第二章 糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)酒精

1、第二章第二章 糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)酒糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)酒精精 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 酒精，學名乙醇，分子式C2H5OH。 用常壓蒸餾方法蒸餾出來的酒精，其最高濃度為95.57（質(zhì)量分數(shù)），其沸點為78.15， 1、 酒精具有一般醇類的化學性質(zhì)。 2、酒精還具有生物學上和對人體生理上的性質(zhì)。 3、酒精的用途。 4、酒精的工業(yè)生產(chǎn)方法：包括發(fā)酵法和化學合成法兩種。 5、酒精的分類：、酒精的分類： 按國標（GB394-93）可分為四個等級：P8表1-2-1 優(yōu)等品、一等品、合格品、粗酒精按用途分類： 工業(yè)酒精：用作燃料，原料、溶劑 醫(yī)藥酒精：用作防腐，消毒、制藥 高純酒精：勾脫各種飲料酒 精餾酒精：勾脫各種飲

2、料酒 無水酒精：化工原料，含量要求達99.95%以上。第二節(jié)第二節(jié) 酒精發(fā)酵的機理酒精發(fā)酵的機理 一、糖蜜酒精發(fā)酵的微生物一、糖蜜酒精發(fā)酵的微生物 酒精發(fā)酵使用的微生物是酵母菌酵母菌，它是一種兼性厭氧性的微生物，有氧時進行生長、繁殖，缺氧時進行厭氧發(fā)酵。 酵母菌是一種以單細胞作為生命活動方式的微生物。酵母菌適宜生長的極限溫度為045，最適生長溫度是2530，最適發(fā)酵溫度是3034，在60溫度下， 1015min則死亡。酵母菌適宜生長的極限pH為2.58，最適生長pH值是4.55.5，最適發(fā)酵pH是44.5， pH過高或過低都會使酵母的生命活動受到抑制甚至死亡。 酒精發(fā)酵的酵母菌特性要求：（1）

3、發(fā)酵能力強，有較強的酶活性（2）繁殖速度快：受溫度影響 301hr 203.5hr 109hr （培養(yǎng)繁殖時間） 培養(yǎng)時，T，酵母不易衰老（3）耐酒精能力： 酒精濃度 3%（抑制開始） 6%（抑制作用較明顯） 8%（影響生長） 10%（影響生長和發(fā)酵） 12%（發(fā)酵停止）（4）耐酸能力 酵母菌對酸的抵抗能力比乳酸菌強，一般適于偏酸的環(huán)境。pH=4.5-5.5（5）耐溫能力 對常用的菌種來說，在2834的范圍內(nèi)，溫度越高發(fā)酵越迅速，在34以上，發(fā)酵速度將減慢，溫度在40以上時，酵母衰老，難于發(fā)酵，且產(chǎn)酸細菌迅速繁殖。若溫度低于28，發(fā)酵則緩慢，設備利用率低，產(chǎn)量下降。 高溫地區(qū)，應設法選篩適宜高

4、溫發(fā)酵的酵母菌種（6）耐滲透壓性能強。（7）能抗重金屬的毒害作用 目前我國常用于甘蔗糖蜜酒精發(fā)酵的酵母菌種有AS.2.1189，AS.2.1190，臺灣396號，甘化I號。川345及川102等。 這些酵母菌種一般用10Bx麥芽汁固體斜面培養(yǎng)基，接種后，于3032培養(yǎng)48h，然后置于冰箱，在35下冷藏保存。 二、糖蜜酒精發(fā)酵機理 研究以糖蜜為原料的酒精發(fā)酵過程，則是研究酵母菌如何首先利用菌體內(nèi)的蔗研究酵母菌如何首先利用菌體內(nèi)的蔗糖酶糖酶，先將蔗糖水解為可發(fā)酵性單糖，然后如何經(jīng)過酵母菌體活細胞內(nèi)的酒化酶（參與酒精發(fā)酵的各種酶及輔酶的總稱）（參與酒精發(fā)酵的各種酶及輔酶的總稱）的作用，生成乙醇和二氧化

5、碳，最后通過細胞質(zhì)膜將這些產(chǎn)物排泄出來的反應過程。 由葡萄糖發(fā)酵生成乙醇和二氧化碳的主反應式（未計算ADP磷酸化的水分子出入在內(nèi)）為（見11頁）： 酒精發(fā)酵過程的機理實質(zhì)是酵母菌在酸酒精發(fā)酵過程的機理實質(zhì)是酵母菌在酸性缺氧條件下，并且有無機態(tài)磷酸及鎂性缺氧條件下，并且有無機態(tài)磷酸及鎂離子、鉀離子等存在時，分泌出各種酶離子、鉀離子等存在時，分泌出各種酶所引起的一整套酶促過程。其詳細反應所引起的一整套酶促過程。其詳細反應過程可參看微生物代謝的過程可參看微生物代謝的EMP途徑。圖途徑。圖1-2-1（12頁）頁） 酒精發(fā)酵過程主要經(jīng)歷下述四個階段，共12個步驟： 第一階段：葡萄糖磷酸化，生成活潑的1，

6、6-二磷酸果糖。這個階段主要是糖的活化。 第二階段：1，6-二磷酸果糖分裂為兩分子磷酸 丙 糖。 第三階段：3-磷酸甘油醛經(jīng)氧化（脫氫作用）并磷酸化，生成1，3-二磷酸甘油酸，然后將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ADP，以產(chǎn)生ATP，再經(jīng)磷酸基變位和分子內(nèi)重排后又給出一個高能磷酸鍵，而后變成丙酮酸。 第四階段：乙醇的生成。在此階段，酵母菌在無氧條件下，繼續(xù)將丙酮酸進行降解，產(chǎn)生乙醇。上述酒精發(fā)酵機理的幾點說明： （1）葡萄糖在無氧條件下通過酵母菌進行酒精發(fā)酵的全過程必須經(jīng)過酵母菌體細胞內(nèi)酶系中的十二種酶分別順次作用才能完成。 （2）整個酒精發(fā)酵過程是放能反應過程。 在酒精發(fā)酵過程中，所放出的能量，部分用于合

7、成ATP（ ATP的主要用途是使葡萄糖磷酸化以促進發(fā)酵作用），其余的能量則發(fā)散為熱，導致發(fā)酵液溫度逐漸升高。因此在發(fā)酵工藝管理上必須嚴格控制溫升和調(diào)節(jié)溫度。 （3）在酒精發(fā)酵過程中總是附帶產(chǎn)生多種多樣的副產(chǎn)物。若改變酒精發(fā)酵的條件，發(fā)酵反應的方向是可以改變的發(fā)酵反應的方向是可以改變的，產(chǎn)物和副產(chǎn)物也將隨之改變。 第三節(jié)第三節(jié) 糖蜜酒精發(fā)酵糖蜜酒精發(fā)酵一、糖蜜發(fā)酵前的處理一、糖蜜發(fā)酵前的處理1稀釋 目的：降濃降粘。 （因在高濃度高粘度的情況下，酵母菌是難以甚至無法直接利用糖蜜進行有效發(fā)酵的）。 根據(jù)生產(chǎn)工藝流程的不同，通常稀釋要求的濃度大致如下： （1）單濃度發(fā)酵流程 稀糖液濃度控制在2225B

8、x。 （2）雙濃度發(fā)酵流程 酒母用稀糖液濃度控制在1720Bx；發(fā)酵用基本稀糖液濃度控制在3639Bx。（3）稀釋加水量的計算 為了制備一定濃度的稀糖液，以便滿足發(fā)酵工藝技術(shù)條件的要求，糖蜜稀釋所需的加水量和糖蜜量通常用以下公式計算： Mc前 = Vc后 式中 M糖蜜量（kg） c前稀釋前糖蜜濃度（Bx） V 稀釋后稀糖液體積（m3） 稀釋后稀糖液密度（kgm3） c后稀釋后稀糖液濃度（Bx） 所需糖蜜量： Vc后 M = c前稀釋時所需加水量： M ( c前 - c后 ) W c后2澄清 糖蜜澄清處理通常運用加酸酸化、加熱滅菌和加酸酸化、加熱滅菌和靜置沉淀靜置沉淀等多種手段來完成。 （1）酸

9、化 甘蔗糖蜜本身為微酸性，而酵母發(fā)酵的最適pH為4.04.5，所以工藝上要求糖蜜稀釋的同時要加酸酸化。 酸化的目的： 除可調(diào)節(jié)適宜發(fā)酵的酸度外，還能使部分蔗糖轉(zhuǎn)化為酵母可直接利用的單糖，有利于促進酵母迅速增殖、發(fā)酵； 可有效地抑制其他雜菌的繁殖； 除去雜質(zhì)。 方法：可用濃硫酸外或鹽酸，加酸量為（密度1.86，66B的工業(yè)硫酸）每噸原糖蜜加2.5L3.5L，約為稀糖液量的0.20.3。 對于雙濃度流程來說，發(fā)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）應在67。（2）滅菌 糖蜜中常有雜菌，當發(fā)酵時，這些雜菌會消耗糖分而降低酒精產(chǎn)率，并會生成其他有害物質(zhì)而影響酒精質(zhì)量。 方法： A、

10、采用蒸汽加熱至8090，維持1h即可達到滅菌的目的。 B、化學防腐劑，如漂白粉、甲醛、氯化鈉、五氯代苯酚鈉等。一般按1：10溶化稀釋后加入糖蜜中攪拌均勻，靜置34h 即可。若用量過多或作用時間過短則殘余防腐劑進入發(fā)酵工序?qū)绊懡湍干L，繁殖 。 C、利用噬菌體來防止糖蜜發(fā)酵時的雜菌。 D、用抗菌素來防止雜菌的。 （3）靜置沉淀 糖蜜中的膠體物質(zhì)、灰分和其它懸浮物質(zhì)在加酸、加熱后，相當一部分已凝聚或生成不溶性的沉淀物，靜置沉降可使固液進一步分離，易于取出清液而除去這些有害雜質(zhì)。靜置沉降的時間一般需要若干小時。傳統(tǒng)的澄清方法有冷酸通風處理法和熱酸處理法冷酸通風處理法和熱酸處理法。冷酸通風處理（沉

11、淀）法 先將糖蜜稀釋至50Bx左右，加人為稀糖液量0.20.3的濃硫酸，酸化的同時可加入0.01高錳酸鉀，并通入無菌壓縮空氣12h，然后靜置沉淀取上清液。加入高錳酸鉀，可使糖蜜中的亞硫酸鹽、亞硝酸鹽等氧化，減輕其對酵母的毒害或生成沉淀除去。通風則可驅(qū)走如SO2、NO2等有害氣體和其他揮發(fā)性物質(zhì)，同時還可增加糖液中的溶氧量，有利于酵母的增殖。此法在廣東一些大型糖蜜酒精廠較多采用。熱酸處理法 先用60溫水將糖蜜稀釋至5558Bx，同時添加濃硫酸調(diào)節(jié)pH至338進行酸化，然后靜置沉淀56h，取出清液再稀釋至培養(yǎng)酒母所需的濃度。后來此法改良為將半稀釋的糖蜜先加硫酸酸化后再加熱，最后再稀釋，效果更好。

12、對于糖蜜澄清處理的意見，近年來國外酒精發(fā)酵資料和國內(nèi)的研究均有提出如下結(jié)論：經(jīng)澄清處理的稀糖蜜，其發(fā)酵率和產(chǎn)品質(zhì) 量比不澄清的高；經(jīng)澄清處理的稀糖蜜，可采用較高濃度進 行發(fā)酵；經(jīng)澄清處理的稀糖液，其發(fā)酵速度比未澄 清的或澄清后的殘渣都慢；膠體被除去后，會削弱酵母對高濃度酒精 的抵抗力。 基于上述見解，在考慮糖蜜澄清方法基于上述見解，在考慮糖蜜澄清方法時，應盡量除去非糖雜質(zhì)中有礙酒精發(fā)酵時，應盡量除去非糖雜質(zhì)中有礙酒精發(fā)酵工藝的成分而盡量保留那些能促進酵母生工藝的成分而盡量保留那些能促進酵母生長、對于發(fā)酵有利的物質(zhì)，以求達到既提長、對于發(fā)酵有利的物質(zhì)，以求達到既提高發(fā)酵率和產(chǎn)品質(zhì)量，又保持理想的

13、發(fā)酵高發(fā)酵率和產(chǎn)品質(zhì)量，又保持理想的發(fā)酵速度的目的。速度的目的。 目前我國大多數(shù)糖蜜酒精廠只考慮用作只考慮用作培養(yǎng)酒母的稀釋液才進行澄清處理，培養(yǎng)酒母的稀釋液才進行澄清處理，而對發(fā)酵用的基本稀糖液則不作澄清處理發(fā)酵用的基本稀糖液則不作澄清處理。（見P17稀糖液制備的工藝流程）。3添加營養(yǎng)鹽 酵母生長繁殖時需要一定的氮源、磷源、生長素、鎂鹽等。氮源：硫酸銨，用量為糖蜜質(zhì)量的0.10.2 磷源：磷酸液，用量為糖蜜質(zhì)量的0.030.04。鎂鹽：硫酸鎂，用量為糖蜜質(zhì)量的0.040.05。生長素：一般不用添加生長素但對于純度很低 的糖蜜和劣質(zhì)糖蜜，則有必要適當添 加生長素（如米糠或玉米漿等）二、酒母的制

14、備二、酒母的制備 糖蜜酒精發(fā)酵的微生物是酵母菌糖蜜酒精發(fā)酵的微生物是酵母菌。酒母酒母指具有一定酵母細胞數(shù)量的酵母菌菌種。指具有一定酵母細胞數(shù)量的酵母菌菌種。成熟酒母的要求：健壯飽滿、純粹無雜菌、繁殖速成熟酒母的要求：健壯飽滿、純粹無雜菌、繁殖速 度快、酶的活力高、度快、酶的活力高、發(fā)酵能力強。發(fā)酵能力強。酒母制備：分酒母制備：分為兩個階段的培養(yǎng)兩個階段的培養(yǎng) 1、酵母種子純粹擴大培養(yǎng)（實驗室階段）、酵母種子純粹擴大培養(yǎng)（實驗室階段） 2、酒母擴大培養(yǎng)（車間階段）、酒母擴大培養(yǎng)（車間階段） 酒母擴大培養(yǎng)的方法可分為間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種：（1）間歇式培養(yǎng)法 （2）半連續(xù)式培養(yǎng)法 （3）連續(xù)

15、式培養(yǎng)法 酒母成熟后質(zhì)量指標：a.酵母細胞數(shù) 11.2 億mL b.細胞出芽率 2025c.死細胞 1%d.耗糖率 4550e.酸度 5.56.5（pH4.04.2）f.含酒精 33.5 三、酒精發(fā)酵的方法三、酒精發(fā)酵的方法基質(zhì) （稀釋糖蜜） + 酒母醪 發(fā)酵糖蜜酒精發(fā)酵方法分為：發(fā)酵方法分為： 間歇法間歇法 連續(xù)法連續(xù)法（多用）（多用）連續(xù)連續(xù)發(fā)酵方法：（1）單濃度連續(xù)發(fā)酵 發(fā)酵糖液濃度與酒母培養(yǎng)液濃度相同，即為22 25BX 工藝流程：圖1-2-5（2）雙濃度連續(xù)發(fā)酵酒母培養(yǎng)液采用低濃度稀糖液（17-20BX）發(fā)酵用的基本稀糖液采用高濃度稀糖液（36-39BX）工藝流程：P23圖1-2-6

16、（3）固定化酵母連續(xù)發(fā)酵 把酵母固定在特殊的載體內(nèi)，用不銹鋼網(wǎng)圍放在1號發(fā)酵罐內(nèi)，載體不會流失，而且載體內(nèi)的酵母數(shù)可高達20億/g，酵母在載本中不斷生長繁殖并滲透到發(fā)酵液中。 其發(fā)酵速度比雙濃度流加法快1030，發(fā)酵周期可縮短為2835h，設備利用率和產(chǎn)酒率相應提高。 （4）連續(xù)發(fā)酵蒸餾法 特點：采用發(fā)酵和蒸餾結(jié)合起來的一種新工藝。 優(yōu)點：酵母循環(huán)回用，罐內(nèi)形成酵母優(yōu)勢，發(fā)酵時間短，產(chǎn)酒率高，且節(jié)省了酵母生產(chǎn)繁殖的耗糖；蒸餾廢液部分回流至發(fā)酵作內(nèi)部稀釋，再結(jié)合低pH的發(fā)酵工藝，既實現(xiàn)了內(nèi)部滅菌，又減少了生產(chǎn)用水量和廢液排放量，且廢液的濃度高，有利于廢液的再利用。 四、發(fā)酵動態(tài)四、發(fā)酵動態(tài) 酒精

17、發(fā)酵過程從表觀現(xiàn)象看，可分為前發(fā)酵、主發(fā)酵和后發(fā)酵三個階段。 1前發(fā)酵階段 此階段主要是酵母的增殖和積累，由于酵母的總數(shù)量還不多，發(fā)酵作用不強，糖分消耗較慢，酒精和二氧化碳的生成不多，所以醪液的溫度上升很慢或基本不上升。 2主發(fā)酵階段 酵母細胞已大量生成，可達1億mL以上。此時主要進行缺氧發(fā)酵缺氧發(fā)酵。糖分大量糖分大量被分解，被分解，酒精和二氧化碳的生成較多，并放出大量熱量，醪液的溫升很快。 在此階段必須嚴格控制溫度，以3034為宜，確保酵母的活力。如醪液溫度過高，酵母易衰老，酶活性降低，影響產(chǎn)酒率；如溫度過低，則延長發(fā)酵時間，降低發(fā)酵罐利用率。3后發(fā)酵階段 發(fā)酵醪液中的糖分絕大部分已被酵母消

18、耗，發(fā)酵作用減弱，酒精和二氧化碳產(chǎn)生也少了，溫升完全緩和，溫度逐漸下降，發(fā)酵趨于成熟。 五、影響糖蜜酒精發(fā)酵的主要因素五、影響糖蜜酒精發(fā)酵的主要因素 1、醪液的糖分濃度： 直接影響發(fā)酵速度，糖分利用率及生產(chǎn)效率 發(fā)酵醪濃度高，提高發(fā)酵設備的利用率。 發(fā)酵醪濃度低，可加速酒精發(fā)酵和提高糖分的轉(zhuǎn)化率。2、酵母數(shù)量： 直接影響發(fā)酵效率 數(shù)量過多，糖分轉(zhuǎn)化為酒精的轉(zhuǎn)化率低 數(shù)量過少，發(fā)酵時間長，設備利用率低，發(fā)酵率下降 。3、主發(fā)酵酒精濃度 1號主發(fā)酵罐的酒精濃度宜控制在3-3.5% 酒精濃度過高，酵母易老化，降低發(fā)酵效率。 4pH 酵母發(fā)育最適pH是4.55，發(fā)酵的最適pH是44.5。 pH太低，則

19、酵母生長受到抑制 pH太高，則易感染雜菌 5發(fā)酵溫度 在2834的范圍內(nèi)，溫度越高發(fā)酵越迅速。在34以上，發(fā)酵速度將減慢， 在40以上時，酵母衰老，難于發(fā)酵。 若溫度低于28，發(fā)酵則緩慢，產(chǎn)量下降。 因此發(fā)酵溫度最高一般控制在3235。 6發(fā)酵時間 雙濃度流程：3036h， 單濃度流程：2426h。六、酒精發(fā)酵設備六、酒精發(fā)酵設備 酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)如圖1-27所示。 發(fā)酵罐的冷卻裝置，多采用罐內(nèi)裝冷卻蛇管或罐內(nèi)蛇管和罐外壁噴淋的聯(lián)合冷卻裝置。 發(fā)酵罐多采用水力噴射洗滌裝置，如圖1-2-8所示（見27頁圖）。第四節(jié)第四節(jié) 酒精發(fā)酵成熟醪的蒸餾與精餾除雜酒精發(fā)酵成熟醪的蒸餾與精餾除雜一、發(fā)酵成熟醪

20、的化學組成一、發(fā)酵成熟醪的化學組成 發(fā)酵后的成熟醪是一種復雜的混合液體，其組成中水分約為8090%（W），酒精含量約為610%（V），一定量的不揮發(fā)性雜質(zhì)和揮發(fā)性雜質(zhì)（數(shù)十種之多）。 二、酒精蒸餾與精餾二、酒精蒸餾與精餾 在酒精生產(chǎn)過程中，將酒精和其它易揮發(fā)性雜質(zhì)，從發(fā)酵成熟醪中分離出來的過程，稱為蒸餾，也可稱為初餾或粗餾。蒸餾的結(jié)果可得到粗酒精，設備為醪塔或粗餾塔。 進一步除去粗酒精中的雜質(zhì)，提高酒精的純度和濃度的過程稱為精餾。精餾的結(jié)果可得到不同級別的酒精，設備為精餾塔。 發(fā)酵成熟醪中的不揮發(fā)性雜質(zhì)容易與酒精分離，通過蒸餾后可從粗餾塔（醪塔）底部排出，稱為廢糟或酒糟。對于揮發(fā)性雜質(zhì)，則隨酒精蒸汽（冷凝后即為粗酒精）一起從醪塔頂部導出，進入精餾工序。 粗酒精中的揮發(fā)性雜質(zhì)，就其化學性質(zhì)化學性質(zhì)來說，可分為醛、醇、酯、酸四大類；而從精餾除精餾除雜時的動態(tài)狀況雜時的動態(tài)狀況來看，又可分為以下三大類： 頭級雜質(zhì)：沸點多數(shù)比酒精低，故比酒精更易揮發(fā)易揮發(fā)。如乙醛、乙酸乙酯。甲酸乙酯