第五章酒精生產(chǎn)工藝學(xué)

第五章酒精生產(chǎn)工藝學(xué)第一節(jié) 概述一． 酒精用途及其在國民經(jīng)濟(jì)中的地位1．用途：（1） 食品工業(yè)：配制各種白酒、果酒、露酒、藥酒、生產(chǎn)食用醋酸及食用香精。（2） 化學(xué)工業(yè)：制造合成橡膠、聚氯乙烯、乙二醇、苯胺、乙醚、環(huán)氧乙烷等。（3） 醫(yī)藥工業(yè)：配制、提取醫(yī)藥制劑和制造消毒劑。（4） 農(nóng)業(yè)：制備農(nóng)藥、酒糟可作為飼料。（5） 能源：代替石油做燃料。2．國民經(jīng)濟(jì)中的地位酒精工業(yè)是唯一能利用敗壞糧食原料，并將它轉(zhuǎn)化成優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的工業(yè)部門，酒精生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)原料深度加工和綜合利用的一條重要途徑。因此，其在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。二．酒精生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展史18世紀(jì)末，世界上首次報(bào)道無水酒精生產(chǎn)方法，真正工業(yè)化酒精生產(chǎn)是在19世紀(jì)末發(fā)展起來。二戰(zhàn)時(shí)期，發(fā)酵法生產(chǎn)達(dá)到高峰，上世紀(jì)70年代初西方發(fā)達(dá)國家合成酒精占整個(gè)酒精產(chǎn)量80%以上，發(fā)酵法生產(chǎn)酒精出現(xiàn)萎縮。近年來，隨著發(fā)酵酒精競(jìng)爭(zhēng)能力增強(qiáng)，再加上為避免石油短缺，都大力提倡發(fā)酵法生產(chǎn)酒精。1990年巴西年產(chǎn)酒精1200萬噸，我國酒精生產(chǎn)也持續(xù)快速發(fā)展，現(xiàn)全國酒精生產(chǎn)廠家近千家，年產(chǎn)酒精400萬噸，與美國產(chǎn)量接近。二．酒精生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展史在產(chǎn)量發(fā)展同時(shí)，有關(guān)發(fā)酵酒精生產(chǎn)新技術(shù)和新工藝的科學(xué)研究也得到快速發(fā)展，一度成為科學(xué)研究中心議題，生物工藝的發(fā)展將使酒精原料從根本上得到解決，生產(chǎn)成本和能耗也會(huì)大幅降低，一旦發(fā)酵酒精生產(chǎn)成本能與汽油相競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，發(fā)酵酒精將迎來巨大發(fā)展時(shí)期。二．酒精生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展史我國現(xiàn)代化酒精工業(yè)歷史不長(zhǎng)，1907年德國人在哈爾濱建立第一個(gè)酒精廠，1922年福建酒精廠成立，以薯干為原料。1922年山東盆酒精廠投產(chǎn)以甜菜糖蜜為原料，1935年上海中國酒精廠成立，以進(jìn)口甘蔗糖蜜和薯干為原料。解放前夕，全國總產(chǎn)量不足萬噸，淀粉利用率僅60%左右，生產(chǎn)工藝均為間歇法，糖化劑用的是麥芽，原料不經(jīng)粉碎，解放后，50年代開始，產(chǎn)量逐年增加，也開始進(jìn)行技術(shù)革新，首先用微生物糖化劑代替麥芽，用前蘇聯(lián)三段蒸煮代替間歇蒸煮，進(jìn)而采用粉碎原料連續(xù)蒸煮，糖化方面采用混合冷卻連續(xù)糖化；糖蜜發(fā)酵實(shí)現(xiàn)連續(xù)化，淀粉質(zhì)原料連續(xù)發(fā)酵也在一些工廠運(yùn)轉(zhuǎn)；發(fā)酵醪蒸餾全部采用連續(xù)工藝，70年代開始采用液體曲，以后又有糖化酶問世，80年代，80~85℃液化和其它低溫蒸煮工藝開始得到應(yīng)用，近年來，高溫α—淀粉酶，高糖化力糖化酶，耐高溫酵母，活性干酵母，差壓蒸餾和各種酒糟處理新技術(shù)也開始應(yīng)用，同時(shí)引進(jìn)國外一些酒精聯(lián)產(chǎn)飼料成套設(shè)備和技術(shù)，使我國酒精生產(chǎn)水平上了一個(gè)新臺(tái)階，目前，我國淀粉利用率最高達(dá)92%左右，與國際水平相差不多，但是能耗要比歐美高50%。三.我國生產(chǎn)酒精規(guī)格極其生產(chǎn)工藝流程1．我國生產(chǎn)酒精生產(chǎn)規(guī)格不管原料品種如何，我國生產(chǎn)酒精要符合國家標(biāo)準(zhǔn)，GB394—81，生產(chǎn)酒精共分為優(yōu)級(jí)、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)及四級(jí)等5個(gè)規(guī)格，其中食用酒精一定要用二級(jí)或二級(jí)以上規(guī)格。2． 發(fā)酵酒精生產(chǎn)工藝流程四．目前酒精生產(chǎn)存在問題及對(duì)策1．存在問題（1）發(fā)酵酒精生產(chǎn)成本過高，難于石油燃料相競(jìng)爭(zhēng)（2）生產(chǎn)過程能耗過大，尤其蒸煮和酒精回收中能耗特別高（3）生產(chǎn)酒精原料受土地和水資源限制，酒精與民爭(zhēng)糧、爭(zhēng)地（4）酒糟處理是當(dāng)前酒精生產(chǎn)面臨又一嚴(yán)重問題，酒精廢糟量大，處理尚未完全過關(guān)（5）酒精發(fā)酵強(qiáng)度問題，如何提高發(fā)酵強(qiáng)度，是當(dāng)今世界科學(xué)研究一個(gè)熱門問題?！?dāng)今我國酒精行業(yè)面臨最大課題：原料、成本、污染四．目前酒精生產(chǎn)存在問題及對(duì)策2．解決對(duì)策（1）解決發(fā)酵酒精原料根本出路，在于利用纖維原料代替糧食，這一工藝在美國已基本解決，但成本較高，生物技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展將最終解決這個(gè)問題。（2）在節(jié)能方面，主要努力應(yīng)放在無蒸煮工藝和酒精節(jié)能回收技術(shù)上，將能耗降低50%或更多是完全可能的。（3）高發(fā)酵強(qiáng)度酒精發(fā)酵新工藝將會(huì)有突破性進(jìn)展（4）選育優(yōu)良發(fā)酵菌種，從根本上改變目前酒精生產(chǎn)面貌（5）酒糟作為一個(gè)有用原料來處理，要將生產(chǎn)SCP、燃料、飼料、肥料或生物制劑與酒糟處理結(jié)合起來，在工藝中消除污染，最終達(dá)到無污染排放。第二節(jié) 酒精生產(chǎn)原料、輔料和水一．原料以生產(chǎn)工藝角度看，凡是含有可發(fā)酵性糖或含可變?yōu)榭砂l(fā)酵性糖的原料都可作為酒精生產(chǎn)原料。1． 常用原料種類（1） 淀粉質(zhì)原料薯類：甘薯、木薯、馬鈴薯谷物原料：玉米、小麥、高粱、大米（2） 糖質(zhì)原料：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜（3） 纖維質(zhì)原料：農(nóng)作物秸桿、城市廢纖維垃圾、甘蔗渣、廢甜菜絲第二節(jié) 酒精生產(chǎn)原料、輔料和水2．常用原料化學(xué)組成（1）碳水化合物（2）蛋白質(zhì)（3）脂肪（4）灰分（5）果膠質(zhì)（6）其它有害成分二． 輔料對(duì)酒精生產(chǎn)講，輔料是指制造糖化劑的原料。1．常用輔助原料（1） 麩皮（2） 米糠（3） 其它輔料2．常用輔助材料（1） 酵母培養(yǎng)和糖化制備所需營(yíng)養(yǎng)鹽（2） 無水酒精制備用的脫水劑（3） 酸類（4） 洗滌和消毒劑（5） 消泡劑第三節(jié) 酒精生產(chǎn)工藝（淀粉質(zhì)原料）一． 淀粉質(zhì)原料酒精生產(chǎn)的特點(diǎn)及流程1．特點(diǎn)由于淀粉質(zhì)原料可發(fā)酵性物質(zhì)主要是淀粉，酵母不能直接利用發(fā)酵。（1） 原料需粉碎，以破壞植物細(xì)胞組織，利于淀粉游離（2） 采用水熱處理，使淀粉糊化、液化，并破壞細(xì)胞，形成均一醪液，使它能更好地接受酶的作用并轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖。（3） 糊化，液化淀粉只有在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為葡萄糖，催化劑包括酸，淀粉酶等。2． 工藝流程二． 原料預(yù)處理和輸送1．原料除雜常用除雜方法：篩選、風(fēng)送和磁力除鐵三種2．原料粉碎（1） 目的：為蒸煮創(chuàng)造良好條件（2） 優(yōu)點(diǎn)：a．粉碎至直徑為1~1.8mm原料顆粒易于吸水膨脹和較徹底糊化b．糊化原料較徹底且可發(fā)酵糖分損失減少，利于糖化和發(fā)酵過程進(jìn)行，最終導(dǎo)致出酒率提高。c．原料粉碎為生產(chǎn)過程機(jī)械化，連續(xù)化提供必要前提。二． 原料預(yù)處理和輸送3）粉碎方法a．干式粉碎合理干式粉碎應(yīng)采用粗碎和細(xì)碎二級(jí)粉碎工藝，動(dòng)力消耗低，常用設(shè)備錘式粉碎機(jī)。b．濕式粉碎優(yōu)點(diǎn)：原料不會(huì)飛揚(yáng)，減少原料損失，可改善勞動(dòng)條件，省去整套除塵設(shè)備。缺點(diǎn)：濕式粉碎所得漿料只能立即用于生產(chǎn)，不宜貯藏，另外濕式比干式耗電量高。（4） 原料粉碎比X=D/d常用粉碎比粗碎：1：10~15細(xì)碎：1：30~40二． 原料預(yù)處理和輸送3．原料輸送原料輸送方式：a．機(jī)械輸送（皮帶輸送，螺旋輸送，斗式提升機(jī)）b．氣流輸送c．混合輸送三．原料水，熱處理（舊稱蒸煮）1．目的（1）糖化前，經(jīng)過水、熱處理，使淀粉從細(xì)胞種游離出來，并轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)，以使淀粉酶系統(tǒng)進(jìn)行糖化作用。（2）對(duì)原料進(jìn)行滅菌作用,高壓蒸煮能將微生物菌體和孢子都?xì)⑺溃?0~85℃液化工藝能殺死活菌體，生淀粉發(fā)酵工藝不能起到滅菌作用，要?dú)⒕砑臃栏瘎┗蛘{(diào)節(jié)PH才能抑制雜菌繁殖。三．原料水，熱處理（舊稱蒸煮）2． 蒸煮工藝（1） 間歇蒸煮工藝工藝流程：原料→除雜→粉碎→拌料→泵→蒸煮→蒸煮醪壓入糖化鍋工藝優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、投資少、適于生產(chǎn)規(guī)模較小液體白酒廠生產(chǎn)。缺點(diǎn)：蒸汽消耗量大，且需要量不均勻，造成鍋爐操作困難和煤耗增加，輔助操作時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備利用率低，蒸煮質(zhì)量差，出酒率低，操作過程難于自動(dòng)化。三．原料水，熱處理（舊稱蒸煮）（2） 連續(xù)蒸煮工藝a． 罐式連續(xù)蒸煮該工藝主要特點(diǎn)是利用原有間歇蒸煮所用罐，將它們串聯(lián)起來，并增加原料粉碎，拌料預(yù)煮，醪液輸送往復(fù)泵和氣液分離器等設(shè)備即成，比較容易上馬，適用于老廠技術(shù)改造。b． 管道式連續(xù)蒸煮該工藝主要特點(diǎn)利用高溫短時(shí)間蒸煮方法不僅可以保證原料中淀粉顆粒充分糊化，而且可將可發(fā)酵物質(zhì)損失降到最低，但是該工藝流程需要高壓鍋爐。c． 塔式連續(xù)蒸煮三．原料水，熱處理（舊稱蒸煮）該工藝重要特點(diǎn)介于罐式連續(xù)蒸煮和管道連續(xù)蒸煮之間，具有廣泛適應(yīng)性和良好生產(chǎn)參數(shù)指標(biāo)。※連續(xù)蒸煮工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)：技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：出酒率、原料粉碎和拌料電耗、蒸汽消耗、設(shè)備價(jià)值和安裝費(fèi)用、勞動(dòng)力消耗?！艿勒糁蠊に嚦鼍坡首罡?，柱式次之，罐式最低，電耗和蒸汽耗量柱式最低，管道式位居第二，所又指標(biāo)幾乎罐式最差，但是罐式是利用原有設(shè)備，所以該流仍被廣泛采用，三種連續(xù)蒸煮工藝優(yōu)越。（3）無蒸煮工藝a．意義：酒精生產(chǎn)過程中，消耗能量最大兩個(gè)工序，蒸煮工序和蒸餾工序，其中蒸煮工段所耗蒸汽占整個(gè)生產(chǎn)過程蒸汽消耗量25~30%，如果采用節(jié)省能耗的新工藝，對(duì)減少酒精生產(chǎn)過程能量投入起到重要作用。b．生淀粉（生料）發(fā)酵工藝c．發(fā)生低溫蒸煮工藝d．膨化工藝e．超細(xì)磨工藝發(fā)生低溫蒸煮工藝1）90~95℃糊化液化工藝（LBW工藝）德國、美國合作開發(fā)，整粒玉米用離心分離熱酒糟的清液在90~95℃下浸漬，使玉米吸水軟化，再用均質(zhì)機(jī)加高溫α—淀粉酶二次濕磨，可節(jié)約蒸汽85%以上，但該工藝耗電量較大。2）80~85℃糊化液化工藝甘薯干→粉碎→拌料→加α—淀粉酶→加溫至80~85℃液化→冷卻→加酸調(diào)PH→糖化該工藝由江南大學(xué)研制，特點(diǎn)：① 不要增設(shè)備就可上馬，幾乎無投資② 免高壓蒸煮，可節(jié)省總用汽量20~25%，水電也明顯下降③ 可用國產(chǎn)α—淀粉酶，糖化劑用量也不增加④ 酵母發(fā)酵活力提高表現(xiàn)在主發(fā)酵快，發(fā)酵60小時(shí)便可結(jié)束⑤ 擴(kuò)大試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)表明，淀粉利用率可達(dá)88~92%，達(dá)到全國酒精廠淀粉利用率良好水平四．糖化劑生產(chǎn)用淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)酒精時(shí)，先將淀粉全部或部分轉(zhuǎn)化成葡萄糖等可發(fā)酵性糖，這一過程稱為糖化，而促使淀粉轉(zhuǎn)化成糖的生物催化劑為糖化劑。1．糖化劑生產(chǎn)發(fā)展歷史（1） 早期以大麥芽等谷芽作為糖化劑，出現(xiàn)阿米諾酒精生產(chǎn)法，采用微生物為毛霉和根霉。（2） 上世紀(jì)60年代國內(nèi)外開始廣泛采用液體深層通風(fēng)培養(yǎng)曲霉菌，以生產(chǎn)液體曲來代替固體曲，隨后將液體培養(yǎng)液中淀粉酶濃縮或沉淀，制成濃縮酶液或干酶制劑出售。四．糖化劑生產(chǎn)※我國使用糖化劑種類和生產(chǎn)方法演變糖化劑種類的演變麥芽→木盒曲→簾子曲→通風(fēng)制曲→液體曲→糖化酶微生物菌株的演變米曲霉→甘薯曲霉→鳥沙米曲霉→輕研二號(hào)→東酒1號(hào)及白曲→pr3（用于液體曲）→uv-11（AS.3.4309）→uv-11各個(gè)變種2． 生產(chǎn)上常用糖化劑生產(chǎn)菌極其酶系特性（1） 常用糖化劑生產(chǎn)菌株a．α—淀粉酶生產(chǎn)菌株早期生產(chǎn)α—淀粉酶是以黃曲霉群微生物為產(chǎn)生菌，采用固體培養(yǎng)，當(dāng)前主要生產(chǎn)菌是細(xì)菌，我國采用枯草桿菌（Bac.subtilis）極其變種，國際上Bac.diastaticus,Bac.meseutericus.b．糖化酶生產(chǎn)菌株米曲霉、黃曲霉、黑曲霉、液體曲一般采用黑曲霉新菌株uv-11(As.3.4309)（2） 酶系特性3． 固體曲生產(chǎn)工藝（1） 工藝流程試管菌種→三角瓶種曲→簾子種曲→機(jī)械通風(fēng)制曲（2） 機(jī)械通風(fēng)制曲a． 配料b． 蒸料c． 揚(yáng)冷接種d． 裝箱e． 通風(fēng)培養(yǎng)3． 固體曲生產(chǎn)工藝3）制曲周期及培養(yǎng)條件一般培養(yǎng)時(shí)間24~36小時(shí)，品溫前期35℃，中期36℃，后期37℃（4）機(jī)械通風(fēng)制曲主要設(shè)備a．制曲箱b．風(fēng)機(jī)（5） 固體曲質(zhì)量a．外觀鑒定：要求菌絲粗壯濃密，無干皮或夾心、無酸味或其它異味，而且具有曲特有清香，曲塊結(jié)實(shí)有彈性，無孢子生成。b．化學(xué)鑒定：測(cè)定麩曲霉活力主要是液化力和糖化力（6） 固體曲工藝特點(diǎn)具有投資少，上馬快，成本低，耗電少等優(yōu)點(diǎn)，但它也存在勞動(dòng)條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定，單位原料產(chǎn)淀粉酶量低等缺點(diǎn)。4． 液體曲生產(chǎn)工藝將曲霉菌在液體培養(yǎng)基中通風(fēng)培養(yǎng)，使它長(zhǎng)菌體和糖化酶的過程稱液體深層培養(yǎng)，得到含酶培養(yǎng)液稱液體曲。（1） 工藝流程（2） 液體曲工藝特點(diǎn)單位原料產(chǎn)生淀粉酶活力比較高，生產(chǎn)過程可完全機(jī)械化，由于生產(chǎn)是在無菌狀態(tài)下進(jìn)行，液體曲基本上不帶有雜菌，對(duì)糖化發(fā)酵過程防止雜菌感染幫助很大，液體曲生產(chǎn)需要一整套發(fā)酵和無菌空氣制備設(shè)備，適用于規(guī)模較大酒精廠生產(chǎn)。五．糖化工藝淀粉質(zhì)原料蒸煮以后得到蒸煮醪，在發(fā)酵前均要加入一定數(shù)量糖化劑，使淀粉在淀粉酶系統(tǒng)作用下，水解成為酵母能發(fā)酵的糖類，這一過程稱糖化。1．目的：將淀粉酶解成可發(fā)酵性糖，但是在糖化工序不可能將全部淀粉都轉(zhuǎn)化為糖相當(dāng)一部分淀粉和糊精要在發(fā)酵過程中進(jìn)一步酶水解，并生成可發(fā)酵性糖。2． 糖化方法糖化過程由以下操作組成，蒸煮醪冷卻至糖化溫度，加糖化劑使蒸煮醪液化，淀粉糖化，物料巴氏滅菌，糖化醪冷卻到發(fā)酵溫度和用泵將醪液送往發(fā)酵或酒母車間，間歇糖化時(shí)，所有這些操作，除最后泵送外，都是在一個(gè)稱為糖化鍋設(shè)備中完成，而在連續(xù)糖化過程中，則分別在不同糖化設(shè)備中實(shí)施。（1） 間歇糖化（2） 連續(xù)糖化3． 糖化過程控制1） 糖化溫度（2）糖化時(shí)間10~30分鐘（3）糖化劑用量一般地固體曲為原料重量2~5%，液體曲則是糖化醪量10~20%，糖化