发酵工程各论(1)

1第一节酒精生产工艺学主讲人：刘萍第九章发酵工程各论21．酒精生产原料(1)薯类原料甘薯、木薯和马铃薯等。(2)谷物原料玉米、高梁、大米和小麦等。(3)糖类原料废糖蜜、甘蔗、甜菜等。(4)野生植物原料椽子仁、土茯苓、楝树果等。(5)纤维原料森林工业和木材加工工业的下脚料、农作物秸秆、甘蔗渣、废纤维垃圾和废纸浆等。(6)其他原料亚硫酸纸浆废液、淀粉渣等。3纤维素生产酒精工艺45•2.淀粉质原料酒精生产的工艺流程61.原料粉碎2.蒸煮糊化3.曲霉糖化经蒸煮糊化后的醪液，通过曲霉菌的淀粉酶进行糖化作用生成可发酵性糖，供酵母菌利用。曲霉菌是属于好气性的微生物，故在繁殖和生长过程中要给以充分得空气，同时，淀粉酶的形成也取决于所供给的空气量。74.酵母发酵酒精发酵是属于厌气性发酵，在发酵过程中进行无氧呼吸，在此过程中，发生着复杂的生物化学变化，既有糖化醪中淀粉和糊精继续被淀粉酶水解生成糖，也有蛋白质在曲霉蛋白酶水解下生成肽和氨基酸。这些物质一部分被酵母吸收合成菌体细胞，另一部分则被发酵，生成酒精和CO2。85.蒸馏提纯经酵母菌把糖转变成酒精后，在成熟发酵醪内，除含有酒精和大量水分外，还含有固形物和许多杂质。蒸馏是把发酵醪液中含有的酒精提纯出来，通过粗馏和精馏，最后取得合乎规格的酒精，同时得到副产物杂醇油，还有大量的酒糟（也称废醪）排除。9第二节酒母的制备一、酒精生产对酵母菌的要求二、酒精生产中常用酵母菌及其特性三、酵母所需营养物质及其数量四、酒母培养与扩大培养工艺五、酒母培养设备结构的特点六、影响酒母质量主要因素的讨论七、液体曲酒母的特点八、酒母培养异常现象与防治措施10一、酒精生产对酵母菌的要求(1)含有较强的酒化酶，发酵能力强，而且迅速；(2)繁殖速度快，具有很强的增殖能力；(3)耐酒精能力强，能在较高浓度的酒精发酵醪中进行发酵；(4)耐温性能好，能在较高温度下进行繁殖和发酵；(5)抵抗杂菌能力强；(6)耐酸能力强；(7)生产性能稳定，变异性小；(8)发酵时产生泡沫少。11二、酒精生产中常用酵母菌及其特性•酵母菌是一类单细胞微生物，繁殖方式以出芽繁殖为主。细胞形态以圆形、卵圆形或椭圆形较多。•从分类系统来讲，淀粉质原料酒精发酵常用的菌种为真酵母属中的啤酒酵母(SdccHcromyceSCereuisiae)及其变种，如拉斯2号(RasseⅡ)、拉斯12号(RasseⅫ)、K字、以及从我国酒精生产实践中筛选的南阳五号(1300)、南阳混合(1308)等酵母菌株。12•用于酒精发酵的细菌主要有：厌氧发酵单胞菌和棕搁发酵菌。对耐高温的嗜热细菌(40一50℃)和极端嗜热菌（65℃）的筛选和应用也逐渐受到重视。•用于酒精发酵(纤维素原料)的霉菌有：粗糙脉孢霉、拟青霉、链孢霉等。假丝酵母可直接发酵木糖为酒精。13(二)酒精酵母的特性1．繁殖速度快如在麦汁小滴培养24小时，一个拉斯12号酵母细胞，可以产生55个子细胞。2．醪液浓度一般酒精酵母在含5％(容量)的酒精发酵醪中，其发酵能力就减弱，当醪液中酒精浓度含量达到12％(容量)时，则停止发酵。所以生产中常将糖化醪浓度控制在15—18Bx之间，发酵成熟醪的酒精含量约为8—9％(容量)。143．培养温度拉斯12号酵母繁殖适温为30—33℃，最低为5℃，最高为38℃。温度适宜，酵母繁殖速度加快。温度过高或过低，都影响酵母细胞的繁殖，甚至引起酵母的衰老或死亡。4．PH值发酵醪的pH值与氧化还原电势有关系，而氧化还原电势又与酵母的呼吸有直接关系。酒精酵母可在pH4.0—6.0环境中进行繁殖，如果醪液的pH值低于3，则酵母的活力大减。15三、酵母所需营养物质及其数量1．碳源酵母菌在繁殖过程中，吸收的糖分，一方面用于合成菌体蛋白中的碳架，另一部分转变为酵母菌的贮藏物质，还释出一定能量，以供合成菌体物质时的能量消耗。162．氮源酵母菌所需的含氮物质主要也是从淀粉质原料中获得。但原料中含氮物质往往是大分子的蛋白质，因此也必须经过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时，也可补加无机氮，供给酵母生长。生产上多采用(NH4)2SO4为补充氮源。173．无机盐酵母繁殖过程中需要的无机盐可从原料中获得，一般不需另加。4．维生素酵母在生长繁殖过程中所需的维生素主要由糖化醪中获得。维生素易被高温所破坏，因此，在制备酒母糖化醪时，不宜采用高温长时间的杀菌，以减少维生素的损失。18四、酒母培养与扩大培养工艺(一)酒母培养基的制备(二)酒母的扩大培养19(一)酒母培养基的制备•1．试验室阶段培养基的制备酵母菌在试验室培养阶段一般多采用米曲汁或麦芽汁来做培养基。202．酒母糖化醪的制备•酒母扩大培养至卡氏罐和酒母罐后，采用淀粉质原料来制做酒母糖化醪。•由于酒母糖化醪主要用来繁殖酵母细胞，所以酒母醪中除含有一定量的糖分外，还要求含有一定量的氮和无机盐等其它营养物质，以供酵母菌合成菌体细胞的需要。•此外，为了确保酵母菌能够顺利的繁殖，还要调节酒母糖化醪的pH值，以抑制杂菌生长。21(二)酒母的扩大培养•扩大流程：•原菌→斜面试管→液体试管→三角瓶培养→卡氏罐•这一阶段的培养，是扩大酒母种子的开始。生产上希望在这一阶段培养得到细胞健壮，没有杂菌的种子酵母。因此，无菌条件要求较严，酵母培养基的营养成分要求也高。22(1)原菌生产中使用的原始菌种应当是经过纯种分离的优良菌种。保藏时间较长的原菌，在投产前，应接入新鲜斜面试管进行活化，以便使酵母菌处于旺盛的生活状态。(2)斜面试管培养将活化后的酵母菌在无菌条件下接入新鲜斜面试管，于28-30℃保温培养3—4天，待斜面上长出白色菌苔，即培养成熟。(3)液体试管培养在无菌条件下，用接种针自斜面试管挑取一环酵母菌体，接入装有10毫升米曲汁的液体试管，摇匀后，置28—30℃保温培养24小时左右，待液面冒出大量CO2，即培养成熟。23(4)三角瓶培养：接种时，应先用酒精消毒瓶口，在无菌条件下，将液体试管全部接入小三角瓶，28—30℃条件下保温培养15—20小时，待液面冒出大量CO2泡沫，即培养成熟。（5）卡氏罐培养卡氏罐培养基可使用酒母糖化醪，以使酵母逐渐适应大生产培养条件。卡氏罐用的糖化醪应单独杀菌后备用，如果工厂卫生管理条件较好，也可不杀菌。24252．酒母罐培养•从卡氏罐以后酒母扩大培养属于酒母车间进行培养，其流程为：•卡氏罐-→小酒母罐-→大酒母罐-→成熟酒母送发酵车间26•(1)间歇培养法此法是分小酒母罐与大酒母罐两个阶段进行培养。•接入已培养成熟的卡氏罐酒母。通无菌空气或用机械搅拌。•控制醪温在28—30℃进行培养．待醪液糖分降低40—45%，其酒精分含量在3—4%(容量)左右，并且液面有大量CO2冒出，即培养成熟。•将此培养成熟的小酒母再按入已装好糖化醪的大酒母罐中，同法于28—30℃继续培养，待大酒母罐中糖分消耗45—50%，液面冒出大量CO2时，培养即成熟，即可送往发酵车间，做发酵接种用。27(2)半连续培养法半连续培养法也叫循环培养法。•将卡氏罐酒母接入小酒母罐，培养成熟后，分割出三分之二接入大酒母罐进行培养，余下的三分之一再补加新鲜酒母糖化醪连续培养，•培养成熟后再分割，如此反复以上操作。•大酒母培养成熟则可全部送发酵车间做接种用。28•目前多数酒精厂均采用半连续培养酒母的方法。•利用这种方法培养酒母，可以7—10天换一次新种，如果工厂卫生管理条件较好，可以1—2个月换一次新种，这样不但省去了繁琐的试验室阶段培养，而且也使酵母在生产条件下进行了驯养，有利于酵母菌的繁殖和发酵。293．成熟酒母质量指标(1)酵母细胞数酵母细胞数是观察酵母繁殖能力的一项指标，也是反映酵母培养成熟的指标。成熟的酒母醪其酵母细胞数一般为l亿／毫升左右。(2)出芽率酵母出芽率是衡量繁殖旺盛与否的一项指标。出芽率高，说明酵母处于旺盛的生长期。反之，则说明酵母衰老。成熟酒母出芽率要求在15—30%。(3)酵母死亡率用美蓝对酵母细胞进行染色，如果酵母细胞被染成蓝色，说明此细胞已死亡。正常培养的酒母不应有死亡现象，如果死亡率在1%以上，应及时查找原因采取措施进行挽救。30(4)耗糖率酵母的耗糖率也是观察酒母成熟的指标之一。成熟的酒母，耗糖率-般要求控制在40一50％。耗糖率太高，说明酵母培养已经过“老”，反之则“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况，也反映酵母成熟程度。如果酒母醪中酒精含量高，说明营养消耗大，酵母培养过于成熟。此时，应停止酒母培养，否则会因营养缺乏或酒精含量高抑制酵母生长，造成酵母衰老。成熟酒母醪中的酒精含量一股为3—4％(容量)。31(6)酸度测定酒母醪中的酸度是观察酒母是否被细菌污染的一项指标。如果成熟酒母醪中酸度明显增高，说明酒母被产酸细菌所污染。酸度增高太多，镜检时又发现有很多杆状细菌，则不宜做种子用。3233五、影响酒母质量主要因素•1.接种量与成熟酒母细胞数的关系•酵母接种量的大小与成熟酒母醪中新增殖酵母细胞数关系不大。342．接种量与培养时间的关系•接种量大，则培养时间可以缩短，酒母成熟快•开始接种时，易导致醪液被杂菌污染。•但接种量太大，也会增加扩大培养次数，增加设备投资。•在酒母培养中，酒母接种量多控制在1：5—l0。接种后的醪液，经过l0—12小时培养成熟的酒母醪细胞数可达0.8—1.2亿／毫升以上，此时就可将成熟的酒母接到下一工序的醪中。353．接种时间的掌握•从酵母茵繁殖规律曲线可以知道，酵母菌在增殖过程中可分为适应期(也称迟缓期)、旺盛期、静止期和衰退期四个阶段。•当达到旺盛期时，酵母的增殖能力特别强，酵母生命活动处于旺盛阶段，醪液中酵母活细胞数也迅速达最高峰。酒精生产中的酒母扩大培养接种就是控制在这个时期。36•4．酒母培养温度的控制酵母菌在适宜生长温度范围内，高温比低温繁殖稍快。但高温培养酵母易于衰老。酒精生产中酒母培养温度为28—30℃。由于酵母菌在生长代谢过程中还要产生一定热量，故应注意加强冷却，以保证酵母菌健壮生长。375．关于通风培养•酒母糖化醪中含有充足的氧时，酵母菌在吸收营养后，由于其酒化酶受抑制，主要进行菌体细胞合成，繁殖酵母细胞。酒母培养的目的是要获得大量酵母细胞，所以在酒母培养过程中通入适量的无菌空气，对酵母繁殖是有利的。•酵母菌在无氧条件下培养，主要进行发酵作用，可使糖分转变为酒精和CO2。酵母菌在有氧条件下进行酒精发酵时，由于进行了呼吸作用，酒精产量大大降低，糖的消耗速度在单位时间内也减慢。386.关于防止杂菌污染•酒精生产除了对原始菌种进行定期分离纯化外，在培养过程中加强无菌管理操作也是十分重要的。因为目前多数酒精厂酒母培养仍在敞口酒母罐中进行，因此对车间环境卫生要十分注意。另外，在使用前，对罐体、管道的杀菌也十分重要，尤其应当注意对某些管道死角加强杀菌操作。39第七节酒精发酵工艺一、糖化醪发酵的目的要求及设备结构特点二、酒精发酵机理三、酒精发酵工艺四、影响酒精发酵因素的讨论五、酒精发酵醪成熟六、酒精生产异常发酵、杂菌污染及防治办法七、从CO2中回收酒精八、淀粉出酒率和淀粉利用率40(一)酒精发酵的基本理论•酒精发酵作用，是酵母菌把可发酵性的糖，经过细胞内酒化酶的作用，生成了酒精与CO2，然后通过细胞膜将这些产物排出体外•酒精是可以任何比例与水混合的，所以由酵母体内排出的酒精便溶于周围的醪液中。41（二）酒精发酵动态•酒精发酵过程从外观现象可以将其分为如下三个发酵不同阶段：•1.前发酵期•2.主发酵期•3.后发酵期421.前发酵期•在酒母与糖化醪加入发酵罐后，醪液中的酵母细胞数还不多，由于醪液中含有少量的溶解氧和充足的营养物质，所以酵母菌仍能迅速地进行繁殖，使发酵醪中酵母细胞繁殖到一定数量。•在这一时期，醪液中的糊精继续被糖化酶作用，生成糖分，但由于温度较低，故糖化作用较为缓慢。•从外观看，由于醪液中酵母数不多，发酵作用不强，酒精分和CO2产生得很少，所以发酵醪的表面显得比较平静，糖分消耗也比较馒。43•前发酵阶段时间的长短，与酵母的接种量有关。如果