第二章 糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)酒精

第二章糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)酒精

第一節(jié)概述酒精，學(xué)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?jǐn)?shù)〕，其沸點(diǎn)為78.15℃，1、酒精具有一般醇類的化學(xué)性質(zhì)。2、酒精還具有生物學(xué)上和對(duì)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(xué)合成法兩種。編輯課件5、酒精的分類：按國(guó)標(biāo)〔GB394-93〕可分為四個(gè)等級(jí)：P8表1-2-1優(yōu)等品、一等品、合格品、粗酒精編輯課件編輯課件按用途分類：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：勾脫各種飲料酒無(wú)水酒精：化工原料，含量要求達(dá)99.95%以上。編輯課件第二節(jié)酒精發(fā)酵的機(jī)理一、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，它是一種兼性厭氧性的微生物，有氧時(shí)進(jìn)行生長(zhǎng)、繁殖，缺氧時(shí)進(jìn)行厭氧發(fā)酵。酵母菌是一種以單細(xì)胞作為生命活動(dòng)方式的微生物。酵母菌適宜生長(zhǎng)的極限溫度為0～45℃，最適生長(zhǎng)溫度是25～30℃，最適發(fā)酵溫度是30～34℃，在60℃溫度下，10～15min那么死亡。酵母菌適宜生長(zhǎng)的極限pH為2.5～8，最適生長(zhǎng)pH值是4.5～5.5，最適發(fā)酵pH是4～4.5，pH過高或過低都會(huì)使酵母的生命活動(dòng)受到抑制甚至死亡。編輯課件酒精發(fā)酵的酵母菌特性要求：〔1〕發(fā)酵能力強(qiáng)，有較強(qiáng)的酶活性〔2〕繁殖速度快：受溫度影響30℃ 1hr20℃ 3.5hr10℃ 9hr〔培養(yǎng)繁殖時(shí)間〕培養(yǎng)時(shí)，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(zhǎng)〕10%〔影響生長(zhǎng)和發(fā)酵〕 12%〔發(fā)酵停止〕編輯課件〔4〕耐酸能力酵母菌對(duì)酸的抵抗能力比乳酸菌強(qiáng)，一般適于偏酸的環(huán)境。pH=4.5-5.5〔5〕耐溫能力對(duì)常用的菌種來說，在28～34℃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(shí)，酵母衰老，難于發(fā)酵，且產(chǎn)酸細(xì)菌迅速繁殖。假設(shè)溫度低于28℃，發(fā)酵那么緩慢，設(shè)備利用率低，產(chǎn)量下降。高溫地區(qū)，應(yīng)設(shè)法選篩適宜高溫發(fā)酵的酵母菌種〔6〕耐滲透壓性能強(qiáng)?！?〕能抗重金屬的毒害作用編輯課件

目前我國(guó)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(tái)灣396號(hào)，甘化I號(hào)。川345及川102等。

這些酵母菌種一般用10°Bx麥芽汁固體斜面培養(yǎng)基，接種后，于30～32℃培養(yǎng)48h，然后置于冰箱，在3～5℃下冷藏保存。編輯課件

二、糖蜜酒精發(fā)酵機(jī)理研究以糖蜜為原料的酒精發(fā)酵過程，那么是研究酵母菌如何首先利用菌體內(nèi)的蔗糖酶，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(xì)胞內(nèi)的酒化酶〔參與酒精發(fā)酵的各種酶及輔酶的總稱〕的作用，生成乙醇和二氧化碳，最后通過細(xì)胞質(zhì)膜將這些產(chǎn)物排泄出來的反響過程。

編輯課件由葡萄糖發(fā)酵生成乙醇和二氧化碳的主反響式〔未計(jì)算ADP磷酸化的水分子出入在內(nèi)〕為〔見11頁(yè)〕：上述反響簡(jiǎn)單地用如下反響式來表示：編輯課件酒精發(fā)酵過程的機(jī)理實(shí)質(zhì)是酵母菌在酸性缺氧條件下，并且有無(wú)機(jī)態(tài)磷酸及鎂離子、鉀離子等存在時(shí)，分泌出各種酶所引起的一整套酶促過程。其詳細(xì)反響過程可參看微生物代謝的EMP途徑。圖1-2-1〔12頁(yè)〕編輯課件編輯課件酒精發(fā)酵過程主要經(jīng)歷下述四個(gè)階段，共12個(gè)步驟：第一階段：葡萄糖磷酸化，生成活潑的1，6-二磷酸果糖。這個(gè)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(gè)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(wú)氧條件下，繼續(xù)將丙酮酸進(jìn)行降解，產(chǎn)生乙醇。編輯課件上述酒精發(fā)酵機(jī)理的幾點(diǎn)說明：〔1〕葡萄糖在無(wú)氧條件下通過酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵的全過程必須經(jīng)過酵母菌體細(xì)胞內(nèi)酶系中的十二種酶分別順次作用才能完成。〔2〕整個(gè)酒精發(fā)酵過程是放能反響過程。在酒精發(fā)酵過程中，所放出的能量，局部用于合成ATP〔ATP的主要用途是使葡萄糖磷酸化以促進(jìn)發(fā)酵作用〕，其余的能量那么發(fā)散為熱，導(dǎo)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(yán)格控制溫升和調(diào)節(jié)溫度。編輯課件〔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。假設(shè)改變酒精發(fā)酵的條件，發(fā)酵反響的方向是可以改變的，產(chǎn)物和副產(chǎn)物也將隨之改變。編輯課件第三節(jié)糖蜜酒精發(fā)酵

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(wú)法直接利用糖蜜進(jìn)行有效發(fā)酵的〕。編輯課件根據(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22～25°Bx。

編輯課件〔2〕雙濃度發(fā)酵流程酒母用稀糖液濃度控制在17～20°Bx；發(fā)酵用根本稀糖液濃度控制在36～39°Bx。編輯課件〔3〕稀釋加水量的計(jì)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(jì)算：M·c前=V·ρ·c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〕ρ——稀釋后稀糖液密度〔kg／m3〕c后——稀釋后稀糖液濃度〔°Bx〕

編輯課件所需糖蜜量：

V·ρ·c后

M=——————c前稀釋時(shí)所需加水量：

M(c前-c后)W＝————————c后編輯課件2．澄清糖蜜澄清處理通常運(yùn)用加酸酸化、加熱滅菌和靜置沉淀等多種手段來完成?！?〕酸化甘蔗糖蜜本身為微酸性，而酵母發(fā)酵的最適pH為4.0～4.5，所以工藝上要求糖蜜稀釋的同時(shí)要加酸酸化。酸化的目的：①除可調(diào)節(jié)適宜發(fā)酵的酸度外，還能使局部蔗糖轉(zhuǎn)化為酵母可直接利用的單糖，有利于促進(jìn)酵母迅速增殖、發(fā)酵；②可有效地抑制其他雜菌的繁殖；③除去雜質(zhì)。編輯課件方法：可用濃硫酸外或鹽酸，加酸量為〔密度1.86，66°Bé的工業(yè)硫酸〕每噸原糖蜜加2.5L～3.5L，約為稀糖液量的0.2％～0.3％。對(duì)于雙濃度流程來說，發(fā)酵用的根本稀糖液一般不加酸而酒母用稀糖液加酸控制酸度〔注〕應(yīng)在6～7。編輯課件〔2〕滅菌糖蜜中常有雜菌，當(dāng)發(fā)酵時(shí)，這些雜菌會(huì)消耗糖分而降低酒精產(chǎn)率，并會(huì)生成其他有害物質(zhì)而影響酒精質(zhì)量。方法：A、采用蒸汽加熱至80～90℃，維持1h即可到達(dá)滅菌的目的。

編輯課件B、化學(xué)防腐劑，如漂白粉、甲醛、氯化鈉、五氯代苯酚鈉等。一般按1：10溶化稀釋后參加糖蜜中攪拌均勻，靜置3～4h即可。假設(shè)用量過多或作用時(shí)間過短那么剩余防腐劑進(jìn)入發(fā)酵工序?qū)?huì)影響酵母生長(zhǎng)，繁殖。

C、利用噬菌體來防止糖蜜發(fā)酵時(shí)的雜菌。

D、用抗菌素來防止雜菌的。編輯課件〔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(dāng)一局部已凝聚或生成不溶性的沉淀物，靜置沉降可使固液進(jìn)一步別離，易于取出清液而除去這些有害雜質(zhì)。靜置沉降的時(shí)間一般需要假設(shè)干小時(shí)。編輯課件傳統(tǒng)的澄清方法有冷酸通風(fēng)處理法和熱酸處理法。①冷酸通風(fēng)處理〔沉淀〕法先將糖蜜稀釋至50°Bx左右，加人為稀糖液量0.2％～0.3％的濃硫酸，酸化的同時(shí)可參加0.01％高錳酸鉀，并通入無(wú)菌壓縮空氣1～2h，然后靜置沉淀取上清液。參加高錳酸鉀，可使糖蜜中的亞硫酸鹽、亞硝酸鹽等氧化，減輕其對(duì)酵母的毒害或生成沉淀除去。通風(fēng)那么可驅(qū)走如SO2、NO2等有害氣體和其他揮發(fā)性物質(zhì)，同時(shí)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。編輯課件②熱酸處理法先用60℃溫水將糖蜜稀釋至55～58°Bx，同時(shí)添加濃硫酸調(diào)節(jié)pH至3～3．8進(jìn)行酸化，然后靜置沉淀5～6h，取出清液再稀釋至培養(yǎng)酒母所需的濃度。后來此法改進(jìn)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。編輯課件

對(duì)于糖蜜澄清處理的意見，近年來國(guó)外酒精發(fā)酵資料和國(guó)內(nèi)的研究均有提出如下結(jié)論：①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；②經(jīng)澄清處理的稀糖蜜，可采用較高濃度進(jìn)行發(fā)酵；③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?jiān)悸?；④膠體被除去后，會(huì)削弱酵母對(duì)高濃度酒精的抵抗力。編輯課件基于上述見解，在考慮糖蜜澄清方法時(shí)，應(yīng)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存那些能促進(jìn)酵母生長(zhǎng)、對(duì)于發(fā)酵有利的物質(zhì)，以求到達(dá)既提高發(fā)酵率和產(chǎn)品質(zhì)量，又保持理想的發(fā)酵速度的目的。目前我國(guó)大多數(shù)糖蜜酒精廠只考慮用作培養(yǎng)酒母的稀釋液才進(jìn)行澄清處理，而對(duì)發(fā)酵用的根本稀糖液那么不作澄清處理?！惨奝17稀糖液制備的工藝流程〕。編輯課件編輯課件3．添加營(yíng)養(yǎng)鹽酵母生長(zhǎng)繁殖時(shí)需要一定的氮源、磷源、生長(zhǎng)素、鎂鹽等。氮源：硫酸銨，用量為糖蜜質(zhì)量的0.1～0.2％磷源：磷酸液，用量為糖蜜質(zhì)量的0.03％～0.04％。鎂鹽：硫酸鎂，用量為糖蜜質(zhì)量的0.04％～0.05％。生長(zhǎng)素：一般不用添加生長(zhǎng)素但對(duì)于純度很低的糖蜜和劣質(zhì)糖蜜，那么有必要適當(dāng)添加生長(zhǎng)素〔如米糠或玉米漿等〕編輯課件二、酒母的制備糖蜜酒精發(fā)酵的微生物是酵母菌。酒母——指具有一定酵母細(xì)胞數(shù)量的酵母菌菌種。成熟酒母的要求：健壯飽滿、純粹無(wú)雜菌、繁殖速度快、酶的活力高、發(fā)酵能力強(qiáng)。酒母制備：分為兩個(gè)階段的培養(yǎng)1、酵母種子純粹擴(kuò)大培養(yǎng)〔實(shí)驗(yàn)室階段〕2、酒母擴(kuò)大培養(yǎng)〔車間階段〕編輯課件酒母擴(kuò)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)式培養(yǎng)法

編輯課件酒母成熟后質(zhì)量指標(biāo)：a.酵母細(xì)胞數(shù)1～1.2億／mLb.細(xì)胞出芽率20％～25％c.死細(xì)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％

編輯課件三、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：間歇法連續(xù)法〔多用〕編輯課件連續(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22～25°BX工藝流程：圖1-2-5編輯課件〔2〕雙濃度連續(xù)發(fā)酵酒母培養(yǎng)液采用低濃度稀糖液〔17-20°BX〕發(fā)酵用的根本稀糖液采用高濃度稀糖液〔36-39°BX〕工藝流程：P23圖1-2-6編輯課件〔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(hào)發(fā)酵罐內(nèi)，載體不會(huì)流失，而且載體內(nèi)的酵母數(shù)可高達(dá)20億/g，酵母在載本中不斷生長(zhǎng)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10％～30％，發(fā)酵周期可縮短為28～35h，設(shè)備利用率和產(chǎn)酒率相應(yīng)提高。編輯課件〔4〕連續(xù)發(fā)酵蒸餾法特點(diǎn)：采用發(fā)酵和蒸餾結(jié)合起來的一種新工藝。優(yōu)點(diǎn)：酵母循環(huán)回用，罐內(nèi)形成酵母優(yōu)勢(shì)，發(fā)酵時(shí)間短，產(chǎn)酒率高，且節(jié)省了酵母生產(chǎn)繁殖的耗糖；蒸餾廢液局部回流至發(fā)酵作內(nèi)部稀釋，再結(jié)合低pH的發(fā)酵工藝，既實(shí)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。編輯課件

四、發(fā)酵動(dòng)態(tài)

酒精發(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(gè)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(qiáng)，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根本不上升。編輯課件2．主發(fā)酵階段酵母細(xì)胞已大量生成，可達(dá)1億／mL以上。此時(shí)主要進(jìn)行缺氧發(fā)酵。糖分大量被分解，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(yán)格控制溫度，以30～34℃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，那么延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間，降低發(fā)酵罐利用率。編輯課件3．后發(fā)酵階段發(fā)酵醪液中的糖分絕大局部已被酵母消耗，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。

編輯課件五、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(shè)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(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備利用率低，發(fā)酵率下降。編輯課件3、主發(fā)酵酒精濃度1號(hào)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。

4．pH酵母發(fā)育最適pH是4.5～5，發(fā)酵的最適pH是4～4.5。pH太低，那么酵母生長(zhǎng)受到抑制pH太高，那么易感染雜菌

編輯課件5．發(fā)酵溫度在28～34℃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(shí)，酵母衰老，難于發(fā)酵。假設(shè)溫度低于28℃，發(fā)酵那么緩慢，產(chǎn)量下降。因此發(fā)酵溫度最高一般控制在32～35℃。6．發(fā)酵時(shí)間雙濃度流程：30～36h，單濃度流程：24～26h。編輯課件六、酒精發(fā)酵設(shè)備

酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)如圖1-27所示。

編輯課件發(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(yè)圖〕。編輯課件第四節(jié)酒精發(fā)酵成熟醪的蒸餾與精餾除雜

一、發(fā)酵成熟醪的化學(xué)組成發(fā)酵后的成熟醪是一種復(fù)雜的混合液體，其組成中水分約為80~90%〔W〕，酒精含量約為6~10%〔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〕。

編輯課件二、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)酵成熟醪中別離出來的過程，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(shè)備為醪塔或粗餾塔。進(jìn)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(jí)別的酒精，設(shè)備為精餾塔。編輯課件發(fā)酵成熟醪中的不揮發(fā)性雜質(zhì)容易與酒精別離，通過蒸餾后可從粗餾塔〔醪塔〕底部排出，稱為廢糟或酒糟。對(duì)于揮發(fā)性雜質(zhì)，那么隨酒精蒸汽〔冷凝后即為粗酒精〕一起從醪塔頂部導(dǎo)出，進(jìn)入精餾工序。編輯課件粗酒精中的揮發(fā)性雜質(zhì)，就其化學(xué)性質(zhì)來說，可分為醛、醇、酯、酸四大類；而從精餾除雜時(shí)的動(dòng)態(tài)狀況來看，又可分為以下三大類：頭級(jí)雜質(zhì)：沸點(diǎn)多數(shù)比酒精低，