再谈酒精浓醪发酵

再谈酒精浓醪发酵提高酒精发酵浓度是发酵工业技术革新的一个主要方面和简单有效的手段。多年以来酒精工业已经成功地将发酵浓度从5%提高到10%，再到目前的12%~13%。提高发酵浓度可以在基本不改动现有设备的情况下提高设备利用率，减少人工和能耗，减少工艺用水量，缩短发酵周期，减少发酵罐清洁费用，减少DDGS蒸发量，从而大幅度地降低生产成本。因此，酒精浓醪发酵一直是近年来研究的热门课题。狭义的酒精浓醪发酵主要包含三方面的内容：（1）酵母菌体浓度高－－1x109~3x109个／ml（2）底物（淀粉糖）浓度－－30~40％（3）产物（酒精）浓度－－14-18%（V/V）实现酒精浓醪发酵的优势是非常明显的。1、提高发酵速度和设备利用率在酒精浓醪发酵中，随着底物浓度（糖）的提高和细胞浓度的提高，促进了发酵速率增大，单位体积和时间内的酒精浓度提高（即发酵强度提高）。随着发酵强度的提升，相应的设备利用率自然提高。2、分离费用低，节省能源除原料消耗以外，能耗是酒精厂主要的支出之一，具体表现在煤和电的消耗上（如图1所示）。实行酒精浓醪发酵后，酒份提高，工艺用水减少，可以降低酒精蒸馏以及DDGS生产蒸气的用量，从而降低了煤或电的消耗！有经验证明，当发酵酒份从9%（V/V）提高到10%（V/V）时，可节约蒸汽消耗300kg/吨酒精，可降低生产成本约50元/吨酒精。图1一吨酒精的成本分摊3、节水、减少废液排放和处理费用目前，一般酒精厂的料水比为1：2.5~3.0左右，而采用浓醪工艺的料水比将为1：1.8～1：2.0，吨酒精用水节约1吨以上；同时可减少蒸馏损失，由于乙醇与水互溶，通过蒸馏方法提取，乙醇在糟液中必然有一定的残留，乙醇浓度越高，最终相对损失就越少。生产经验证明，在酒精生产中，发酵醪酒份提高1%（V/V）（比如从11%提高到12%），每吨酒精可节约工艺用水1.2~1.5吨、减少废液体积1.5~2吨、减少废液浓缩蒸汽消耗0.6~0.8吨，节约DDGS生产成本约80元/吨，提高废液厌氧处理时COD负荷10~13%。但是，要实现酒精浓醪发酵，需要完成以下两方面的工作。一是发酵菌种（即酵母）方面的问题，二是工程方面的问题。A、发酵菌种方面，主要是渗透压对酵母的影响、底物和产物以及副产物对酵母的抑制。渗透压对酵母的影响：用于酒精发酵的酵母细胞必须在其适宜的渗透压环境下生长：若环境体系渗透压太低，会造成细胞内物质流失，继而影响酵母细胞的生长；同时，随着发酵浓度的升高，造成发酵环境渗透压升高，致使细胞脱水，细胞结构变形，最终影响细胞的新陈代谢。有资料表明，酵母细胞的最适渗透压与0.85%的NaCl溶液和2.6%的葡萄糖溶液相当。B、底物对酵母的抑制：酵母在酒精浓醪发酵过程中，当底物浓度（糖浓度）达一定值时，酵母细胞的生长和代谢受到明显抑制，致使发酵速度下降，这种现象叫做底物抑制。底物抑制一个明显的例子是酵母生长过程中的Crabtree效应，当葡萄糖浓度＞5％时，即使有足够的氧存在，也会使酵母细胞的生长速率明显下降。C、产物抑制的影响。在发酵过程中，随着产物浓度的提高，微生物的生长和代谢速率逐渐下降，这种产物抑制现象是普遍存在的。就酒精生产而言，产物抑制的一般情况为：酒精浓度抑制情况＜30g/L可忽略＞40g/L抑制明显＞100~120g/L生长和发酵停止D、副产物的形成：在酒精浓醪发酵过程中，随着底物浓度的升高，使得酒精酶系受到干扰，直接影响了酒精的生成，同时副产物的酶系被激活或放大，致使副产物生成速率得到提高，最终影响了酒精浓度下降，严格控制副产物的生成和浓度，是酒精生产中一个重要的课题。工程方面的问题，分为热量传递、物料输送和供氧三个方面。A、热量传递问题——传热问题：随着发酵浓度的升高，体系放热增大，导致物料传热系数下降，冷却困难，这个问题在夏天高温天气异常严重，其严重程度甚至直接影响到一个酒精厂是否能持续生产。有研究表明，一般发酵，高峰期放热量：5×103~5×104kJ/m3.h，而酒精浓醪发酵，高峰期放热量：5×104~1×105kJ/m3.h。浓醪发酵相对于一般酒精发酵，其高峰期放热量整整提高一个数量级。B、流体输送问题——动量问题：酒精浓醪发酵时，由于发酵浓度的提高，醪液的黏度开始大幅上升，醪液粘稠、流动性差，流动阻力增大，导致输送困难。同时，由于醪液黏度的上升，导致发酵液分离困难。C、供氧问题——质量传递问题：在酒精浓醪发酵中，随着发酵浓度的升高，要求酵母的细胞数更多，酵母消耗的氧气增多，耗氧速率增大，但是由于料液的粘稠，导致了氧传递系数的降低，最终导致了供氧的困难。有研究显示，酵母在一般酒精发酵时的耗氧速率：0.5~3.0kgO2/m3.h，而在酒精浓醪发酵时的耗氧速率为3.0~10.0kgO2/m3.h。那么我们该如何实现酒精浓醪发酵呢？实践证明，要实现酒精浓醪发酵，主要从以下5个方面入手：①菌种改造；②生物反应器的改造；③发酵培养方法的调整；④工艺控制条件的优化；⑤发酵与产品分离耦合；1、菌种的改造：菌种的改造主要方向是选择耐渗透压能力高、能够有效的解除底物和产物抑制、同时能够降低副产物的生成。该方面主要是微生物定向筛选、代谢调控。菌种改造的任务重，投入高，出成果周期长，对于广大酒精生产企业而言，不管是风险和资金都占用太高，好在目前市面上有比较成熟的酒精浓醪发酵干酵母产品，广大酒精生产企业只需简单鉴别即可获得。2、生物反应器的改造：对于酒精发酵而言，就是粉碎、前处理、扩陪、发酵和蒸馏设备的改造，这是为了增强系统反应效果和提高三传（质量、热量、动量）的性能和强度的要求。一般的，通过简单的改进机械搅拌与通风装置，以提高三传性能；采用高径比小的发酵罐以减小底部压力；采用罐外循环与机械搅拌相结合的反应器；采用换热器罐外循环冷却系统；采用冷冻循环冷却系统等即可实现酒精浓醪发酵的线路设备改造。3、培养方法——同步糖化发酵（SSF）：由于高浓度的葡萄糖对酵母菌形成的高渗透压，抑制了酵母菌细胞的生长繁殖，所以葡萄糖必须采用“定量供应”的办法。经过实验，摸索解决方案，采用边糖化边发酵的生产工艺，选择合适的糖化酶用量和作用时间，使提供维持酵母菌优良长势的葡萄糖的释放量和最大的酒精生产量之间形成理想平衡。选择边糖化边发酵工艺，乙醇代谢、酵母增殖、糖化三步同时进行，能有效解决底物抑制，降低渗透压对酵母产乙醇的抑制，促使酵母细胞内乙醇向醪液中快速渗透。4、工艺条件的控制：据报道，在糖化醪中添加营养物质可提高酵母的渗透压耐性和酒精耐性，并最终提高酒精浓度。营养补充物包括脂类、蛋白质、氨基酸、维生素和矿物质等。常用添加物有：VC、锌、磷、镁、钙、酵母抽提物、酪蛋白水解物、蛋白胨、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸等。常规的酒精发酵一般以尿素或氨水，磷酸二氢铵或硫酸铵为主，个别企业添加硫酸镁、硫酸锌，而对于而对于其他维生素、矿物质等，基本不加。要实现酒精浓醪发酵工艺条件的控制，以上营养的补充必不可少，随着食品添加剂目录将尿素剔除，近年来，一种应用于酒精发酵的新微生物有机营养剂在慢慢填补空缺。5、严格控制发酵温度，采用低温发酵：采用浓醪发酵时菌株对温度很敏感。当温度降低时，酵母的发酵能力随温度的升高而升高，发酵产生乙醇的速度加快；反之发酵产生乙醇的速度减少，酵母死亡数增加。经过实验充分说明：玉米原料的酒精浓醪发酵，在30-35℃发酵，随温度的升高，发酵效率提高，但在高温40℃下，发酵效率显著下降。木薯原料的酒精浓醪发酵，在30-35℃发酵，随温度的升高，发酵效率提高，但在高温40℃下，发酵效率显著下降。采用超酒加无机盐的工艺能很好地提高发酵效率。在低温情况下，酵母具有较强的发酵能力。6、产品分离工艺——发酵与产品的耦合在发酵过程中，将产品分离除去，可有效地解除产物抑制，提高发酵速率和发酵浓度。这种将发酵与产品分离耦合的方法是目前生物工程领域重点研究课题之一。就酒精发酵而言，主要有如下几种发酵方式：（1）真空发酵法在酒精发酵中采用真空发酵（罐压6.8kPa)，其产生的酒精被蒸发抽走，发酵液中的酒精含量保持在4％左右，从而解除酒精的底物抑制作用。传统发酵与真空发酵比较发酵方式进糖浓度（%）发酵醪酒精浓度发酵强度（g/L.h）传统发酵（连续）14~188~105~10真空发酵33.416~2040~80(2)萃取发酵法将萃取剂加入反应器内，发酵醪中的产品被抽提至萃取相，从而解除产物抑制。在酒精发酵中，用十二烷醇或二丁酸苯二酸酯作萃取剂，发酵糖浓度可高达40％，酒精产率可提高5倍。（3）吸附发酵法将发酵液自反应器内引出，产物经吸附剂吸附后，发酵液再回到反应器继续发酵，从而解除产物抑制。（4）膜分离－发酵法将发酵液自反应器内引出，产物经薄膜分离回收后，发酵液再回到反应器继续发酵，从而解除产物抑制。膜分离－发酵法的基本条件是底物与产物的分子量差别较大，以保证在膜分离时大部分底物返回反应器。综合以上几个方面的介绍，比较系统和详细的阐述了酒精浓醪发酵的优点、主要问题及对应解决方法。这些结论是广大国内酒精厂、酒酵母生产企业和高校、科研机构多年的总结，是不可多得的宝贵财富。理论和实践密不可分，科学研究只有转换成为生产力才能够体现知识的力量，祝愿2016年中国的酒精事业蒸蒸日上，酒精企业提高发酵生产水平，早日实现浓醪发酵，清洁生产！