第二章 糖蜜发酵生产酒精

第二章糖蜜发酵生产酒精第一节概述 酒精 学名乙醇 分子式C2H5OH 用常压蒸馏方法蒸馏出来的酒精 其最高浓度为95 57 质量分数 其沸点为78 15 1 酒精具有一般醇类的化学性质 2 酒精还具有生物学上和对人体生理上的性质 3 酒精的用途 4 酒精的工业生产方法 包括发酵法和化学合成法两种 5 酒精的分类 按国标 GB394 93 可分为四个等级 P8表1 2 1优等品 一等品 合格品 粗酒精 按用途分类 工业酒精 用作燃料 原料 溶剂医药酒精 用作防腐 消毒 制药高纯酒精 勾脱各种饮料酒精馏酒精 勾脱各种饮料酒无水酒精 化工原料 含量要求达99 95 以上 第二节酒精发酵的机理 一 糖蜜酒精发酵的微生物酒精发酵使用的微生物是酵母菌 它是一种兼性厌氧性的微生物 有氧时进行生长 繁殖 缺氧时进行厌氧发酵 酵母菌是一种以单细胞作为生命活动方式的微生物 酵母菌适宜生长的极限温度为0 45 最适生长温度是25 30 最适发酵温度是30 34 在60 温度下 10 15min则死亡 酵母菌适宜生长的极限pH为2 5 8 最适生长pH值是4 5 5 5 最适发酵pH是4 4 5 pH过高或过低都会使酵母的生命活动受到抑制甚至死亡 酒精发酵的酵母菌特性要求 1 发酵能力强 有较强的酶活性 2 繁殖速度快 受温度影响30 1hr20 3 5hr10 9hr 培养繁殖时间 培养时 T 酵母不易衰老 3 耐酒精能力 酒精浓度3 抑制开始 6 抑制作用较明显 8 影响生长 10 影响生长和发酵 12 发酵停止 4 耐酸能力酵母菌对酸的抵抗能力比乳酸菌强 一般适于偏酸的环境 pH 4 5 5 5 5 耐温能力对常用的菌种来说 在28 34 的范围内 温度越高发酵越迅速 在34 以上 发酵速度将减慢 温度在40 以上时 酵母衰老 难于发酵 且产酸细菌迅速繁殖 若温度低于28 发酵则缓慢 设备利用率低 产量下降 高温地区 应设法选筛适宜高温发酵的酵母菌种 6 耐渗透压性能强 7 能抗重金属的毒害作用 目前我国常用于甘蔗糖蜜酒精发酵的酵母菌种有AS 2 1189 AS 2 1190 台湾396号 甘化I号 川345及川102等 这些酵母菌种一般用10 Bx麦芽汁固体斜面培养基 接种后 于30 32 培养48h 然后置于冰箱 在3 5 下冷藏保存 二 糖蜜酒精发酵机理 研究以糖蜜为原料的酒精发酵过程 则是研究酵母菌如何首先利用菌体内的蔗糖酶 先将蔗糖水解为可发酵性单糖 然后如何经过酵母菌体活细胞内的酒化酶 参与酒精发酵的各种酶及辅酶的总称 的作用 生成乙醇和二氧化碳 最后通过细胞质膜将这些产物排泄出来的反应过程 由葡萄糖发酵生成乙醇和二氧化碳的主反应式 未计算ADP磷酸化的水分子出入在内 为 见11页 上述反应简单地用如下反应式来表示 酒精发酵过程的机理实质是酵母菌在酸性缺氧条件下 并且有无机态磷酸及镁离子 钾离子等存在时 分泌出各种酶所引起的一整套酶促过程 其详细反应过程可参看微生物代谢的EMP途径 图1 2 1 12页 酒精发酵过程主要经历下述四个阶段 共12个步骤 第一阶段 葡萄糖磷酸化 生成活泼的1 6 二磷酸果糖 这个阶段主要是糖的活化 第二阶段 1 6 二磷酸果糖分裂为两分子磷酸丙糖 第三阶段 3 磷酸甘油醛经氧化 脱氢作用 并磷酸化 生成1 3 二磷酸甘油酸 然后将高能磷酸键转移给ADP 以产生ATP 再经磷酸基变位和分子内重排后又给出一个高能磷酸键 而后变成丙酮酸 第四阶段 乙醇的生成 在此阶段 酵母菌在无氧条件下 继续将丙酮酸进行降解 产生乙醇 上述酒精发酵机理的几点说明 1 葡萄糖在无氧条件下通过酵母菌进行酒精发酵的全过程必须经过酵母菌体细胞内酶系中的十二种酶分别顺次作用才能完成 2 整个酒精发酵过程是放能反应过程 在酒精发酵过程中 所放出的能量 部分用于合成ATP ATP的主要用途是使葡萄糖磷酸化以促进发酵作用 其余的能量则发散为热 导致发酵液温度逐渐升高 因此在发酵工艺管理上必须严格控制温升和调节温度 3 在酒精发酵过程中总是附带产生多种多样的副产物 若改变酒精发酵的条件 发酵反应的方向是可以改变的 产物和副产物也将随之改变 第三节糖蜜酒精发酵一 糖蜜发酵前的处理 1 稀释目的 降浓降粘 因在高浓度高粘度的情况下 酵母菌是难以甚至无法直接利用糖蜜进行有效发酵的 根据生产工艺流程的不同 通常稀释要求的浓度大致如下 1 单浓度发酵流程稀糖液浓度控制在22 25 Bx 2 双浓度发酵流程酒母用稀糖液浓度控制在17 20 Bx 发酵用基本稀糖液浓度控制在36 39 Bx 3 稀释加水量的计算为了制备一定浓度的稀糖液 以便满足发酵工艺技术条件的要求 糖蜜稀释所需的加水量和糖蜜量通常用以下公式计算 M c前 V c后式中M 糖蜜量 kg c前 稀释前糖蜜浓度 Bx V 稀释后稀糖液体积 m3 稀释后稀糖液密度 kg m3 c后 稀释后稀糖液浓度 Bx 所需糖蜜量 V c后M c前稀释时所需加水量 M c前 c后 W c后 2 澄清糖蜜澄清处理通常运用加酸酸化 加热灭菌和静置沉淀等多种手段来完成 1 酸化甘蔗糖蜜本身为微酸性 而酵母发酵的最适pH为4 0 4 5 所以工艺上要求糖蜜稀释的同时要加酸酸化 酸化的目的 除可调节适宜发酵的酸度外 还能使部分蔗糖转化为酵母可直接利用的单糖 有利于促进酵母迅速增殖 发酵 可有效地抑制其他杂菌的繁殖 除去杂质 方法 可用浓硫酸外或盐酸 加酸量为 密度1 86 66 B 的工业硫酸 每吨原糖蜜加2 5L 3 5L 约为稀糖液量的0 2 0 3 对于双浓度流程来说 发酵用的基本稀糖液一般不加酸而酒母用稀糖液加酸控制酸度 注 应在6 7 2 灭菌糖蜜中常有杂菌 当发酵时 这些杂菌会消耗糖分而降低酒精产率 并会生成其他有害物质而影响酒精质量 方法 A 采用蒸汽加热至80 90 维持1h即可达到灭菌的目的 B 化学防腐剂 如漂白粉 甲醛 氯化钠 五氯代苯酚钠等 一般按1 10溶化稀释后加入糖蜜中搅拌均匀 静置3 4h即可 若用量过多或作用时间过短则残余防腐剂进入发酵工序将会影响酵母生长 繁殖 C 利用噬菌体来防止糖蜜发酵时的杂菌 D 用抗菌素来防止杂菌的 3 静置沉淀糖蜜中的胶体物质 灰分和其它悬浮物质在加酸 加热后 相当一部分已凝聚或生成不溶性的沉淀物 静置沉降可使固液进一步分离 易于取出清液而除去这些有害杂质 静置沉降的时间一般需要若干小时 传统的澄清方法有冷酸通风处理法和热酸处理法 冷酸通风处理 沉淀 法先将糖蜜稀释至50 Bx左右 加人为稀糖液量0 2 0 3 的浓硫酸 酸化的同时可加入0 01 高锰酸钾 并通入无菌压缩空气1 2h 然后静置沉淀取上清液 加入高锰酸钾 可使糖蜜中的亚硫酸盐 亚硝酸盐等氧化 减轻其对酵母的毒害或生成沉淀除去 通风则可驱走如SO2 NO2等有害气体和其他挥发性物质 同时还可增加糖液中的溶氧量 有利于酵母的增殖 此法在广东一些大型糖蜜酒精厂较多采用 热酸处理法先用60 温水将糖蜜稀释至55 58 Bx 同时添加浓硫酸调节pH至3 3 8进行酸化 然后静置沉淀5 6h 取出清液再稀释至培养酒母所需的浓度 后来此法改良为将半稀释的糖蜜先加硫酸酸化后再加热 最后再稀释 效果更好 对于糖蜜澄清处理的意见 近年来国外酒精发酵资料和国内的研究均有提出如下结论 经澄清处理的稀糖蜜 其发酵率和产品质量比不澄清的高 经澄清处理的稀糖蜜 可采用较高浓度进行发酵 经澄清处理的稀糖液 其发酵速度比未澄清的或澄清后的残渣都慢 胶体被除去后 会削弱酵母对高浓度酒精的抵抗力 基于上述见解 在考虑糖蜜澄清方法时 应尽量除去非糖杂质中有碍酒精发酵工艺的成分而尽量保留那些能促进酵母生长 对于发酵有利的物质 以求达到既提高发酵率和产品质量 又保持理想的发酵速度的目的 目前我国大多数糖蜜酒精厂只考虑用作培养酒母的稀释液才进行澄清处理 而对发酵用的基本稀糖液则不作澄清处理 见P17稀糖液制备的工艺流程 3 添加营养盐酵母生长繁殖时需要一定的氮源 磷源 生长素 镁盐等 氮源 硫酸铵 用量为糖蜜质量的0 1 0 2 磷源 磷酸液 用量为糖蜜质量的0 03 0 04 镁盐 硫酸镁 用量为糖蜜质量的0 04 0 05 生长素 一般不用添加生长素但对于纯度很低的糖蜜和劣质糖蜜 则有必要适当添加生长素 如米糠或玉米浆等 二 酒母的制备 糖蜜酒精发酵的微生物是酵母菌 酒母 指具有一定酵母细胞数量的酵母菌菌种 成熟酒母的要求 健壮饱满 纯粹无杂菌 繁殖速度快 酶的活力高 发酵能力强 酒母制备 分为两个阶段的培养1 酵母种子纯粹扩大培养 实验室阶段 2 酒母扩大培养 车间阶段 酒母扩大培养的方法可分为间歇式 半连续式和连续式三种 1 间歇式培养法 2 半连续式培养法 3 连续式培养法 酒母成熟后质量指标 a 酵母细胞数1 1 2亿 mLb 细胞出芽率20 25 c 死细胞 1 d 耗糖率45 50 e 酸度5 5 6 5 pH4 0 4 2 f 含酒精3 3 5 三 酒精发酵的方法 基质 稀释糖蜜 酒母醪 发酵糖蜜酒精发酵方法分为 间歇法连续法 多用 连续发酵方法 1 单浓度连续发酵发酵糖液浓度与酒母培养液浓度相同 即为22 25 BX工艺流程 图1 2 5 2 双浓度连续发酵酒母培养液采用低浓度稀糖液 17 20 BX 发酵用的基本稀糖液采用高浓度稀糖液 36 39 BX 工艺流程 P23图1 2 6 3 固定化酵母连续发酵把酵母固定在特殊的载体内 用不锈钢网围放在1号发酵罐内 载体不会流失 而且载体内的酵母数可高达20亿 g 酵母在载本中不断生长繁殖并渗透到发酵液中 其发酵速度比双浓度流加法快10 30 发酵周期可缩短为28 35h 设备利用率和产酒率相应提高 4 连续发酵蒸馏法特点 采用发酵和蒸馏结合起来的一种新工艺 优点 酵母循环回用 罐内形成酵母优势 发酵时间短 产酒率高 且节省了酵母生产繁殖的耗糖 蒸馏废液部分回流至发酵作内部稀释 再结合低pH的发酵工艺 既实现了内部灭菌 又减少了生产用水量和废液排放量 且废液的浓度高 有利于废液的再利用 四 发酵动态 酒精发酵过程从表观现象看 可分为前发酵 主发酵和后发酵三个阶段 1 前发酵阶段此阶段主要是酵母的增殖和积累 由于酵母的总数量还不多 发酵作用不强 糖分消耗较慢 酒精和二氧化碳的生成不多 所以醪液的温度上升很慢或基本不上升 2 主发酵阶段酵母细胞已大量生成 可达1亿 mL以上 此时主要进行缺氧发酵 糖分大量被分解 酒精和二氧化碳的生成较多 并放出大量热量 醪液的温升很快 在此阶段必须严格控制温度 以30 34 为宜 确保酵母的活力 如醪液温度过高 酵母易衰老 酶活性降低 影响产酒率 如温度过低 则延长发酵时间 降低发酵罐利用率 3 后发酵阶段发酵醪液中的糖分绝大部分已被酵母消耗 发酵作用减弱 酒精和二氧化碳产生也少了 温升完全缓和 温度逐渐下降 发酵趋于成熟 五 影响糖蜜酒精发酵的主要因素 1 醪液的糖分浓度 直接影响发酵速度 糖分利用率及生产效率发酵醪浓度高 提高发酵设备的利用率 发酵醪浓度低 可加速酒精发酵和提高糖分的转化率 2 酵母数量 直接影响发酵效率数量过多 糖分转化为酒精的转化率低数量过少 发酵时间长 设备利用率低 发酵率下降 3 主发酵酒精浓度1号主发酵罐的酒精浓度宜控制在3 3 5 酒精浓度过高 酵母易老化 降低发酵效率 4 pH酵母发育最适pH是4 5 5 发酵的最适pH是4 4 5 pH太低 则酵母生长受到抑制pH太高 则易感染杂菌 5 发酵温度在28 34 的范围内 温度越高发酵越迅速 在34 以上 发酵速度将减慢 在40 以上时 酵母衰老 难于发酵 若温度低于28 发酵则缓慢 产量下降 因此发酵温度最高一般控制在32 35 6 发酵时间双浓度流程 30 36h 单浓度流程 24 26h 六 酒精发酵设备 酒精发酵罐的结构如图1 27所示 发酵罐的冷却装置 多采用罐内装冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷淋的联合冷却装置 发酵罐多采用水力喷射洗涤装置 如图1 2 8所示 见27页图 第四节酒精发酵成熟醪的蒸馏与精馏除杂一 发酵成熟醪的化学组成 发酵后的成熟醪是一种复杂的混合液体 其组成中水分约为80 90 W 酒精含量约为6 10 V 一定量的不挥发性杂质和挥发性杂质 数十种之多 二 酒精蒸馏与精馏 在酒精生产过程中 将酒精和其它易挥发性杂质 从发酵成熟醪中分离出来的过程 称为蒸馏 也可称为初馏或粗馏 蒸馏的结果可得到粗酒精 设备为醪塔或粗馏塔 进一步除去粗酒精中的杂质 提高酒精的纯度和浓度的过程称为精馏 精馏的结果可得到不同级别的酒精 设备为精馏塔 发酵成熟醪中的不挥发性杂质容易与酒精分离 通过蒸馏后可从粗馏塔 醪塔 底部排出 称为废糟或酒糟 对于挥发性杂质 则随酒精蒸汽 冷凝后即为粗酒精 一起从醪塔顶部导出 进入精馏工序 粗酒精中的挥发性杂质 就其化学性质来说 可分为醛 醇 酯 酸四大类 而从精馏除杂时的动态状况来看 又可分为以下三大类 头级杂质 沸点多数比酒精低 故比酒精更易挥