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传统甘蔗制乙醇工艺存在能耗高、用水量大等问题。研究人员开展固态发酵（SStF）全甘蔗生产乙醇的研究，考察了接种量、混合速度和颗粒大小对乙醇产量的影响，成功实现发酵过程从实验室到中试规模的放大，为甘蔗乙醇产业提供新方向。
在全球积极寻求可再生能源替代化石燃料的当下，生物乙醇作为一种极具潜力的绿色能源，备受关注。甘蔗，凭借其高蔗糖含量，成为生产第一代乙醇的主要原料，巴西在甘蔗乙醇生产方面处于世界领先地位。然而，传统的甘蔗制乙醇工艺却存在诸多弊端。在整个生产流程中，甘蔗汁的提取和澄清环节能耗极高，所需热能远超乙醇蒸馏步骤；同时，在甘蔗洗涤和冷却过程中，还会消耗大量水资源。此外，现有工业规模的液态发酵虽成熟，但仍有改进空间。基于这些问题，开展新的甘蔗制乙醇研究迫在眉睫。
为了解决上述难题，来自南非斯泰伦博斯大学（Stellenbosch University）的研究人员 Janke van Dyk、Johann F. G?rgens 和 Eugéne van Rensburg 展开了一项关于固态发酵（Solid-State Fermentation，SStF）全甘蔗生产乙醇的研究 。该研究成果发表在《BioEnergy Research》上，为甘蔗乙醇生产开辟了新路径。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，对实验材料进行处理，将甘蔗茎切段、粉碎，选取特定粒径范围的甘蔗用于实验，同时培养酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为发酵微生物 。在发酵实验方面，利用 3L 水平旋转反应器进行实验室规模的固态发酵实验，控制不同的接种量、旋转速度等参数；之后，将发酵过程放大至 50L 中试规模反应器，采用间歇搅拌等方式进行发酵。在分析检测环节，运用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP - AES）测定甘蔗汁中的矿物成分，通过高效液相色谱（HPLC）分析发酵过程中各种物质的浓度。
下面来看具体的研究结果：
- 甘蔗汁矿物成分：研究测定了甘蔗汁中的矿物成分，发现钾含量最为丰富，其次是镁。其中镁浓度与巴西相关研究结果相近，且对维持发酵效率至关重要；钾浓度虽高于其他研究，但仍在酿酒酵母可耐受范围内，对酵母的渗透调节有重要作用。
- 接种量的影响：在实验室规模实验中，当旋转速度为 10rpm 时，接种量对乙醇生产影响显著。接种量为 3%（w/w）时，乙醇浓度最高可达 82.6g/L ；接种量增加到 5%（w/w）时，虽乙醇浓度提升不明显，但体积乙醇生产率提高了 53%，且能缩短发酵时间，有利于控制细菌污染。同时，研究发现 3% - 5%（w/w）的接种量可确保大部分糖分被利用。
- 旋转速度的影响：降低旋转速度，乙醇浓度和产量呈上升趋势。例如，接种量为 3%（w/w）时，旋转速度从 10rpm 降至 3rpm，乙醇产量显著提高 5.0%；采用间歇搅拌时，乙醇产量进一步提高。这是因为高旋转速度会使酵母细胞受到较大冲击力，减少酵母与底物颗粒的接触时间，不利于乙醇生产。而降低旋转速度，总糖消耗效率增加，与乙醇产量的变化趋势一致。
- 颗粒大小的影响：实验考察了 < 8mm 和 8 - 20mm 两种颗粒大小对发酵的影响。结果显示，较大颗粒发酵时乙醇浓度略高，但 < 8mm 颗粒的发酵获得了最高乙醇产量。这得益于较小颗粒更高的水分含量，促进了溶质向酵母细胞的扩散，同时其较大的比表面积也为酵母生长提供了更多空间。
- 发酵放大实验：研究将固态发酵放大至 50L 中试规模反应器，在优选条件下进行发酵。最终获得了 87.5g/L 的乙醇浓度，乙醇产量达到 6.61g/100g 湿质量甘蔗（理论最大值的 97%） 。与实验室规模相比，中试规模的体积乙醇生产率提高了 49.2%，且发酵过程中 pH 值下降，未检测到乳酸，表明有效防止了污染。该中试规模的发酵结果与甜高粱固态发酵结果相当，也与巴西工业生产过程中的乙醇浓度和产量相近。
综合上述研究，研究人员成功将甘蔗固态发酵从实验室规模放大至 50L 中试规模。研究表明，实验室规模反应器的旋转速度对乙醇生产影响显著，间歇和慢速连续搅拌更有利于发酵；3% - 5%（w/w）的接种量可充分利用甘蔗中的糖分。该研究成果证明了固态发酵工艺生产乙醇的技术可行性，为甘蔗乙醇产业提供了一种更节能、环保的生产方式，有望推动该行业的可持续发展。在未来，基于此研究成果，有望进一步优化发酵工艺，提高生产效率，降低生产成本，从而促进甘蔗乙醇产业的革新。
