第三章--酒精生产工艺学PPT课件.ppt

1 酒精生产工艺学 2 1 酒精生产原料 1 薯类原料甘薯 木薯和马铃薯等 2 谷物原料玉米 高梁 大米和小麦等 3 糖类原料废糖蜜 甘蔗 甜菜等 4 纤维原料森林工业和木材加工工业的下脚料 农作物秸秆 甘蔗渣 废纤维垃圾和废纸浆等 5 其他原料亚硫酸纸浆废液 淀粉渣等 3 2 淀粉质原料酒精生产的工艺流程 4 5 6 原料粉碎2 蒸煮糊化3 曲霉糖化经蒸煮糊化后的醪液 通过曲霉菌的淀粉酶进行糖化作用生成可发酵性糖 供酵母菌利用 曲霉菌是属于好气性的微生物 故在繁殖和生长过程中要给以充分得空气 同时 淀粉酶的形成也取决于所供给的空气量 第一节淀粉质原料生产酒精 7 4 酵母发酵酒精发酵是属于厌气性发酵 在发酵过程中进行无氧呼吸 在此过程中 发生着复杂的生物化学变化 既有糖化醪中淀粉和糊精继续被淀粉酶水解生成糖 也有蛋白质在曲霉蛋白酶水解下生成肽和氨基酸 这些物质一部分被酵母吸收合成菌体细胞 另一部分则被发酵 生成酒精和CO2 8 5 蒸馏提纯经酵母菌把糖转变成酒精后 在成熟发酵醪内 除含有酒精和大量水分外 还含有固形物和许多杂质 蒸馏是把发酵醪液中含有的酒精提纯出来 通过粗馏和精馏 最后取得合乎规格的酒精 同时得到副产物杂醇油 还有大量的酒糟 也称废醪 排除 9 第二节酒母的制备 一 酒精生产对酵母菌的要求二 酒精生产中常用酵母菌及其特性三 酵母所需营养物质及其数量四 酒母培养与扩大培养工艺五 酒母培养设备结构的特点六 影响酒母质量主要因素的讨论七 液体曲酒母的特点八 酒母培养异常现象与防治措施 10 一 酒精生产对酵母菌的要求 1 含有较强的酒化酶 发酵能力强 而且迅速 2 繁殖速度快 具有很强的增殖能力 3 耐酒精能力强 能在较高浓度的酒精发酵醪中进行发酵 4 耐温性能好 能在较高温度下进行繁殖和发酵 5 抵抗杂菌能力强 6 耐酸能力强 7 生产性能稳定 变异性小 8 发酵时产生泡沫少 11 二 酒精生产中常用酵母菌及其特性 酵母菌是一类单细胞微生物 繁殖方式以出芽繁殖为主 细胞形态以圆形 卵圆形或椭圆形较多 从分类系统来讲 淀粉质原料酒精发酵常用的菌种为酵母属中的啤酒酵母及其变种 如拉斯2号 Rasse 拉斯12号 Rasse K字 以及从我国酒精生产实践中筛选的南阳五号 1300 南阳混合 1308 等酵母菌株 12 二 酒精酵母的特性 1 繁殖速度快如在麦汁中培养24小时 一个拉斯12号酵母细胞 可以产生55个子细胞 2 醪液浓度一般酒精酵母在含5 容量 的酒精发酵醪中 其发酵能力就减弱 当醪液中酒精浓度含量达到12 容量 时 则停止发酵 所以生产中常将糖化醪浓度控制在15 18Bx之间 发酵成熟醪的酒精含量约为8 9 容量 13 3 培养温度拉斯12号酵母繁殖适温为30 33 最低为5 最高为38 温度适宜 酵母繁殖速度加快 温度过高或过低 都影响酵母细胞的繁殖 甚至引起酵母的衰老或死亡 4 pH值酒精酵母可在pH4 0 6 0环境中进行繁殖 如果醪液的pH值低于3 则酵母的活力大减 14 三 酵母所需营养物质及其数量 1 碳源酵母菌在繁殖过程中 吸收的糖分 一方面用于合成菌体蛋白中的碳架 另一部分转变为酵母菌的贮藏物质 还释出一定能量 以供合成菌体物质时的能量消耗 15 2 氮源酵母菌所需的含氮物质主要也是从淀粉质原料中获得 但原料中含氮物质往往是大分子的蛋白质 因此也必须经过蒸煮和曲霉菌中的蛋白酶水解 生成小分子量的蛋白胨 肽或氨基酸后才能被酵母所向化 如果原料中含氮量少时 也可补加无机氮 供给酵母生长 生产上多采用 NH4 2SO4为补充氮源 16 3 无机盐酵母繁殖过程中需要的无机盐可从原料中获得 一般不需另加 4 维生素酵母在生长繁殖过程中所需的维生素主要由糖化醪中获得 维生素易被高温所破坏 因此 在制备酒母糖化醪时 不宜采用高温长时间的杀菌 17 四 酒母培养与扩大培养工艺 一 酒母培养基的制备 二 酒母的扩大培养 18 一 酒母培养基的制备 1 试验室阶段培养基的制备酵母菌在试验室培养阶段一般多采用米曲汁或麦芽汁来做培养基 19 2 酒母糖化醪的制备 酒母扩大培养至卡氏罐和酒母罐后 采用淀粉质原料来制做酒母糖化醪 由于酒母糖化醪主要用来繁殖酵母细胞 所以酒母醪中除含有一定量的糖分外 还要求含有一定量的氮和无机盐等其它营养物质 以供酵母菌合成菌体细胞的需要 此外 为了确保酵母菌能够顺利的繁殖 还要调节酒母糖化醪的pH值 以抑制杂菌生长 20 二 酒母的扩大培养 扩大流程 原菌 斜面试管 液体试管 三角瓶培养 卡氏罐这一阶段的培养 是扩大酒母种子的开始 生产上希望在这一阶段培养得到细胞健壮 没有杂菌的种子酵母 因此 无菌条件要求较严 酵母培养基的营养成分要求也高 21 1 原菌生产中使用的原始菌种应当是经过纯种分离的优良菌种 保藏时间较长的原菌 在投产前 应接入新鲜斜面试管进行活化 使酵母菌处于旺盛的生活状态 2 斜面试管培养将活化后的酵母菌在无菌条件下接入新鲜斜面试管 于28 30 保温培养2 3天 待斜面上长出白色菌苔 即培养成熟 3 液体试管培养在无菌条件下 用接种针自斜面试管挑取一环酵母菌体 接入装有10毫升米曲汁的液体试管 摇匀后 置28 30 保温培养24小时左右 待液面冒出大量CO2 即培养成熟 22 4 三角瓶培养 接种时 应先用酒精消毒瓶口 在无菌条件下 将液体试管全部接入小三角瓶 28 30 条件下保温培养15 20小时 待液面冒出大量CO2泡沫 即培养成熟 5 卡氏罐培养卡氏罐培养基可使用酒母糖化醪 以使酵母逐渐适应大生产培养条件 23 2 酒母罐培养 从卡氏罐以后酒母扩大培养属于酒母车间进行培养 其流程为 卡氏罐 小酒母罐 大酒母罐 成熟酒母送发酵车间 24 1 间歇培养法此法是分小酒母罐与大酒母罐两个阶段进行培养 接入已培养成熟的卡氏罐酒母 通无菌空气或用机械搅拌 控制醪温在28 30 进行培养 待醪液糖分降低40 45 其酒精分含量在3 4 容量 左右 并且液面有大量CO2冒出 即培养成熟 将此培养成熟的小酒母再按入已装好糖化醪的大酒母罐中 同法于28 30 继续培养 待大酒母罐中糖分消耗45 50 液面冒出大量CO2时 培养即成熟 即可送往发酵车间 做发酵接种用 25 2 半连续培养法半连续培养法也叫循环培养法 将卡氏罐酒母接入小酒母罐 培养成熟后 分割出三分之二接入大酒母罐进行培养 余下的三分之一再补加新鲜酒母糖化醪连续培养 培养成熟后再分割 如此反复以上操作 大酒母培养成熟则可全部送发酵车间做接种用 26 目前多数酒精厂均采用半连续培养酒母的方法 利用这种方法培养酒母 可以7 10天换一次新种 如果工厂卫生管理条件较好 可以1 2个月换一次新种 这样不但省去了繁琐的试验室阶段培养 而且也使酵母在生产条件下进行了驯养 有利于酵母菌的繁殖和发酵 27 3 成熟酒母质量指标 1 酵母细胞数酵母细胞数是观察酵母繁殖能力的一项指标 也是反映酵母培养成熟的指标 成熟的酒母醪其酵母细胞数一般为l亿 毫升左右 2 出芽率酵母出芽率是衡量繁殖旺盛与否的一项指标 出芽率高 说明酵母处于旺盛的生长期 反之 则说明酵母衰老 成熟酒母出芽率要求在15 30 3 酵母死亡率用美蓝对酵母细胞进行染色 如果酵母细胞被染成蓝色 说明此细胞已死亡 正常培养的酒母不应有死亡现象 如果死亡率在1 以上 应及时查找原因采取措施进行挽救 28 4 耗糖率酵母的耗糖率也是观察酒母成熟的指标之一 成熟的酒母 耗糖率 般要求控制在40一50 耗糖率太高 说明酵母培养已经过 老 反之则 嫩 5 酒精分成熟酒母醪中的酒精含量一方面反映酵母耗糖情况 也反映酵母成熟程度 如果酒母醪中酒精含量高 说明营养消耗大 酵母培养过于成熟 此时 应停止酒母培养 否则会因营养缺乏或酒精含量高抑制酵母生长 造成酵母衰老 成熟酒母醪中的酒精含量一股为3 4 容量 29 6 酸度测定酒母醪中的酸度是观察酒母是否被细菌污染的一项指标 如果成熟酒母醪中酸度明显增高 说明酒母被产酸细菌所污染 酸度增高太多 镜检时又发现有很多杆状细菌 则不宜做种子用 30 31 五 影响酒母质量主要因素 1 接种量与成熟酒母细胞数的关系酵母接种量的大小与成熟酒母醪中新增殖酵母细胞数关系不大 2 接种量与培养时间的关系接种量大 则培养时间可以缩短 酒母成熟快 但接种量不宜太大 在酒母培养中 酒母接种量多控制在1 5 l0 接种后的醪液 经过l0 12小时培养成熟的酒母醪细胞数可达0 8 1 2亿 毫升以上 此时将成熟的酒母接到下一工序的醪中 32 3 接种时间的掌握从酵母茵繁殖规律曲线可以知道 酵母菌在增殖过程中可分为适应期 也称迟缓期 旺盛期 静止期和衰退期四个阶段 当达到旺盛期时 酵母的增殖能力特别强 酵母生命活动处于旺盛阶段 醪液中酵母活细胞数也迅速达最高峰 酒精生产中的酒母扩大培养接种就是控制在这个时期 33 4 酒母培养温度的控制酵母菌在适宜生长温度范围内 高温比低温繁殖稍快 但高温培养酵母易于衰老 酒精生产中酒母培养温度为28 30 由于酵母菌在生长代谢过程中还要产生一定热量 故应注意加强冷却 以保证酵母菌健壮生长 34 5 关于通风培养酒母糖化醪中含有充足的氧时 酵母菌在吸收营养后 由于其酒化酶受抑制 主要进行菌体细胞合成 繁殖酵母细胞 酒母培养的目的是要获得大量酵母细胞 所以在酒母培养过程中通入适量的无菌空气 对酵母繁殖是有利的 酵母菌在无氧条件下培养 主要进行发酵作用 可使糖分转变为酒精和CO2 酵母菌在有氧条件下进行酒精发酵时 由于进行了呼吸作用 酒精产量大大降低 糖的消耗速度在单位时间内也减慢 35 6 关于防止杂菌污染酒精生产除了对原始菌种进行定期分离纯化外 在培养过程中加强无菌管理操作也是十分重要的 1 注意车间环境卫生 2 在使用前 对罐体 管道杀菌 尤其应当注意对某些管道死角加强杀菌操作 36 第七节酒精发酵工艺 一 酒精发酵机理二 酒精发酵工艺三 影响酒精发酵因素的讨论四 酒精发酵醪成熟五 酒精生产异常发酵 杂菌污染及防治办法六 从CO2中回收酒精七 淀粉出酒率和淀粉利用率 37 一 酒精发酵机理 酒精发酵作用 是酵母菌把可发酵性的糖 经过细胞内酒化酶的作用 生成了酒精与CO2 然后通过细胞膜将这些产物排出体外酒精是可以任何比例与水混合的 所以由酵母体内排出的酒精便溶于周围的醪液中 38 二 酒精发酵工艺 酒精发酵过程从外观现象可以将其分为如下三个发酵不同阶段 1 前发酵期2 主发酵期3 后发酵期 39 1 前发酵期 在酒母与糖化醪加入发酵罐后 醪液中的酵母细胞数还不多 由于醪液中含有少量的溶解氧和充足的营养物质 所以酵母菌仍能迅速地进行繁殖 使发酵醪中酵母细胞繁殖到一定数量 在这一时期 醪液中的糊精继续被糖化酶作用 生成糖分 但由于温度较低 故糖化作用较为缓慢 从外观看 由于醪液中酵母数不多 发酵作用不强 酒精分和CO2产生得很少 所以发酵醪的表面显得比较平静 糖分消耗也比较馒 40 前发酵阶段时间的长短 与酵母的接种量有关 如果接种量大 则前发酵期短 反之则长 前发酵延续时间一般为l0小时左右 由于前发酵期间酵母数量不多 发酵作用不强 所以醪液温度上升不快 醪液温度控制 在接种时为26 28 前发酵期温度一般不超过30 如果温度太高 会造成酵母早期衰老 如果温度过低 又会使酵母生长缓慢 前发酵期间应十分注意防止杂菌污染 因为此时期酵母数量少 易被杂菌抑制 故应加强卫生管理 41 2 主发酵期 酵母细胞已大量形成 醪液中酵母细胞数可达1亿 毫升以上 由于发酵醪中的氧气也已消耗完毕 酵母菌基本上停止繁殖而主要进行酒精发酵作用 醪液中糖分迅速下降 酒精分逐渐增多 因为发酵作用的增强 醪液中产生了大量的CO2 42 发酵醪的温度此时上升也很快 生产上应加强这一阶段的温度控制 根据酵母菌的性能 主发酵温度最好能控制在30 34 主发酵时间长短 取决于醪液中营养状况 如果发酵醪中糖分含量高 主发酵时间长 反之则短 主发酵时间一能为12小时左右 43 3 后发酵期 醪液中的糖分大部分已被酵母菌消耗掉 醪液中尚残存部分糊精继续被曲作用 生成葡萄糖 由于这一作用进行的极为缓馒 生成的糖分很少 所以发酵作用也十分缓慢 因此 这一阶段发酵醪中酒精和CO2产生得也少 44 后发酵阶段 因为发酵作用减弱 所以产生的热量也减少 发酵醪的温度逐渐下降 此时醪液温度应控制在30 32 左右 如果醪液温度太低 糖化酶的作用就会减弱 糖化缓慢 发酵时间就会延长 这样也会影响淀粉出酒率 淀粉质原料生产酒精的后发酵阶段一般约需40小时左右才能完成 45 影响发酵时间的因素 整个发酵过程的时间长短 受糖化剂的种类 酵母菌的性能 酵母接种量等因素的影响 与接种 发酵方式和发酵温度的控制有关 一般讲 接种和发酵温度高 则发酵时间短 反之则长 另外 由于连续发酵一开始即处于主发酵状态 发酵时省去了前发酵期 所以一般较间歇发酵时间为短 发酵总时间一般多控制在60 72小时左右 46 酒精发酵方式 根据发酵醪注入发酵罐的方式不同 可以将酒精发酵的方式分为间歇式 半连续式和连续式三种 一 间歇式发酵法 二 半连续发酵法 三 连续发酵 47 三 影响酒精发酵因素的讨论 1 稀释速度在间歇发酵中 糖化醪要求自接种后8 10小时内加完 这样可以有较长的后发酵时间 将糊精彻底水解发酵 酵母的繁殖速度取决于发酵醪营养物质浓度 而营养物质的含量又取决于进料和出料速度 所以 控制进料速度 就可以控制酵母细胞数和营养成分 48 2 发酵醪pH值的控制 降低发酵醪中的pH值 是防止杂菌污染的有效措施之一 由于连续发酵无菌条件要求较严 其pH控制在4 0一4 5为宜 间歇发酵pH值可控制在4 7 5 0 在上述pH值范围内 较接近于糖化酶作用的最适pH值 pH值的控制 可用H2SO4来调节 如果pH值太低 不但会抑制杂菌的繁殖 同时也会抑制酵母菌的繁殖和代谢 还会使糖化酶钝化 影响发酵成果 49 3 发酵温度控制 酒精酵母繁殖温度为27 30 发酵温度30 33 生产中发酵醪温度可根据发酵形式不同进行控制 间歇发酵 接种温度27 30 发酵温度30 33 后发酵温度30 1 连续发酵各罐温度控制在30 33 50 4 多级连续发酵中发酵罐数量问题多级连续发酵是利用很多个罐进行串联 组成一个发酵罐组 除了前面几个流加罐外 后面还要配合适量的罐作为后发酵用 并使前后罐之间醪液保持一定的浓度梯度 每一罐组用多少只发酵罐为宜 这主要取决于发酵醪自进入第一只发酵罐起 到最后一只发酵罐醪液成熟 醪液在几个罐内发酵时间 51 5 关于发酵醪浓度问题 糖化醪浓度稀 虽然有利于酵母的代谢活动 提高出酒率 但是浓醪发酵却有提高设备利用率 节省水 电 汽 降低生产成本 增加产量的优点 因此 生产上希望尽量采用浓醪发酵 正常发酵醪浓度一般为16一18Bx 其发酵成熟醪酒精含量为8 9 容量 52 6 关于缩短发酵时间用糖蜜原料制造酒精 发酵时间需要24 32小时 如用淀粉质原料 则需60小时以上 缩短发酵时间 需要设法加速水解支链淀粉中以1 6相结合的键 解决这个问题的方法是选育糖化酶含量高的菌种 以加强糖化作用 另外 采用连续发酵和选用发酵力强的酵母菌种 也是加速发酵 缩短发酵时间的有力措施 53 糖类 单糖是细胞主要的能源以及构成某些大分子物质的原料 重要的五碳糖为核糖 重要的六碳糖为葡萄糖 葡萄糖不仅是能量代谢的关键单糖 而且是构成多糖的主要单体 多糖分为两类 一类是营养储备多糖 如 淀粉和糖原 另一类是结构多糖 如纤维素 cellulose 和几丁质 chitin 54 营养贮备多糖 淀粉 糖元 55 结构多糖 纤维素 几丁质 56 57 6 植物纤维原料生物转化燃料酒精流程 植物纤维原料 预处理 酶水解 分离 木质素系列产品 深加工 水解液 发酵基质 洗涤 乙醇发酵 木质素 发酵醪 蒸馏 乙醇 酵母 营养盐 水 半 纤维素酶制备 微生物 营养盐 脱毒 58 7 影响纤维资源生物转化技术实用化的主要障碍之一 酶活力低 酶解效率低 酶用量大 现有的纤维素降解酶的酶系组成不合理 存在反馈抑制作用 使用效率低 水解模式中使用的酶为一次性使用的游离酶 纤维素酶使用成本高 费用占到酶糖化纤维材料总成本的40 50 59 纤维素酶协同降解纤维素方式 1 纤维素纤维糊精纤维素二糖葡萄糖注 CBH CBH 分别为外切葡聚糖酶 和外切葡聚糖酶 EG EG 分别为内切葡聚糖酶 和内切葡聚糖酶 CB 为 葡萄糖苷酶 EG EG CB CBH CBH CBH CBH 60 纤维素酶协同降解纤维素方式 不溶性纤维素不溶性和可溶性纤维寡糖纤维素二糖葡萄糖 反馈抑制 内切葡聚糖酶 外切葡聚糖酶 葡萄糖苷酶 反馈抑制 61 62 讨论 影响纤维资源生物转化技术实用化的主要障碍 63 A 酶使用成本高 纤维素酶费用占到酶糖化纤维材料总成本的50 B 酿酒酵母不能利用半纤维素水解产物发酵酒精 C 生产过程复杂 D 木质素未能有效开发利用 64 酶活力低 提高酶活力 如何提高 酶解效率低 酶用量大 与底物特性有关 与纤维素降解酶的酶系组成有关 如何改善酶系组成 使用效率低 水解模式中使用的酶为一次性使用的游离酶 问题 如何降低使用成本 哪些原因会导致酶使用成本增加 65 使用效率低 水解模式中使用的酶为一次性使用的游离酶 固定化酶 66 什么是固定化酶 水溶性酶 水不溶性载体 水不溶性酶 固定化酶 固定化技术 67 酶的固定化技术和固定化酶 68 固定化酶的特点 优点 不溶于水 易于与产物分离 可反复使用 可连续化生产 稳定性好 缺点 固定化过程中往往会引起酶的失活 69 固定化技术 微型胶囊法吸附通过双功能试剂进行共价交联胶格包埋和水不溶性载体共价结合 70 一固定化酶的方法 一 微型胶囊法 71 二 吸附法 物理吸附法静止法反应器上直接吸附法混合浴或振荡浴吸附法 72 优点 固定化时酶分子的构象很少或基本不发生变化 缺点 结合力弱 易解吸附 载体 纤维素 琼脂糖 活性炭 沸石及硅胶等 73 离子结合法酶分子含有离子交换基团的固相载体 第一个离子结合法固定化酶 DEAE Cellulose固定化过氧化氢酶第一个工业化的固定化酶 DEAE SephadexA 50固定化氨基酰化酶 74 三 胶格包埋法 首先被采用的胶格包埋法是 固定化胰蛋白酶木瓜蛋白酶 淀粉酶Enzyme N N 甲叉双丙稀酰胺 丙稀酰胺引发剂 inactiation 75 四 共价交联法 双功能试剂 常用的是戊二醛OOH C CH2 CH2 CH2 C H 第一篇报道是 戊二醛交联羧肽酶得到一种分子间交联的固定化酶 76 图酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价偶联酶分子 a 酶分子之间用双功能基团的化学交联试剂相互交联成水不溶性的固定化酶 b 酶分子被偶联到水不溶性载体上形成水不溶性的固定化酶 77 二固定化酶在工业生产上的应用 78 79 B 酿酒酵母不能利用半纤维素水解产物发酵酒精 筛选菌株 基因改造 重组 发酵模式 分开发酵 混合发酵 固定化发酵 80 1 糖化发酵两步工艺 SHF 即糖化 发酵二步发酵法 工艺特点是纤维素水解和水解液的酒精发酵是在不同的容器内进行 每一个过程都可以在最佳条件下完成 2 边糖化边发酵 SSF 纤维素酶作用于纤维素 释放的葡萄糖不断地被酵母将其转化为乙醇 3 直接发酵法嗜热菌 40 65 和极端嗜热菌 65 能直接利用纤维素生产乙醇 不需要经过酸解或酶解前处理过程 C 生产过程复杂或不合理 81 1糖化发酵两步工艺 SHF 即糖化 发酵二步发酵法 工艺特点是纤维素水解和水解液的酒精发酵是在不同的容器内进行 每一个过程都可以在最佳条件 温度 pH 下完成 在