第五章酒精生产工艺学

第五章酒精生产工艺学第一节 概述一． 酒精用途及其在国民经济中的地位1．用途：（1） 食品工业：配制各种白酒、果酒、露酒、药酒、生产食用醋酸及食用香精。（2） 化学工业：制造合成橡胶、聚氯乙烯、乙二醇、苯胺、乙醚、环氧乙烷等。（3） 医药工业：配制、提取医药制剂和制造消毒剂。（4） 农业：制备农药、酒糟可作为饲料。（5） 能源：代替石油做燃料。2．国民经济中的地位酒精工业是唯一能利用败坏粮食原料，并将它转化成优质产品的工业部门，酒精生产是农业原料深度加工和综合利用的一条重要途径。因此，其在国民经济中占有重要地位。二．酒精生产技术发展史18世纪末，世界上首次报道无水酒精生产方法，真正工业化酒精生产是在19世纪末发展起来。二战时期，发酵法生产达到高峰，上世纪70年代初西方发达国家合成酒精占整个酒精产量80%以上，发酵法生产酒精出现萎缩。近年来，随着发酵酒精竞争能力增强，再加上为避免石油短缺，都大力提倡发酵法生产酒精。1990年巴西年产酒精1200万吨，我国酒精生产也持续快速发展，现全国酒精生产厂家近千家，年产酒精400万吨，与美国产量接近。二．酒精生产技术发展史在产量发展同时，有关发酵酒精生产新技术和新工艺的科学研究也得到快速发展，一度成为科学研究中心议题，生物工艺的发展将使酒精原料从根本上得到解决，生产成本和能耗也会大幅降低，一旦发酵酒精生产成本能与汽油相竞争时，发酵酒精将迎来巨大发展时期。二．酒精生产技术发展史我国现代化酒精工业历史不长，1907年德国人在哈尔滨建立第一个酒精厂，1922年福建酒精厂成立，以薯干为原料。1922年山东盆酒精厂投产以甜菜糖蜜为原料，1935年上海中国酒精厂成立，以进口甘蔗糖蜜和薯干为原料。解放前夕，全国总产量不足万吨，淀粉利用率仅60%左右，生产工艺均为间歇法，糖化剂用的是麦芽，原料不经粉碎，解放后，50年代开始，产量逐年增加，也开始进行技术革新，首先用微生物糖化剂代替麦芽，用前苏联三段蒸煮代替间歇蒸煮，进而采用粉碎原料连续蒸煮，糖化方面采用混合冷却连续糖化；糖蜜发酵实现连续化，淀粉质原料连续发酵也在一些工厂运转；发酵醪蒸馏全部采用连续工艺，70年代开始采用液体曲，以后又有糖化酶问世，80年代，80~85℃液化和其它低温蒸煮工艺开始得到应用，近年来，高温α—淀粉酶，高糖化力糖化酶，耐高温酵母，活性干酵母，差压蒸馏和各种酒糟处理新技术也开始应用，同时引进国外一些酒精联产饲料成套设备和技术，使我国酒精生产水平上了一个新台阶，目前，我国淀粉利用率最高达92%左右，与国际水平相差不多，但是能耗要比欧美高50%。三.我国生产酒精规格极其生产工艺流程1．我国生产酒精生产规格不管原料品种如何，我国生产酒精要符合国家标准，GB394—81，生产酒精共分为优级、一级、二级、三级及四级等5个规格，其中食用酒精一定要用二级或二级以上规格。2． 发酵酒精生产工艺流程四．目前酒精生产存在问题及对策1．存在问题（1）发酵酒精生产成本过高，难于石油燃料相竞争（2）生产过程能耗过大，尤其蒸煮和酒精回收中能耗特别高（3）生产酒精原料受土地和水资源限制，酒精与民争粮、争地（4）酒糟处理是当前酒精生产面临又一严重问题，酒精废糟量大，处理尚未完全过关（5）酒精发酵强度问题，如何提高发酵强度，是当今世界科学研究一个热门问题。※当今我国酒精行业面临最大课题：原料、成本、污染四．目前酒精生产存在问题及对策2．解决对策（1）解决发酵酒精原料根本出路，在于利用纤维原料代替粮食，这一工艺在美国已基本解决，但成本较高，生物技术进一步发展将最终解决这个问题。（2）在节能方面，主要努力应放在无蒸煮工艺和酒精节能回收技术上，将能耗降低50%或更多是完全可能的。（3）高发酵强度酒精发酵新工艺将会有突破性进展（4）选育优良发酵菌种，从根本上改变目前酒精生产面貌（5）酒糟作为一个有用原料来处理，要将生产SCP、燃料、饲料、肥料或生物制剂与酒糟处理结合起来，在工艺中消除污染，最终达到无污染排放。第二节 酒精生产原料、辅料和水一．原料以生产工艺角度看，凡是含有可发酵性糖或含可变为可发酵性糖的原料都可作为酒精生产原料。1． 常用原料种类（1） 淀粉质原料薯类：甘薯、木薯、马铃薯谷物原料：玉米、小麦、高粱、大米（2） 糖质原料：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜（3） 纤维质原料：农作物秸杆、城市废纤维垃圾、甘蔗渣、废甜菜丝第二节 酒精生产原料、辅料和水2．常用原料化学组成（1）碳水化合物（2）蛋白质（3）脂肪（4）灰分（5）果胶质（6）其它有害成分二． 辅料对酒精生产讲，辅料是指制造糖化剂的原料。1．常用辅助原料（1） 麸皮（2） 米糠（3） 其它辅料2．常用辅助材料（1） 酵母培养和糖化制备所需营养盐（2） 无水酒精制备用的脱水剂（3） 酸类（4） 洗涤和消毒剂（5） 消泡剂第三节 酒精生产工艺（淀粉质原料）一． 淀粉质原料酒精生产的特点及流程1．特点由于淀粉质原料可发酵性物质主要是淀粉，酵母不能直接利用发酵。（1） 原料需粉碎，以破坏植物细胞组织，利于淀粉游离（2） 采用水热处理，使淀粉糊化、液化，并破坏细胞，形成均一醪液，使它能更好地接受酶的作用并转化为可发酵性糖。（3） 糊化，液化淀粉只有在催化剂作用下转化为葡萄糖，催化剂包括酸，淀粉酶等。2． 工艺流程二． 原料预处理和输送1．原料除杂常用除杂方法：筛选、风送和磁力除铁三种2．原料粉碎（1） 目的：为蒸煮创造良好条件（2） 优点：a．粉碎至直径为1~1.8mm原料颗粒易于吸水膨胀和较彻底糊化b．糊化原料较彻底且可发酵糖分损失减少，利于糖化和发酵过程进行，最终导致出酒率提高。c．原料粉碎为生产过程机械化，连续化提供必要前提。二． 原料预处理和输送3）粉碎方法a．干式粉碎合理干式粉碎应采用粗碎和细碎二级粉碎工艺，动力消耗低，常用设备锤式粉碎机。b．湿式粉碎优点：原料不会飞扬，减少原料损失，可改善劳动条件，省去整套除尘设备。缺点：湿式粉碎所得浆料只能立即用于生产，不宜贮藏，另外湿式比干式耗电量高。（4） 原料粉碎比X=D/d常用粉碎比粗碎：1：10~15细碎：1：30~40二． 原料预处理和输送3．原料输送原料输送方式：a．机械输送（皮带输送，螺旋输送，斗式提升机）b．气流输送c．混合输送三．原料水，热处理（旧称蒸煮）1．目的（1）糖化前，经过水、热处理，使淀粉从细胞种游离出来，并转化为溶解状态，以使淀粉酶系统进行糖化作用。（2）对原料进行灭菌作用,高压蒸煮能将微生物菌体和孢子都杀死，80~85℃液化工艺能杀死活菌体，生淀粉发酵工艺不能起到灭菌作用，要杀菌添加防腐剂或调节PH才能抑制杂菌繁殖。三．原料水，热处理（旧称蒸煮）2． 蒸煮工艺（1） 间歇蒸煮工艺工艺流程：原料→除杂→粉碎→拌料→泵→蒸煮→蒸煮醪压入糖化锅工艺优缺点：优点：设备简单、操作方便、投资少、适于生产规模较小液体白酒厂生产。缺点：蒸汽消耗量大，且需要量不均匀，造成锅炉操作困难和煤耗增加，辅助操作时间长，设备利用率低，蒸煮质量差，出酒率低，操作过程难于自动化。三．原料水，热处理（旧称蒸煮）（2） 连续蒸煮工艺a． 罐式连续蒸煮该工艺主要特点是利用原有间歇蒸煮所用罐，将它们串联起来，并增加原料粉碎，拌料预煮，醪液输送往复泵和气液分离器等设备即成，比较容易上马，适用于老厂技术改造。b． 管道式连续蒸煮该工艺主要特点利用高温短时间蒸煮方法不仅可以保证原料中淀粉颗粒充分糊化，而且可将可发酵物质损失降到最低，但是该工艺流程需要高压锅炉。c． 塔式连续蒸煮三．原料水，热处理（旧称蒸煮）该工艺重要特点介于罐式连续蒸煮和管道连续蒸煮之间，具有广泛适应性和良好生产参数指标。※连续蒸煮工艺技术经济评价：技术经济指标：出酒率、原料粉碎和拌料电耗、蒸汽消耗、设备价值和安装费用、劳动力消耗。※管道蒸煮工艺出酒率最高，柱式次之，罐式最低，电耗和蒸汽耗量柱式最低，管道式位居第二，所又指标几乎罐式最差，但是罐式是利用原有设备，所以该流仍被广泛采用，三种连续蒸煮工艺优越。（3）无蒸煮工艺a．意义：酒精生产过程中，消耗能量最大两个工序，蒸煮工序和蒸馏工序，其中蒸煮工段所耗蒸汽占整个生产过程蒸汽消耗量25~30%，如果采用节省能耗的新工艺，对减少酒精生产过程能量投入起到重要作用。b．生淀粉（生料）发酵工艺c．发生低温蒸煮工艺d．膨化工艺e．超细磨工艺发生低温蒸煮工艺1）90~95℃糊化液化工艺（LBW工艺）德国、美国合作开发，整粒玉米用离心分离热酒糟的清液在90~95℃下浸渍，使玉米吸水软化，再用均质机加高温α—淀粉酶二次湿磨，可节约蒸汽85%以上，但该工艺耗电量较大。2）80~85℃糊化液化工艺甘薯干→粉碎→拌料→加α—淀粉酶→加温至80~85℃液化→冷却→加酸调PH→糖化该工艺由江南大学研制，特点：① 不要增设备就可上马，几乎无投资② 免高压蒸煮，可节省总用汽量20~25%，水电也明显下降③ 可用国产α—淀粉酶，糖化剂用量也不增加④ 酵母发酵活力提高表现在主发酵快，发酵60小时便可结束⑤ 扩大试验和生产试验表明，淀粉利用率可达88~92%，达到全国酒精厂淀粉利用率良好水平四．糖化剂生产用淀粉质原料生产酒精时，先将淀粉全部或部分转化成葡萄糖等可发酵性糖，这一过程称为糖化，而促使淀粉转化成糖的生物催化剂为糖化剂。1．糖化剂生产发展历史（1） 早期以大麦芽等谷芽作为糖化剂，出现阿米诺酒精生产法，采用微生物为毛霉和根霉。（2） 上世纪60年代国内外开始广泛采用液体深层通风培养曲霉菌，以生产液体曲来代替固体曲，随后将液体培养液中淀粉酶浓缩或沉淀，制成浓缩酶液或干酶制剂出售。四．糖化剂生产※我国使用糖化剂种类和生产方法演变糖化剂种类的演变麦芽→木盒曲→帘子曲→通风制曲→液体曲→糖化酶微生物菌株的演变米曲霉→甘薯曲霉→鸟沙米曲霉→轻研二号→东酒1号及白曲→pr3（用于液体曲）→uv-11（AS.3.4309）→uv-11各个变种2． 生产上常用糖化剂生产菌极其酶系特性（1） 常用糖化剂生产菌株a．α—淀粉酶生产菌株早期生产α—淀粉酶是以黄曲霉群微生物为产生菌，采用固体培养，当前主要生产菌是细菌，我国采用枯草杆菌（Bac.subtilis）极其变种，国际上Bac.diastaticus,Bac.meseutericus.b．糖化酶生产菌株米曲霉、黄曲霉、黑曲霉、液体曲一般采用黑曲霉新菌株uv-11(As.3.4309)（2） 酶系特性3． 固体曲生产工艺（1） 工艺流程试管菌种→三角瓶种曲→帘子种曲→机械通风制曲（2） 机械通风制曲a． 配料b． 蒸料c． 扬冷接种d． 装箱e． 通风培养3． 固体曲生产工艺3）制曲周期及培养条件一般培养时间24~36小时，品温前期35℃，中期36℃，后期37℃（4）机械通风制曲主要设备a．制曲箱b．风机（5） 固体曲质量a．外观鉴定：要求菌丝粗壮浓密，无干皮或夹心、无酸味或其它异味，而且具有曲特有清香，曲块结实有弹性，无孢子生成。b．化学鉴定：测定麸曲霉活力主要是液化力和糖化力（6） 固体曲工艺特点具有投资少，上马快，成本低，耗电少等优点，但它也存在劳动条件差，劳动强度大，质量不稳定，单位原料产淀粉酶量低等缺点。4． 液体曲生产工艺将曲霉菌在液体培养基中通风培养，使它长菌体和糖化酶的过程称液体深层培养，得到含酶培养液称液体曲。（1） 工艺流程（2） 液体曲工艺特点单位原料产生淀粉酶活力比较高，生产过程可完全机械化，由于生产是在无菌状态下进行，液体曲基本上不带有杂菌，对糖化发酵过程防止杂菌感染帮助很大，液体曲生产需要一整套发酵和无菌空气制备设备，适用于规模较大酒精厂生产。五．糖化工艺淀粉质原料蒸煮以后得到蒸煮醪，在发酵前均要加入一定数量糖化剂，使淀粉在淀粉酶系统作用下，水解成为酵母能发酵的糖类，这一过程称糖化。1．目的：将淀粉酶解成可发酵性糖，但是在糖化工序不可能将全部淀粉都转化为糖相当一部分淀粉和糊精要在发酵过程中进一步酶水解，并生成可发酵性糖。2． 糖化方法糖化过程由以下操作组成，蒸煮醪冷却至糖化温度，加糖化剂使蒸煮醪液化，淀粉糖化，物料巴氏灭菌，糖化醪冷却到发酵温度和用泵将醪液送往发酵或酒母车间，间歇糖化时，所有这些操作，除最后泵送外，都是在一个称为糖化锅设备中完成，而在连续糖化过程中，则分别在不同糖化设备中实施。（1） 间歇糖化（2） 连续糖化3． 糖化过程控制1） 糖化温度（2）糖化时间10~30分钟（3）糖化剂用量一般地固体曲为原料重量2~5%，液体曲则是糖化醪量10~20%，糖化