陈化稻谷掺混小麦生产燃料乙醇的调浆液化过程黏度研究_沈乃东.pdf

第52卷第2期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Contemporary Chemical Industry February，2023 收稿日期收稿日期：2022-11-21 作者简介作者简介：沈乃东（1986-），男，山东省临沂市人，高级工程师，研究方向：生物液体燃料技术开发与应用。E-mail：。通通信信作者作者：李凡（1981-），男，高级工程师，博士，研究方向：生物液体燃料技术开发与应用。E-mail：。陈化稻谷掺混小麦生产燃料乙醇 的调浆液化过程黏度研究 沈乃东1,2，李红波3，曹敏敏3，张宏嘉1,2，王泽兴4，李丹丹1，张恩东1，郭翠3，吴德旺3，李义2,5，李凡1,2*（1.中粮营养健康研究院有限公司，北京 102209；2.国家能源生物液体燃料研发（实验）中心，北京 102209；3.中粮生物科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233010；4.中粮生化能源（肇东）有限公司，黑龙江 肇东 151100；5.玉米深加工国家工程研究中心，吉林 长春 130033）摘 要：超期贮存的稻谷、小麦，不能作为口粮，可由饲料加工或酒精制造企业消纳。各家工厂在实践中逐渐摸索了稻谷、小麦掺混其他原料生产燃料乙醇的工艺，积攒了宝贵的生产经验，但对于使用不同比例的陈化稻谷和小麦，缺乏调浆液化过程黏度变化研究。利用快速黏度分析仪研究不同温度下调浆液化过程中黏度变化，优化陈化稻谷和小麦的原料比例，并开展发酵验证，对工厂利用陈化稻谷和小麦原料生产过程中的原料配比选择和调浆液化工艺调整提供一定参考。关 键 词：燃料乙醇；调浆液化；黏度；原料比例 中图分类号：TS261.4 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0488-05 Study on Viscosity During Slurry Mixing and Liquefaction in Fuel Ethanol Production by Over-storage Rice and Wheat SHEN Nai-dong1,2,LI Hong-bo3,CAO Min-min3,ZHANG Hong-jia1,2,WANG Ze-xing4,LI Dan-dan1,ZHANG En-dong1,GUO Cui3,WU De-wang3,LI Yi2,5,LI Fan1,2*（1.COFCO Nutrition and Health Institute,Beijing 102209,China;2.National Energy Research Center of Liquid Biofuels,Beijing 102209,China;3.COFCO Biotechnology Co.,Ltd.,Bengbu Anhui 233010,China;4.COFCO Bio-energy(Zhaodong)Co.Ltd.,Zhaodong Heilongjiang 151100,China;5.National Engineering Research Center of Corn Deep Processing,Changchun Jilin 130033,China）Abstract:Over-storage rice and wheat can not be used as food,but can be processed by feed factories or alcohol factories.In practice,factories explored fuel ethanol production by over-storage rice and wheat blending other raw materials and accumulated valuable experience in production.There is a lack of research on the changes of viscosity during slurry mixing and liquefaction for the use of different proportions of over-storage rice and wheat.The viscosity changes during the process of slurry mixing and liquefaction at different temperatures were studied by RVA,the raw material mixing proportion of over-storage rice and wheat was optimized,and the fermentation experiment was carried out.The paper can provide reference to factories for adjusting the proportion of raw materials and adjusting the slurry mixing and liquefaction process in ethanol production by over-storage rice and wheat.Key words:Fuel ethanol;Slurry mixing and liquefaction;Viscosity;Raw material mixing proportion 燃料乙醇作为化石燃料的替代能源，已经逐步发展为一个全球年产超过 8 000 万 t 的绿色新兴产业1。我国燃料乙醇行业经过近 20 年的发展，年产量于 2019 年达到历史最高的 299 万 t。2021 年受疫情影响，产量下滑至 257 万 t。燃料乙醇行业在发展初期，一直以陈化玉米为主要原料进行生产。生产实践已经证明，燃料乙醇不仅是余粮的“调控器”，促进粮食“生产-存储-消费-生产”的良性循环，更是解决霉变和毒素超标等“问题粮食”的唯一现实有效途径。近年来，随着玉米价格的不断上涨，利用其他可替代陈粮逐渐成为燃料乙醇行业的新 趋势。中国粮食总体上库存充实、储备充足、供给充裕，库存消费比远远超过国际粮食安全警戒线2。根据国家粮油信息中心预计，2021/2022 年度国内稻谷总消费 20 684 万 t，稻谷市场产需结余 800 万 t3，已经连续多年保持盈余。另外，预计 2022/2023 年度国内小麦供求结余量约为 1 845.2 万 t，比上年度增加 1 840 万 t。我国稻谷、小麦全社会库存量处于历史较高水平，能够满足一年以上的口粮消费需 DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.028 第 52 卷第 2 期 沈乃东，等：陈化稻谷掺混小麦生产燃料乙醇的调浆液化过程黏度研究 489 求2,4。通常稻谷储藏半年到一年、在高温条件下13 个月就会导致陈化。超过 3 年贮存期的稻谷、小麦，不能作为口粮，但可由饲料加工或酒精制造企业消纳。陈化稻谷、小麦已经逐渐被燃料乙醇生产企业用作原料，许多企业都在摸索以多种陈化粮为原料的柔性生产工艺，生产规模每年近百万吨。各家工厂在实践中逐渐摸索了全稻谷、脱壳稻谷、小麦掺混其他原料生产燃料乙醇工艺，积攒了宝贵的生产经验5-10。但对于使用不同比例的陈化稻谷和小麦，调浆液化过程没有深入研究报道。陈小麦不提取谷朊粉，全粉碎后含有较高的非淀粉性多糖，在调浆液化过程黏度高，影响输送1,8。研究掺混不同比例的小麦后黏度变化对于调浆液化工艺非常必要。本文利用快速黏度分析仪系统研究不同温度下脱壳后的陈化稻谷、小麦单一原料及混合原料调浆液化过程中黏度变化，据此进一步优化陈化稻谷和小麦的原料配比比例，并开展摇瓶发酵验证实验，为生产企业控制原料比例和调整调浆液化工艺提供一定参考。1 实验材料和方法 1.1 实验材料 陈化稻谷、小麦，中粮生物科技有限公司沫河口分厂；-淀粉酶，14 万 Ug-1，杰能科（中国）生物工程有限公司；木聚糖酶，3 万 Ug-1，山东隆科特酶制剂有限公司；超级酿酒高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司；糖化酶，15 万 Ug-1和 35 万 Ug-1两种 11 复配使用，山东隆科特酶制剂有限公司；酸性蛋白酶，10 万 Ug-1，山东隆科特酶制剂有限公司；安菌泰，柳州龙泰科技有限公司；H2SO4、尿素等试剂均为国产分析纯。1.2 实验设备 RVA 4500 快速黏度分析仪，珀金埃尔默公司；ME2002 电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；PB-21 pH 计，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；PC-E6000 数显恒温水浴锅，常州荣华仪器制造有限公司；WS-600R 恒温振荡培养箱，维根斯公司；3-18 K 离心机，美国 Sigma 公司；1 L 玻璃液化罐，河南神泰公司；Agilent 1260 液相色谱，安捷伦科技发展有限公司。1.3 实验方法 1.3.1 稻谷单一原料调浆液化的 RVA 测试 采用 RVA 标准程序测定脱壳稻谷（下文称糙米）原料调浆液化过程黏度变化，在铝罐中称量10.25 g 糙米和 19.55 g 热水，初始干物质质量分数30%，控制热水温度使得混合后温度为 55、60、65、70、75，用 20%H2SO4迅速调 pH 至 5.8，加入0.2 mL 淀粉酶稀释液（加量 0.167 gkg-1原料）。将铝罐放入 RVA 中，加热至 55、60、65、70、75，保持 20 min，同时以 150 rmin-1持续搅拌，2 min 升温至 85，保持 60 min，通过软件记录全程黏度参数。1.3.2 小麦单一原料调浆液化的 RVA 测试 采用 RVA 标准程序测定小麦原料调浆液化过程黏度变化，在铝罐中称量 10.08 g 小麦和 19.52 g热水，初始干物质质量分数 30%，控制热水温度使得混合后温度为 55、60、65、70、75，用 20%H2SO4迅速调 pH 至 5.8，加入 0.2 mL 淀粉酶稀释液（加量0.167 gkg-1原料）和 0.2 mL 木聚糖酶稀释液（加量0.078 gkg-1小麦）。将铝罐放入 RVA 中，加热至 55、60、65、70、75，保持 20 min，同时以 150 rmin-1持续搅拌，2 min 升温至 85，保持 60 min，通过软件记录全程黏度参数。1.3.3 稻谷小麦混合原料调浆液化的 RVA 测试 采用 RVA 标准程序测定混合原料调浆液化过程黏度变化，按小麦占比 15%、30%、50%、75%，在铝罐中称量不同质量的小麦和糙米，加热水，初始干物质质量分数 30%，控制热水温度使得混合后温度为 65，用 20%H2SO4迅速调 pH 至 5.8，加入 0.2 mL 淀粉酶稀释液（加量 0.167 gkg-1原料）和0.2 mL 木聚糖酶稀释液（加量 0.078 gkg-1小麦）。将铝罐放入 RVA 中，加热至 65，保持 20 min，同时以 150 rmin-1持续搅拌，2 min 升温至 85，保持 60 min，通过软件记录全程黏度参数。1.3.4 调浆液化发酵评价实验 利用 1 L 玻璃液化罐，分别以 100%糙米、100%小麦、70%糙米掺混 30%小麦为原料，开展液化实验，调浆温度 65，拌料干物 30%，调 pH 至 5.8，加入淀粉酶（加量 0.167 gkg-1原料）和木聚糖酶（加量 0.078 gkg-1小麦），120 rmin-1搅拌 2 h 后，迅速放入冰水浴中搅拌降温至 32，醪液调 pH 至 4.2，分装每瓶 200 g。分别加入糖化酶（加量 0.7 gkg-1原料）、尿素（加量 0.67 gkg-1原料）、酸性蛋白酶（加量 0.05 gkg-1原料），安菌泰（加量 0.013 gkg-1原料），加入 0.05%的超级酿酒高活性干酵母，在转速