玉米纖維乙醇生產工藝的研究

李冬敏，王慧麗，沈乃東，張宏嘉，雷 陽，張恩東，武國慶，2

(1.中糧營養健康研究院，北京 102209；2.國家能源生物液體燃料研發中心，北京 102209）

燃料乙醇是清潔、高效的可再生能源之一，是世界消費量最大的液體生物燃料。發展燃料乙醇產業，對于實現社會可持續發展，助力達到“碳達峰、碳中和”的國家戰略目標具有重要意義。目前，我國生產燃料乙醇主要以玉米等谷物淀粉為原料，利用酵母發酵生產。近年來，通過不斷優化工藝，在不對生產裝置進行大改動的情況下，消納陳化玉米、陳化稻谷、陳化小麥等不同原料，發揮了調節閥、控制器的作用，為保證國家糧食安全，支持“三農”事業做出貢獻。從長遠來看，仍需不斷開發新技術，拓展原料來源，提高原料利用率和生產效率。木質纖維素資源豐富，來源廣泛，普遍認為是生產液體可再生能源的一種有發展潛力的原料。但是，由于其組成中的木質素等組分結構復雜，難以降解，導致生產成本高，纖維素乙醇至今未實現大規模工業化生產。

玉米纖維是玉米籽粒的種皮，由半纖維素、纖維素、結合淀粉和蛋白質等組成，占籽粒質量的7 %～10 %，幾乎不含木質素（＜0.1 %），容易降解，是較好的可利用原料?，F有玉米乙醇生產工藝中，纖維及其結合淀粉通常成為發酵殘渣的一部分，進入DDGS 飼料。若將玉米纖維轉化生產乙醇，不但能夠提高原料的利用率和乙醇產量，還能提高DDGS 中的蛋白含量和品質，提升企業綜合效益。美國是全球最大的玉米燃料乙醇生產國，現已有ICM、D3MAX、FQPT、Edeniq 等多家公司開發了玉米纖維乙醇技術。在纖維素乙醇尚未實現工業化的情況下，玉米纖維乙醇由于技術難度相對較低，已經在美國多家玉米乙醇工廠應用，提高了燃料乙醇總產量，并作為D3 類生物燃料（即纖維素乙醇）納入RINs 體系，促進了纖維素乙醇和燃料乙醇行業的發展。目前這一技術在我國尚未見到開發應用的報道。

本研究以工業玉米粉為原料，研究了在現有燃料乙醇工藝中嵌入磨漿預處理的有關技術，通過優化磨漿工藝，改變纖維素酶添加量，對磨漿后的液化及發酵結果進行分析，并在此基礎上進行綜合成本測算，以期為玉米纖維乙醇技術的工業化應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

原料：玉米粉，來自中糧生化能源（肇東）有限公司，淀粉含量60.5 %，纖維素2.3 %，半纖維素3.9%，水分14.2%。

試劑及耗材：低pH 淀粉酶（14 萬U/g）、纖維素酶CTec2 (120 FPU/g)，諾維信（中國）投資有限公司；糖化酶（26 萬U/g）、酸性蛋白酶（10 萬U/g），山東隆大生物工程有限公司；尿素，陜西陜化煤化工集團有限公司；安菌泰，柳州龍泰科技有限公司；超級釀酒高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司。其他試劑均為分析純。

儀器設備：JMS-50 沖擊式膠體磨，廊坊通用機械有限公司；1 L 玻璃反應釜，定制；1200 型高效液相色譜，安捷倫；ME2002 電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PB-21 型pH 計，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；PC-E6000 型數顯恒溫水浴鍋，常州榮華儀器制造有限公司；Mastersizer 3000 粒度分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；NDJ-5S粘度計，上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 操作方法

（1）實驗步驟。將玉米粉配制成粉漿，干物濃度28 %，調pH5.6，加入淀粉酶0.3 g/kg 原料，在90 ℃下液化2.5 h；液化醪降溫至32 ℃，用硫酸調節pH4.2～4.4，分裝到500 mL 三角瓶中，200 g/瓶，加入糖化酶0.7 g/kg 原料、酸性蛋白酶0.04 g/kg 原料、尿素0.75 g/kg 原料、安菌素5 mg/L，安琪酵母接種量0.05 g/L，在32 ℃，120 r/min 條件下發酵65 h。每個發酵條件重復3次。

（2）磨漿。將玉米粉漿用膠體磨進行研磨后，進行液化和發酵實驗，步驟同（1）。

1.2.2 分析檢測

（1）粒度測定。使用Mastersizer 3000 粒度分析儀測定磨漿前后的玉米漿粒度，結果用Dv(X)所對應的粒徑(μm)表示，包括Dv(0)、Dv(50)、Dv(90)和Dv(100)，括號中的數字為該粒度及以下級別所占總顆粒數的百分比。以Dv(90)為例，若Dv(90)=500 μm，即指粉體中粒徑小于500 μm 的顆粒數占總顆粒數的90%。

（2）液化醪檢測。液化結束后，取5 g 液化醪，用流動相稀釋到100 mL 后，離心分離，上清液采用高效液相色譜法測定產物組成。

（3）發酵醪檢測。發酵醪樣品離心后，將上清液用流動相稀釋10倍，采用高效液相色譜法測定。

（4）高效液相色譜測定條件。色譜柱：HPX-87H（300 mm×7.8 mm）；示差折光檢測器；流動相：0.005 mol/L HSO；泵流速：0.5 mL/min；柱溫：65 ℃；進樣量20 μL；檢測時間30 min。

1.2.3 計算公式

（1）葡萄糖當量（Dextrose Equivalent，DE）

（2）乙醇得率

基于所用玉米原料干物計算乙醇得率（%）。

1.2.4 數據處理

采用Excel 2013作圖。

2 結果與分析

2.1 磨漿處理對玉米顆粒粒徑分布的影響

玉米乙醇工廠通常使用錘式粉碎機對玉米原料進行粉碎，使得大部分淀粉顆粒暴露，在蒸煮過程中更易吸水膨脹，并有利于被酶制劑降解。粒度越小，淀粉暴露程度越高，蒸煮效果越好，淀粉降解率越高，還能夠減少阻塞，使物料輸送更加順暢。根據文獻報道，大部分顆粒粒度在500 μm 以下時有利于被液化酶降解，但粒度過小，也會導致醪液黏度增大，同樣影響輸送和正常生產。因此，需要選擇合適的磨漿粒度，提高生產效率。此外，經過磨漿后，玉米纖維更容易被纖維素酶降解，從而提高原料利用率和乙醇產量。本試驗將從工廠得到的玉米粉制成粉漿后，使用膠體磨進行磨漿處理，通過調節膠體磨操作參數，利用定子和轉子相對快速運動產生的高剪切力將物料顆粒磨碎。采用粒度儀對磨漿前后的玉米漿進行測定，顆粒粒度分布曲線圖如圖1 所示。由圖1 可知，未磨漿的物料粒徑較大，粒度分布較寬；磨漿后物料粒徑顯著降低，粒度分布范圍明顯變窄。說明磨漿后物料粒度更小，變得更均勻，更易于被降解轉化，提高反應效率。

圖1 磨漿前后玉米顆粒粒度分布曲線

2.2 磨漿時間對玉米顆粒粒度的影響

磨漿處理時間對玉米顆粒粒徑大小及分布有著直接影響。在不同的研磨時間（0～80 s）條件下對玉米漿進行研磨，測定漿液中玉米顆粒的粒度，結果如表1 所示。由表1 可知，未磨漿時，Dv(100)=2750 μm，即漿液中顆粒的最大直徑為2750 μm；其中，Dv(90)=1115 μm，即90 %顆粒直徑在1115 μm以下。磨漿后，粒徑迅速降低，隨著磨漿時間延長，顆粒直徑變得更低，但是降低速度明顯變慢。磨漿40s 后，Dv(100)降至617 μm，Dv(90)降低至400 μm以下，即使延長至80 s，粒徑大小及分布也變化不大。這表明受磨盤間隙的影響，顆粒直徑降低到一定程度后基本維持不變，繼續延長磨漿時間對物料顆粒度影響很小。此外，在定子和轉子相對快速運動過程中會消耗能量并產生強大的摩擦力，使物料溫度不斷升高，淀粉顆粒吸水膨脹。當磨漿時間較長時（超過40 s），局部溫度甚至超過玉米淀粉的糊化溫度（62 ℃），會導致淀粉發生糊化，淀粉晶體結構部分解體。磨漿結束后，漿料溫度下降，解體的淀粉分子會發生重結晶，即“返生”，最終影響液化效果。因此，磨漿時間不宜高于40 s。

表1 磨漿時間對物料粒度(μm)的影響

2.3 磨漿時間對液化的影響

將經過不同磨漿時間處理的玉米醪液化后，分別檢測可溶性糖，結果如表2。從表2 可以看出，隨著磨漿時間延長，磨漿后DP等可溶性糖含量及DE 值均呈現先升后降的趨勢，醪液粘度則逐漸升高。以DP為例，未磨漿時為15.85%；磨漿10 s 后提高到16.02%；磨漿時間延長到20 s 時，DP進一步提高到18.03 %。說明原料經過磨漿處理后，大顆粒被磨碎，有利于液化酶的作用，生成更多的可溶性聚糖。另一方面，經過磨漿處理后，玉米纖維被充分研磨成小顆粒，使難降解的結合淀粉充分暴露，同樣有利于被液化酶降解，提高液化效率。隨著磨漿時間的延長，DP含量下降，這可能與液化醪的黏度增加有關。磨漿處理使物料的淀粉顆粒變小，同時也導致顆粒的總表面積明顯增加，結構相對松弛，水分更易滲入淀粉顆粒內部，導致其吸水膨脹，醪液粘性阻力增大，黏度增加，反過來影響液化過程中的傳質、傳熱和液化酶的降解作用。這與文獻中報道的結果一致。在實際生產過程中，液化醪黏度過大還會增加醪液輸送難度。綜合以上實驗結果，宜選擇20 s作為磨漿時間。

表2 不同磨漿時間對液化結果的影響

2.4 磨漿時間對乙醇發酵的影響

將經過不同磨漿時間處理得到的玉米液化醪降溫后，接入釀酒酵母進行發酵實驗，結果如圖2所示。從圖2 可以看出，隨著磨漿時間的延長，乙醇得率先增后減。由于沒有使用纖維素酶，乙醇得率的增加不是來自于纖維降解，而是由于磨漿處理提高了液化和發酵效率。當磨漿時間為20 s 時，發酵效果最好，乙醇質量濃度達到了11.55 %w/v（折13.74%vol），相應的乙醇得率為35.06%，比未磨漿提高了2.4%；磨漿時間延長到30 s 及以上時，乙醇濃度下降，這與液化結果一致。說明磨漿后粒度過細不但影響液化效果，也會降低發酵效率。因此，在本實驗條件下，最優的磨漿時間為20 s。

圖2 不同磨漿時間處理后的乙醇濃度

2.5 添加纖維素酶對乙醇發酵的影響

添加纖維素酶，有助于加快玉米纖維的降解，提高發酵效率。由于纖維素酶產品價格較高，需綜合考慮使用成本和酶解效果。表3 是纖維素酶加量優化的實驗結果。從表3 可以看出，在磨漿（20 s）和未磨漿的條件下，添加纖維素酶都能夠在一定程度上提高乙醇得率，磨漿后纖維素酶的促進效果更明顯。說明通過磨漿將玉米纖維粒度降低后，有利于纖維素酶更好地發揮降解作用，促進底物中纖維降解。從發酵參數來看，發酵醪中各種殘糖含量都較低，揮發酸濃度均不超過0.2 %，副產物甘油濃度較低（＜0.95 %），乙醇/甘油的比值較高，說明發酵過程中未受雜菌污染，酵母生產乙醇的性能良好。纖維素酶添加量為0.2 g/kg 原料和0.4 g/kg 原料時，在不磨漿的條件下，乙醇質量濃度相應提高，乙醇得率比不加纖維素酶分別提高了0.38 %和0.71 %；磨漿后，乙醇質量濃度進一步提高，乙醇得率也分別提高了-0.41 %和0.53 %。繼續提高纖維素酶用量，乙醇得率提高的幅度趨緩。

表3 纖維素酶加量對磨漿前后玉米乙醇發酵的影響

通過綜合生產成本和總產值進行測算后，進一步考察纖維素酶加量對30萬噸/年玉米燃料乙醇裝置總產值變化的影響，結果如圖3 所示。從投入的角度看，與通用玉米乙醇技術相比，采用玉米纖維乙醇技術增加了磨漿設備，提高了電耗；使用纖維素酶增加了酶制劑的成本。從產出的角度看，乙醇得率提高會導致發酵醪殘渣減少，DDGS 產量降低，但相應的DDGS 干燥蒸發能耗也相應降低。綜合計算結果如圖3 所示。由圖3 可以看出，使用通用玉米乙醇技術，未進行磨漿處理，只添加纖維素酶時，由于乙醇產量提高有限，而纖維素酶制劑成本較高，導致總產值不升反降，為負值。采用玉米纖維乙醇技術，在不使用纖維素酶，只進行磨漿處理時，乙醇產量增加2.4 %，總產值增加639 萬元；當纖維素酶加量為0.2 g/kg 原料，乙醇產量增加3.6%，總產值增加1023萬元；而當纖維素酶加量增加為0.4 g/kg 原料，乙醇產量增加4.1 %，總產值增加836 萬元。當纖維素酶加量繼續增加時，由于酶制劑成本增加較多，且乙醇產量變化不大，總產值增加值逐漸變小。說明在纖維素酶使用過程中，不但要關注乙醇產量的增加，還要綜合考慮生產成本，計算綜合經濟效益。在本實驗條件下，纖維素酶加量為0.2 g/kg原料時結果最優。

圖3 纖維素酶加量對年產30萬噸燃料乙醇廠總產值增加的影響

3 結論

結果表明，在通用玉米乙醇工藝中增加磨漿處理，并在發酵過程中添加纖維素酶，可提高淀粉和玉米纖維的轉化率，增加乙醇產量，提高DDGS 的品質。在液化前對玉米醪液磨漿處理20 s，發酵過程中添加纖維素酶0.2 g/kg 原料，乙醇總產量提高3.6 %?；?0 萬噸/年燃料乙醇裝置的成本測算表明，采用該技術可使企業總產值達到約1000 萬/年。建議在生產企業進一步開展放大驗證并推廣應用。