糖蜜与纤维素原料酒精生产工艺课件.ppt

1、 第四章第四章 糖蜜与纤维原料的酒精生产工艺糖蜜与纤维原料的酒精生产工艺 一、糖蜜原料的酒精生产工艺一、糖蜜原料的酒精生产工艺 糖蜜糖蜜 是制糖企业的一种副产物（为加工甘蔗是制糖企业的一种副产物（为加工甘蔗和甜菜的和甜菜的30%30%左右），含糖量较高达左右），含糖量较高达50%50%以以上；上；有甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜的不同；有甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜的不同；有人认为甘蔗是生产燃料乙醇的潜力原料：有人认为甘蔗是生产燃料乙醇的潜力原料：1 1、原料成本低：、原料成本低：榨季甘蔗平均榨季甘蔗平均275275元吨（元吨（1414吨吨11吨乙醇），吨乙醇），原料费为原料费为38503850元；元；干木薯片干木

2、薯片17001700元元/吨，按吨，按3 3吨吨 1 1吨计，为吨计，为51005100元。元。甘蔗比木薯节省甘蔗比木薯节省12501250元。元。2 2、流程简单，加工成本较低：、流程简单，加工成本较低：不需糊化糖化，投资费及动力消耗较省。不需糊化糖化，投资费及动力消耗较省。3 3、甘蔗种植经验成熟、甘蔗种植经验成熟（一）糖蜜来源和特点（一）糖蜜来源和特点 其特点有：其特点有：（1 1）干物质和糖分含量高（）干物质和糖分含量高（80%80%+，糖，糖50%50%+）。）。（2 2）胶体物含量高（）胶体物含量高（5%-12%5%-12%）。）。（3 3）灰分含量高（）灰分含量高（10%-12%

3、10%-12%）。）。（4 4）产酸细菌多。）产酸细菌多。（5 5）富含生物素。）富含生物素。表2-12-1（二）糖蜜前处理的方法（二）糖蜜前处理的方法 由糖蜜的特点可知由糖蜜的特点可知，使用前需要进行预处，使用前需要进行预处理。理。主要内容：主要内容：“澄清和充氧澄清和充氧”。不同产品的生产，糖蜜的处理方法不同。不同产品的生产，糖蜜的处理方法不同。预处理主要包括：预处理主要包括：稀释、酸化、灭菌、澄稀释、酸化、灭菌、澄清等工序。清等工序。通常的方法有：通常的方法有：1.1.加酸通风沉淀法加酸通风沉淀法(冷酸通风处理冷酸通风处理)糖蜜糖蜜稀释稀释酸化酸化通风通风静置静置澄清澄清(50Bx)(5

4、0Bx)(0.2%-0.3%)(0.2%-0.3%)赶走气体赶走气体增加溶氧增加溶氧(1h)(1h)(8h)(8h)冷水冷水糖蜜糖蜜稀释稀释酸化酸化通风通风静置静置澄清澄清(55-60Bx)(55-60Bx)(pH4.0-4.5)(pH4.0-4.5)(0.5h)(0.5h)(8-12h)(8-12h)6060热水热水2.2.加热加酸沉淀法（热酸通风处理）加热加酸沉淀法（热酸通风处理）3.3.添加絮凝剂澄清处理法添加絮凝剂澄清处理法 是一种缩短澄清时间的方法。适宜于稀糖液是一种缩短澄清时间的方法。适宜于稀糖液的处理。常使用的絮凝剂是聚丙烯酰胺的处理。常使用的絮凝剂是聚丙烯酰胺（PAMPAM），

5、主要程序如下：），主要程序如下：糖蜜糖蜜稀释稀释酸化酸化加加PAMPAM静置静置清液清液(50-40Bx)(50-40Bx)(pH3.0-3.8)(pH3.0-3.8)(8ppm)(8ppm)(1h)(1h)冷水冷水H H2 2SOSO4 4加热加热(90)(90)糖糖发酵发酵蒸馏蒸馏 糖蜜糖蜜处理处理 酒精酒精杂醇油杂醇油醛酯醛酯 酒糟酒糟（三）工艺过程（三）工艺过程（四）发酵工艺（四）发酵工艺（学生讲？学生讲？）淀粉酒精的生产特点是边糖化边发酵，工淀粉酒精的生产特点是边糖化边发酵，工艺过程复杂。艺过程复杂。糖蜜的发酵工艺的多样性和易实现性。糖蜜的发酵工艺的多样性和易实现性。间歇间歇 半连续

6、半连续 连续连续 酵母回用连续酵母回用连续 二、纤维质原料的酒精生产工艺二、纤维质原料的酒精生产工艺 纤维类物质是可再生资源。纤维类物质是可再生资源。天然纤维原料：由天然纤维原料：由“纤维素纤维素+半纤维素半纤维素+木质素木质素”三大成分组成，它们均难被降解。三大成分组成，它们均难被降解。（一）纤维质原料与结构（一）纤维质原料与结构 1 1、原料种类、原料种类 农作物下脚料农作物下脚料(稻草、麦草、玉米秆、玉米稻草、麦草、玉米秆、玉米芯、花生壳、稻壳、棉籽壳芯、花生壳、稻壳、棉籽壳等等)；森林和木材加工下脚料森林和木材加工下脚料(树枝、木屑树枝、木屑等等)；纤维素和半纤维素下脚料纤维素和半纤维

7、素下脚料(甘蔗渣、废甜菜甘蔗渣、废甜菜丝、废纸浆丝、废纸浆等等)；城市废纤维垃圾；城市废纤维垃圾；纤维素是细胞壁的主要成份，在纤维素的纤维素是细胞壁的主要成份，在纤维素的周围充填着半纤维素和木质素，阻碍了纤周围充填着半纤维素和木质素，阻碍了纤维素酶同纤维素分子的直接接触。维素酶同纤维素分子的直接接触。植物纤维原料含有植物纤维原料含有40%40%50%50%的纤维素、的纤维素、20%20%30%30%的半纤维素。的半纤维素。化学和生物化学的方法可将纤维素和半纤化学和生物化学的方法可将纤维素和半纤维素水解成单糖。维素水解成单糖。2 2、结构、结构 纤维素分子是一种葡萄糖苷通过纤维素分子是一种葡萄糖

8、苷通过-1,4-1,4-葡萄糖葡萄糖苷键连接起来的链状聚合物苷键连接起来的链状聚合物-能被水解。能被水解。半纤维素由杂多糖（五碳糖、六碳糖、糖醛酸）半纤维素由杂多糖（五碳糖、六碳糖、糖醛酸）链组成。链组成。半纤维素链上连接着数量不等的甲酰基和乙酰基，半纤维素链上连接着数量不等的甲酰基和乙酰基，其分支结构使半纤维素无定形化其分支结构使半纤维素无定形化-易被水解成易被水解成糖类糖类 木质素是以苯丙基为基本结构单元的高分枝多分木质素是以苯丙基为基本结构单元的高分枝多分散性高聚物散性高聚物-难被降解；难被降解；（二）原料的预处理（二）原料的预处理（1 1）植物纤维预处理目的：）植物纤维预处理目的：破坏

9、细胞壁破坏细胞壁 (纤维素纤维素-木质素木质素-半纤维素）；半纤维素）；降低纤维素的结晶度；降低纤维素的结晶度；除去木质素或半纤维素；除去木质素或半纤维素；增加纤维素比表面积；增加纤维素比表面积；（2 2）植物纤维预处理方法：）植物纤维预处理方法：物理法物理法化学法化学法生物法生物法联合作用联合作用（三）几种预处理方法的比较（三）几种预处理方法的比较 1 1、物理法：需要较多能量，预处理成本高，水、物理法：需要较多能量，预处理成本高，水解得率低；解得率低；2 2、化学法：需耗用酸（解掉部分纤维素和半纤、化学法：需耗用酸（解掉部分纤维素和半纤维素）或碱（破坏木质素），时间较长维素）或碱（破坏木质

10、素），时间较长;3 3、生物法：主要缺点是白腐菌在除去木质素的、生物法：主要缺点是白腐菌在除去木质素的同时分解消耗部分纤维素和半纤维素。同时分解消耗部分纤维素和半纤维素。4 4、蒸汽爆碎法：半纤维素水解成单糖和寡糖，、蒸汽爆碎法：半纤维素水解成单糖和寡糖，部分木质素溶解而使得原料适合于纤维素酶的作部分木质素溶解而使得原料适合于纤维素酶的作用。用。蒸汽爆碎预处理的机理目前还不十分清楚，蒸汽爆碎预处理的机理目前还不十分清楚，但在蒸汽爆碎过程中，会发生以下变化：但在蒸汽爆碎过程中，会发生以下变化：细胞结构破环；细胞结构破环；纤维素结晶度和聚合度下降；纤维素结晶度和聚合度下降；半纤维素通过自水解作用转

11、变成单糖和寡糖；半纤维素通过自水解作用转变成单糖和寡糖；纤维素纤维素-半纤维素半纤维素-木质素的结构破坏；木质素的结构破坏；部分木质素的部分木质素的-芳醚键断裂且木质素发生部分缩合作芳醚键断裂且木质素发生部分缩合作用。用。（四）纤维素酶及酶解机理（四）纤维素酶及酶解机理 不是单种酶，是一组酶的总称，一般认为不是单种酶，是一组酶的总称，一般认为主要包括三类酶组分主要包括三类酶组分:(1)(1)内切葡聚糖酶内切葡聚糖酶(EG)(EG)：不能单独作用于结晶的纤维素；随机水解不能单独作用于结晶的纤维素；随机水解-1,4-1,4-葡聚糖，水解溶解的纤维素衍生物或葡聚糖，水解溶解的纤维素衍生物或者酸膨胀和

12、部分降解的纤维素，主要产物是者酸膨胀和部分降解的纤维素，主要产物是纤维糊精。纤维糊精。(2)(2)外切葡聚糖酶外切葡聚糖酶(CBH)(CBH)CBH CBH 能从纤维素链的非还原端能从纤维素链的非还原端(如瑞氏木如瑞氏木霉的霉的CBHII)CBHII)或者还原端或者还原端(如瑞氏木霉的如瑞氏木霉的CBHI)CBHI)一个一个地依次切下纤维二糖单位。一个一个地依次切下纤维二糖单位。单独作用于天然结晶纤维素时酶活力比较单独作用于天然结晶纤维素时酶活力比较低。但能同内切葡聚糖酶协同作用，彻底水低。但能同内切葡聚糖酶协同作用，彻底水解结晶纤维素。解结晶纤维素。有些真菌还可以产生另一类外切葡聚糖酶，有些

13、真菌还可以产生另一类外切葡聚糖酶，1,4-D-1,4-D-葡聚糖葡萄糖水解酶葡聚糖葡萄糖水解酶(EC3.2.1.74)(EC3.2.1.74)，可从纤维糊精的非还原端，可从纤维糊精的非还原端依次释放葡萄糖。葡萄糖水解酶同内切酶没依次释放葡萄糖。葡萄糖水解酶同内切酶没有协同作用，不能水解结晶纤维素，而只能有协同作用，不能水解结晶纤维素，而只能水解内切酶作用产生的纤维寡糖。因而，这水解内切酶作用产生的纤维寡糖。因而，这类外切酶也被认为属于类外切酶也被认为属于CxCx 酶。酶。(3)-(3)-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶(EC3.2.1.21)CB(EC3.2.1.21)CB酶酶 它能水解纤维二糖和短链的纤

14、维寡糖生它能水解纤维二糖和短链的纤维寡糖生成葡萄糖。对纤维二糖和纤维三糖的水解成葡萄糖。对纤维二糖和纤维三糖的水解很快，随着葡萄糖聚合度的增加，水解速很快，随着葡萄糖聚合度的增加，水解速度下降。度下降。该酶的专一性比较差。该酶的专一性比较差。酶解纤维素时，对无定形区仅酶解纤维素时，对无定形区仅EGEG即可使即可使之水解，对于结晶区需要有之水解，对于结晶区需要有EGEG和和CBH CBH 的协的协同作用。同作用。在纤维素溶解糖化过程中，在纤维素溶解糖化过程中，EGEG与与CBHCBH的的比值会显著地影响纤维素溶解活力，而且比值会显著地影响纤维素溶解活力，而且在纤维素糖化过程中在纤维素糖化过程中C

15、BCB组分的加入会使这组分的加入会使这种协同作用大大加强。但是，种协同作用大大加强。但是，CBCB与与EGEG，CB CB 与与CBHCBH的协同作用都很弱。的协同作用都很弱。CBHCBH使断裂的纤使断裂的纤维素水解为纤维二糖；维素水解为纤维二糖；CBCB进一步使纤维二进一步使纤维二糖水解成葡萄糖，糖水解成葡萄糖，CBCB亦能水解纤维寡糖为亦能水解纤维寡糖为纤维二糖和葡萄糖。纤维二糖和葡萄糖。（五）纤维素发酵方法（五）纤维素发酵方法 1 1、二步发酵法、二步发酵法 包括：产酶、酶解、发酵三个步骤。包括：产酶、酶解、发酵三个步骤。纤维素先由一种微生物生长而产酶纤维素先由一种微生物生长而产酶-经纤

16、维经纤维素酶或半纤维素酶的水解产生葡萄糖、木糖等发酵素酶或半纤维素酶的水解产生葡萄糖、木糖等发酵性糖，再由另外一类微生物性糖，再由另外一类微生物(如酵母菌如酵母菌)发酵产生发酵产生乙醇等物质，即二步发酵法；乙醇等物质，即二步发酵法；这三个步骤所需要的条件各不相同这三个步骤所需要的条件各不相同(如温度如温度)，整个过程经历的时间较长，需要二种微生物的作用，整个过程经历的时间较长，需要二种微生物的作用，在工艺上较复杂，实际生产中很难应用；在工艺上较复杂，实际生产中很难应用；2 2、一步法、一步法 经过一个步骤将纤维性物质转化为乙醇；经过一个步骤将纤维性物质转化为乙醇；（1 1）有）有2 2种微生物参与的直接发酵，（同时种微生物参与的直接发酵，（同时糖化发酵，消除酶解时产物对酶解作用的抑糖化发酵，消除酶解时产物对酶解作用的抑制）。制）。（2 2）有一个菌株参与的直接发酵法。）有一个菌株参与的直接发酵法。