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第九章发酵工程各论

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发酵工程各论
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第一节 酒精生产工艺学 主讲人:刘萍 第九章 发酵工程各论 1 1.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。 2 纤维素生产酒精工艺 3 4 • 2.淀粉质原料酒精生产的工艺流程 5 1. 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。 6 4. 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。 7 5. 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。 8 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 9 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。 10 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(SdccHcromyce SCereuisiae)及其变种,如拉斯2号 (Rasse Ⅱ)、 拉斯12号(Rasse Ⅻ)、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。 11 • 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。 12 (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)。 13 3.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。 14 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。 15 2.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。 16 3.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。 17 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 18 (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。 19 2.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。 20 (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。 21 (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。 22 (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。 23 24 2.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 25 • (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。 26 (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 。 27 • 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。 28 3.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。 29 (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)。 30 (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 。 31 32 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。 33 2.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。 34 3.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。 35 • 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。 36 5.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。 37 6.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。 38 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 39 (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。 40 (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 41 1.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。 42 • 前发酵阶段时间的长短,与酵母的接种量有 关。如果接种量大,则前发酵期短,反之则 长。前发酵延续时间一般为l0小时左右。 • 由于前发酵期间酵母数量不多,发酵作用不 强,所以醪液温度上升不快。醪液温度控制 ,在接种时为26—28℃,前发酵期温度一般 不超过30℃。如果温度太高,会造成酵母早 期衰老,如果温度过低,又会使酵母生长缓 慢。 • 前发酵期间应十分注意防止杂菌污染,因为 此时期酵母数量少,易被杂菌抑制,故应加 强卫生管理。 43 2.主发酵期 • 酵母细胞已大量形成,醪液中酵母细胞数 可达1亿/毫升以上。 由于发酵醪中的氧 气也已消耗完毕,酵母菌基本上停止繁殖 而主要进行酒精发酵作用。 • 醪液中糖分迅速下降,酒精分逐渐增多。 • 因为发酵作用的增强,醪液中产生了大量 的CO2。随着CO2的逸出,可以产生很强 的CO2泡沫响声。 44 • 发酵醪的温度此时上升也很快。生产上 应加强这一阶段的温度控制。根据酵母 菌的性能,主发酵温度最好能控制在30 —34℃ • 主发酵时间长短,取决于醪液中营养状 况,如果发酵醪中糖分含量高,主发酵 时间长,反之则短。主发酵时间一能为 12小时左右。 45 3.后发酵期 • 醪液中的糖分大部分已被酵母菌消耗掉 ,醪液中尚残存部分糊精继续被曲作用 ,生成葡萄糖。由于这一作用进行的极 为缓馒,生成的糖分很少,所以发酵作 用也十分缓慢。因此,这一阶段发酵醪 中酒精和CO2产生得也少。 46 • 后发酵阶段,因为发酵作用减弱,所以 产生的热量也减少,发酵醪的温度逐渐 下降。此时醪液温度应控制在30—32℃ 左右。如果醪液温度太低,糖化酶的作 用就会减弱,糖化缓慢,发酵时间就会 延长,这样也会影响淀粉出酒率。 • 淀粉质原料生产酒精的后发酵阶段一般 约需40小时左右才能完成。 47 影响发酵时间的因素 • 整个发酵过程的时间长短,受糖化剂的种类、 酵母菌的性能、酵母接种量等因素的影响, • 与接种、发酵方式和发酵温度的控制有关。一 般讲,接种和发酵温度高,则发酵时间短,反 之则长。 • 另外,由于连续发酵一开始即处于主发酵状态 ,发酵时省去了前发酵期,所以一般较间歇发 酵时间为短。发酵总时间一般多控制在60—72 小时左右。 48 (三)酒精发酵工艺 • 根据发酵醪注入发酵罐的方式不同,可 以将酒精发酵的方式分为间歇式、半连 续式和连续式三种。 • (一)间歇式发酵法 • (二)半连续发酵法 • (三)连续发酵 49 四、影响酒精发酵因素的讨论 • 1.稀释速度 在间歇发酵中,糖化醪要求 自接种后8-10小时内加完,这样可以有 较长的后发酵时间,将糊精彻底水解发 酵。 • 酵母的繁殖速度取决于发酵醪营养物质 浓度,而营养物质的含量又取决于进料 和出料速度。所以,控制进料速度,就 可以控制酵母细胞数和营养成分。 50 • 2.发酵醪pH值的控制。降低发酵醪中的pH值 ,是防止杂菌污染的有效措施之一。由于连续 发酵无菌条件要求较严,其pH控制在4.0一4.5 为宜。间歇发酵PH值可控制在4.7-5.0。在上述 pH值范围内,较接近于糖化酶作用的最适PH 值。 • pH值的控制,可用H2SO4来调节。如果PH值 太低,不但会抑制杂菌的繁殖,同时也会抑制 酵母菌的繁殖和代谢,还会使糖化酶钝化,影 响发酵成果。 51 3.发酵温度控制。酒精酵母繁殖温度为27— 30℃,发酵温度30—33℃,生产中发酵醪温度 可根据发酵形式不同进行控制: • 间歇发酵:接种温度27—30℃;发酵温度30- 33℃;后发酵温度30℃±1℃。 • 连续发酵各罐温度控制在30—33℃。 4.发酵醪的滞流和滑漏问题。多级连续发酵要 求醪液保持先进先出。 52 5.多级连续发酵中发酵罐数量问题 多级连续发酵 是利用很多个罐进行串联,组成一个发酵罐组。 • 除了前面几个流加罐外,后面还要配合适量的罐 作为后发酵用,并使前后罐之间醪液保持一定的 浓度梯度。每一罐组用多少只发酵罐为宜,这主 要取决于发酵醪自进入第一只发酵罐起,到最后 一只发酵罐醪液成熟,醪液在几个罐内发酵时间 。 53 • 6.关于发酵醪浓度问题。糖化醪浓度稀,虽 然有利于酵母的代谢活动,提高出酒率,但是 浓醪发酵却有提高设备利用率,节省水、电、 汽、降低生产成本,增加产量的优点。因此, 生产上希望尽量采用浓醪发酵。 • 正常发酵醪浓度一股为16一18Bx,其发酵成熟 醪酒精含量为8-9%(容量)。 54 • 7.关于缩短发酵时间 用糖蜜原料制造酒精, 发酵时间需要24-32小时,如用淀粉质原料,则 需60小时以上。 • 缩短发酵时间,需要设法加速水解支链淀粉中 以1,6相结合的键。解决这个问题的方法是选 育糖化酶含量高的菌种,以加强糖化作用。 • 另外,采用连续发酵和选用发酵力强的酵母菌 种,也是加速发酵、缩短发酵时间的有力措施 。 55 综合利用 • 酒糟的综合利用 • CO2的综合利用 • 酒精酵母的综合利用 • 杂醇油和醛酯馏分的利用 56 57
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