响应面法优化玉米生料生产乙醇工艺的研究.docx

劳动强度大幅下降，降低生产成本[3，4]。2022年9月，国家发改委、国家能源局、财务部等十五部委出台的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》规定。按照规划要求，2022年我国所有车用汽油均改为乙醇汽油，当前我国车用汽油表观消费量为1.23亿t，2022年我国汽油消费量将达到1.5亿t，那么按10%组分计算，燃料乙醇消费量为1500万t，是当前消费量的5倍，市场空间巨大[5-8]。响应面分析法（ResponseSurfaceMethodology，简称RSM），对实验数据进行合理化综合分析，通过试验设计、建立模型、分析模型合理性和寻求最优解等步骤，经过众多试验与统计技术论证，来解决实际生产中存在问题的有效方法，该方法在生物发酵方面已有广泛应用[9-13]，本试验采用全玉米粉为原料，进行单因素实验研究后，通过响应面法对生料发酵生产燃料乙醇的工艺研究。1实验部分1.1材料與试剂1.1.1试验材料全玉米粉，淀粉含量65.13%;安琪超级酿酒干酵母（安琪酵母股份有限公司生产）;生料预液化酶制剂（商品酶制剂）;生料酶（商品酶制剂）;葡萄糖（分析纯）;氢氧化钠（分析纯）;盐酸（分析纯）;硫酸（分析纯）;苏宏GA475（诺维信公司糖化酶，酶活力10～13万u/mL）;尿素;青霉素。1.1.2主要试剂裴林试剂甲乙液、0.5%次甲基蓝溶液、0.25%葡萄糖溶液。1.2仪器与设备液相色谱（Agilent1200安捷伦科技发展有限公司）;显微镜（尼康50I）;分析天平（MettlerML6002T梅特勒-托利多仪器上海有限公司）;离心机（3-18kSigma公司）;水浴锅（HWS-28上海一恒科技有限公司）;摇床（ZHWY-2112F上海智城分析仪器制造有限公司）;黏度计（NDJ-5S上海恒平科学仪器有限公司）;pH计（FE-28梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）。1.3检测方法1.3.1残糖的测定方法斐林试剂法[14]检测发酵后残还原糖、残总糖、过滤总糖。1.3.2黏度的测定方法使用黏度计NDJ-5进行测定。1.3.3酵母测定显微镜下观察，血球计数板计数。1.3.4成熟醪内各个组分的测定方法高效液相色谱法：采用安捷伦1200型色谱进行测定，流动相：0.005mol/LH2SO4;色谱柱：伯乐HPX-87H，300mm×7.8mm;泵流速：0.6mL/min;柱温：65℃;RID温度：50℃;进样量15μL;运行时间30min[15]。1.4实验方法1.4.1酵母活化按照0.05%加入安琪超级酿酒高活性干酵母，称取10g干酵母至三角瓶中，加入143g活化水（35℃一次水），搅拌均匀后，置于35℃的恒温培养箱中，活化20min后取出，向发酵体系中添加2.5mL活化液。1.4.2发酵实验取工厂生产线玉米原料，粉碎过筛，按照一定配料浓度进行拌料，调节pH至4.4～4.6，加入生料预液化酶制剂，在50～55℃下浸泡1h，在60～65℃下保持0.5h后冷却至32℃，称取液化醪300g至锥形瓶中，加入酵母活化液、生料酶、尿素以及青霉素，恒温32℃发酵85h时。1.4.3醪液中乙醇含量数据检测依照液相色谱法检测醪液中酒精含量。1.4.4单因素实验通过实验考察原料粒度、发酵时间、生料酶加量、底物浓度4个单因素对玉米生料发酵效果的影响。1.4.5响应面优化实验以单因素实验结果为基础，采用Minitab软件，以A（原料粒度）、B（发酵时间）、C（生料酶加量）、D（底物浓度）、Y（淀粉出酒率）作为响应指标，验证各个单因素A、B、C、D交互作用对Y的影响，寻找各个单因素水平组成的最佳发酵条件。2结果与分析2.1单因素实验结果2.1.1原料粒度对发酵的影响取20目筛、40目筛、60目筛粉碎玉米原料，按30%浓度配料，调节pH至4.4，加入生料预液化酶制剂0.5%（w/w），在55℃浸泡1h后再60℃水浴锅中维持保持0.5h，取出后冷却至32℃，称取液化醪300g至锥形瓶中，加入酵母活化液（干酵母加量0.05%），加入生料酶1.0%（w/w），尿素以及青霉素，恒温32℃发酵85h（图1）。由图1可以看出，随着原料粒度的增加，粉碎粒度越细，试验组酒份逐渐增加，但通过图中数据能够看到随着原料粒度的增加，发酵残总糖也会随之升高。粒度增加，导致淀粉粒越小，这就使总体的淀粉颗粒表面积增加，并且越容易形成悬浊液，糖化酶和酵母与淀粉颗粒发生相互作用几率增加，化学反应就更加充分，有利发酵的顺利进行[16]。但是如果将淀粉颗粒粉碎的越细，越小，该过程中消耗能源也将随之增长，且增加明显。因此并不是颗粒越小越好。故而综合多方面因素，选择40目粒度进行发酵是比较恰当的。2.1.2底物浓度对发酵的影响取40目全玉米粉，分别按照20%、25%、30%、35%、40%浓度进行配料，