高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝的研究

1、高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝的研究 酒精被廣泛應用于食品、化工醫(yī)藥、染料、國防等行業(yè)。酒精不僅可作為一種燃料，更是一種戰(zhàn)略物資，世界上2/3的酒精被用作燃料。發(fā)展酒精不僅可以促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并且可以作為清潔能源代替汽油或汽油添加劑，減少工業(yè)大氣污染，保護環(huán)境，同時也可緩解原油進口的壓力。    廢水處理是發(fā)酵工業(yè)一直頭疼的問題，這不僅增加了生產成本，甚至有時處理不好還會造成環(huán)境污染。酒糟不僅含有酵母沒有利用完全的還原糖，而且含有不少糖化過程殘留的大量殘余總糖，甚至含有大量酵母生長所必需的營養(yǎng)物質。目前幾乎所有的發(fā)酵行業(yè)對酒糟只是簡單進行了沼氣

2、生產或轉化為廉價的肥料，甚至有的直接排放，造成了極大的浪費，處理不好還會對環(huán)境造成污染。但如果能把發(fā)酵糟液中的營養(yǎng)物質回收利用，進行再生產，不僅可提高原料的利用率，降低生產成本，而且還可節(jié)約水資源和能源，提高其經濟效益。    1 材料與方法    1.1 酵母菌株和酶制劑    本實驗采用的菌種為安琪耐高溫活性干酵母，由湖北安琪酵母股份有限公司提供。黃鸝牌耐高溫淀粉酶，酶活為20000u/mL；黃鸝牌高轉化率糖化酶，酶活100000u/mL，酶制劑由山東

3、隆大生物工程有限公司提供。粗制復合酶的成分與酶活為：蛋白酶11000u/g，木聚糖酶100000u/g，葡聚糖酶110000u/g，最適溫度為42，最適PH5.0，由河南天冠集團提供。    1.2 原料    原料主要為泰國進口的木薯和國內甘薯。本研究全部采用干木薯原料，木薯干淀粉含量70%左右，支鏈淀粉含量為17%，直鏈淀粉含量83%。    1.3 原料的配比粉碎與蒸煮糖化    原料和水的比例為1：2.8，物

4、料經粗碎與細碎兩個過程后輸送進入拌料罐。    主要采用中溫蒸煮工藝，工藝條件為用耐高溫淀粉酶（100105），酶用量5u/mL，105，90min。糖化的目的：因為淀粉蒸煮后淀粉糊化成的溶解狀態(tài)還是不能夠被酵母直接利用發(fā)酵產酒精，需要經糖化酶糖化轉化為可發(fā)酵性糖。高轉化率糖化酶用量為160u/mL170u/mL，溫度60，攪拌10min，靜置20min，最后還原糖濃度達到8.0%，糖化過程完成。    1.4 酒精發(fā)酵工藝1.4.1 發(fā)酵原理    采用

5、多級連續(xù)發(fā)酵法，將10個罐組成連續(xù)發(fā)酵罐組，各罐連續(xù)方式是從上一罐上部流入下一罐底部。投產時，先將酒母打入第一罐，同時加入糖化醪，在保持該罐主發(fā)酵狀態(tài)下，流加糖化醪至滿，然后自動流入第二罐，在保持兩罐主發(fā)酵狀態(tài)下，流加進入第三只發(fā)酵罐，在保持三罐主發(fā)酵狀態(tài)下，向第三只罐同時加入糖化醪，待第三罐流加滿后，自然流入第四罐，直到末罐。    1.4.2 發(fā)酵過程    發(fā)酵罐進料后調酸到PH4.24.7，發(fā)酵總周期：木薯60h62h。主要分為3個部分：前酵期：入罐時溫度2830，時間9h11h，主要是菌體生長。

6、前兩只發(fā)酵罐一直處于前酵期。主酵期：溫度保持在3335，時間11h13h，是產酒精發(fā)酵的關鍵時期。后酵期：溫度比主酵期低，為3133，時間36h38h。    1.4.3 高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝流程（附文后）    1.5 酒精發(fā)酵醪的成熟指標1.5.1 還原糖和總糖的測定    還原糖測定采用DNS（3，5二硝基水楊酸比色定糖法）法。發(fā)酵醪中的總殘?zhí)橇繙y定根據Saha等人所用的方法：取10mL發(fā)酵醪，加10mL25%HCI和30mL蒸餾水混合

7、均勻，在100水浴中水解3h，水解液調至中性，然后用DNS法測定水解液中的還原糖。    多級連續(xù)發(fā)酵法成熟發(fā)酵醪還原糖濃度在0.3%以下，總糖在0.8%以下。    1.5.2 酒精含量測定與蒸餾    發(fā)酵液中乙醇濃度的定量分析法用酒精比重計測定法。多級連續(xù)發(fā)酵法工藝過程成熟發(fā)酵醪酒精濃度在9.0%9.5%。    發(fā)酵醪成熟后開始放罐進入蒸餾工序，蒸餾工序采用汽相過兩塔蒸餾的方法。成熟的發(fā)酵醪在蒸餾工序完成后，進行酒精產

8、品的提純和糟液的分離工作。    1.6 廢液處理重新應用生產1.6.1 發(fā)酵殘液（酒糟）處理    酒糟通常酸度很高，有時含有不溶性沉淀物，過濾除雜后調PH5.0，調溫度為42，按1%比例加入粗制復酶水解2h，粗制復合酶不僅可以水解原料中的殘余總糖，還能部分水解纖維素和葡聚糖，還可水解發(fā)酵液中的蛋白質，釋放出更多的游離氮，更重要的是對酵母進行水解破碎，釋放出更多的營養(yǎng)物質。    1.6.2 水解液與原料的配比   

9、; 酒糟水解后，酵母被復合酶水解破碎，釋放出大量的營養(yǎng)物質，因此酒糟不僅可以作為添加拌料，也含有較多營養(yǎng)物質。    2 結果與分析    2.1 高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝流程控制關鍵    2.1.1 釋放速度與發(fā)酵罐的數(shù)量問題    多級連續(xù)發(fā)酵法中，各罐基本上處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。根據蒙陰天久酒業(yè)的實踐，每小時進醪60m3，流加罐總容積為500m3，稀釋濃度太大，雖然營養(yǎng)成分較好，酵母繁殖快，但

10、酵母來不及積累就流走，不能保持發(fā)酵罐內相對發(fā)酵的穩(wěn)定，稀釋速度太低，造成設備利用率低，不利于生產的循環(huán)。    在發(fā)酵罐組中，除前幾罐流加發(fā)酵外，后面還要配置適量的罐作為后發(fā)酵用，并使前后發(fā)酵罐之間的醪液保持一定的濃度梯度。天久酒業(yè)共采用了10只500m3發(fā)酵罐，流加速度為60m3/h。2.1.2 發(fā)酵醪PH與溫度控制    適當降低發(fā)酵醪中PH的合理控制，是阻止多級連續(xù)發(fā)酵雜菌污染的主要措施。連續(xù)發(fā)酵要求無菌條件非常嚴格，PH應控制在4.24.7為宜。但PH值太低，不但會抑制雜菌的繁殖，同時也會抑制酵母

11、的繁殖和代謝，還會使糖化酶鈍化，影響發(fā)酵結果。    多級連續(xù)發(fā)酵法中，酵母繁殖溫度為2730，發(fā)酵溫度為3335，如果溫度高于40，酒精發(fā)酵很難進行。產酸細菌繁殖最適溫度為3750，因此高溫發(fā)酵易被細菌污染。    2.1.3 關于發(fā)酵醪濃度問題    酒精發(fā)酵要求在一定濃度的糖化醪中進行，醪液濃度的高低直接影響到生產業(yè)績。糖化醪濃度稀，雖然有利于酵母的生長代謝，能提高出酒率，但是濃醪發(fā)酵卻能提高設備利用率，節(jié)省水、電，降低生產成本，增加產量。因此，生產上建議盡量

12、采用濃醪發(fā)酵。天久酒業(yè)糖化醪發(fā)酵濃度為8%，成熟醪酒精含量在9.3%Vol。2.2 酒糟的營養(yǎng)成分與利用分析    酒糟是發(fā)酵成熟醪蒸餾后的廢液。平均每噸木薯酒糟干物質含量3%10%，主要成分為蛋白質，可溶性氮的含量為總氮的15%20%，還含有纖維素、聚戊糖、灰分、脂肪、豐富的B族維生素及酵母生長因子等。    酒糟的酸度較低，蛋白質的含量，尤其以游離氮的含量較高，酒糟不僅能夠調酸，同時大量的游離氮節(jié)省了發(fā)酵過程中氮的添加，而且可使原料中糖的利用更加完全，提高了原料的利用率，甚至豐富的生長因子還會促進酵母

13、生長，縮短發(fā)酵時間。更重要的是，避免了產生大量的工業(yè)廢水，大大節(jié)約了生產成本。    2.3 高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝酒糟的水解及利用    2.3.1 酒糟回收利用的水解條件及酶量的確定    發(fā)酵殘液水解曲線（見圖1），用粗制復合酶的目的為水解破碎酒糟中酵母細胞，釋放出細胞中的游離氮及生長因子，并對酒糟中的蛋白質進行水解，同時也水解殘?zhí)强偺羌袄w維素，達到最大量釋放出酒糟中的營養(yǎng)物質。    酒糟通常酸度很高，有時

14、含有不溶性沉淀物，過濾除雜后，一部分可適合于糖化醪調酸，另一部分用于水解重新利用，調PH5.0，調溫度為42。由圖1可知，隨著酶濃度的提高，還原糖的濃度也在不斷地提高，但酶濃度添加到1%時，還原糖的濃度升高接近穩(wěn)定并達到0.65%左右，因此在發(fā)酵中一般選擇的濃度為1%。    2.3.2 水解液與原料配比的確定    水解液的還原糖濃度約在0.65%，1t原料大約產生3.8t左右的水解液，其中還含有大量的可溶性氮、生長因子等大量營養(yǎng)物質。通過各種因子的作用，在多次實驗的基礎上，確定水解液與原料的最佳配比為

15、2.8:1。    2.4 高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝對原料的影響    傳統(tǒng)多級連續(xù)酒精發(fā)酵工藝每噸木薯配料比一般在1:2.9左右，平均每噸木薯產生酒糟大約為3.8t，在合適的發(fā)酵條件下，酒糟中還原糖占0.3%，淀粉0.46%，殘總糖0.8%，而且含有大量的酵母和蛋白質，把殘液粗濾后調PH5.0，加1%的粗制復合酶水解，水解后水解液大約3.8t，其中還原糖占0.64%，原料利用率由原來的75%提高到77%，原料利用率提高了近2%。    2.5 高效節(jié)能環(huán)

16、保酒精發(fā)酵工藝對水利用和廢水處理的影響    傳統(tǒng)多級連續(xù)酒精發(fā)酵工藝大約每噸木薯產生酒糟3.8t，使用高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝后，平均每噸木薯僅產生廢水1.5t左右，水利用率由原來的11%提高到近60%，廢水處理量大大降低，且大部分為固形物，廢水處理成本僅為原來的1/3，平均每噸木薯廢水處理成本節(jié)約30元。    2.6 高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝對酒精生產的優(yōu)化    傳統(tǒng)多級連續(xù)酒精發(fā)酵工藝在發(fā)酵條件良好的條件下，平均每噸木薯產酒量在0.371t左右，使用高效節(jié)

17、能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝后，由于原料的循環(huán)利用，平均每噸木薯產酒量在0.386t左右，而且主發(fā)酵期縮短1h左右，提高了原料的利用率并加快了發(fā)酵進程。    2.7 高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝對經濟效益的提高    采用高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝后，廢水處理成本僅為傳統(tǒng)發(fā)酵工藝的1/3，平均每噸木薯節(jié)省30元，在酒糟重新利用后，平均每噸木薯產酒量增加了0.015t左右，但工藝中增加了酒糟的水解工藝和粗制復合酶的添加，經多次發(fā)酵生產，平均每噸木薯提高經濟效益在50元左右。    

18、3 結論    3.1 采用高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝，對酒糟水解重新利用，酒糟過濾除雜后，用粗制復合酶重新水解，作為營養(yǎng)液加入到拌料罐重新回收發(fā)酵。    3.2 結果證明，原料利用率提高了2%，水利用率提高了50%，而且污水處理成本大大降低，能源利用率也得到提高，木薯平均提高經濟效益50元/t。大大優(yōu)化了酒精的發(fā)酵生產，對原料、水、能源的利用極為完全，尤其是使發(fā)酵過程的廢水產生量和處理量極低，大大節(jié)省了廢水的處理成本。1.4.3 高效節(jié)能環(huán)保酒精發(fā)酵工藝流程 &#

19、160;               淀粉酶                     原料  粉碎  拌料罐  往復泵  加熱器  1-5#

20、蒸煮鍋    干酵母                                             

21、                                                  

22、       汽液分離器  小酒母                                       

23、0;                                  粗制復合酶              糖化罐      大酒母