玉米纤维乙醇生产工艺的研究

李冬敏，王慧丽，沈乃东，张宏嘉，雷 阳，张恩东，武国庆，2

(1.中粮营养健康研究院，北京 102209；2.国家能源生物液体燃料研发中心，北京 102209）

燃料乙醇是清洁、高效的可再生能源之一，是世界消费量最大的液体生物燃料。发展燃料乙醇产业，对于实现社会可持续发展，助力达到“碳达峰、碳中和”的国家战略目标具有重要意义。目前，我国生产燃料乙醇主要以玉米等谷物淀粉为原料，利用酵母发酵生产。近年来，通过不断优化工艺，在不对生产装置进行大改动的情况下，消纳陈化玉米、陈化稻谷、陈化小麦等不同原料，发挥了调节阀、控制器的作用，为保证国家粮食安全，支持“三农”事业做出贡献。从长远来看，仍需不断开发新技术，拓展原料来源，提高原料利用率和生产效率。木质纤维素资源丰富，来源广泛，普遍认为是生产液体可再生能源的一种有发展潜力的原料。但是，由于其组成中的木质素等组分结构复杂，难以降解，导致生产成本高，纤维素乙醇至今未实现大规模工业化生产。

玉米纤维是玉米籽粒的种皮，由半纤维素、纤维素、结合淀粉和蛋白质等组成，占籽粒质量的7 %～10 %，几乎不含木质素（＜0.1 %），容易降解，是较好的可利用原料。现有玉米乙醇生产工艺中，纤维及其结合淀粉通常成为发酵残渣的一部分，进入DDGS 饲料。若将玉米纤维转化生产乙醇，不但能够提高原料的利用率和乙醇产量，还能提高DDGS 中的蛋白含量和品质，提升企业综合效益。美国是全球最大的玉米燃料乙醇生产国，现已有ICM、D3MAX、FQPT、Edeniq 等多家公司开发了玉米纤维乙醇技术。在纤维素乙醇尚未实现工业化的情况下，玉米纤维乙醇由于技术难度相对较低，已经在美国多家玉米乙醇工厂应用，提高了燃料乙醇总产量，并作为D3 类生物燃料（即纤维素乙醇）纳入RINs 体系，促进了纤维素乙醇和燃料乙醇行业的发展。目前这一技术在我国尚未见到开发应用的报道。

本研究以工业玉米粉为原料，研究了在现有燃料乙醇工艺中嵌入磨浆预处理的有关技术，通过优化磨浆工艺，改变纤维素酶添加量，对磨浆后的液化及发酵结果进行分析，并在此基础上进行综合成本测算，以期为玉米纤维乙醇技术的工业化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂及仪器

原料：玉米粉，来自中粮生化能源（肇东）有限公司，淀粉含量60.5 %，纤维素2.3 %，半纤维素3.9%，水分14.2%。

试剂及耗材：低pH 淀粉酶（14 万U/g）、纤维素酶CTec2 (120 FPU/g)，诺维信（中国）投资有限公司；糖化酶（26 万U/g）、酸性蛋白酶（10 万U/g），山东隆大生物工程有限公司；尿素，陕西陕化煤化工集团有限公司；安菌泰，柳州龙泰科技有限公司；超级酿酒高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司。其他试剂均为分析纯。

仪器设备：JMS-50 冲击式胶体磨，廊坊通用机械有限公司；1 L 玻璃反应釜，定制；1200 型高效液相色谱，安捷伦；ME2002 电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；PB-21 型pH 计，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；PC-E6000 型数显恒温水浴锅，常州荣华仪器制造有限公司；Mastersizer 3000 粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司；NDJ-5S粘度计，上海舜宇恒平科学仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 操作方法

（1）实验步骤。将玉米粉配制成粉浆，干物浓度28 %，调pH5.6，加入淀粉酶0.3 g/kg 原料，在90 ℃下液化2.5 h；液化醪降温至32 ℃，用硫酸调节pH4.2～4.4，分装到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，安琪酵母接种量0.05 g/L，在32 ℃，120 r/min 条件下发酵65 h。每个发酵条件重复3次。

（2）磨浆。将玉米粉浆用胶体磨进行研磨后，进行液化和发酵实验，步骤同（1）。

1.2.2 分析检测

（1）粒度测定。使用Mastersizer 3000 粒度分析仪测定磨浆前后的玉米浆粒度，结果用Dv(X)所对应的粒径(μm)表示，包括Dv(0)、Dv(50)、Dv(90)和Dv(100)，括号中的数字为该粒度及以下级别所占总颗粒数的百分比。以Dv(90)为例，若Dv(90)=500 μm，即指粉体中粒径小于500 μm 的颗粒数占总颗粒数的90%。

（2）液化醪检测。液化结束后，取5 g 液化醪，用流动相稀释到100 mL 后，离心分离，上清液采用高效液相色谱法测定产物组成。

（3）发酵醪检测。发酵醪样品离心后，将上清液用流动相稀释10倍，采用高效液相色谱法测定。

（4）高效液相色谱测定条件。色谱柱：HPX-87H（300 mm×7.8 mm）；示差折光检测器；流动相：0.005 mol/L HSO；泵流速：0.5 mL/min；柱温：65 ℃；进样量20 μL；检测时间30 min。

1.2.3 计算公式

（1）葡萄糖当量（Dextrose Equivalent，DE）

（2）乙醇得率

基于所用玉米原料干物计算乙醇得率（%）。

1.2.4 数据处理

采用Excel 2013作图。

2 结果与分析

2.1 磨浆处理对玉米颗粒粒径分布的影响

玉米乙醇工厂通常使用锤式粉碎机对玉米原料进行粉碎，使得大部分淀粉颗粒暴露，在蒸煮过程中更易吸水膨胀，并有利于被酶制剂降解。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，还能够减少阻塞，使物料输送更加顺畅。根据文献报道，大部分颗粒粒度在500 μm 以下时有利于被液化酶降解，但粒度过小，也会导致醪液黏度增大，同样影响输送和正常生产。因此，需要选择合适的磨浆粒度，提高生产效率。此外，经过磨浆后，玉米纤维更容易被纤维素酶降解，从而提高原料利用率和乙醇产量。本试验将从工厂得到的玉米粉制成粉浆后，使用胶体磨进行磨浆处理，通过调节胶体磨操作参数，利用定子和转子相对快速运动产生的高剪切力将物料颗粒磨碎。采用粒度仪对磨浆前后的玉米浆进行测定，颗粒粒度分布曲线图如图1 所示。由图1 可知，未磨浆的物料粒径较大，粒度分布较宽；磨浆后物料粒径显著降低，粒度分布范围明显变窄。说明磨浆后物料粒度更小，变得更均匀，更易于被降解转化，提高反应效率。

图1 磨浆前后玉米颗粒粒度分布曲线

2.2 磨浆时间对玉米颗粒粒度的影响

磨浆处理时间对玉米颗粒粒径大小及分布有着直接影响。在不同的研磨时间（0～80 s）条件下对玉米浆进行研磨，测定浆液中玉米颗粒的粒度，结果如表1 所示。由表1 可知，未磨浆时，Dv(100)=2750 μm，即浆液中颗粒的最大直径为2750 μm；其中，Dv(90)=1115 μm，即90 %颗粒直径在1115 μm以下。磨浆后，粒径迅速降低，随着磨浆时间延长，颗粒直径变得更低，但是降低速度明显变慢。磨浆40s 后，Dv(100)降至617 μm，Dv(90)降低至400 μm以下，即使延长至80 s，粒径大小及分布也变化不大。这表明受磨盘间隙的影响，颗粒直径降低到一定程度后基本维持不变，继续延长磨浆时间对物料颗粒度影响很小。此外，在定子和转子相对快速运动过程中会消耗能量并产生强大的摩擦力，使物料温度不断升高，淀粉颗粒吸水膨胀。当磨浆时间较长时（超过40 s），局部温度甚至超过玉米淀粉的糊化温度（62 ℃），会导致淀粉发生糊化，淀粉晶体结构部分解体。磨浆结束后，浆料温度下降，解体的淀粉分子会发生重结晶，即“返生”，最终影响液化效果。因此，磨浆时间不宜高于40 s。

表1 磨浆时间对物料粒度(μm)的影响

2.3 磨浆时间对液化的影响

将经过不同磨浆时间处理的玉米醪液化后，分别检测可溶性糖，结果如表2。从表2 可以看出，随着磨浆时间延长，磨浆后DP等可溶性糖含量及DE 值均呈现先升后降的趋势，醪液粘度则逐渐升高。以DP为例，未磨浆时为15.85%；磨浆10 s 后提高到16.02%；磨浆时间延长到20 s 时，DP进一步提高到18.03 %。说明原料经过磨浆处理后，大颗粒被磨碎，有利于液化酶的作用，生成更多的可溶性聚糖。另一方面，经过磨浆处理后，玉米纤维被充分研磨成小颗粒，使难降解的结合淀粉充分暴露，同样有利于被液化酶降解，提高液化效率。随着磨浆时间的延长，DP含量下降，这可能与液化醪的黏度增加有关。磨浆处理使物料的淀粉颗粒变小，同时也导致颗粒的总表面积明显增加，结构相对松弛，水分更易渗入淀粉颗粒内部，导致其吸水膨胀，醪液粘性阻力增大，黏度增加，反过来影响液化过程中的传质、传热和液化酶的降解作用。这与文献中报道的结果一致。在实际生产过程中，液化醪黏度过大还会增加醪液输送难度。综合以上实验结果，宜选择20 s作为磨浆时间。

表2 不同磨浆时间对液化结果的影响

2.4 磨浆时间对乙醇发酵的影响

将经过不同磨浆时间处理得到的玉米液化醪降温后，接入酿酒酵母进行发酵实验，结果如图2所示。从图2 可以看出，随着磨浆时间的延长，乙醇得率先增后减。由于没有使用纤维素酶，乙醇得率的增加不是来自于纤维降解，而是由于磨浆处理提高了液化和发酵效率。当磨浆时间为20 s 时，发酵效果最好，乙醇质量浓度达到了11.55 %w/v（折13.74%vol），相应的乙醇得率为35.06%，比未磨浆提高了2.4%；磨浆时间延长到30 s 及以上时，乙醇浓度下降，这与液化结果一致。说明磨浆后粒度过细不但影响液化效果，也会降低发酵效率。因此，在本实验条件下，最优的磨浆时间为20 s。

图2 不同磨浆时间处理后的乙醇浓度

2.5 添加纤维素酶对乙醇发酵的影响

添加纤维素酶，有助于加快玉米纤维的降解，提高发酵效率。由于纤维素酶产品价格较高，需综合考虑使用成本和酶解效果。表3 是纤维素酶加量优化的实验结果。从表3 可以看出，在磨浆（20 s）和未磨浆的条件下，添加纤维素酶都能够在一定程度上提高乙醇得率，磨浆后纤维素酶的促进效果更明显。说明通过磨浆将玉米纤维粒度降低后，有利于纤维素酶更好地发挥降解作用，促进底物中纤维降解。从发酵参数来看，发酵醪中各种残糖含量都较低，挥发酸浓度均不超过0.2 %，副产物甘油浓度较低（＜0.95 %），乙醇/甘油的比值较高，说明发酵过程中未受杂菌污染，酵母生产乙醇的性能良好。纤维素酶添加量为0.2 g/kg 原料和0.4 g/kg 原料时，在不磨浆的条件下，乙醇质量浓度相应提高，乙醇得率比不加纤维素酶分别提高了0.38 %和0.71 %；磨浆后，乙醇质量浓度进一步提高，乙醇得率也分别提高了-0.41 %和0.53 %。继续提高纤维素酶用量，乙醇得率提高的幅度趋缓。

表3 纤维素酶加量对磨浆前后玉米乙醇发酵的影响

通过综合生产成本和总产值进行测算后，进一步考察纤维素酶加量对30万吨/年玉米燃料乙醇装置总产值变化的影响，结果如图3 所示。从投入的角度看，与通用玉米乙醇技术相比，采用玉米纤维乙醇技术增加了磨浆设备，提高了电耗；使用纤维素酶增加了酶制剂的成本。从产出的角度看，乙醇得率提高会导致发酵醪残渣减少，DDGS 产量降低，但相应的DDGS 干燥蒸发能耗也相应降低。综合计算结果如图3 所示。由图3 可以看出，使用通用玉米乙醇技术，未进行磨浆处理，只添加纤维素酶时，由于乙醇产量提高有限，而纤维素酶制剂成本较高，导致总产值不升反降，为负值。采用玉米纤维乙醇技术，在不使用纤维素酶，只进行磨浆处理时，乙醇产量增加2.4 %，总产值增加639 万元；当纤维素酶加量为0.2 g/kg 原料，乙醇产量增加3.6%，总产值增加1023万元；而当纤维素酶加量增加为0.4 g/kg 原料，乙醇产量增加4.1 %，总产值增加836 万元。当纤维素酶加量继续增加时，由于酶制剂成本增加较多，且乙醇产量变化不大，总产值增加值逐渐变小。说明在纤维素酶使用过程中，不但要关注乙醇产量的增加，还要综合考虑生产成本，计算综合经济效益。在本实验条件下，纤维素酶加量为0.2 g/kg原料时结果最优。

图3 纤维素酶加量对年产30万吨燃料乙醇厂总产值增加的影响

3 结论

结果表明，在通用玉米乙醇工艺中增加磨浆处理，并在发酵过程中添加纤维素酶，可提高淀粉和玉米纤维的转化率，增加乙醇产量，提高DDGS 的品质。在液化前对玉米醪液磨浆处理20 s，发酵过程中添加纤维素酶0.2 g/kg 原料，乙醇总产量提高3.6 %。基于30 万吨/年燃料乙醇装置的成本测算表明，采用该技术可使企业总产值达到约1000 万/年。建议在生产企业进一步开展放大验证并推广应用。