摘 要

由于糖蜜在发酵领域有良好的前景，所以本文探究了糖蜜中的胶体和色素对于乙醇发酵和分离的影响。通过对比实验，确定了糖蜜胶体对乙醇的发酵存在抑制作用，随着糖蜜胶体浓度的升高，抑制作用变得明显。色素对乙醇的发酵无显著影响。

实验中采用PDMS/陶瓷复合膜进行乙醇的分离，与胶体对乙醇发酵影响不同的是，糖蜜胶体可以与水分子结合成为大分子，进而提高膜对乙醇的选择性，导致渗透液中的乙醇浓度上升，而且在一定范围内，胶体浓度越高，乙醇分离的效果越好。糖蜜中另一重要组分-色素，对乙醇的分离也存在促进作用，趋势与胶体对乙醇分离的影响相似。这样的结果对以后糖蜜的生产产生有利的理论影响，可以根据抑制发酵和促进分离两个过程，进行最优控制，使得生产的糖蜜中的组分满足发酵和分离之后最优的乙醇浓度。

关键词：糖蜜胶体；色素；PDMS/陶瓷复合膜

Effects of molasses on Ethanol Fermentation and Separation

Abstract

Molasses is a viscous by-product of the sugar industry, usually brownish black liquid, a good fermentation raw materials. Molasses has a good prospect in the field of fermentation. The inhibitory effect of molasses colloid on the fermentation of ethanol was obtained by the comparative experiment. With the increase of the concentration of molasses colloid, the inhibitory effect became obvious. The pigment had no significant effect on the fermentation of ethanol.

In the experiment, PDMS/ceramic composite membrane was used for the separation of ethanol. Molasses colloid can be combined with water molecules into macromolecules, thereby improving the membrane’s selectivity of ethanol, resulting in the concentration of ethanol in the permeate. And in a certain range, with the increase of colloidal concentration, the concentration of ethanol in the permeate is getting higher. Another important component in the molasses-pigment, whose effect of ethanol on the separation was similar to that of colloid. This result has a favorable theoretical effect on the production of molasses in the future. The optimal control can be carried out according to the two processes of inhibiting fermentation and promoting separation, so that the components in the molasses produced meet the optimal ethanol concentration after fermentation and separation.

Keywords: molasses colloid; pigment; PDMS/ceramic composite membrane

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 国内外甘蔗糖蜜乙醇发酵的研究进展 1

1.3 甘蔗糖蜜高浓度乙醇发酵的研究 1

1.4 影响甘蔗糖蜜乙醇发酵的因素 2

1.5 本论文的选题依据及研究意义 2

1.6 本论文的主要研究内容 3

1.6.1 分析糖蜜中胶体的含量 3

1.6.2 酵母细胞的固定化 4

1.6.3 糖蜜胶体的提取 4

1.6.4 糖蜜胶体和色素对乙醇发酵的影响 5

1.6.5 糖蜜胶体和色素对乙醇分离的影响 5

第二章 糖蜜胶体和色素对乙醇发酵的影响 5

2.1 实验材料 5

2.1.1 生产菌株及原料 5

2.1.2 主要实验药品 6

2.1.3 主要实验仪器和设备 6

2.2 实验过程 7

2.2.1 糖蜜胶体对乙醇发酵的影响 12

2.3.2 色素对乙醇发酵的影响 12

2.3 结果和分析 8

2.3.1 胶体对乙醇发酵的影响 12

2.3.2 色素对乙醇发酵的影响 12

2.4 本章小结 12

第三章 糖蜜胶体和色素对乙醇分离的影响 13

3.1 实验材料 13

3.1.1 原料及主要实验药品 13

3.1.2 主要实验仪器和设备 14

3.2 实验方法 14

3.3 结果和分析 14

3.3.1糖蜜胶体对乙醇分离的影响 14

3.3.2色素对乙醇分离的影响 17

3.4 本章小结 20

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 27

第一章 绪论

1.1选题背景

糖蜜是一种粘稠的黑色液体，它是一种很有用的发酵原料。经过以前的分析，糖蜜其中含有的成分会对糖蜜的发酵和酒精的分离产生重要的影响。糖蜜在多个领域中具有良好的前景。国内糖蜜发酵主要用于生产酒精。

1.2 国内外甘蔗糖蜜乙醇发酵的研究进展

由于糖蜜中胶体的存在致使发酵中产生大量的泡沫，而且影响到产品的提炼及产品的纯度，因此，糖蜜在投入发酵之前，要进行适当的预处理。甘蔗糖蜜中的非糖成分和杂质对乙醇发酵有重要的影响，为了提高酒精的生产率，国内外对糖蜜预处理进行了研究。Inamdar^[1]研究了甘蔗糖蜜前处理和后处理的成分变化，预处理和后处理的澄清效率分别达到71%和91%。Naser^[2]对甘蔗糖蜜进行硫酸沉淀，以除去Ca² 和部分胶体等，得到酒精度为7.39%(v/v)。Yadav等^[3]分析了甘蔗糖蜜中的有害成分并利用EDTA和阴离子交换树脂处理了抑制因素Fe、Cu和色素的含量，提高了发酵酒度。Kaseno等^[4]用陶瓷微滤膜预处理糖蜜甘蔗糖蜜，发酵78h残糖下降42%，酒精度提高了18.1%。Ken-Ichi等^[5]对甘蔗糖蜜进行稀释、酸解、离心、色谱柱吸附，发酵初糖100g/L的糖蜜酒度为4.9 %(v/v)，色素脱出率达87%，COD下降28%。林波等^[6]将淀粉和甲壳素作为天然高分子絮凝剂来分离澄清甘蔗糖蜜，得出使用4.0g/100mL絮凝剂3h效果较好。王湘茹等^[7]对糖蜜进行稀释、絮凝澄清处理，澄清前后糖蜜成分变化不大。Deirdre等^[8]研究超滤和渗析处理对甘蔗糖蜜乙醇发酵的影响，结果表明超滤处理后使酒度提高了4.5%，而渗析处理不适合甘蔗糖蜜的乙醇发酵。

1.3 甘蔗糖蜜高浓度乙醇发酵的研究

为了提高甘蔗糖蜜乙醇发酵的最终乙醇浓度，同时节约资源、提高效率，Highin等^[9]以甘蔗糖蜜为培养基进行乙醇发酵，通过单因素试验得出最优条件：甘蔗糖蜜浓度为17%(w/v)，PH4.5，温度30℃，发酵周期为72h，乙醇浓度可达73g/L。Mait等^[10]利用响应面和遗传算法优化甘蔗糖蜜乙醇发酵，得出的最优条件是:216 g的初总糖，pH 5.13，发酵温度31℃，发酵44 h时的乙醇浓度为58.4 g/L。

1.4 影响甘蔗糖蜜乙醇发酵的因素

糖蜜中糖类和丰富的营养物质已经成为乙醇发酵的主要原料之一^[11]。除了可发酵糖这一重要组分之外，糖蜜中的组分有蛋白质、有机酸、胶体和维生素等^[12]。酵母的乙醇发酵并不是严格厌氧的过程，氧气是酵母生长和乙醇生成所不可缺少的^[13]。因此应尽可能避免影响燃料乙醇发酵的因素—高温、高渗透压、高浓度的钠离子(和其他金属离子)、高浓度的有机酸^[14]。

糖蜜中的多种组分均会对乙醇发酵产生影响，例如糖蜜中含有大量的胶体物质，这个原因将会导致乙醇发酵时具有大量的白色的泡沫，而且酵母的代谢困难，这就会最终导致乙醇的发酵效率降低。Guillouxbenatier等^[15]研究不同胶体浓度对乙醇发酵的影响，结果表明胶体浓度与活细胞产生的大分子有关。Patil等^[16]研究糖蜜中焦糖色素、碱性降解产物(ADP)和类黑精对乙醇发酵的影响，焦糖色素和ADP在发酵开始后的24h内乙醇产量分别降低了43.3%和11.7%；类黑精对甘蔗糖蜜乙醇发酵无明显的抑制作用。

1.5 本论文的选题依据及研究意义

我国南方地区由于气候和地狱适宜甘蔗的生长，广泛种植甘蔗。甘蔗糖蜜是甘蔗制糖过程剩下的灰褐色浓稠液体，是糖厂的主要副产品之一。甘蔗糖蜜的营养成分丰富，其中蔗糖为24-32%(w/v)，还原糖为12-20%(w/v)，以及其他对酵母生长有益的物质^[17]。