高浓度乙醇发酵技术研究进展

惠继星，胡 斌，宁艳春，陈希海，岳 军，王 硕，屈海峰，胡世洋，范 锐

(1.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司 安全环保处，吉林 吉林 132021；3.吉林燃料乙醇有限责任公司，吉林 吉林 132101)

国家“十四五”规划中明确提到要全方位加大节能力度，优化能源结构，重点是提高清洁能源比重，减轻对原油和天然气进口持续上升的依赖，降低进口依存度。燃料乙醇作为一种清洁、可再生能源，能有效缓解对化石燃料的依赖、提高能源安全性[1]，对缓解石油短缺、降低环境污染、节能减排具有重要意义。但燃料乙醇目前生产成本较高，缺乏市场竞争力，相较汽油无明显价格优势，导致众多燃料乙醇企业濒临亏损的边缘，因此，最大限度地降低燃料乙醇的生产成本对燃料乙醇产业的健康、可持续发展意义重大。由于高浓度(Very high gravity，VHG)乙醇发酵技术在节能降耗方面具有显著的优势而备受关注，被认为是乙醇发酵行业未来发展的有效途径之一。

发酵成熟醪中乙醇浓度是发酵工艺的一个重要技术指标，也是发酵技术先进与否的标志。在传统发酵中，w(可溶固形物)=20%～24%，而高浓度乙醇发酵中w(可溶固形物)>30%，与传统乙醇发酵工艺相比，VHG乙醇发酵技术具有成熟醪乙醇浓度高、生产成本低、设备利用率高、较低能耗与环境污染及乙醇产率高等优点。随着发酵技术的日益发展进步，VHG乙醇发酵中底物浓度有逐步升高的趋势[2]。

1 高浓度乙醇发酵的原理

VHG乙醇发酵技术的原理是采用提高发酵底物浓度的方法来提高发酵成熟醪中乙醇的浓度，减少单位乙醇产量所需要处理的物料流总量，进而降低乙醇生产中物料的传输、加热、冷却、精馏及饲料烘干等过程的能耗，同时减少废液的排放，降低污水处理成本，是目前燃料乙醇生产技术领域最具发展潜力的技术之一。

2 高浓度发酵的优缺点

采用VHG发酵技术生产乙醇，可以节约工艺用水，在不增加工厂生产能力的基础上提高乙醇产量，提高设备利用率，减少环境污染，节能降耗等。此外，VHG乙醇发酵还有利于抑制乙醇发酵过程中杂菌的生长和繁殖，生产高蛋白饲料、食品级副产品等[3]。

虽然VHG乙醇发酵有节约成本、增加乙醇产出等优点，但是VHG发酵也存在一些问题。在VHG发酵过程中，随着底物浓度的提高，随之而来的是渗透压及乙醇浓度的升高，酵母细胞所处的环境不断恶化，酵母细胞生长缓慢，发酵速率逐渐下降，乙醇生成受到抑制，再加上营养缺乏等因素导致发酵时间长、发酵不完全。此外，由于VHG发酵底物浓度较高，物料流动性变差，使醪液在搅拌、输送以及加热冷却工序的运行都变得十分困难[4]，VHG乙醇发酵技术的应用，很大程度上依赖于低黏度糖化醪液的制备。

3 国内外VHG乙醇发酵技术研究概况

发酵成熟醪中乙醇浓度的高低是衡量乙醇发酵行业重要的技术经济指标，为此人们也在不断研究和优化发酵过程控制，建立新的发酵方法，提高发酵成熟醪乙醇浓度，降低生产成本。

VHG乙醇发酵条件下，提高发酵过程中酵母所受胁迫的耐受性，对于VHG发酵的顺利进行至关重要。到目前为止，国内外对VHG乙醇发酵技术的研发大致分为2个方面。一是高耐受性及高产菌种的选育，二是发酵过程控制与优化。

3.1 高耐受性及高产菌种的选育

在菌种选育方面，构建、筛选在高糖浓度条件下，乙醇转化效率高的工程菌可能是VHG乙醇发酵研究的一个重要方向。工程菌的成功构建取决于多方面因素，对VHG乙醇发酵条件下酵母菌的生理生化方面的研究，可能是解决问题的一个重要途径。

研究人员通过构建、筛选得到一株酿酒酵母菌株，乙醇耐受性大幅度提高，与出发菌株相比，甘油产量明显降低，乙醇产量明显提高[5]。顾中凤[6]通过诱变、选育获得一株可在高温和高浓度葡萄糖条件下进行发酵的优良突变菌株，发酵终点φ(乙醇)达到16.7%。李勇[7]筛选出一株适于VHG乙醇发酵的菌株，采用分组液化工艺，可使w(残总糖)降低16.4%，φ(乙醇)提高1.93%。通过基因重组技术获得的菌株往往具有较高的生产潜能。吴华昌等[8]从白酒酒糟中筛选出能在φ(乙醇)=18%条件下生长发酵产酒的菌株。

3.2 发酵过程控制与优化

为了促进VHG乙醇发酵，使酵母菌在各种胁迫条件下保持较高的活性，提高发酵效率，科研人员开展了多方面的研究，提出了各种应对策略，例如通气、添加氮源、培养基优化、发酵工艺控制与优化等。

3.2.1 通气

发酵液中溶解氧浓度(DO)是重要的影响因素之一，其对酵母细胞的生长和乙醇代谢具有重要的作用。氧气有助于增强酵母细胞抵抗高浓度乙醇的抑制作用，还有利于酵母细胞的生长，促进类脂质等存活因子及不饱和脂肪酸的合成。

在VHG乙醇发酵过程中，由于底物的浓度较高，使物料的黏度升高、流动性变差，进而导致氧传递受阻，因此在VHG乙醇发酵过程中应提供足够的溶氧供给，通气可以提高酵母发酵初期活性，提高酵母发酵能力，反之，缺乏氧气的供应，乙醇发酵过程受到很大抑制，酵母耗糖能力受阻[9]。

在VHG乙醇发酵过程中，通入微量的氧能够快速提高发酵前期酵母细胞的浓度，减少残糖量，增加乙醇生成速率和缩短发酵时间[10]。另外，对VHG乙醇分批发酵进行连续通风，酵母细胞密度和发酵效率明显提高[11]。在酿酒酵母VHG乙醇发酵过程中通入适量的空气能提高乙醇耐受性及存活率[12]。通气还可使VHG乙醇发酵成熟醪中副产物甘油的浓度明显降低[13]。

3.2.2 添加氮源

氮源是合成蛋白质和核酸所不可缺少的营养元素，糖发酵制备乙醇与氮源有一定关系。VHG乙醇发酵过程中，只有添加适量的氮源，才能保证酵母菌健康生长、抵抗较高渗透压的影响，增加乙醇产出，及时添加氮源对VHG乙醇发酵至关重要。

在通常的发酵中，酵母菌不能利用淀粉质原料中的蛋白质，加入酸性蛋白酶后，其水解作用可增加发酵醪液中α-氨基氮的浓度，为酵母提供氮源，直接供酵母利用，促进酵母生长繁殖，目前已为国内较多燃料乙醇企业所应用。有关研究表明，以酸性蛋白酶作为氮源进行VHG乙醇发酵，发酵成熟醪中φ(乙醇)最高达到15.5%，发酵时间大幅缩短[14]。

在工业化大生产中，企业从成本上考虑，往往选择添加尿素作为氮源。在酵母菌的VHG乙醇发酵过程中，添加尿素可明显提高发酵醪液中乙醇浓度，提高酵母数量，此外添加尿素的发酵醪液中甘油和乙酸浓度明显低于添加铵盐及对照组[15]。

酵母膏是一种优质的天然复合有机氮源。有关研究表明，酵母膏为VHG乙醇发酵理想的氮源，但是由于酵母膏的价格昂贵，为了降低乙醇生产成本，可以采用价格低廉的尿素和硫酸铵来代替[16]。

3.2.3 发酵温度

在乙醇发酵过程中需要维持酵母菌的生长和生产的最适温度，这是保证酵母细胞活性的重要条件。有研究表明，影响VHG乙醇发酵的因素中，温度是最主要的因素[17]。在VHG乙醇发酵过程中，将主发酵的温度由34 ℃降为32.5 ℃，发酵成熟醪φ(乙醇)>16%[18]。对木薯生料VHG乙醇发酵过程采用梯度降温控制的方法，使发酵醪液中φ(乙醇)=16.24%[19]。

3.2.4 发酵pH值

pH值是微生物生长代谢和产物合成的非常重要的状态参数，是代谢活动的综合指标，因此必须掌握发酵过程中pH值变化的规律，及时监控，使其处于生产的最佳状态。有研究表明，在玉米VHG乙醇发酵过程中，通过流加氨水控制发酵液pH≥4.00，发酵成熟醪中φ(乙醇)=16.40%[20]。

3.2.5 同步糖化发酵工艺

同步糖化发酵工艺是采用发酵与糖化同步进行的方法，实现缓慢供糖，使糖浓度保持在较低的水平，避免底物抑制作用。将“同步糖化发酵”技术应用于木薯VHG乙醇发酵，最终φ(乙醇)=14.7%，糖化酶用量较常规乙醇发酵增加了17%[21]。另外，选择适宜的糖化酶，可解决同步糖化发酵过程中定量供糖的问题，利于实现VHG乙醇发酵[22]。在VHG乙醇发酵大生产装置上采用同步糖化发酵工艺，可使发酵成熟醪中φ(乙醇)由12%提高至14%[23]。

3.2.6 添加其他营养物质

有关研究表明，在培养基中添加适量的营养物质，如海藻糖、肌醇、脂肪酸等，都可有效提高酵母细胞的乙醇耐受力，易于实现VHG乙醇发酵。乙醛是酵母乙醇发酵途径中的直接前体，乙醛由酵母通过代谢途径产生，作为代谢的一个节点，乙醛既能还原成乙醇又能氧化成乙酸。VHG乙醇发酵过程添加乙醛，发酵终点的φ(乙醇)=17.0%，比对照组提高约10%[24]。

3.2.7 其他工艺

据有关报道，采用分批添加强制循环生料酒精发酵工艺能显著提高发酵成熟醪乙醇浓度和淀粉利用率[25]。采用酒糟滤液回用技术可提高发酵醪酒度近2%[26]。利用固定化酵母技术进行VHG乙醇发酵，发酵96 h，φ(乙醇)=17.57%[27]。采用流加的方式进行VHG乙醇发酵，酵母细胞重复利用，不需化学处理，相比传统发酵过程，ρ(乙醇)=132.90 g/L[28]。

4 结束语

VHG乙醇发酵技术有助于进一步改善常规乙醇发酵终点乙醇浓度低的问题，其不必对现企业的工艺、设备等进行大规模改造，就可显著提高乙醇产量，降低生产成本，大幅度提高企业的盈利能力，符合清洁生产，保护生态环境，优势显而易见，因而近年来备受人们关注，是一项极具应用价值的前瞻性技术，将极大提高目前中国乙醇发酵工业的技术水平，是今后乙醇发酵工业所要努力的目标和方向。

虽然VHG乙醇发酵可显著提高发酵成熟醪的乙醇浓度，降低产物分离的能耗和乙醇生产成本，但是酵母细胞生长和发酵却面临初糖浓度高及产物中乙醇浓度高的双重胁迫，还存在高黏度物料的输送、副产甘油、液化和糊化不彻底、不均匀、残总糖高等问题，需要科研人员不断的进行研究和改进。VHG乙醇发酵最根本、最关键的仍然是酵母问题，选育具备更高耐渗透压能力、更高耐乙醇能力、更强发酵性能以及更高乙醇转化率的酵母，是实现VHG乙醇发酵的关键，还需继续研究，推动VHG乙醇发酵技术的发展，以便更好地服务于燃料乙醇的工业化生产。