生物化工工艺学第11章生化生产工艺实例简介汇编

1、 一一 啤酒生产原辅料啤酒生产原辅料 大麦大麦是酿造啤酒的主要原料。是酿造啤酒的主要原料。 酒花酒花是啤酒生产的香料。酒花中的酒花树脂、酒花酒和多酚物是啤酒生产的香料。酒花中的酒花树脂、酒花酒和多酚物 质赋予啤酒特有的香味和爽口的苦味，酒花树脂还有防腐能力，质赋予啤酒特有的香味和爽口的苦味，酒花树脂还有防腐能力， 多酚物质中的单宁则具有澄清麦汁的作用。多酚物质中的单宁则具有澄清麦汁的作用。 水水是啤酒生产的重要原料。是啤酒生产的重要原料。 大米、玉米、小麦、糖。大米、玉米、小麦、糖。 将在原料大麦制成麦芽的过程称为将在原料大麦制成麦芽的过程称为制麦，其目的制麦，其目的在于使大麦发芽产在于使大麦

2、发芽产 生多种水解酶类，并使胚乳达到适度的溶解，便于糖化，使大分子生多种水解酶类，并使胚乳达到适度的溶解，便于糖化，使大分子 淀粉、蛋白质等得以分解溶出。淀粉、蛋白质等得以分解溶出。 制麦全过程分为：制麦全过程分为：原料清洗、浸麦、发芽、干燥、除根和贮存等。原料清洗、浸麦、发芽、干燥、除根和贮存等。 -干燥的目的在于除去多余的水分，终止酶形成和作用，产生麦干燥的目的在于除去多余的水分，终止酶形成和作用，产生麦 芽特有的色、香、味。芽特有的色、香、味。 二二 麦芽制造麦芽制造 麦芽汁的制备麦芽汁的制备是将固态的麦芽、非发芽谷物、酒花用水调制再加工成是将固态的麦芽、非发芽谷物、酒花用水调制再加工成

3、 澄清透明的麦芽汁的过程。澄清透明的麦芽汁的过程。 制备过程包括：制备过程包括：原辅料的粉碎、糊化、糖化、糖化醪过滤、混合麦汁原辅料的粉碎、糊化、糖化、糖化醪过滤、混合麦汁 加加煮沸、煮沸后麦汁的澄清、冷却、通氧等一系列物理、煮沸、煮沸后麦汁的澄清、冷却、通氧等一系列物理、 化学、生物化学加工过程。化学、生物化学加工过程。 三三 麦汁制备麦汁制备 冷麦汁接种啤酒酵母，发酵产生冷麦汁接种啤酒酵母，发酵产生酒精酒精和和CO2、高级醇、挥发酯、醛、高级醇、挥发酯、醛 类和酸类、连二酮类、含硫化合物类和酸类、连二酮类、含硫化合物等一系列代谢产物。等一系列代谢产物。 酵母的选择酵母的选择 麦汁的组成麦汁

4、的组成 接种量接种量 发酵工艺控制（温度发酵工艺控制（温度715、罐压和、罐压和CO2浓度）浓度） 四四 啤酒发酵啤酒发酵 燃燃 料料 乙乙 醇醇 绿色能源革命 石油危机 环境污染 可再生能源 具有优良性能 发展燃料乙醇原因 由于经济的发展和人口的迅猛由于经济的发展和人口的迅猛 增加增加, ,使得能源的消耗呈不断使得能源的消耗呈不断 上升趋势上升趋势, ,而煤、石油等化石而煤、石油等化石 能源的储量有限。能源的储量有限。2020世纪世纪7070 年代发生的石油危机年代发生的石油危机, ,使各国使各国 政府和人们意识到寻找新的能政府和人们意识到寻找新的能 源替代品的重要性源替代品的重要性. 目前

5、全球面临的环境问题直接 或间接与矿物燃料的加工有关。 矿物燃料燃烧时释放出大量的 C、N、S的氧化物气体，是产 生酸雨、温室效应等地区性环 境问题的根源。 燃料乙醇大都是利用来源于植 物的淀粉质和纤维原料发酵制 得，因此属于可再生能源。 用乙醇代替或部分代替汽油 作为汽车燃料可提高燃烧值， 改善防爆性能，并能缓和温 室效应和降低环境污染。 燃料乙醇生产中碳循环燃料乙醇生产中碳循环 Monthly Ethanol and Gasoline Prices, 1999-2003 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 1999 2000 2001 2002 2003

6、Dollars per gallons GasolineEthanol 石油与乙醇价格比较石油与乙醇价格比较 世界乙醇产量世界乙醇产量 燃料乙醇主要生产国家燃料乙醇主要生产国家 l巴西的燃料酒精工业: 二十世纪70年代开始”国家酒精发展计划” 80年代研制出乙醇专用发动机 目前世界年产燃料酒精最多的国家 法定的车用燃料酒精浓度20% 24% 主要原料:甘蔗 l美国的燃料酒精工业: 70年代末制订”乙醇发展计划” 1990年通过的”空气清净法” 世界上第二大酒精生产国 目前30%汽车使用汽油醇 主要是汽油中添加10%无水乙醇(E10) 生产原料:90%以上是玉米 世界燃料酒精工业发展状况 l欧洲

7、的燃料酒精工业: 主要生产国:法国、德国和意大利 燃料酒精产量：2003年是37.5万吨，预计2010年300万吨 l我国的燃料酒精工业： 2001年4月国家计委宣布我国全面推广使用汽油醇 2002年6月我国在河南、黑龙江、吉林、安徽部分地区开展汽油醇 试点，目前8个省开始使用汽油醇（E10） 目前原发酵酒精生产能力达450500万吨，生产厂家1100多家 2003年改造和建成了年生产能力为102万吨的4个大型项目 吉林燃料乙醇公司吉林燃料乙醇公司：30万吨/年（一期） 河南天冠集团河南天冠集团： 30万吨/年 安徽丰原公司安徽丰原公司：32万吨/年 黑龙江华润公司黑龙江华润公司：10万吨/年

8、 生产原料：主要是淀粉质原料（玉米、小麦、甘薯、木薯等） 糖蜜类原料（甘蔗、甜菜等） 世界燃料酒精工业发展状况 u生产方法： 化学合成法、发酵法化学合成法、发酵法 u生产原料： 糖蜜类、淀粉类、植物纤糖蜜类、淀粉类、植物纤 维类维类 生产方法与原料生产方法与原料 5% 合成法合成法 95% 发酵法发酵法 目前燃料酒精生产原料目前燃料酒精生产原料 酒精发酵原理酒精发酵原理 葡萄糖葡萄糖 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 磷酸丙糖磷酸丙糖 丙酮酸丙酮酸 乙醇乙醇+C02 戊糖戊糖 磷酸戊糖磷酸戊糖 C02 + H2O 乙酰辅酶 A C02 + H2O EMP途径 途径 HMP循环 TCA循环循环 u淀粉质

9、原料生产工艺: 原料 预处理 蒸煮 糖化 发酵 蒸馏 u糖质原料生产工艺: 糖蜜 预处理 发酵 蒸馏 u纤维质原料生产工艺： 纤维原料 预处理 水解 发酵 蒸馏 发酵酒精生产工艺流程发酵酒精生产工艺流程 成品酒精 杂醇油 醛酯馏分 酒 糟 水水 蒸汽蒸汽糖化剂糖化剂酒母酒母蒸汽蒸汽 CO2 成品酒精 杂醇油 醛酯馏分 酒 糟 水、酸、营养盐、防腐剂水、酸、营养盐、防腐剂酒母酒母 蒸汽蒸汽 CO2 成品酒精 杂醇油 醛酯馏分 酒 糟 酶或酸酶或酸 酒母酒母蒸汽蒸汽 CO2 发酵制乙醇典型设备流程发酵制乙醇典型设备流程 原料预处理 淀粉质原料淀粉质原料:传统采取干法处理,许多成分未有效利用 现在多

10、研究湿法浸泡工艺,燃料乙醇与其它发 酵产品相 耦合。尤其最近较为流行的超临界CO2萃取用于处理玉 原料可得到高附加值的胚芽蛋白。 植物纤维原料植物纤维原料： 目前燃料乙醇研究热点目前燃料乙醇研究热点 预处理方法预处理方法 物理方法：机械破碎、高能辐射及超声波、微波处理 化学方法：酸水解、碱水解、氨解、氧化处理等 物理化学方法：水蒸气爆破、 CO2蒸汽爆破、氨冷冻爆破 生物方法：木素酶、纤维素酶 在实际中对植物原料进行预处理，单一的方法很难达到预期在实际中对植物原料进行预处理，单一的方法很难达到预期 效果，往往采用各种组合方法，目前比较多是先采用效果，往往采用各种组合方法，目前比较多是先采用机械

11、破碎机械破碎， 然后采用然后采用蒸汽爆破蒸汽爆破，再利用，再利用生物方法生物方法进行处理。进行处理。 发酵工艺: 1 发酵前处理和后处理 a蒸煮工艺: 以往淀粉原料生产酒精需在发酵前进行高温蒸煮, 需消耗大量 热能。 目前正在开发无蒸煮工艺特别是生淀粉发酵工 艺 、低温液化(80)与酒糟回收相结合的工艺、挤压 膨化技术。 b 精馏酒精技术: 传统酒精蒸馏和提纯耗能大，约占整个生产过程 30%。 目前多采取共沸精馏、萃取精馏，正在研究的渗透汽 化膜分离技术可降能耗50%以上。 目前燃料乙醇研究热点目前燃料乙醇研究热点 2 2 发酵工艺研究 a 产物抑制的消除： 真空发酵、萃取发酵、吸附剂吸附法、

12、气提藕联、 连续发酵与膜分离耦合、反应器的串联组合。 b连续发酵: 反应中连续流加新鲜培养液,连续排出发酵液,使微生 物生长始终处于旺盛状态,发酵环 境稳定。 c 同步糖化发酵（SSF） d 固体发酵：固体占40%以上 目前燃料乙醇研究热点目前燃料乙醇研究热点 菌种选育方面 1 直接发酵生淀粉的菌株： 选育和构建生淀粉糖化酶产生菌（曲霉菌） 2 2 耐高温酵母和细菌： 如运动细胞单胞菌（Zymomonas mobilis) 3 耐高浓度酒精酵母： 可降低产物抑制效应，提高发酵液中酒精浓度 度，降低乙醇蒸馏时能耗。 4 自絮凝酵母: 5 戊糖发酵菌种 目前燃料乙醇研究热点目前燃料乙醇研究热点 酵

13、母的固定化 传统的酒精发酵工艺,采取游离细胞发酵,酵母随发 酵醪不断流走,造成发酵罐中酵母浓度不够大,使发酵速度 慢,发酵时间长,设备利用率不高。 固定化酵母机理： 将高活性的酒精酵母高度密集于载体上，并不断繁 殖，形成高浓度的生物催化剂酵母酒化酶体系，大大加 快酒精发酵速度，使设备的生产能力大幅提高。 目前燃料乙醇研究热点目前燃料乙醇研究热点 目前燃料乙醇研究热点目前燃料乙醇研究热点 固定化酵母分类固定化酵母分类 有载体固定化 吸附法 包埋法 共价或交联法 凝胶包埋法:聚丙烯酰胺凝胶 微囊化：壳聚糖 卡拉胶 海藻酸钙凝胶 琼脂糖凝胶 无载体固定化：自絮凝酵母（粟酒裂殖酵母） 目前国内外主要的

14、研究工作： （1）固定化载体的选择及其影响条件的选择 （2）固定化酵母反应器：填充床、流化床等多种反应器 （3）自絮凝酵母的研究：酵母自絮凝影响因素、筛选和构建酒精 产量高的自絮凝酵母。 戊糖发酵 地球上每年大约形成 1000亿吨植物有机物，在我 国仅农业生产中形成的农业废弃物，每年约有亿吨。 在植物纤维原料中，半纤维素的主要成分戊聚糖占 20%30%；在植物纤维原料水解液中戊糖占30%左右。 利用微生物转化可植物纤维原料为乙醇，其关键问 题是戊糖的转化。 目前燃料乙醇研究热点目前燃料乙醇研究热点 目前燃料乙醇研究热点目前燃料乙醇研究热点 木糖 木糖醇 木酮糖 木糖还原酶（木糖还原酶（XRXR） 木糖醇脱氢酶（木糖醇脱氢酶（XDH） 这两步反应需要辅酶I（NAD+、NADH）或辅酶II（NADP+、 NADPH）的参与 微生物发酵戊糖产生酒精的代谢机理微生物发酵戊糖产生酒精的代谢机理 木糖在不同微生物细胞中主要有两种途径被异构 成木酮糖。 绝大多数细菌和放线菌是通过木糖异构酶一步完成 的，木糖异构酶需要Mg2+、Co2+、Mn