生料乙醇发酵试验
摘要：以整粒生大米为原料，直接加水，接入酒曲，在自然 pH 条件下，通过对发酵过程中 pH、发酵温度、醪液中还原糖含量、酒精度的变化情况的观察、分析、化验，探讨生料乙醇发酵工艺的可行性。实验表明：以整粒生大米为原料，接入以纯种根霉、酵母培养的酒曲，可以保证生料大米乙醇发酵的安全进行。此工艺具有工序简单，操作简易，设备少，节约能源，出酒率高，显著降低产品成本的优点。发酵的工艺条件为：自然 pH、料水质量比 1∶2.5、接种温度 35 ℃～36 ℃、接种量为原料质量的 1%左右 （本试验所用酒曲）、发酵周期13 d～14 d。
燃料乙醇作为可替代日益减少的石油资源的可再生的、环保的生物能源，越来越受到世界各国的重视，尤其在发达国家，起步更早。作为替代产品，其能够被广泛应用的前提是性能优于或接近被替代产品，成本低于被替代产品，原料来源充足，经济环保。因此，燃料乙醇作为不可再生的石油的替代品，在当前就成为优选。
在传统的乙醇发酵中，作为终端产品的乙醇，是靠消耗大量的能源为代价获得的，能源利用率低，而且对环境造成污染。在高温蒸煮、降温糖化、发酵的过程中即消耗了生产总耗能的 35%～40%。为保证发酵生产的顺利、安全进行所采取的这些必要措施，导致了产品成本居高不下，从而限制了乙醇作为燃料的推广应用。
降低产品的成本，主要通过采用新原料、研制新设备、开发新工艺的途径，从目前的现状来看，进行新工艺的探索是最具潜力的。
生料乙醇发酵，不仅可以减少工序，节省设备，而且可以显著节省原料粉碎、蒸煮杀菌等工序的能源消耗，大大降低产品成本。
我们以大米为原料，接入以纯种根霉、酵母培养的酒曲，对生料乙醇发酵工艺的可行性进行了探讨性的试验，同时以相同条件下的熟料发酵做对比。
1 试验目的
a） 通过对生料、熟料发酵过程中酸度、温度、发酵醪中的糖分、酒精等各指标的观察分析，验证生料乙醇发酵工艺的可行性。
b )通过对不同加曲量、不同环境温度、不同接种温度发酵情况的对比，确定适宜的工艺条件。
2 实验器材
3 L 三角瓶、恒温箱、蒸馏装置。
3 原 料
大米：黑龙江建三盛达精米加工厂生产，水分13.2 g/100g、淀粉 71 g/100g；生料高产曲：湖南永州产；自来水：PH=7。
4 试验步骤
4.1 第一轮实验
a） 分别称取 1 000 g 大米两份，直接放入两个3 L 三角瓶内，按原料质量的 2.5 倍加水，调节品温至 36 ℃，加入原料质量 0.7%的酒曲，搅拌匀，密封放置于 33℃恒温箱中。
b） 分别称取 1 000 g 大米两份，浸泡蒸熟。将蒸熟的大米摊晾打散降温，要求松散无饭团。分别放入两个三角瓶，按原料质量的 1.5 倍加水，在品温36 ℃条件下加入原料质量 0.5%的酒曲，搅拌匀，密封放置于 33℃恒温箱中。
c） 发酵 2 d 后，每隔 2 d 搅拌一次，观察记录发酵醪的温度、pH。
d） 自第二次搅拌开始，分别取生料、熟料发酵醪各一个做样品，化验分析酒精度、糖度变化情况。
4.2 第二轮实验
a） 操作步骤同第一轮实验。
b） 加曲量增至 1%，加曲温度降至 35 ℃。
c） 恒温箱温度调至 30 ℃。
5 试验结果
5.1 第一轮实验
5.1.1 生料组
出酒折体积浓度 96%的酒精为 340 g。
原料出酒率 = 出酒质量÷原料质量×100%=340/1 000×100%=34.0%。
淀粉利用率 =34.0%÷ （71%×60.54%） ×100%=79.1%，
式中：71%———大米的淀粉含量质量分数；60.54%———100 单位淀粉理论出酒率 （折体积浓度 96%酒精），下同。
5.1.2 熟料组
出酒折体积浓度 96%酒精为 383.7 g。
原料出酒率 =388.7/1 000×100%=38.37%。
淀粉利用率 =38.37%÷（71%×60.54%）×100%=89.3%。
5.2 第二轮实验
5.2.1 生料组
出酒折体积浓度 96%酒精为 381.7 g。
原料出酒率 =381.7/1 000×100%=38.17%。
淀粉利用率 =38.17%÷（71%×60.54%）×100%=88.8%。
残渣收得率 = 烘干后的残渣质量÷原料质量×100%=37.8/1 000×100%=3.78%
5.2.2 熟料组
出酒折体积浓度 96%酒精为 390.6 g。
原料出酒率 =396.6/1 000×100%=39.06%。
淀粉利用率 =39.06%÷（71%×60.54%）×100%=90.9%。
残渣收得率 =24.6/1 000×100%=2.46%。
6 试验分析
a） 通过两轮实验结果看，发酵醪的 pH值经过3 d～4 d 的发酵后，无论是生料还是熟料，从起始pH7 下降到 pH5，然后维持在 pH5 的水平，在这阶段，从发酵的表面观察正是发酵旺盛期。在这个pH值水平上，正是根霉糖化、酵母发酵比较适宜的酸度环境。从 pH值的变化情况可以分析得出：在发酵的过程中没有染菌的现象，发酵是安全的。
b） 在发酵的主酵期，发酵醪中的还原糖水平基本维持在一个较低的、稳定的水平，这是由双边发酵工艺的机理决定的。在边糖化边发酵的工艺条件下，开始就处于绝对优势的根霉菌，匀的层层作用于原料，这就为同时占据绝对优势地位的酵母充分利用创造了便利的自然条件，使杂菌没有机会繁殖。当根霉菌与酵母繁殖到一定的数量，发酵达到平衡状态，在这样一个平缓的、持续的平衡状态下，根霉菌分解淀粉得到的糖分被酵母菌迅速充分的利用，从而不会造成发酵醪中还原糖的积累，因此，发酵醪中的还原糖含量比较低而且稳定。从化验结果看，在生料、熟料发酵中，还原糖的水平维持在 1 g/100mL 左右。在这样一个低水平下，不会造成发酵过猛的现象，发酵所处的环境有利于酵母保持旺盛的活力，杂菌也没有机会繁殖。同时随着发酵过程的进行不断积累的乙醇也抑制了杂菌的繁殖。在这种发酵机理作用下，生料乙醇发酵的原料虽然没有经过高温杀菌，也没有通过其他措施控制杂菌，却没有出现杂菌污染，并能使发酵安全、进行，说明双边发酵的工艺具有自身免疫的优势，从上面的分析也可以说明这一点。
c） 为有利于酒曲菌种的迅速复活，保证发酵的启动，把接种温度设计在 35℃ ～36 ℃，可以避免为原料本身所带的杂菌创造适宜的繁殖环境 （杂菌繁殖的适宜温度为 37℃～50 ℃）。在双边发酵的机理下，发酵醪中的还原糖不会大量积累，进而出现发酵过猛、品温过高的现象，从发酵品温的观察记录印证了边糖化边发酵工艺所具有的这种优点。
7 试验结论
a） 以整粒大米为原料，接种以纯根霉、酵母培养而成的酒曲，进行生料乙醇发酵，可以安全顺利进行。
b） 发酵的适宜工艺条件：自然 pH环境，料水质量比为 1∶2.5，接种温度 35 ℃～36 ℃，接种量为原料质量的 1%左右，发酵周期 13 d～14 d。
c） 此工艺的优点：①工序简单。用大米或与大米差不多粒径的原料，可以省去了粉碎、蒸煮、糖化等工序。②设备少，减少了投资和占地。由于工序的简化，省去了蒸煮、糖化设备，减少了这部分设备的投资及占地。③节约能源。节约了粉碎、蒸煮、糖化等所消耗的水、电、汽 （其占总能耗的35%～40%），节能效果显著，可大大降低产品成本。④出酒率高，淀粉利用率高。原料出酒率可达 39%，淀粉利用率可达 90%。⑤人员减少，节省开支。工序的简化，带来的是操作人员的减少，费用的降低。
来源：惠合浓缩器
