甘薯乙醇发酵新技术研究

摘 要：将甘薯作为生产燃料乙醇的能源作物进行研发和应用，在解析薯类原料粘度产生的生化基础、开发降粘技术、选育高效菌株、阐明菌株压力应答机制、开发发酵调控工艺、研发高传质低能耗生物反应器、系统集成与规模化示范等方面展开了系统研究，通过自主创新建立高效乙醇转化技术体系。

关键词：甘薯 乙醇 发酵技术 研究

2011年8月2日工信部公布数据显示，我国原油对外依存度达55.2%，首次超越美国。随着我国经济持续高位运行以及汽车保有量的增加，原油对外依存度将继续攀升。预计到2020年将超过65%，能源安全形势严峻。开发利用丰富的生物质资源制取燃料乙醇、燃料丁醇等清洁、可再生的车用替代液体燃料，可以添补此能源缺口，对于能源结构多元化、缓解化石能源供应压力、保障能源安全具有极重要的作用。

基于我国是世界第一人口大国这一基本国情，国家已明确不再扩大粮食燃料乙醇的规模，所以非粮原料成为毋庸置疑的方向。据《生物质能发展“十二五”规划》，2015年，我国燃料乙醇年利用量将达400万t。目前，因为2代纤维素乙醇难以产业化，所以富含淀粉的甘薯、木薯、葛根、芭蕉芋等薯类原料以其资源总量丰富、资源分布区域具有互补性等诸多优势，已成为发酵法生产乙醇的重要原料。在上述薯类原料中，甘薯资源量最为丰富，2011年产量达到了7556万t（FAO），而且甘薯种植地区多为贫困地区，因此，将甘薯作为生产燃料乙醇的能源作物进行研发和应用对于保障能源安全、促进农民增收有着重要的战略意义。

1 技术现状

目前，甘薯乙醇行业的整体技术水平还较低，主要原因是新鲜甘薯原料含水量大于60%，在大部分主产区无法自然干燥，需要切片耗能干燥或直接以鲜原料发酵。切片耗能干燥会不可避免地额外增加乙醇生产的成本，而以鲜原料发酵时，因鲜薯是粘度大于40000mPa.s、呈半固体状、完全没有流动性的非牛顿流体，传质、传热能力非常差，所以在预处理过程中会因无法与液化酶或糖化酶有效接触而严重影响其液化、糖化效果，使淀粉无法充分转化为可供菌种代谢产乙醇的可发酵糖类；在发酵过程中会因无法与菌种有效接触而造成有效发酵体积的大幅度减少，发酵过程伴随乙醇产生的副产物CO2也会因排出不畅而积累。传质不均引起局部乙醇和CO2高浓度积累造成的产物抑制，连同传热不均造成的局部温度过高，使菌种代谢活性急剧下降，从而影响发酵效率、延长发酵时间、影响最终乙醇浓度。另外，高粘度的醪液还易于堵塞输送管道，增加设备的死体积，提高后期固液分离的处理难度和设备清理维护的难度。

为了解决上述问题，目前乙醇生产企业只能采用加水稀释原料来降低粘度、增加其流动性的方法，一般添加与原料1：1的水。但是甘薯、芭蕉芋等薯类原料的可发酵糖含量一般在20%左右，经1：1加水稀释后，会不可避免地将可发酵糖浓度降低至10%左右，从而造成发酵醪液中乙醇浓度只有5%～6%（v/v），在乙醇生产过程中，蒸馏过程的能源消耗占整个生产过程能耗的60%以上，乙醇浓度越低，蒸馏能耗和废液排放量越高，不但增加了生产成本，也不符合清洁生产的要求。

综上所述，原料的高粘度造成的流动性差、传质传热困难和高压等大体系工程问题造成的菌种代谢活力差已成为限制薯类乙醇行业发展的技术瓶颈问题，如何解决以上问题已成为薯类乙醇产业高值化的关键。因此，国家甘薯产业技术体系能源化利用岗位在解析薯类原料粘度产生的生化基础、开发降粘技术、选育高效菌株、阐明菌株压力应答机制、开发发酵调控工艺、研发高传质低能耗生物反应器、系统集成与规模化示范等方面展开了系统研究，通过自主创新建立了高效乙醇转化技术体系。

2 原料降粘技术开发

研究薯类原料乙醇发酵过程中粘度相关成分的变化规律，开发高效降粘酶系与预处理技术，改变薯类原料的生物特性。

2.1 降粘机制的研究

运用多糖单克隆抗体芯片技术，分析了薯类原料发酵过程中多糖及糖苷键的动态变化规律，阐明了薯类原料粘度产生的机制为降粘酶的定向筛选提供理论基础。多糖单克隆抗体芯片分析技术平台流程图见图1。2.2 复合降粘酶系的开发

根据多糖单克隆抗体芯片分析结果（靶点），以降粘效果为考核指标复配出多组复合降粘酶系，并针对降粘酶系组合和酶量进行了多尺度优化。确定了降粘效果好、成本低、操作简便、适应性强、普适性好的预处理降粘酶系和预处理工艺。不同降粘酶系与预处理效果图见图2。

2.3 降粘酶产生菌的精确定向筛选

在降粘酶产生菌的筛选工作中，从230株菌种中筛选到3株可产生降粘酶的菌株（已在荷兰CBS真菌生物多样性中心进行了保藏），并利用响应面分析法优化了菌株的产酶条件。

3 高效菌种筛选研究

以乙醇产量、产率和生成速率等为主要指标，选育出乙醇快速发酵的高效菌株，针对高粘度原料的特点对已有的高效菌株进行适应性驯化与改造，提升菌种在高粘度发酵体系中的乙醇生产性能。

3.1 耐高浓度乙醇菌株

选育得到8株高效高浓度乙醇发酵菌株，能够在配套营养补充剂共同作用下，乙醇发酵效率达到理论值的92%，发酵时间55h左右，乙醇浓度可达18%（v/v）。

3.2 耐高温菌株

为了提升菌株对高粘度大体系中传热差的抗性，利用前期已获得的产高浓度乙醇的酵母采用热冲击选择压力，进行了高温驯化培养，筛选出3株能够在40℃下高效发酵产乙醇的菌株。在40℃条件下，以葡萄糖为底物，发酵33h内，乙醇浓度可达13.3%（v/v），发酵效率92%。

3.3 耐高压二氧化碳菌株

为了提高菌株对高粘度大体系中低传质的抗性，对前期筛选出的3株耐热菌株进行了高压二氧化碳适应性驯化，获得了1株耐高压菌株。能够在0.2MPa的高压二氧化碳条件下，以葡萄糖为底物，发酵24h内，乙醇浓度可达9.78%（v/v），发酵效率90%以上。

3.4 菌株抗性机制研究

研究了菌株在压力条件下的生理特性、酶表达谱和基因表达谱。基因芯片结果表明菌株的特异性与HSP26相关（HSP26基因表达量增加84倍，在全部酵母基因里变化幅度最大）。这一发现为阐明菌株的压力耐受机制，对其进一步改造创制出综合指标更优的菌株和优化工业化应用过程工艺提供理论依据。

4 发酵过程调控研究

针对薯类成分的特点，开发出一种代谢促进剂，可提高菌株在高粘度发酵醪中的活性，实现生物量的快速积累和乙醇发酵的快速转换。

5 优化系统集成及示范

通过对集成工艺进行多尺度优化后，在资中县银山鸿展工业有限责任公司开展了3万吨级规模的示范应用，验证了本技术的可行性可靠性及与现有设备的匹配。

6 技术突破

（1）高效菌株。选育菌株可以耐受高浓度乙醇、高温、高压，具有工业化应用价值。

（2）高粘度原料发酵。通过降低粘度，增加原料的流动性，改变需要添加配料用水才能使发酵醪具有流动性的现状，从而减少配料用水，将水耗减少70%。

（3）鲜薯高浓度发酵。通过提高乙醇浓度降低蒸汽消耗，从而将能耗降低40%以上。

（4）鲜薯快速发酵。可将单位设备生产力提高1倍以上。