酒精生产工艺

第四章酒精生产工艺第一节概述酒精生产技术发展史酒精生产是在酿酒的基础上发展起来的，我国劳动人民早在4000多年前就会酿酒。但是由于当时的生产技术水平和认识水平的局限性，使酒精生产受到限制。直到1902年，我国酒精工业才开始起步。当时在福建省建立了一间以甘薯干为原料的生产酒精工厂。到了1934年。中国酒精厂在上海建成，该厂主要以甘蔗糖蜜和甘薯干为原料生产酒精。新中国成立后，我国酒精工业不论产量，质量以及生产技术均有突飞猛进的发展。淀粉岀酒率提高了50%以上，在生产上大力推广新工艺，新技术和新设备，并培养了大批酒精生产的专业人才。目前国内大型酒精厂酒精年产量均在万吨以上。许多厂家生产的优质酒精已远销国外，经济效益十分显著。二．酒精工业的发展趋势我国酒精生产以发酵法为主，大多数工厂是采用薯干和玉米为原料。为了进一步提高酒精生产水平，各国的工程技术人员都在研究新型的酒精发酵方法，如目前已在工业生产上应用的固定化细胞酒精发酵法，耐高温活性干酵母发酵法等新的发酵工艺。在设备方面也有不少新型生物反应器出现，如单罐连续搅拌反应器、酵母回用连续搅拌反应器、塔式反应器、细胞固定化反应器等。酒精蒸馏工艺也在不断改进和完善。进一步改造了蒸馏塔板结构，并研究新的蒸馏工艺。目前研究较多的蒸馏工艺有高效节能的差压式蒸馏，膜分离酒精等。随着乙醇传感器和微机控制系统的应用，酒精工业的生产水平将有新的突破。第二节原料及其处理一原料选择（一）选择原料的依据1.淀粉质原料的选择（1）原料资源要丰富，容易收集。酒精生产需要大量原料，要有一定的库存量。（2）原料要容易贮藏。水分高的原料不易贮藏，含水量低于13%为宜。（3）原料含杂质要少，并在生产中不产生有害、有毒物质。（4）原料价格低廉，可降低产品成本。尽量采用野生植物原料。2.糖质原料的选择糖质原料主要指糖蜜。根据糖蜜的含糖糖量分为三个等级：一级糖蜜：含全糖(总糖）高于50%，不溶物和胶体物质等杂质含量较少；二级糖蜜：含全糖45%~50%;三级糖蜜：含全糖低于45%。所有等级糖蜜浓度均不得低于80`~900,相对密度为1.41~1.50（20℃）。（二）原料的种类用于生产酒精的淀粉原料主要有：薯类（甘薯、马铃薯、木薯、山药等）；粮谷类（高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍等）；糖质原料（甘蔗、甜菜、糖蜜等）；野生植物（橡子仁，土茯苓、蕨根、石蒜等）；农产品加工副产品（米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等）；纤维质原料（秸秆、甘蔗渣等）等。常用原料的化学组成原料中所含的化学成分，直接影响着酒精生产率的高低，也关系到生产工艺流程和工艺条件的确定。常用原料的几种主要化学成分及其对酒精生产的影响大致如下。1.糖类葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖等，这些物质都可以发酵生成酒精，同时也是霉菌和酵母的营养及能源，原料中含这些物质越多，生成酒精也就越多，所以它和产量有着密切的关系。2.蛋白质在酒精生产中，原料所含的蛋白质的主要作用是经蛋白酶降解后作为生产菌种所必需的氮源，而参与菌体细胞的合成，因此其含量以满足菌体正常生长繁殖为宜。3.无机盐及生长素其功能是作为酶活性基的组成部分或调解酶的活性。生产原料中无机盐和生长素的含量均足够满足微生物的生长和代谢。4.脂肪脂肪对发酵有影响，如玉米、高粱糠、米糠等油脂较多，则生酸较快。一些酒精厂如采用玉米作为原料，总是先把玉米胚芽除去。5.单宁单宁具有涩味和收敛性，遇铁呈蓝黑色，有凝固蛋白质的作用。而糖化酶和酵母细胞的主要成分是蛋白质，遇到单宁会凝固硬化。目前我国各酒精厂常用的原料，约有如下几种。（一）薯类原料1.甘薯甘薯又名红薯、甜薯、山芋、地瓜、番薯、红苕等。在江苏、浙江和安徽一带叫山芋，在河北、山东叫地瓜，在四川、湖北则叫红苕。甘薯在我国分布较广，除西藏和东北的部分地区以外，其他各省均有种植。在酒精生产中，甘薯原料的岀酒率较高。优点是原料来源广，成本较低，淀粉质含量高，淀粉颗粒结构疏松，易于蒸煮糊化，为糖化发酵创造条件；脂肪、蛋白质较少，发酵过程中生酸幅度小，减少对淀粉酶的破坏。2.马铃薯马铃薯是培养微生物的较理想的天然培养基，原因是它含有丰富的无机盐及维生素等营养成分。3.木薯木薯是多年生植物，呈灌木状，根粗而长，盛产于我国南方的广东、广西、福建、台湾等地。酒精生产用的是木薯的块根。木薯块根的主要化学成分是碳水化合物，其他成分如蛋白质、脂肪等含量都较少。（二）谷类原料1.玉米又名玉蜀黍苞、米、珍珠米、苞谷、棒子等。2.高粱又名红粱、芦粟、蜀黍等。高粱在我国酿造工业中主要用于酿造白酒，很少用于生产酒精。此外，还有大麦、大米、粟谷等。（三）糖质原料糖蜜是甘蔗或甜菜糖厂制糖过程中的一种副产品，又称废糖蜜。根据制糖原料，可将糖蜜分为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。1.甘蔗糖蜜甘蔗糖蜜是甘蔗糖厂的副产物，产于我国南方地区。甘蔗糖蜜外观为棕黄至黑褐色的浓稠液体，微酸性，pH在6.2左右。甘蔗糖蜜的产量约为原料甘蔗的2.5%~3%。甘蔗糖蜜用于生产酒精时应无夹杂物，无异味，无发酵现象。2.甜菜糖蜜甜菜糖蜜为甜菜糖厂的一种副产物，产量为甜菜的3%~4%，甜菜的生产在我国以东北、西北、华北地区为主。甜菜糖蜜与甘蔗糖蜜的主要区别：一是甜菜糖蜜中转化糖含量极少，而蔗糖含量较多，而甘蔗糖蜜中蔗糖和转化糖均较多，全糖两者较接近；二是甘蔗糖蜜呈微酸性，而甜菜糖蜜则成微碱性；三是甜菜糖蜜中氮素含量比甘蔗糖蜜多，达1.68%~2.3%，但甜菜糖蜜中占3总含氮量50%左右的甜菜碱很难被酵母消化。（四）辅助原料辅助原料是指糖化剂时用来补充氮源所需的原料，主要有麸皮、米糠、玉米粉等富含碳源和氮源的物质。三原料处理（一）原料的的除杂淀粉原料中最常见的杂质有泥沙、石块和金属杂质三大类。常用的除杂方法有筛选、风送除杂和电磁除铁三种。（二）原料的粉碎（三）在酒精生产过程中，淀粉原料都应进行粉碎处理。投产前先把块状或粒装的原料磨碎成粉末状态。原料经粉碎后，受热面积可增加，利于淀粉原料的吸水膨化糊化，从而提高热处理效率。1.原料粉碎的方法原料粉碎方法有干法和湿法粉碎两种。（1）干法粉碎干法粉碎多采用粗碎和细碎两级粉碎工艺。原料过磅称重后，进入输送带，电磁除铁后进行粗碎（原料颗粒应通过6~10mm的筛孔）。常用的设备是轴向滚筒式粗碎机和锤式粉碎机。粗碎后的物料在送去进行细粉碎（原料颗粒应通过。1.2~1.5mm的筛孔）。（2）湿式粉碎。粉碎时将搅拌用水与原料一起加到粉碎机种进行粉碎。2.两种粉碎方法的比较无论是干法或湿法粉碎，都具有各自独特的特点。（三）原料的输送酒精厂采用的原料输送方法有机械输送，气流输送和混合输送3种。1.机械输送原料或粉料的输送靠机械构件来完成。常用的输送机械有皮带输送器、螺旋输送器和斗氏提升机3种。前两种常用于水平输送，后一种用于垂直输送。2.气流输送气流输送俗称风送，是利用气流在管子中输送物料。3.混合输送粗碎后的原料输送用机械输送，细碎后粉料输送用气流输送。第三节蒸煮薯类谷类野生植物等淀粉质原料，吸水后在高温高压条件下进行蒸煮，使植物组织和细胞彻底破裂，由于吸水膨胀而破坏，使淀粉由颗粒变成溶解状态的糊液，目的是使它易受淀粉酶的作用，把淀粉水解成可发酵性糖。其次，由于原料表面附着大量的微生物，如果不将这些微生物杀死，会引起发酵过程的严重污染，使生产失败。通过高温高压蒸煮后，对原料进行了灭菌作用。二蒸煮过程中的物理化学变化（一）淀粉的膨化与糊化1.淀粉的膨化当淀粉与水接触，水分酒渗入淀粉颗粒内部，使淀粉的巨大分子链发生扩展，因而体积膨大，质量增加，这种现象称之为膨化。2.淀粉的糊化淀粉颗粒发生膨化时，随着温度升高，颗粒渗透压逐渐增大，膨胀程度逐渐增高，当温度升到某一特定温度，颗粒的体积膨胀到原体积的50~100倍时，淀粉粒发生破裂，造成黏度迅速增大，体积也随之迅速变大，此现象称为淀粉的糊化，糊化过程的起始温度则为该原料淀粉的糊化温度。糊化的结果是引起醪液黏度的大幅度上升，从而形成一种均一的黏稠液体。淀粉发生膨化与糊化必须满足3个条件：一是一定量水分子的参与；二是一定的温度；三是一定时间。糊化温度与淀粉粒大小有关系，一般的说，淀粉粒越大，糊化越容易，糊化温度越低。如薯类淀粉粒越大，故糊化温度较低，马铃薯为55~65℃，甘薯和木薯为55~70℃，而谷类淀粉粒较小，故糊化温度也较高，小麦为64~71℃，玉米65~73℃。3.淀粉液化糊化现象发生后，如果温度继续上升，达到130℃左右时，大量的支链淀粉也会完全溶解，至此，淀粉颗粒的网状结构被彻底破坏，醪液的胶体性质受到破坏，淀粉溶液也随之变成了黏度较低的流动性醪液，这种现象称为液化。马铃薯、小麦和玉米支链淀粉完全液化的温度为132℃、136~141℃和146~151℃。（二）植物组织和细胞的变化在蒸煮过程中植物组织和细胞的变化过程如下：1.预煮在加温水投料浸泡和预煮时，原料吸水膨化，此时不仅淀粉膨化，纤维素也膨化，细胞间的物质（主要是果胶质）和细胞内的物质部分溶解，是，使植物组织的坚固性减弱。为下一步蒸煮创造良好的条件。2.蒸煮在原料蒸煮过程中，当温度升高至120~135℃时，最初20~25min内，果胶质的溶解便可完成，淀粉和多聚戊糖的溶解也开始剧烈地进行。果胶质的溶解对细胞壁的破裂有重要意义。此后，当温度升高至145~150℃时，由于细胞壁的强度大为削弱，淀粉便从细胞内释出，直至蒸煮完毕为止。3.后熟在原料的蒸煮阶段，虽然原料不断软化，植物组织和细胞也有部分裂解，但大部分仍未失去原有的形态，只有经过一定时间的后熟，在吹醪时即醪液在蒸煮罐内吹出时，由于醪液通过蒸煮锅喷出口的狭缝，压力发生变化，产生蒸汽的绝热膨胀，使细胞破裂，植物组织才能完全碎解。为了尽可能使原料细胞完全破裂而成为均一的醪液，在吹醪时醪液放出的速度应当快些。但是如果吹醪速度太快，则醪液容易从糖化锅或后熟器中喷出。（三）蒸煮过程中原料各组分的化学变化煮过程中不仅发生淀粉颗粒，植物组织的物理变化，同时原料各组织也发生化学变化，对酒精生产过程有着一定的影响。1.纤维素纤维素是构成植物细胞壁的主要成分，在蒸煮过程中只是吸水膨胀，不发生化学变化。2.半纤维素由于多聚戊糖和少量的多聚己糖组成，在蒸煮过程中发生部分溶解和水解，生成糊精和木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、糖醛等产物。3.果胶物质果胶物质是细胞壁组成的一部分，也是细胞间层的填充剂，是由半乳糖醛酸或半乳糖醛酸甲酯组成的链状化合物。在蒸煮过程中果胶质强烈的分解，并生成甲醇和果胶酸。成量因原料品种、蒸煮压力不同而有所差别。薯类原料比谷类原料含果胶质多，生成的甲醇量也就多。蒸煮压力越高，生成的甲醇量越多。甲醇是一种有毒的挥发性杂质，也是成品酒精的主要杂质。4.淀粉淀粉在蒸煮过程中，通常发生两大类变化，一是物理变化，即淀粉的膨化与糊化；二是化学变化，即在高温作用下，淀粉发生的水解变化。淀粉质原料本身富含淀粉酶系统，在预煮（50~60℃)时，淀粉酶会分解部分淀粉生成糖和糊精，将造成好、可发酵性糖的损失。5.糖分糖分主要是指单糖和低聚糖。不同的糖分，在蒸煮过程中的化学变化也不同，主要变化是黑色素和焦糖的形成。（1）黑色素的形成。在蒸煮过程中，己糖脱水变成羟甲基糠醛，羟甲基糠醛很不稳定，会继续分解，生成糖尾酸（左旋糖酸）和甲酸。部分羟甲基糖醛经缩合生成黑色素，部分羟甲基糖醛和醪液中的氨基酸发生缩合反应生成氨基糖，造成糖和氨基酸的损失。氨基糖也称为类黑精，是一种红褐色无定性物质。黑色素积累的速度与还原糖及氨基酸的浓度成正比，为了抑制黑色素形成，在原料蒸煮时，可采用较大的加水比。（2）焦糖的形成。当温度达到糖的熔点（185℃）时糖分会失水生成黑色无定形产物，即焦糖。焦糖的生成不但会使可发酵性糖损失，还会影响后面的酒精发酵。在蒸煮中，局部过热容易形成焦糖，焦糖化一般发生在蒸煮锅死角或锅壁上局部过热处。原料蒸煮后，由于糖分分解时会形成着色物质，因而良好的蒸煮醪应该是淡黄色或浅褐色，可根据蒸煮醪液的颜色来判断糊化程度。6.含氮物质主要是指蛋白质，其变化情况如下:温度升高到100℃时，蛋白质发生