木薯——生物乙醇生產(chǎn)的新原料段鋼,許宏賢, Shetty JK(丹尼斯克·杰能科,江蘇無錫,214028)摘要從全球范圍來看,生物乙醇的生產(chǎn)導致了對農(nóng)作物需求的持續(xù)增長。過去大部分農(nóng)作物主要用于食品和飼料,種植規(guī)模受到隈制;現(xiàn)在隨著生物乙醇生產(chǎn)對原料的需求,使農(nóng)作物得到了新的應用,而種植規(guī)模的擴大將給農(nóng)民帶來更多的收入。木薯,在熱帶和亞熱帶,特別是在土地相對貧瘠,其他農(nóng)作物產(chǎn)量相對較低的地區(qū)廣泛種植,過去常常被當作食品和飼料。文中的經(jīng)濟分析和新技術的介紹表明,木暮是一種非常有竟爭力的生物乙醇生產(chǎn)原料關鍵詞木暮,生物乙醇,晦制劑,節(jié)能,增效從本質上講,凡含有淀粉的農(nóng)作物在酶的作用下各樣的高附加值產(chǎn)品5n,詳見圖1所示。都可以轉化成葡萄糖,從而可生產(chǎn)各類以葡萄糖為源木薯被譽為淀粉之王,按干基計算含有80%以頭的生物化工產(chǎn)品,其中包括生物乙醇。在美國用于上的淀粉。大部分用木薯根生產(chǎn)淀粉的工廠由農(nóng)民生物乙醇生產(chǎn)的主要原料是玉米,在歐洲則為小麥、建造。用木薯根生產(chǎn)淀粉的具體的過程包括洗滌、黑麥和大麥,在亞洲的許多地區(qū)則廣泛使用玉米、高除泥和去沙去皮等一系列的洗滌和碾壓,以分離纖維粲和小麥。木薯在植物分類學上屬雙子葉植物綱和淀粉( Dicotyledoneae)、薔薇亞綱( rosidae)、大戟目木薯淀粉的懸浮液需用大量的水進行徹底沖洗( Euphorbiales)、大戟科( Euphorbiaceae)、木薯屬離心分離,然后干燥。通常4~5t淀粉含量25%(Mnio)植物,屬內(nèi)有150多個種,其中僅木薯30%的新鮮木薯根可以生產(chǎn)出1t干淀粉。木薯淀粉( Manihot esculenta crantz)為唯一的栽培種,別名木的生產(chǎn)耗水量巨大,同時生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的不溶蕃薯,樹薯,西班牙文名為Yuca, Tapioca和Mani-性殘渣如皮和漿柏,而這些殘渣需要進一步處理以避oc,英文名為 Cassava.木薯及其親緣種都是低地的免對環(huán)境的污染熱帶灌木,起源于熱帶美洲。它生長在熱帶和亞熱在過去的5年中,全球范圍乙醇市場得到了顯著帶,在土地相對貧瘠,其他農(nóng)作物產(chǎn)量相對較低的地的增長,并由于下列因素的推動而有繼續(xù)發(fā)展的可區(qū)種植廣泛[1,0能-10。當今世界上木薯的產(chǎn)量已經(jīng)突破2億t,每公頃不斷增長的原油和汽油價格;產(chǎn)量高的可達60t低的只有5t,平均水平在每公頃各國對減少進口燃料的愿望;25~30t。木薯成熟后收獲期很長,可在地下儲存24農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展;生產(chǎn)淀粉或其他產(chǎn)品的企業(yè)提供了保證。而另一方多當?shù)剞r(nóng)民組織發(fā)展更緊密產(chǎn)銷一體化的愿個月,某些品種甚至可達36個月,這就為用新鮮木薯面,新鮮木薯也被加工成木薯干片、木薯干粒和用于舞稅收的激勵;飼料生產(chǎn)的木薯干粉。根據(jù)FAO提供的數(shù)據(jù),木薯新能源浪潮的政治企愿;產(chǎn)品2005年的分布如下:非洲54%亞洲27%,拉丁投資的堅實回報;各種不同淀粉質/糖質原料生產(chǎn)可再生燃料美洲18%。尼日利亞和泰國是世界上最大的木薯生的能力產(chǎn)國。成熟的木薯通常有50%的根、30%木質莖*通過使用生物乙醇減少溫室氣體排放;和20%軟質部分和葉子1。淀粉含量很高的根被進可再生乙醇生產(chǎn)能量的正平衡一步加工成木薯干片、木薯干粒、木薯淀粉以及各種He生產(chǎn)討程伏化;中國煤化工第一作者:工學博士收稿日期:2008-05-09NMHG106|2o0o4No8(oa2綜逵與專題評木蕃淀粉薯于片或粒直接利用木萼皮和漿液蒸煮,燒烤直接利用酒精:燃料檸檬酸干燥:木薯籽混合肥料種彰菇甜點變性淀粉乙醇:酒水,工業(yè)級或醫(yī)藥級乙醇乙?；?調料、速凍食品、湯料、餡餅皮、膠水聯(lián):沙拉調料、頭、青、紙張、紡織氧化:糖果、湯料、沙拉調料、紡織有機酸陽離子:紙張、紡織檸檬酸甜味劑氛基酸及其行生物葡萄糖欄精:糖果、飲料,藥品、冰淇淋山梨醇:牙新賴氨酸圖1木薯根高附加值產(chǎn)品的加工南美乙醇的生產(chǎn)主要在巴西,所用原料為甘蔗和糖蜜在北美美國是生物乙醇生產(chǎn)的推動者在過去1木薯作為乙醇生產(chǎn)原料的特性的幾年里每年以2位數(shù)的速度增長,并且這種增長趨1.1主要生產(chǎn)原料的產(chǎn)量和成本對比勢在今后的3~5年仍將保持。圖2顯示的是美國歷如表1所示,生產(chǎn)生物乙醇所用的不同農(nóng)作物在史上生物乙醇的產(chǎn)量,總體的平均年增長率在14%產(chǎn)量、價格、乙醇產(chǎn)率和副產(chǎn)品加工等方面有著明顯左右,而近5年的年增長率達到21%。的差異。值得一提的是,過去絕大部分農(nóng)作物的生產(chǎn)800是為了在食品/飼料行業(yè)的使用,因此并沒有為了生物乙醇的生產(chǎn)在產(chǎn)量、成本、淀粉含量生產(chǎn)過程等方聯(lián)o0oo000面進行優(yōu)化。甘蔗和玉米在巴西和美國分別被作為能源作物,這是個非常好的例子。技術進步、政府支HULl持、市場發(fā)展三者的有機結合,大大促進了諸如玉米小麥、甘蔗/甜菜等農(nóng)作物的產(chǎn)量提高和成本降低,從∮押∮φ∮押∮小小心而使源于農(nóng)作物生產(chǎn)的生物乙醇可以在成本和產(chǎn)量上與漫千有沖牛產(chǎn)的燃料相音學,除了提高糖淀粉圖2美國歷史燃料乙醇產(chǎn)量(MLPY)的產(chǎn)來源;能源協(xié)會的CNMHG類似的產(chǎn)量增加和成本降低也是可能的,從表1可以看到,與其他主要200年第34卷第8期(菊24期)107的乙醇生產(chǎn)作物相比,木薯的每公頃乙醇的產(chǎn)量和每公頃的收入是非常具有競爭力的。表1生物乙醇主要產(chǎn)量和成本對比農(nóng)作物產(chǎn)量/t;(h價格/$·t1收入/s·(hm2)-1乙醇產(chǎn)量/幾tf乙醇產(chǎn)量/L,(hm2)1副產(chǎn)物甘蔗15~21050~150090~1006300~7500甘蔗渣,酵母甜菜76~1101824~2750玉米8.5~9.570~100595~950385~4003272~3800DDGS2.5~4.9114~118378~390945~1911谷朊粉,酵母20~6020~30400~1800160~1803200~108001.2玉米和木薯于片的對比分析,木薯作為一種備選的乙醇生產(chǎn)農(nóng)作物,與其他凡是谷物,如玉米除含有淀粉外,還含有大量的谷物及甘蔗/糖蜜一樣,有著巨大的發(fā)展空間蛋白質、脂肪和油,作為食品和動物飼料可提供大表3木薯與玉米乙醇經(jīng)濟性對比的營養(yǎng)。另一方面,如表2所示,干燥后木薯根的淀粉含量比玉米高由于淀粉含量的高低是乙醇產(chǎn)出高每公頃產(chǎn)量/t每噸作物價格/$低的決定性因素,所以與玉米相比,二者均為干物時每公頃作物收人/$相等量的木薯可以比玉米生產(chǎn)出更多的乙醇。因此每噸作物糖產(chǎn)量/kg作為能源作物,未來木薯可能比玉米有更好的經(jīng)濟效每公頃作物糖產(chǎn)量/t益。譬如說,木薯乙醇生產(chǎn)中副產(chǎn)品如DDS價值每噸作物乙醇產(chǎn)量幾L每公頃作物乙醇產(chǎn)量/L提高,會吸引更多人的關注。每升乙醇原料成本/0.21表2玉米和木薯干片的對比%每升乙醇副產(chǎn)品收益/$組成玉米木薯干片每升乙醇生產(chǎn)過程費用/$分每升乙醇生產(chǎn)成本/S淀粉(千基)75~85每公頃土地按乙醇0.6$L的收益1,311蛋白質(干基)8~141.5~3.0脂肪(干基)灰分(干基)2木薯乙醇生產(chǎn)粗纖維(干基)3.0~4.0年產(chǎn)500萬L乙醇工廠經(jīng)濟估算1.3木薯與玉米乙醇經(jīng)濟性對比如前所述,木薯乙醇生產(chǎn)效益最大化的辦法應通如表1所示,農(nóng)作物的產(chǎn)量隨著土地情況、地理過綜合措施的采用(如農(nóng)作物品種改良、成分品質的位置、品種、耕作方法的不同而有所不同。表3的數(shù)提高生產(chǎn)過程的優(yōu)化等),然而生產(chǎn)規(guī)模,包括工廠據(jù)是木薯與玉米乙醇生產(chǎn)經(jīng)濟性對比的典型實例。規(guī)模、土地、市場、當?shù)亟?jīng)濟等諸多因素對木薯生產(chǎn)生從表3可以看出,每公頃土地作物產(chǎn)出生產(chǎn)的乙醇收物乙醇也有著重要的影響。表4所示是以木薯為原入,木薯和玉米是非常接近的。然而,這2種作物的料年產(chǎn)500萬L乙醇工廠的經(jīng)濟初步分析。值得產(chǎn)量和成本在很多方面是不同的,如:每公頃土地濕提的是,這種估計是在全年使用木薯的基礎上進行木薯的產(chǎn)量比干玉米的高,而價格干玉米的比濕木薯的,然而實際上,有許多問題值得商榷。如:的高,考慮這一因素每公頃種植木薯的收入比玉米(1)工廠全年是否都使用木薯為生產(chǎn)原料?是少。每公頃土地作物的糖產(chǎn)量和相應比例的乙醇產(chǎn)否會使用其他原料?在進入工廠前木薯是否砍碎曬量木薯也少于玉米。然而對乙醇生產(chǎn)成本影響最大千;的是原材料的價格,即農(nóng)作物的價格,所以木薯乙醇(2)工廠能否使用剛收獲的新鮮木薯生產(chǎn)仍有著吸引人的前景。但如前所述,乙醇生產(chǎn)中(3)副產(chǎn)物的處理是作為動物飼料、肥料,還是副產(chǎn)品也對整個生產(chǎn)成本有影響。木薯乙醇生產(chǎn)的厭氧發(fā)酵;副產(chǎn)品DDS其營養(yǎng)成分低于玉米乙醇生產(chǎn)中的副產(chǎn)(4)最后,木薯乙醇工廠在經(jīng)濟上的可行性最終品DDGS,生產(chǎn)成本也高。并且木薯乙醇的生產(chǎn)過程取決什H中國煤化工其費用也高于玉米。然而生產(chǎn)過程的優(yōu)化設計也許CNMHG產(chǎn)的經(jīng)濟效益應該可以使木薯乙醇生產(chǎn)的總成本最終低于玉米。綜上不錯108200yo34No8(tota248)表4年產(chǎn)500萬L木薯乙醇工廠經(jīng)濟估算2.3木薯干酶法低能耗水解生產(chǎn)乙醇過程5×106/L木薯干片低溫過程生產(chǎn)乙醇的研究由杰能科丹每公頃土地產(chǎn)量/t每噸作物價格/$尼斯克全球谷物應用實驗室完成,概述如下:25每噸作物乙醇產(chǎn)量幾L通常來講,木薯干片含有12%~15%的水分和每公頃土地糖產(chǎn)量/kg67502%~5%的沙子,木薯干片經(jīng)錘式粉碎機粉碎,使顆每公頃土地乙醇產(chǎn)量幾L粒度至少50%通過30目篩。加水調漿,控制配料濃每升乙醇原料價格/$0.17每升乙醇副產(chǎn)品收益/S度25%~32%之間,調節(jié)pH5.5,加入耐高溫a淀粉每升乙醇生產(chǎn)過程費用/$0.21酶(如杰能科的 SPEZYMETM Xtra,添加量0.1~每升乙醇生產(chǎn)成本/s0.360.25kg/MT),然后將醪液升溫至70~75℃,維持1每年運行總費用/百萬每年乙醇收入按0.6$L計/百萬~2h至反應完全,然后降低醪液溫度至30~32℃,每年種植土地需要/hm2調節(jié)pH4.2,加入糖化酶(如杰能科的 DISTIL每年作物收獲量ltLASE L-400,添加量1.0kg/MT),同時添加酵母每年作物收入/百萬$每公頃土地殘余干生物京/t和尿素(800pg/g),發(fā)酵周期48h,發(fā)酵過程的不同每公頃土地可提供生物素能量/百萬BTU時期采樣,用HPLC方法進行乙醇含量測定。生產(chǎn)每升乙醇所提供的生物素能量/BTU375752.2木薯作為生物乙醇生產(chǎn)原料的分析如表1和表2中的比較和分析,木薯作為生物乙醇的生產(chǎn)原料非常有潛力,尤其是在東南亞和非洲如生產(chǎn)工序簡化,并有相對較好的經(jīng)濟效益,農(nóng)民將從生產(chǎn)木薯干片或木薯干粉轉向生產(chǎn)附加值更高產(chǎn)品,如燃料乙醇(1-13。新鮮的木薯根通常含有30%時間h左右淀粉和5%的可發(fā)酵性糖。木薯干片含有約圖3不同干物濃度對木薯干片乙醇產(chǎn)量的影響80%的淀粉,這一點和大米非常相似如圖3所示,乙醇含量隨著發(fā)酵時間的延長逐步在亞洲的一些國家許多工廠采用木薯根生產(chǎn)工增加在發(fā)酵72h,28%和32%千物濃度發(fā)酵醪中乙業(yè)乙醇。傳統(tǒng)的工藝如下,木薯根通過洗滌除沙除醇濃度分別達到最大值12%和14%。泥,碾成稀漿然后過篩。漿液在耐壓的蒸煮機中通過傳統(tǒng)的酶法工藝通常采用直接或間接蒸汽對醪稀釋的硫酸得到進一步水解,直到總糖濃度達到15%~17%,調節(jié)pH值以后再接人酵母發(fā)酵3~液進行加熱,醪液的溫度往往高于100℃,液化需在95~98℃維持90~120min,然后60℃糖化8~12h4d,采用酸法水解木薯根得到可發(fā)酵性糖生產(chǎn)乙醇生產(chǎn)葡萄糖。傳統(tǒng)工藝能耗高,可發(fā)酵性糖在高溫過的方法,一般1t木薯根可以生產(chǎn)70~110L純乙醇°程中損失大,所以在乙醇生產(chǎn)程中,能降低整個生產(chǎn)以木薯根為原料生產(chǎn)出來的乙醇通常是工業(yè)乙醇,或成本的低能耗工藝顯得十分重要和必要[2。者是用于特殊的領域如化妝品、溶劑、藥品等的乙醇。以木薯根為原料生產(chǎn)出來的乙醇如果想食用,應該2.4鮮木薯酶法低溫水解生產(chǎn)乙醇過程以前,鮮木薯不用于乙醇生產(chǎn),主要原因是由于別注意去除其中的氫氰酸酸法水解淀粉生產(chǎn)葡萄糖現(xiàn)在已經(jīng)被酶法水解黏度問題,而黏度是由于鮮木薯中除了淀粉、蛋白所替代。酶法水解是粉漿和耐高溫淀粉酶混合后通和脂肪外,還含有較多的纖維、非淀粉類多聚糖和可過噴射器得到糊精,然后加入糖化酶水解成葡萄糖。發(fā)酵糖等等,水分占75%以上,因此基本上不能再高濃度的葡萄糖糖漿進一步發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。與酸法向系統(tǒng)內(nèi)添加更多的水,否則發(fā)酵出的乙醇的濃度水解相比,酶法水解有許多優(yōu)點。在200年,Duan會很低。傳統(tǒng)的工藝過程由于要在高溫下進行,使得生產(chǎn)過程,與傳統(tǒng)的用高濃度的葡萄糖糖漿發(fā)酵相入大的醪液難以用泵正常輸送,換熱器難以有效等門證明用木薯干片經(jīng)高溫液化后邊糖化邊發(fā)酵的黏中國煤化工低酶對研磨過的鮮比,發(fā)酵周期大大縮短。木薯CNMHG解酶和酵母一同發(fā)酵取得了很好的效果。200年第4卷第8(總第28)109mentation of cassava starch by Zymomonas mobilis[J].3結論NRRL E4286,2001以木薯為原料的生物乙醇生產(chǎn)已被提到議事日7 Ernesto del Rosario, Roberto L Wong. Conversion of程。由于全球乙醇市場的持續(xù)增長,傳統(tǒng)用于食品和dextrinized cassava starch into ethanol using cultures of飼料的地產(chǎn)農(nóng)作物找到新的生產(chǎn)應用領域。本文同Aspergillus awamori and Saccharomyces cerevisiae [J]Enzyme Microb Technol, 1984, 6: 60-64過經(jīng)濟分析認為,木薯是一種有競爭力的乙醇生產(chǎn)原8 Shetty J K, Oreste Antero, Nigel Dunn Coleman. Tech-材料木薯是一種非常有競爭力的生物乙醇生產(chǎn)原料,nological Advances in Ethanol Production[J]. Internation-能給種植者帶來可觀的經(jīng)濟收入。其原因是木薯種al Sugar Journal, 2005, 107: 1283植適應性強產(chǎn)量高,如果通過基因誘變進一步增產(chǎn)9 Shetty J K, Oreste Antero, Nigel Dunn Coleman. Paper和加強各種病害防治,并得到當?shù)卣闹С?木薯Presented at International Conference on Biofuel[C]. 2005作為生物乙醇生產(chǎn)原料必將給當?shù)剞r(nóng)民增加就業(yè)機FEw Kansas City, MO, USA會和增加經(jīng)濟收入。但是這一切都必需建立在生物10 Leng r, Wang C, Zhang C,eta. Life cycle inventory乙醇的生產(chǎn)過程優(yōu)化的基礎上以獲得更高收益and energy analysis of cassava based Fuel ethanol in Chna[J]. J Cleaner Production, 2008, 16: 374-384魯考文獻11 Zhiyuan Hua, Piqiang Tana, Gengqiang Pub. Multi-objective optimization of cassava based fuel ethanol used1 Cock, J H. Cassava, a basic energy source in the tropicsas an alternative automotive fuel in Guangxi, China[J][刀]. Science,1982,218:755~762Applied Energy, 2006, 38 : 819-8402 Duan G, Shetty jK. Novel Enzyme For Tapioca Fermen12 Du D, Hub Z, Pua G, et al. Energy efficiency and po-hol without high Temperature Cook-tentials of cassava fuel ethanol in guangxi region of Chinaing[M]. Bangkok: Proceedings of Pacific Ethanol and Bio-U]. Energy Conversion and Management, 2006, 47,1686~16993 Bellotti A C, Smith L Lapointe S L Recent advances incassava pest management[J]. Annu Rev Entomol, 199913 Nguyen T L T, Gheewala S H. Fossil energy, environ-mental and cost performance of ethanol in Thailand]. J44:343~7Cleaner Production, 2008, 16: 1 814-1 8214fao,2004,www.faostat.faoorg5 Howeler, R, 2004 Cassava Production, Trends in Cassava 14 Duan G, Xu S, Shetty J. Alcohol process from fresh cas-sava[C]. 4th European Bioethanol Meeting, DetmoldProduction[C]. Processing and Marketing Paper PresenGermany, 2008ted at TTFiTA6 Nellaiah h, Karan T, Gunasekaran P. Ethanol fer-Cassava -an Alternative Raw Material for Bioethanol ProductionDuang Gang, Xu Hongxian, Shetty JK(Danisco Genencor, Wuxi 214028, China)abSTRaCt The demand for bioethanol from agricultural raw materials has been increasing continuously.Local indigenous crops that have traditionally been grown on a limited scale for a much less demand on foodand feed will find a new application outlet in biorefineries and offer a higher economic value to the farmersFor example, Cassava, also commonly called Tapioca (Manihot )is a perennial woody shrub with an edibleroot used in food and feed formulations and grown in many parts of tropical and subtropical areas especially inplaces where the soil is relatively poor and other crop yields are low. Based on the economic estimates presented in this paper, it appears that cassava can be a competitiveof bringing in additional income offers a significant incentive to中國煤化eton. The potentialKey words Tapioca/Cassava, bioethanol, enzymes, energCNMH1102008vol34№o.8(rota248