大；因受收获季节的影响，压榨的

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汁液贮存成本高，从而可能导致生产难以连续；且秸秆利用不充分。

高密度液态发酵的缺点主要是发酵不完全,发酵液中仍残留大量的糖没有被完全利用,这主要是由于产物抑制和高渗透压等因素所造成,另外还存在物料黏度大、输送困难等问题。由于茎秆采收后贮藏过程中水分损失严重,液态发酵必须立即榨汁,并且需要集中榨汁,存在着额外的运输费用和榨

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汁费用的问题。液态发酵中的废水处理也是一大难题,污染比较严重。 2.5.2应对方法

液态发酵法的废液治理难度较大；因受收获季节的影响，压榨的汁液贮存成本高，从而可能导致生产难以连续；且秸秆利用不充分。若采用固态发酵，发酵生产受收获季节的影响就较小，进行大规模的生产就可能成功。在固态发酵中，甜高粱秸秆经过粉碎可直接发酵，其在发酵过程中既作原料，又作填充剂；并可在纤维素酶的作用下，将纤维素可降解为葡萄糖，从而提高原料的利用率；蒸馏后的酒糟中含有纤维素、脂肪、蛋白质、氨基酸等物质，可作动物饲料，彻底解决乙醇发酵过

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程中的污染问题，做到乙醇工业的清洁生产。

3甜高粱秆液态发酵生产酒精的前景

甜高粱茎秆生产燃料乙醇具有原料可再生性、缓解大气污染和部分补充不可再生化石能源的优势,因此受到世界各国的关注,尤其在能源环境危机日趋加剧的今天,大力发展可再生能源已经成为人类谋求可持续发展的必然选择。因此，要进一步旷大发酵试验，为实现工业化生产奠定基础。利用生物质发酵生产酒精不但可以生产出对大气无污染的液体燃料，缓解能源危机，同时增加了社会的经济效益，保护了大气环境，具有十分广阔的生产前景。

结束语：

随着我国经济的迅速发展，能源消耗也日益增多，工业酒精的应用在一定程度上缓解能源压力。大力发展非粮酒精成为我国工业酒精的发展趋势，坚持“非粮为主、不与民争粮、不与粮争地”已成为我国发展工业酒精产业的基本原则。利用甜高粱秸秆生产工业酒精不仅充分利用了资源，也缓解了环境污染，将成为工业酒精产业的不可或缺的成产方式。

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