本科《發(fā)酵工程》課件09第九章 發(fā)酵工程各論1-酒精生產(chǎn)工藝學(xué)

1、酒精生產(chǎn)工藝學(xué)11酒精生產(chǎn)原料 (1)薯類原料 甘薯、木薯和馬鈴薯等。 (2)谷物原料 玉米、高梁、大米和小麥等。 (3)糖類原料 廢糖蜜、甘蔗、甜菜等。 (4)野生植物原料 椽子仁、土茯苓、楝樹果等。 (5)纖維原料 森林工業(yè)和木材加工工業(yè)的下腳料、農(nóng)作物秸稈、甘蔗渣、廢纖維垃圾和廢紙漿等。 (6)其他原料 亞硫酸紙漿廢液、淀粉渣等。 2纖維素生產(chǎn)酒精工藝342.淀粉質(zhì)原料酒精生產(chǎn)的工藝流程51.原料粉碎2.蒸煮糊化3.曲霉糖化 經(jīng)蒸煮糊化后的醪液，通過曲霉菌的淀粉酶進(jìn)行糖化作用生成可發(fā)酵性糖，供酵母菌利用。曲霉菌是屬于好氣性的微生物，故在繁殖和生長過程中要給以充分得空氣，同時，淀粉酶的形成

2、也取決于所供給的空氣量。64.酵母發(fā)酵 酒精發(fā)酵是屬于厭氣性發(fā)酵，在發(fā)酵過程中進(jìn)行無氧呼吸，在此過程中，發(fā)生著復(fù)雜的生物化學(xué)變化，既有糖化醪中淀粉和糊精繼續(xù)被淀粉酶水解生成糖，也有蛋白質(zhì)在曲霉蛋白酶水解下生成肽和氨基酸。這些物質(zhì)一部分被酵母吸收合成菌體細(xì)胞，另一部分則被發(fā)酵，生成酒精和CO2。75.蒸餾提純 經(jīng)酵母菌把糖轉(zhuǎn)變成酒精后，在成熟發(fā)酵醪內(nèi)，除含有酒精和大量水分外，還含有固形物和許多雜質(zhì)。蒸餾是把發(fā)酵醪液中含有的酒精提純出來，通過粗餾和精餾，最后取得合乎規(guī)格的酒精，同時得到副產(chǎn)物雜醇油，還有大量的酒糟（也稱廢醪）排除。8第二節(jié) 酒母的制備 一、酒精生產(chǎn)對酵母菌的要求二、酒精生產(chǎn)中常用酵

3、母菌及其特性三、酵母所需營養(yǎng)物質(zhì)及其數(shù)量四、酒母培養(yǎng)與擴(kuò)大培養(yǎng)工藝五、酒母培養(yǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)六、影響酒母質(zhì)量主要因素的討論七、液體曲酒母的特點(diǎn)八.酒母培養(yǎng)異?，F(xiàn)象與防治措施9一、酒精生產(chǎn)對酵母菌的要求 (1)含有較強(qiáng)的酒化酶，發(fā)酵能力強(qiáng)，而且迅速；(2)繁殖速度快，具有很強(qiáng)的增殖能力；(3)耐酒精能力強(qiáng)，能在較高濃度的酒精發(fā)酵醪中進(jìn)行發(fā)酵；(4)耐溫性能好，能在較高溫度下進(jìn)行繁殖和發(fā)酵；(5)抵抗雜菌能力強(qiáng)；(6)耐酸能力強(qiáng)；(7)生產(chǎn)性能穩(wěn)定，變異性??；(8)發(fā)酵時產(chǎn)生泡沫少。 10二、酒精生產(chǎn)中常用酵母菌及其特性 酵母菌是一類單細(xì)胞微生物，繁殖方式以出芽繁殖為主。細(xì)胞形態(tài)以圓形、卵圓形或橢

4、圓形較多。從分類系統(tǒng)來講，淀粉質(zhì)原料酒精發(fā)酵常用的菌種為真酵母屬中的啤酒酵母(SdccHcromyce SCereuisiae)及其變種，如拉斯2號 (Rasse )、拉斯12號(Rasse )、K字、以及從我國酒精生產(chǎn)實(shí)踐中篩選的南陽五號(1300)、南陽混合(1308)等酵母菌株。 11用于酒精發(fā)酵的細(xì)菌主要有：厭氧發(fā)酵單胞菌和棕擱發(fā)酵菌。對耐高溫的嗜熱細(xì)菌(40一50)和極端嗜熱菌（65）的篩選和應(yīng)用也逐漸受到重視。用于酒精發(fā)酵(纖維素原料)的霉菌有：粗糙脈孢霉、擬青霉、鏈孢霉等。假絲酵母可直接發(fā)酵木糖為酒精。12(二)酒精酵母的特性 1繁殖速度快 如在麥汁小滴培養(yǎng)24小時，一個拉斯12

5、號酵母細(xì)胞，可以產(chǎn)生55個子細(xì)胞。2醪液濃度 一般酒精酵母在含5(容量)的酒精發(fā)酵醪中，其發(fā)酵能力就減弱，當(dāng)醪液中酒精濃度含量達(dá)到12(容量)時，則停止發(fā)酵。所以生產(chǎn)中常將糖化醪濃度控制在1518Bx之間，發(fā)酵成熟醪的酒精含量約為89(容量)。 133培養(yǎng)溫度 拉斯12號酵母繁殖適溫為3033，最低為5，最高為38。溫度適宜，酵母繁殖速度加快。溫度過高或過低，都影響酵母細(xì)胞的繁殖，甚至引起酵母的衰老或死亡。 4PH值 發(fā)酵醪的pH值與氧化還原電勢有關(guān)系，而氧化還原電勢又與酵母的呼吸有直接關(guān)系。酒精酵母可在pH4.06.0環(huán)境中進(jìn)行繁殖，如果醪液的pH值低于3，則酵母的活力大減。14三、酵母所需

6、營養(yǎng)物質(zhì)及其數(shù)量 1碳源 酵母菌在繁殖過程中，吸收的糖分，一方面用于合成菌體蛋白中的碳架，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻湍妇馁A藏物質(zhì)，還釋出一定能量，以供合成菌體物質(zhì)時的能量消耗。 152氮源 酵母菌所需的含氮物質(zhì)主要也是從淀粉質(zhì)原料中獲得。但原料中含氮物質(zhì)往往是大分子的蛋白質(zhì)，因此也必須經(jīng)過蒸煮和曲霉菌中的蛋白酶水解，生成小分子量的蛋白胨、眎或氨基酸后才能被酵母所向化。如果原料中含氮量少時，也可補(bǔ)加無機(jī)氮，供給酵母生長。生產(chǎn)上多采用(NH4)2SO4為補(bǔ)充氮源。 163無機(jī)鹽 酵母繁殖過程中需要的無機(jī)鹽可從原料中獲得，一般不需另加。 4維生素 酵母在生長繁殖過程中所需的維生素主要由糖化醪中獲得。維生素易

7、被高溫所破壞，因此，在制備酒母糖化醪時，不宜采用高溫長時間的殺菌，以減少維生素的損失。 17四、酒母培養(yǎng)與擴(kuò)大培養(yǎng)工藝 (一)酒母培養(yǎng)基的制備 (二)酒母的擴(kuò)大培養(yǎng) 18(一)酒母培養(yǎng)基的制備 1試驗室階段培養(yǎng)基的制備 酵母菌在試驗室培養(yǎng)階段一般多采用米曲汁或麥芽汁來做培養(yǎng)基。192酒母糖化醪的制備酒母擴(kuò)大培養(yǎng)至卡氏罐和酒母罐后，采用淀粉質(zhì)原料來制做酒母糖化醪。由于酒母糖化醪主要用來繁殖酵母細(xì)胞，所以酒母醪中除含有一定量的糖分外，還要求含有一定量的氮和無機(jī)鹽等其它營養(yǎng)物質(zhì)，以供酵母菌合成菌體細(xì)胞的需要。此外，為了確保酵母菌能夠順利的繁殖，還要調(diào)節(jié)酒母糖化醪的pH值，以抑制雜菌生長。20(二)酒

8、母的擴(kuò)大培養(yǎng) 擴(kuò)大流程：原菌斜面試管液體試管三角瓶培養(yǎng)卡氏罐 這一階段的培養(yǎng)，是擴(kuò)大酒母種子的開始。生產(chǎn)上希望在這一階段培養(yǎng)得到細(xì)胞健壯，沒有雜菌的種子酵母。因此，無菌條件要求較嚴(yán)，酵母培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分要求也高。 21(1)原菌 生產(chǎn)中使用的原始菌種應(yīng)當(dāng)是經(jīng)過純種分離的優(yōu)良菌種。保藏時間較長的原菌，在投產(chǎn)前，應(yīng)接入新鮮斜面試管進(jìn)行活化，以便使酵母菌處于旺盛的生活狀態(tài)。(2)斜面試管培養(yǎng) 將活化后的酵母菌在無菌條件下接入新鮮斜面試管，于28-30保溫培養(yǎng)34天，待斜面上長出白色菌苔，即培養(yǎng)成熟。(3)液體試管培養(yǎng) 在無菌條件下，用接種針自斜面試管挑取一環(huán)酵母菌體，接入裝有10毫升米曲汁的液體試管

9、，搖勻后，置2830保溫培養(yǎng)24小時左右，待液面冒出大量CO2，即培養(yǎng)成熟。 22(4)三角瓶培養(yǎng)：接種時，應(yīng)先用酒精消毒瓶口，在無菌條件下，將液體試管全部接入小三角瓶，2830條件下保溫培養(yǎng)1520小時，待液面冒出大量CO2泡沫，即培養(yǎng)成熟。 （5）卡氏罐培養(yǎng) 卡氏罐培養(yǎng)基可使用酒母糖化醪，以使酵母逐漸適應(yīng)大生產(chǎn)培養(yǎng)條件?？ㄊ瞎抻玫奶腔矐?yīng)單獨(dú)殺菌后備用，如果工廠衛(wèi)生管理條件較好，也可不殺菌。 23242酒母罐培養(yǎng)從卡氏罐以后酒母擴(kuò)大培養(yǎng)屬于酒母車間進(jìn)行培養(yǎng)，其流程為：卡氏罐-小酒母罐-大酒母罐-成熟酒母送發(fā)酵車間25(1)間歇培養(yǎng)法 此法是分小酒母罐與大酒母罐兩個階段進(jìn)行培養(yǎng)。接入已培養(yǎng)成

10、熟的卡氏罐酒母。通無菌空氣或用機(jī)械攪拌?？刂契矞卦?830進(jìn)行培養(yǎng)待醪液糖分降低4045%，其酒精分含量在34%(容量)左右，并且液面有大量CO2冒出，即培養(yǎng)成熟。將此培養(yǎng)成熟的小酒母再按入已裝好糖化醪的大酒母罐中，同法于2830繼續(xù)培養(yǎng)，待大酒母罐中糖分消耗4550%，液面冒出大量CO2時，培養(yǎng)即成熟，即可送往發(fā)酵車間，做發(fā)酵接種用。26(2)半連續(xù)培養(yǎng)法 半連續(xù)培養(yǎng)法也叫循環(huán)培養(yǎng)法。將卡氏罐酒母接入小酒母罐，培養(yǎng)成熟后，分割出三分之二接入大酒母罐進(jìn)行培養(yǎng)，余下的三分之一再補(bǔ)加新鮮酒母糖化醪連續(xù)培養(yǎng)，培養(yǎng)成熟后再分割，如此反復(fù)以上操作。大酒母培養(yǎng)成熟則可全部送發(fā)酵車間做接種用。 27目前多數(shù)

11、酒精廠均采用半連續(xù)培養(yǎng)酒母的方法。利用這種方法培養(yǎng)酒母，可以710天換一次新種，如果工廠衛(wèi)生管理條件較好，可以12個月?lián)Q一次新種，這樣不但省去了繁瑣的試驗室階段培養(yǎng)，而且也使酵母在生產(chǎn)條件下進(jìn)行了馴養(yǎng)，有利于酵母菌的繁殖和發(fā)酵。 283成熟酒母質(zhì)量指標(biāo) (1)酵母細(xì)胞數(shù) 酵母細(xì)胞數(shù)是觀察酵母繁殖能力的一項指標(biāo)，也是反映酵母培養(yǎng)成熟的指標(biāo)。成熟的酒母醪其酵母細(xì)胞數(shù)一般為l億毫升左右。(2)出芽率 酵母出芽率是衡量繁殖旺盛與否的一項指標(biāo)。出芽率高，說明酵母處于旺盛的生長期。反之，則說明酵母衰老。成熟酒母出芽率要求在1530%。 (3)酵母死亡率 用美藍(lán)對酵母細(xì)胞進(jìn)行染色，如果酵母細(xì)胞被染成藍(lán)色，說

12、明此細(xì)胞已死亡。正常培養(yǎng)的酒母不應(yīng)有死亡現(xiàn)象，如果死亡率在1%以上，應(yīng)及時查找原因采取措施進(jìn)行挽救。29(4)耗糖率 酵母的耗糖率也是觀察酒母成熟的指標(biāo)之一。成熟的酒母，耗糖率-般要求控制在40一50。耗糖率太高，說明酵母培養(yǎng)已經(jīng)過“老”，反之則“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況，也反映酵母成熟程度。如果酒母醪中酒精含量高，說明營養(yǎng)消耗大，酵母培養(yǎng)過于成熟。此時，應(yīng)停止酒母培養(yǎng)，否則會因營養(yǎng)缺乏或酒精含量高抑制酵母生長，造成酵母衰老。成熟酒母醪中的酒精含量一股為34(容量)。 30(6)酸度 測定酒母醪中的酸度是觀察酒母是否被細(xì)菌污染的一項指標(biāo)。如果成熟酒母醪

13、中酸度明顯增高，說明酒母被產(chǎn)酸細(xì)菌所污染。酸度增高太多，鏡檢時又發(fā)現(xiàn)有很多桿狀細(xì)菌，則不宜做種子用。 3132五、影響酒母質(zhì)量主要因素1.接種量與成熟酒母細(xì)胞數(shù)的關(guān)系酵母接種量的大小與成熟酒母醪中新增殖酵母細(xì)胞數(shù)關(guān)系不大。 332接種量與培養(yǎng)時間的關(guān)系 接種量大，則培養(yǎng)時間可以縮短，酒母成熟快開始接種時，易導(dǎo)致醪液被雜菌污染。但接種量太大，也會增加擴(kuò)大培養(yǎng)次數(shù)，增加設(shè)備投資。在酒母培養(yǎng)中，酒母接種量多控制在1：5l0。接種后的醪液，經(jīng)過l012小時培養(yǎng)成熟的酒母醪細(xì)胞數(shù)可達(dá)0.81.2億毫升以上，此時就可將成熟的酒母接到下一工序的醪中。343接種時間的掌握 從酵母茵繁殖規(guī)律曲線可以知道，酵母菌

14、在增殖過程中可分為適應(yīng)期(也稱遲緩期)、旺盛期、靜止期和衰退期四個階段。當(dāng)達(dá)到旺盛期時，酵母的增殖能力特別強(qiáng)，酵母生命活動處于旺盛階段，醪液中酵母活細(xì)胞數(shù)也迅速達(dá)最高峰。酒精生產(chǎn)中的酒母擴(kuò)大培養(yǎng)接種就是控制在這個時期。354酒母培養(yǎng)溫度的控制 酵母菌在適宜生長溫度范圍內(nèi)，高溫比低溫繁殖稍快。但高溫培養(yǎng)酵母易于衰老。酒精生產(chǎn)中酒母培養(yǎng)溫度為2830。由于酵母菌在生長代謝過程中還要產(chǎn)生一定熱量，故應(yīng)注意加強(qiáng)冷卻，以保證酵母菌健壯生長。365關(guān)于通風(fēng)培養(yǎng) 酒母糖化醪中含有充足的氧時，酵母菌在吸收營養(yǎng)后，由于其酒化酶受抑制，主要進(jìn)行菌體細(xì)胞合成，繁殖酵母細(xì)胞。酒母培養(yǎng)的目的是要獲得大量酵母細(xì)胞，所以在

15、酒母培養(yǎng)過程中通入適量的無菌空氣，對酵母繁殖是有利的。 酵母菌在無氧條件下培養(yǎng)，主要進(jìn)行發(fā)酵作用，可使糖分轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭虲O2。酵母菌在有氧條件下進(jìn)行酒精發(fā)酵時，由于進(jìn)行了呼吸作用，酒精產(chǎn)量大大降低，糖的消耗速度在單位時間內(nèi)也減慢。376.關(guān)于防止雜菌污染 酒精生產(chǎn)除了對原始菌種進(jìn)行定期分離純化外，在培養(yǎng)過程中加強(qiáng)無菌管理操作也是十分重要的。因為目前多數(shù)酒精廠酒母培養(yǎng)仍在敞口酒母罐中進(jìn)行，因此對車間環(huán)境衛(wèi)生要十分注意。另外，在使用前，對罐體、管道的殺菌也十分重要，尤其應(yīng)當(dāng)注意對某些管道死角加強(qiáng)殺菌操作。 38第七節(jié) 酒精發(fā)酵工藝 一、糖化醪發(fā)酵的目的要求及設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、酒精發(fā)酵機(jī)理三、酒精發(fā)酵

16、工藝四、影響酒精發(fā)酵因素的討論五、酒精發(fā)酵醪成熟六、酒精生產(chǎn)異常發(fā)酵、雜菌污染及防治辦法七、從CO2中回收酒精八、淀粉出酒率和淀粉利用率39(一)酒精發(fā)酵的基本理論酒精發(fā)酵作用，是酵母菌把可發(fā)酵性的糖，經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)酒化酶的作用，生成了酒精與CO2，然后通過細(xì)胞膜將這些產(chǎn)物排出體外酒精是可以任何比例與水混合的，所以由酵母體內(nèi)排出的酒精便溶于周圍的醪液中。 40（二）酒精發(fā)酵動態(tài) 酒精發(fā)酵過程從外觀現(xiàn)象可以將其分為如下三個發(fā)酵不同階段：1.前發(fā)酵期2.主發(fā)酵期 3.后發(fā)酵期 411.前發(fā)酵期在酒母與糖化醪加入發(fā)酵罐后，醪液中的酵母細(xì)胞數(shù)還不多，由于醪液中含有少量的溶解氧和充足的營養(yǎng)物質(zhì)，所以酵母菌仍

17、能迅速地進(jìn)行繁殖，使發(fā)酵醪中酵母細(xì)胞繁殖到一定數(shù)量。在這一時期，醪液中的糊精繼續(xù)被糖化酶作用，生成糖分，但由于溫度較低，故糖化作用較為緩慢。從外觀看，由于醪液中酵母數(shù)不多，發(fā)酵作用不強(qiáng)，酒精分和CO2產(chǎn)生得很少，所以發(fā)酵醪的表面顯得比較平靜，糖分消耗也比較饅。42前發(fā)酵階段時間的長短，與酵母的接種量有關(guān)。如果接種量大，則前發(fā)酵期短，反之則長。前發(fā)酵延續(xù)時間一般為l0小時左右。 由于前發(fā)酵期間酵母數(shù)量不多，發(fā)酵作用不強(qiáng)，所以醪液溫度上升不快。醪液溫度控制，在接種時為2628，前發(fā)酵期溫度一般不超過30。如果溫度太高，會造成酵母早期衰老，如果溫度過低，又會使酵母生長緩慢。 前發(fā)酵期間應(yīng)十分注意防止

18、雜菌污染，因為此時期酵母數(shù)量少，易被雜菌抑制，故應(yīng)加強(qiáng)衛(wèi)生管理。 432主發(fā)酵期 酵母細(xì)胞已大量形成，醪液中酵母細(xì)胞數(shù)可達(dá)1億毫升以上。 由于發(fā)酵醪中的氧氣也已消耗完畢，酵母菌基本上停止繁殖而主要進(jìn)行酒精發(fā)酵作用。 醪液中糖分迅速下降，酒精分逐漸增多。因為發(fā)酵作用的增強(qiáng)，醪液中產(chǎn)生了大量的CO2。隨著CO2的逸出，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的CO2泡沫響聲。44發(fā)酵醪的溫度此時上升也很快。生產(chǎn)上應(yīng)加強(qiáng)這一階段的溫度控制。根據(jù)酵母菌的性能，主發(fā)酵溫度最好能控制在3034主發(fā)酵時間長短，取決于醪液中營養(yǎng)狀況，如果發(fā)酵醪中糖分含量高，主發(fā)酵時間長，反之則短。主發(fā)酵時間一能為12小時左右。 453后發(fā)酵期 醪液中的

19、糖分大部分已被酵母菌消耗掉，醪液中尚殘存部分糊精繼續(xù)被曲作用，生成葡萄糖。由于這一作用進(jìn)行的極為緩饅，生成的糖分很少，所以發(fā)酵作用也十分緩慢。因此，這一階段發(fā)酵醪中酒精和CO2產(chǎn)生得也少。46后發(fā)酵階段，因為發(fā)酵作用減弱，所以產(chǎn)生的熱量也減少，發(fā)酵醪的溫度逐漸下降。此時醪液溫度應(yīng)控制在3032左右。如果醪液溫度太低，糖化酶的作用就會減弱，糖化緩慢，發(fā)酵時間就會延長，這樣也會影響淀粉出酒率。淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)酒精的后發(fā)酵階段一般約需40小時左右才能完成。 47影響發(fā)酵時間的因素整個發(fā)酵過程的時間長短，受糖化劑的種類、酵母菌的性能、酵母接種量等因素的影響，與接種、發(fā)酵方式和發(fā)酵溫度的控制有關(guān)。一般講，

20、接種和發(fā)酵溫度高，則發(fā)酵時間短，反之則長。另外，由于連續(xù)發(fā)酵一開始即處于主發(fā)酵狀態(tài)，發(fā)酵時省去了前發(fā)酵期，所以一般較間歇發(fā)酵時間為短。發(fā)酵總時間一般多控制在6072小時左右。 48(三)酒精發(fā)酵工藝根據(jù)發(fā)酵醪注入發(fā)酵罐的方式不同，可以將酒精發(fā)酵的方式分為間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。(一)間歇式發(fā)酵法 (二)半連續(xù)發(fā)酵法(三)連續(xù)發(fā)酵49四、影響酒精發(fā)酵因素的討論 1稀釋速度 在間歇發(fā)酵中，糖化醪要求自接種后8-10小時內(nèi)加完，這樣可以有較長的后發(fā)酵時間，將糊精徹底水解發(fā)酵。酵母的繁殖速度取決于發(fā)酵醪營養(yǎng)物質(zhì)濃度，而營養(yǎng)物質(zhì)的含量又取決于進(jìn)料和出料速度。所以，控制進(jìn)料速度，就可以控制酵母細(xì)胞數(shù)和營養(yǎng)成分。502發(fā)酵醪pH值的控制。降低發(fā)酵醪中的pH值，是防止雜菌污染的有效措施之一。由于連續(xù)發(fā)酵無菌條件要求較嚴(yán)，其pH控制在4.0一4.5為宜。間歇發(fā)酵PH值可控制在4.7-5.0。在上述pH值范圍內(nèi)，較接近于糖化酶作用的最適PH值。pH值的控制