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1、酒精与白酒酿造工艺学,长江师范学院生命科学与技术学院,绪 论,1 酒精的特点、用途及国内外发展趋势 酒精的化学名词是乙醇，分子式C2H5OH,相对分子质量 为46.07 酒精的主要用途 按需求量多少可以分为三个方面：作为可再生能源的燃料酒精，调制酒精饮料用的食用酒精，以及化工、医用酒精。,由于石油、煤炭等矿物燃料的使用增加大气中二氧化碳的含量,引发所谓温室效应,为解决传统能源的枯竭和环境问题,保证经济可持续的方式发展,世界上许多国家都在积极研究和开发新的能源,以减少矿物燃料的用量,从而减少温室气体在大气中的积累量,有效缓解温室效应。特别是自20世纪60年代第一次能源危机以后,许多发达国家和部分
2、发展中国家根据具体资源情况着手燃料酒精的开发和应用。,（1）国内外生物燃料酒精发展慨况,巴西是世界上燃料酒精发展先驱,第一个推出国家燃料酒精计划,并第一个大规模生产酒精动力汽车。巴西政府为了保持蔗糖的市场平衡,当蔗糖价格过低时,加大酒精产量,以保持甘蔗生产的稳定和均衡。同时,为了实现能源自给,巴西政府于1974年在全国推行了燃料酒精计划。巴西的酒精以糖蜜或甘蔗汁为原料,产品分为普通酒精(含水5%)和无水酒精2种。普通酒精可以单独作为汽车燃料,但是需要特别设计的发动机。无水酒精则作为添加剂加到汽油中,最高混入量可达24%,而不用改变目前发动机和气化器的结构。目前巴西的酒精产品中普通酒精占2/3，
3、无水酒精1/3，每年消耗160亿汽油，115亿L酒精(包括含水酒精或无水酒精),在加油站零售中,已经形成完整的燃料酒精供应系统,酒精和汽油都通过管道输送与铁路、公路相连接,供应31979个加油站。目前完全用含水酒精作燃料的酒精汽车达220万辆,成为世界上唯一不供应纯汽油的国家,也是世界上使用以酒精为汽车燃料最为成功的国家之一。,美国燃料酒精发展比较晚,主要以玉米为原料。美国政府发展燃料酒精主要是为了解决对于进口石油的依赖。减少空气污染,提高农民的收人。美国生物燃料酒精工业近年来得到发展,其中重要的政策基础是淘汰甲基叔丁基醚(MTBE,一种汽油抗爆成分,污染地下水),美国已有18个州禁止使用MT
4、BE,生物燃料酒精理所当然成为最环保的替代品。1998年克林顿政府签署了“21世纪交通效率法案”,明确了至2007年燃料酒精的免税额度。另一个市场因素是石油价格暴涨,添加生物燃料酒精的经济及社会意义日益显著。2004年,美国生物燃料酒精产量达到了34亿加仑,比2003年的281亿加仑增加了21%。到2005年底,生物燃料酒精产量将达到40亿加仑,增长势头非常强劲。2005年,美国通过了能源安全法案,为生物燃料酒精工业进一步发展提供了更为广阔的空间。,美国是世界上最大的以谷物为原料生产生物燃料酒精的国家,2004年,美国生产乙醇消耗了3200万t玉米,占产量的11%。目前,美国90%以上的生物燃
5、料酒精生产厂位于玉米产地,近50%企业属于农民合作社,2005年内新建的20多家企业也是由农民和当地其他资本投资的。2005年8月,美国总统布什签署了新的能源安全法案,其中有关再生能源标准(RFS)的政策要求,机动车燃料必需使用一定比例的再生能源,使生物燃料酒精的年需求量大幅增长。预计到2012年,每年至少消耗75亿加仑生物燃料酒精,是目前产量的2倍。这个标准对美国生物燃料酒精乙醇工业的发展将产生深远的影响,也会吸引大量资金投入到农产品深加工,创造约20万个就业机会。从2005-2012年,再生能源标准将促使美国对生物燃料酒精新增扩大生产投资近60亿美元;用于原料和劳动力投资700亿美元,其中
6、430亿美元用于购买玉米。另外,再生能源标准对美国能源平衡也会产生积极影响。,欧盟每年约生产176万t酒精,1997年只有56%用于燃料。1994年欧盟通过决议,给予生物燃料酒精的中试工厂以免税。并在2010年使燃料酒精的比例达到12%。因此一些后续的国家如荷兰、瑞典和西班牙也出台了生物能源计划。法国:年产酒精60万t,在欧盟国家内名列第一。德国:欧盟第二大酒精生产国,年产酒精312万t。主要为合成酒精,约占总产量的2/3。发酵法生产10万t14万t,其中谷物40%,马铃薯占35%。英国:在欧盟中名列第三。年产达43亿L。其中97%是由British Petmlemn一家公司生产的合成酒精。意
7、大利、西班牙:这2个国家的酒精年产量为144万t28万t。产量波动的原因是根据欧盟葡萄酒发展战略的要求。每年多余的葡萄酒要蒸馏成酒精,作为食用酒精向第三国出口,以保证葡萄酒工业的发展。现在欧盟正在试图减少葡萄酒的生产,来降低这种高成本的酒精产量。,独联体:年产酒精25亿L(约200万t),以谷物、水果、乳清、葡萄酒和糖蜜为原料,其中60%供饮用。加拿大:每年产酒精45万t,其中30%用于燃料。其他主要用于香水、化妆品和外用药等。印度:仅次于中国的亚洲第二大酒精生产国。日本:是亚洲最大的酒精进口国。日本每年从美国、巴西、泰国和中国进口14万t17万t的酒精。,国内生物燃料酒精发展慨况,中国是亚洲
8、第一大酒精生产国,使用酒精替代汽油始于20世纪三四十年代,抗战期间因日军封锁,汽油奇缺,军用、民用燃料多求助于酒精,建国初期至50年代末曾有所发展,后因大庆油田开发成功,缓解了汽油的供应危机,燃料酒精的应用终止。直到1993年中国成为石油净进口国,且随着中国加入WTO,油价与国际市场接轨,从1994年4月至今,国际市场原油价格平均上涨幅度达180%,随着中国能源消费量的不断增长,不得不重新考虑利用可再生的生物燃料。中国科学院、清华大学等对加醇汽油的使用及其对环境的影响,做过大量的试验研究,2001年9月国务院正式批准了在国内发展燃料酒精试点,并于2001年在长春、洛阳、郑州等地启动燃料酒精试点
9、工作。,“十五”期间国家改造和新建一些规模大,设备先进燃料酒精生产项目,包括:吉林燃料酒精有限责任公司(30万t/年)(一期)、河南天冠集团(30万t/年)、安徽丰原生物化学股份有限公司(32万t/年)和黑龙江华润酒精有限公司(10万t/年)。2003年11月18日零点,吉林省全境200多座加油站,停止销售普通汽油,取而代之的是清洁环保车用酒精汽油。2005年年底吉林燃料酒精有限责任公司60万t/年工程建设全部完工,当年我国燃料酒精生产量达到132万t/年。近几年,天冠集团先后与山东大学、清华大学、华中科技大学、浙江大学、河南农业大学等院校进行交流合作,拥有了多项利用秸秆生产乙醇的关键技术。2
10、006年8月中国中央电视台报道,河南天冠集团利用玉米和小麦秸秆生产燃料酒精达到了每6t秸秆生产1t燃料酒精的目前全球最高记录,其年产3000t的纤维乙醇项目已于8月底在镇平县奠基,这是国内首条千吨级纤维乙醇产业化试验生产线。2006年10月中国政府决定在安徽丰原建立研发秸秆燃料酒精国家级实验室。同时,秸秆燃料酒精的研发已列为了国家重大科技专项,许多科研院所已投入到秸秆燃料酒精的研发工作中。,燃料酒精研究方向,燃料酒精的价格比汽油贵约1000元/t,且传统的酒精生产方法对环境的污染都较大。因此如何采用高科技技术以降低生产成本、减少生产过程中对环境的污染是今后燃料酒精的研究方向。（1）改进原有技术
11、,降低成本,减少污染；（2）寻找廉价原料研究新生产工艺燃料酒精的应用可以带来巨大的经济、社会和环境效应,世界各国已有了不同程度地研究和应用。随着现代生物技术与工程技术的不断发展,高产菌株的获取越来越简单,发酵工艺也得到不断改进,这些都为燃料酒精的大规模生产提供了技术保证。随着燃料酒精的研究领域和应用范围不断扩展,燃料酒精在可再生燃料市场中将占主要地位。,（2）调制酒精饮料及蒸馏酒,以优质酒精为基础，以固态发酵白酒及其调香酒进行调配；或以酒精串香，使固态酒赔中香味成分在加热蒸馏过程中充分混合溶解。如果酒精质量差，含杂醇油及其他杂质多，勾兑时会影响白酒质量，甚至饮后上头。,大多数饮料不会包含纯酒精
12、饮用纯酒精可能致命，因为只饮用几盎司的纯酒精（1美制液体盎司=29.57毫升），血液中的酒精含量就会迅速升到危险区。在各种酒精饮料中，乙醇含量（按体积）如下：啤酒=4到6（平均约4.5%）；葡萄酒=7%到15%（平均约11%）；香槟=8%到14%（平均约12%）；蒸馏所得的烈性酒（例如朗姆、杜松子、伏特加和威士忌等酒）=40%到95%。在酒店购买的烈性酒中，大多数都含有40%的酒精。像朗姆酒和威士忌酒这样的一些高浓度酒（75%到90%）在酒店中可以买到。也有人非法酿造和（/或）购买一些高浓度的威士忌酒（例如：私酿威士忌）。在美国的大多数州，只有年满21周岁或更长者才允许购买酒精饮料，向未成年人
13、提供或出售酒精饮料者会受到处罚。,（3）医用、化工领域,灭菌消毒 70%-75%的酒精用于灭菌消毒：用于包括皮肤消毒、医疗器械消毒、碘酒的脱碘等。有人以为，酒精浓度越高，消毒效果越好，这是错误的。酒精消毒的作用是凝固细菌体内的蛋白质，从而杀死细菌。但95%的酒精能将细菌表面包膜的蛋白质迅速凝固，并形成一层保护膜，阻止酒精进入细菌体内，因而不能将细菌彻底杀死。如果酒精浓度低于70%，虽可进入细菌体内，但不能将其体内的蛋白质凝固，同样也不能将细菌彻底杀死。只有70%-75%的酒精即能顺利地进入到细菌体内，又能有效地将细菌体内的蛋白质凝固，因而可彻底杀死细菌。用70%-75%的酒精消毒医疗器械应当用
14、浸泡的方法，时间不得少于30分钟；浸泡消毒后应用无菌生理盐水冲洗，免器械上的残余酒精刺激机体组织。因为酒精只能杀死细菌，不能杀死芽孢和病毒，所以，医疗注射或手术前的皮肤消毒常使用效果更好的碘酒。为了减少碘对皮肤的长期刺激，一般在用碘酒消毒后，用75%的酒精脱去碘。由于酒精具有一定的刺激性，75%的酒精可用于皮肤消毒，但不可用于黏膜和大创面的消毒。,预防 40%-50%的酒精用于预防褥疮：长期卧床患者的背、腰、臀部因长期受压可引发褥疮，而且褥疮一旦形成很难愈合；其预防的方法就是要勤翻身、勤擦洗、勤按摩。按摩时，护理人员会将少40%-50%的酒精倒入手中，均匀地按摩患者受压部位，以达到促进局部血液
15、循环，防止褥疮形成的目的。,物理退热 25%-50%的酒精用于物理退热：高烧患者除药物治疗外，最简易、有效、安全的降温方法就是用25%-50%酒精擦浴的物理降温方法。用酒精擦洗患者皮肤时，不仅可刺激高烧患者的皮肤血管扩张，增加皮肤的散热能力；还由于其具有挥发性，可吸收并带走大量的热量，使体温下降、症状缓解。具体方法是：将纱布或柔软的小毛巾用酒精蘸湿，拧至半干轻轻擦拭患者的颈部、胸部、腋下、四肢和手脚心。擦浴用酒精浓度不可过高，否则大面积地使用高浓度的酒精可刺激皮肤，吸收表皮大量的水分。,酒精是一种很好的有机溶剂，许多有机制剂的生产中都要使用，如利用酒精脱水成为乙烯，用以生产合成橡胶、聚乙烯、聚
16、氯乙烯等。还可用来制造农药。总之，酒精在国防工业、医疗卫生、有机合成、食品工业、工农业生产中都有广泛的用途。,2000年2006年全国酒精产量统计,2006年酒精产品结构,据统计我国每年大约需要燃料酒精400万吨（燃料乙醇试点初期），2006年国家定点生产燃料乙醇的企业产能已增加到159万吨。其中吉林燃料酒精公司产能为40万吨，黑龙江省华润公司产能25万吨，河南天冠集团产能50万吨，安徽丰原集团产能44万吨。以现阶段的中国四家燃料乙醇生产企业的产能来看，远远不能满足未来国内对燃料乙醇的需求，燃料乙醇装置产能扩张不可避免。因此未来政府还将继续适度发展燃料乙醇行业。国家发展改革委已经对中国生物燃料
17、产业发展，做出三个阶段的统筹安排：“十一五”实现技术产业化，“十二五”实现产业规模化，2015年以后大发展。预计到2020年，中国生物燃料消费量将占到全部交通燃料的15%左右，建立起具有国际竞争力的生物燃料产业。在未来几年内，燃料乙醇必将成为行业的领先者，成为酒精产业的主力军，国内将以燃料乙醇一统天下,酒精发酵原料、水和辅助原料,从生产工艺的角度来看，凡是含有可发酵性糖或可变为发酵性糖的物料，都可以作为酒精生产的原料，但还要考虑以下条件(1)原料资源要丰富，能保证酒精生产所需的大量原料，并有一定的库存。(2)原料产地离工厂或水陆运输线要近，便于收集和运输。(3)原料含可发酵性物质多，蛋白质适中
18、，有害人民身体健康或影响发酵过程的杂质应不含或少含。最好是干燥原料，便于贮藏。(4)从产品的成本角度出发，综合考虑原料价格，加工过程的经常性消耗等因素，并尽可能采用非粮食原料。,常用原料中主要的化学成分 分析,1.碳水化合物 原料中所含的淀粉，或与淀粉类似的菊糖、蔗糖、麦芽糖、果糖及葡萄糖等，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。碳水化合物中的五碳糖多存在于原料的皮层，如麸皮、高粱糠，谷糠、花生壳等都含有很多，它不但影响淀粉含量，发酵中也易生成有害的糠醛。纤维素虽属于碳水化合物，但一般不能像淀粉一样水解，
19、只起填充作用，对于发酵没有什么直接影响。2.蛋白质 原料含有的蛋白质，在酒精生产过成中，经曲霉菌的蛋白酶水解后，可为霉菌和酵母菌生长繁殖的重要营养成分，而微生物细胞中，3050%（干重）是蛋白质。一般的说，当培养基内氮的含量适当，则曲霉菌丝生长旺盛，酶的含量也较高。有些原料所含蛋白质有时不能满足微生物生长和繁殖的要求，则应从外界加入氮源。氮源一般包括有机蛋源和无机氮源两种，根据不同情况，添加不同种类的氮源。,常用原料中主要的化学成分 分析,3.脂肪 脂肪对发酵有影响，如高粱糠、米糠等含油脂多，则生酸较快，生酸幅度也较大，影响酒精质量。一些酒精厂如采用玉米作为原料，总是把含油脂较高的玉米胚芽除去
20、。4.灰分 灰分中的磷、硫、镁、钾、钙等是构成菌体细胞的重要成分，还有调节渗透压的作用，是微生物生长不可缺少的。不过，在一般原料中，灰分的含量已能满足需要。,常用原料中主要的化学成分 分析,5.果胶 块根或块茎作物的原料（如甘薯、马铃薯、木薯等），果胶质的含量比粮谷类多好几倍，它是生成对人体有害的甲醇的主要来源，并对醪液的粘度也有影响。6.单宁 橡子、高粱等原料中，都含有大量的单宁。单宁带有涩味，遇铁就成蓝黑色，能把蛋白质凝固。而糖化酶和酵母细胞的主有成分是蛋白质，遇到单宁就凝固硬化，失去它应有的作用能力，不能进行正常的糖化发酵，所以，单宁的存在对酒精的生成是有害的。在用含单宁的原料生产酒精时
21、，一定有考虑采用含降解单宁的霉菌做糖化剂，以分解单宁。,1.原料 发酵原料主要采用淀粉质原料、糖质原料和纤维素原料。淀粉质原料：80%发酵酒精由此生产，其中甘薯干占45%，玉米等谷物占35%。薯类原料：包括甘薯（北称红薯、地瓜，南称山芋、番薯，主要薯类原料）、木薯（南方热带、亚热带）、马铃薯（西北少数地区，苏联，东欧各国）谷物原料：玉米、小麦、高粱、大米等，也称粮食原料，其中玉米小麦常用,糖类原料：糖蜜，甘蔗、甜菜、甜高粱等 很少用，多用来制糖。生产酒精工序简单，成本较低。,纤维质原料：含量非常丰富，由纤维素、半纤维素和木质素组成，较难降解。农作物纤维质下脚料，森林和木材加工工业下脚料，工厂纤
22、维素和半纤维素下脚料及城市废纤维垃圾。其他原料：薯渣、野生植物、乳清等,城市生活垃圾中的纤维垃圾也是纤维质原料的一个重要来源。发达国家里的城市废纤维垃圾数量已经相当可观（美国全国每天的纤维质垃圾可达28106吨），利用它们生产酒精其优点是它们已不是天然的纤维素，容易接受酶和酸的水解；其缺点是纤维垃圾要通过机械分离或其它手段才能从生活垃圾中分离出来，而且容易被有害物质污染。我国由于没有可与发达国家相比的城市垃圾回收系统，目前城市纤维质垃圾的利用还很不充分，但这是相当有潜力的一个领域。,木薯与玉米酒精成本、价格比较,由此可见，20042005年数据表明，木薯酒精成本及价格均比玉米酒精略高,木薯、玉
23、米、糖蜜酒精市场份额比较,数据显示，玉米酒精占据市场份额的半壁江山，高达58%，而木薯酒精份额却出现大幅萎缩。,木薯、玉米、糖蜜酒精成本比较,但全面分析木薯作为酒精原料的优缺点，其优点还是主要的，其缺点是可以克服的。由于木薯加工性能良好，并且不与粮争地，已被世界公认为是一种有很大发展潜力的酒精生产再生资源，应该重点开发。与其它原料比较，木薯生产的酒精具有较大的成本优势，还可充分利用木薯生产淀粉后剩余的废料木薯渣、黄浆等生产酒精，进一步降低成本，提高效益。木薯作为原料的主要缺点是含有氢氰酸，有一定毒性；种植较分散，收集运输有一定困难；目前的总产量尚小，不能全面供应酒精生产的需要。,木薯生态产业示
24、意图,陈立胜，潘瑞坚，木薯酒精产业的社会效益与经济效益分析，广西轻工业，2007（1）,2.酒精生产用水,酒精工厂是用水大户，一般生产1吨酒精平均要消耗120吨左右的水。酒精企业用水可分为锅炉用水（发电、供热）、酿造用水（包括原料处理用水）、换热器用水、洗罐用水等4类。大型酒精企业由于用水量大，一般都有自己的独立水源（地下水或江河水），这些水均需经过处理才能达到用水标准。,酒精生产用水,硬度过高的水不能用于酒精生产，这是因为所有的酒精生产工艺过程都是在弱酸性的条件下进行的(pH4555)。例如，淀粉质原料在低的pH条件下蒸煮比较完全，时间也短；在pH45左右时，淀粉糖化酶作用最活跃；酒精发酵的
25、最佳pH为555，中性或酸性介质容易长产酸菌；,3.酒精生产用辅助材料,酶制剂（Enzyme）酒精生产中常用酶制剂大多为-耐高温淀粉酶、高活性糖化酶和酸性蛋白酶。(1)-耐高温淀粉酶-耐高温淀粉酶是酒精生产液化工序重要的酶制剂，其作用是辅助完成淀粉液化过程。-耐高温淀粉酶分液体剂型和固体剂型两类。大型酒精企业需选用大包装液体剂型，优点是酶活力高、价格低。(2)高活性糖化酶 高活性糖化酶功能在于将液化后的短链淀粉和糊精彻底水解为葡萄糖。(3)酸性蛋白酶 酸性蛋白酶对淀粉质的原料颗粒有溶解作用。酒精发酵生产中添加适量的酸性蛋白酶，可降低醪液黏度，提高酒精产率。酸性蛋白酶在目前的国内外酒精生产企业应
26、用广泛。,酒精生产用辅助材料,尿素（H2NCONH2）尿素是大型酒精生产中常用的一种酵母菌氮源，白色无臭结晶，含氮量为46.3%，30时溶解度为57.2%。尿素本是一种高效农用氮源，因其纯度高、质量稳定而成为酒精发酵生产上首选的氮源。纯碱（Na2CO3）、NaOH和漂白粉 纯碱（Na2CO3）、NaOH和漂白粉是发酵罐、粉浆罐、液化罐、糖化罐、换热器、连通管线等清洗除菌必不可少的化学清洗剂和消毒剂。对清洗剂和消毒剂的要求是：有清洗和杀灭微生物的效果，对人体无害、无危险，易溶于水，无腐蚀，贮存稳定。,酒精生产用辅助材料,活性干酵母（Active Dry Yeast ADY）高质量活性干酵母是现代
27、大型酒精企业培养酵母重要的基础酵母菌种。酒精企业自己独立培养酵母菌，历经了几十年，终于使人们认识到酒精企业自己培养酵母由于设备、特别是专业技术人员综合技术能力的差距，使生产成本高，特别是延长酒精发酵周期，杂菌增多，酒精产率相对低。,酒精生产用辅助材料,硫酸（H2SO4）硫酸在酒精生产中主要用来调整醪液的pH。对H2SO4的要求是：H2SO4含量在92%以上，砷含量不许大于0.0001%。98%的浓H2SO4密度为1.8365（20，g/cm3）。使用H2SO4要注意安全，因为H2SO4能与多数金属及其氧化物发生反应。,（5）蒸煮过程中因受高温高压，易产生焦糖。焦糖是不能被发酵的，还会阻碍酵母的
28、发酵作用，影响发酵而降低酒精的质量和产量。因此蒸煮时应控制压力。二、淀粉质原料酒精生产的工艺流程 此流程主要是说明采用淀粉质原料生产酒精时必须先把块状或颗粒状的原料，磨碎成粉末状态后经过高压蒸煮和糖化作用，然后再进行发酵，最后经蒸馏得到成品酒精。简要叙述如下：,1.原料粉碎2.蒸煮糊化：把磨碎后的原料拌水预热，使原料升温，淀粉颗粒经高压蒸煮后逐步破裂，趋于溶解状态，蒸煮醪液成糊状。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，曲霉菌生成的淀粉酶能把原料内含有的淀粉转变为可发酵性糖，供酵母菌利用4.酵母发酵：酒精发酵属于厌气性发酵，糖化醪中的淀粉和糊精继续被淀粉酶水解生成糖，
29、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，生成酒精和二氧化碳。5.蒸馏提纯：经过粗馏和精馏，最后取得合乎规格的酒精，同时得到副产物杂醇油，还有大量的酒糟排除。,华润酒精有限公司年产24万吨，采用先进又具代表性的六塔差压蒸馏系统来展示酒精的生产工艺流程 原料粉碎后先后经过蒸煮、液化、糖化、发酵等工序得到酒精浓度为8%-12%（体积）的发酵成熟醪液，后经一系列精馏过程（蒸馏系统）：醪塔、粗辅塔、精馏塔、水萃取塔、脱甲醇塔、含杂馏分处理塔等六塔差压蒸馏系统（图 所示），将酒精浓缩至96%（体积）的成品酒精。,淀粉质为原料生产酒精的工艺流程,第
30、二节淀粉质原料的预处理,一般来说，淀粉质原料的预处理主要包括除杂与粉碎两个工序。通常，淀粉质原料预处理后，进入蒸煮（糊化）、液化、糖化工序，将淀粉转变成可发酵糖，而后发酵生产酒精。,一、淀粉质原料的除杂,淀粉质原料在收获过程中，很容易混入泥土、小沙石、短绳头及纤维杂物，甚至铁钉等金属杂物，这些杂质必须除净，否则会影响生产的正常运转，特别是对于大规模系统性非常强的超大型酒精企业，除杂的意义更为重要。因为除杂不彻底常出现粉碎机筛底被打坏、泵机磨损、管路堵塞、发酵罐中沉积大量泥沙影响正常发酵过程、螺旋板换热器内的定距柱上缠绕纤维状物、粗馏塔板和溢流管堵塞等，从而影响生产正常运转,一、淀粉质原料的除杂
31、,一般除杂工作流程为“二筛、一去石、一磁选”。目前实际生产中选用的平面回转筛（噪声低、运行平稳、清理效率高、卫生条件好）和TCXT系列强力永磁筒，是除杂的关键设备。通过严格管理，有的酒精企业已达到除杂后月平均含砂量仅为0.0052%的高水平。,二、淀粉质原料的粉碎,因为谷物或薯类原料的淀粉，都是植物体内的储备物质，常以颗粒状态储备于细胞之中，受着植物组织与细胞壁的保护，既不能溶于水，也不易和淀粉水解酶接触。为了使植物组织破坏，要求淀粉释放，因而采用机械加工，称之为粉碎。,二、淀粉质原料的粉碎,把原料进行粉碎后成为粉末原料，其目的是要增加原料受热面积，有利于使包含在原料细胞中的淀粉颗粒能从细胞中
32、游离出来，充分吸水膨涨、糊化乃至溶解，提高处理效率，缩短蒸煮时间，为随后的淀粉酶系统作用，并为淀粉转化成可发酵性糖创造必要和良好的条件。另外，粉末状原料加水混合后也容易流动输送。对于一些带壳的原料，如高粱、大麦，在粉碎前，则要求先把皮壳破碎，除去皮壳后再进行粉碎。酒精工厂常用的原料粉碎方法有干式粉碎和湿式粉碎两种。,第三节 淀粉浆的糊化（蒸煮）、液化与糖化工艺,淀粉的糊化（蒸煮）、液化以及糖化过程是淀粉质原料制取酒精的重要部分，对于后续的发酵有着重要的意义。一、淀粉浆糊化（蒸煮）、液化与糖化概述 一般来说，含在原料细胞中的淀粉颗粒，由于植物细胞壁的保护作用，不易受到淀粉酶系统的作用。另外，不溶
33、解状态的淀粉被常规糖化酶糖化的速度非常缓慢，水解程度也不高。所以，淀粉原料在进行液化、糖化之前通常要经过蒸煮，使淀粉从细胞中游离出来、并转化为溶解状态（即糊化），以便淀粉酶系统进行液化糖化作用，这就是原料蒸煮处理的主要目的。当然，蒸煮处理同时可以达到部分杀菌的目的。,淀粉质原料液化、糖化实际上是淀粉在淀粉酶、糖化酶的作用下，使淀粉水解成葡萄糖的过程，其主反应式如下：(C6H10O6)n(C6H10O6)xC12H22O12C6H12O6 淀粉 糊精 麦芽糖 葡萄糖,一般来说，淀粉以颗粒形态存在于谷物种子、薯类块根（甘薯）块茎（马铃薯）的细胞内，各种作物中的淀粉含量因品种、成熟度、气候、土质及其
34、它生长环境不同而异。淀粉颗粒呈白色，不溶于冷水和有机溶剂，淀粉颗粒内呈复杂的结晶组织，不同原料的淀粉颗粒具有不同的形状和大小，大体上分为圆形、椭圆形和多角形。淀粉颗粒具有抵抗外力作用较强的外膜，其化学组成与内层淀粉相同。但由于水分较少，密度较大，故强度较大。淀粉颗粒是由许多针状小晶体聚合而成的，而小晶体则是由淀粉分子链之间靠氢键的作用联结而成的。,显微镜中67 时糊化的玉米淀粉颗粒,显微镜下75 糊化的玉米淀粉颗粒,微镜下85 糊化的玉米淀粉,淀粉属亲水胶体，遇水后，水分子在渗透压作用下，渗入淀粉颗粒内部使淀粉分子的体积和重量增加，这种现象称作膨胀。淀粉在水中加热，即发生膨胀。这时淀粉颗粒好像
35、是一个渗透系统，其中支链淀粉起着半渗透膜的作用，而渗透压的大小及膨胀程度则随温度升高而增加。从40开始膨胀的速度明显加快。当温度升高到6080时，淀粉颗粒的体积可膨胀到原体积的50100倍，淀粉分子间的结合削弱，引起淀粉颗粒的部分解体，形成均一的粘稠液体，这种无限膨胀的现象称为淀粉的糊化，对应的温度称为糊化温度。淀粉在糊化过程中最明显的物理性状变化是醪液黏度的变化,淀粉糊化过程中醪液黏度的变化,淀粉浆液加热到3545时，醪液黏度略有下降（图中a区域），继续升温，黏度缓慢回升。当温度达到7585时，醪液黏度急剧上升，到90时达到 顶点（图中b区域），再进一步提高温度，黏度又开始迅速降低（图中c区
36、域）。由图可见，b区域是糊化区,可用氢键理论来解释淀粉的糊化和高温液化现象。温度升高，淀粉颗粒中大分子间氢键结合减弱，造成淀粉颗粒部分解体，形成网状组织，发生糊化现象。如果温度继续上升并达到120以上时，升温能量破坏了水分子和淀粉分子之间的氢键，醪液胶体状态遭到破坏，黏度下降，即发生高温液化现象,液化原理,液化是通过-淀粉酶对淀粉分子的作用完成的。淀粉以两种形式存在。一种形式是直链淀粉，那里葡萄糖单位是通过-1，4 糖苷连接的。玉米的直链淀粉含量约为淀粉总数的10%；直链淀粉链长度多为2001000个葡萄糖单位，最近发现长度可达2000甚至6000个葡萄糖单位的直链淀粉。其他形式的淀粉被称为支
37、链淀粉，约占玉米中淀粉的90%。支链淀粉不仅具有与直链淀粉相同的-1，4糖苷联接，而且还有通过-1，6连接的分支结构。分枝点之间平均有58个葡萄糖单位，支链中的葡萄糖单位仍是1，4键连接，支链长度平均为25个葡萄糖单位。在支链淀粉中葡萄糖单位的数量可高达10000,直链淀粉的结构,支链淀粉的结构,支链淀粉的结构,支链淀粉的结构,支链淀粉的结构,支链淀粉的结构,-淀粉酶可随机地与直链淀粉和支链淀粉分子中的与1，4 糖苷作用，并切断1，4 糖苷键，但不会切断-1，6糖苷键。由此产生的短直链（低聚糖）淀粉称为糊精，而短支链淀粉被称为-极限糊精。混合糊精的粘度很小。,发生糊化之后的淀粉，如果继续升温，
38、支链淀粉也 开始溶解，胶体状态破坏，形成黏性较低的流动性醪液，这种现象称为淀粉的溶解，或称为液化。,糖化：淀粉质原料在微生物或酶的作用下将淀粉转化为糖的过程。糖化剂：糖化中采用的催化剂，为由微生物制成的糖化曲，也可以是酶制剂。糖化菌主要是曲霉和根霉米曲霉黄曲霉黑曲霉As3.4309(uv-11)或其变异株根霉和毛霉,淀粉质原料,葡萄糖等可发酵性糖,糖化剂糖化,酒母,酒精,酒精发酵微生物酒母：在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精 酵母。啤酒酵母、粟酒裂殖酵母、克鲁维酵母产酒精微生物还有细菌：林奈假单胞菌、嗜糖假单胞菌霉菌：总状毛霉,三、酒精发酵生化机制,淀粉质原料,纤维质原料,糖质原料,水解,
39、酵母菌乙醇发酵,水解,（一）淀粉质和纤维质原料的水解1淀粉质原料的水解（1）淀粉分子 葡萄糖的高聚体，由直链淀粉（20%-25%，溶解于温水）和支链淀粉（70%-75%，分子较大，不溶于温水）组成。,（2）淀粉的糊化和液化淀粉原料在蒸煮时的变化糊化淀粉在常温下不溶于水，当水温至53以上时，淀粉的物理性能发生明显变化。淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性，称为淀粉的糊化（Gelatinization）。淀粉颗粒变成糊精（淀粉分解的中间产物，能溶于水成胶体溶液，多用作浆糊）的过程。糊化率（%）=糊精/总糖100%液化发生糊化之后的淀粉，如果继续升温，支链淀粉也开始溶解，胶体状态破坏，形成黏
40、性较低的流动性醪液，这种现象称为淀粉的溶解，或称为液化。,（3）淀粉水解（糖化）淀粉水解，通过添加酶制剂或糖化曲来完成。糖化曲中含有的并起作用的淀粉酶类包括淀粉酶、淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶等。淀粉在以上几种酶的共同作用下被彻底水解成葡萄糖和麦芽糖。麦芽糖可在麦芽糖酶的作用下进一步生成葡萄糖。,2纤维质原料的水解 纤维素（葡萄糖聚合）、半纤维素（多种多聚物）、木质素（苯丙烷类结构单元组成）稀酸水解法、浓酸水解法和酶水解法纤维素水解所用的酸为硫酸、盐酸和氢氟酸等强酸。酶水解采用的是纤维素酶，它是一种复合酶类，故又称纤维素酶复合物。,酵母菌乙醇发酵机制,酵母菌乙醇发酵机制 C6H12O62C2
41、H5OH+2CO2+Q 180g 92g(理论)得率约51.5%实际：得率约47%2%用于yeast菌体积累2%形成甘油0.5%形成有机酸0.2%形成杂醇油,2.酵母的乙醇发酵,（一）淀粉质原料酒精发酵工艺,1原料处理 包括原料的除杂和粉碎（干粉，湿粉）2蒸料 使淀粉彻底糊化、液化;灭菌作用。连续蒸煮常用的有罐式连续蒸煮、管道式连续蒸煮、塔式连续蒸煮三种方法。,斗式升运机（1）料斗（2）锤式粉碎机（3）贮料斗（4）混合桶（5）输送料泵（6）加热承接桶（7）往复泵（8）蒸煮锅（9）贮汽桶（10）后熟器（11）,3.糖化曲的制备糖化菌扩大培养，并让糖化菌产生高活力的的各种淀粉酶等酶类的过程。固体曲
42、：用麸皮为主要原料。曲盘制曲、帘子制曲、机械通风制曲。,无菌空气制备,培养基预处理,发酵,液体曲：采用液体深层通风培养。包括种子制备、液体曲发酵和无菌空气制备三个过程。豆饼粉、米糠、薯干粉及硫酸铵配成干物质浓度为8.5%的培养液。,4糖化 糖化工段主要工序：将蒸煮醪冷至糖化温度（前冷却）；冷却好的蒸煮醪与糖化剂混合，并进行蒸煮醪的糖化；糖化醪冷却到发酵温度（后冷却）。糖化方法分成间歇糖化和连续糖化两类。在间歇蒸煮中，这几个工序是在一个设备中进行的，因此设备利用率低，冷却水与动力消耗大。连续糖化时，工序分别在几个相应的设备中进行连续操作，实现了生产的连续化。根据前冷却和后冷却的方法不同，分成混合
43、冷却连续糖化、真空冷却连续糖化和二级真空冷却连续糖化三类。,连续糖化工艺混合前冷却的连续糖化 即利用原有的糖化锅，锅内盛有温度60左右的糖化醪，约占糖化锅的三分之二左右，然后从后熟器将蒸煮醪吹入，开动搅拌，充分混匀，加入定量的固体曲或液体曲，按糖化温度进行糖化。,真空冷却的连续糖化法醪液从气液分离器沿切线方向进入真空冷却器后，受离心力作用被甩向四周，沿壁流下后就从底部的排醪管排出。由于器内是真空的，醪液进入后，压力骤降，急速蒸发（此种蒸发称闪急蒸发），所产生的二次蒸汽从顶部抽汽管排走，醪液自蒸发产生大量蒸汽。这样便消耗了醪液大量的热能，于是醪液温度在瞬息间降低到与器内真空度相对应的沸点温度为止
44、。,确定糖化醪质量的方法(1)糖含量用糖度计（Brix）测定糖度，还原糖含量，测定糖化醪的葡萄糖与麦芽糖。(2)碘液试验加入碘液后，没有颜色产生，表示糖化优良，淀粉水解完全。(3)酸度用10毫升粗滤的糖化液，加水冲稀后，以0.1N-NaOH溶液滴定，酚酞作为指示剂。此酸度只能说明杂菌感染情况。(4)糖化醪中酶的活力糖化结束后，有一部分糊精要在发酵期间依靠后糖化作用而变成糖，因此糖化完毕的糖化醪中，酶的活力还必须很强，才能保证糖化作用的彻底，那么就有测定糖化醪中酶活力的必要。,5.酒母制备（1）、酒精生产对酵母菌的要求a.发酵能力强；繁殖速度快，具有很强的增殖能力。b.耐酒精能力强，能在较高浓度
45、的酒精发酵醪中进行发酵。c.耐温性能好；耐酸能力强；抵抗杂菌能力强。d.生产性能稳定，变异性小。e.发酵时产生泡沫少。,（2）、酒精生产中常用酵母菌 啤酒酵母(Sdcchcromyce Scereuisiae)及其变种，如拉斯2号（Rasse）、拉斯12号（Rasse）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。,（3）、酒母培养与扩大培养,酒母培养基的制备试验室阶段培养基的制备 采用米曲汁或麦芽汁来做培养基。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；酒母糖化醪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
46、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。,(1)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：前发酵期、主发酵期、后发酵期。1、前发酵期（10hr，生长）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，酒精和CO2产生得很少，所以发酵醪的表面显得比较平静。前发酵阶段时
47、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。,2、主发酵期（12hr，发酵）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，酒精逐渐增多。因为发酵作用的增
48、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。,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。,3、后发酵期（40小时左右）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。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
49、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。,（二）糖质原料酒精发酵工艺 糖蜜酒精发酵工艺过程包括前处理、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏四个工序。前处理包括稀释，添加营养物质，调节pH值,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。,（一）发酵成熟醪的组成及其分离 分成不挥发性成分和挥发性成分两大类。不挥发性成分包括甘油、琥珀酸、乳酸、脂肪酸、无机盐、酵母菌体、不发酵性及未发酵完
50、的糖、皮壳、纤维等。蒸馏废糟或酒糟:不挥发性成分，在粗馏中它们和大部分水一起从醪塔底部排出。,挥发性杂质和酒精水蒸气一起从粗镏塔顶部排出，并一起进入精馏塔。挥发性杂质共有50多种，分成醇类、醛类、酸类和酯类。,头级杂质：沸点比酒精低，先蒸出，包括乙醛、乙酸乙 酯和甲酸乙酯等,中级杂质：沸点与酒精接近，与酒精较难分离，异丁酸 乙酯、异戊酸乙酯,尾级杂质：沸点比酒精高，出现在蒸馏酒尾中，呈油状浮 在液面，又称杂醇油,（二）酒精蒸馏与蒸馏工艺 酒精塔有单塔、两塔、三塔和多塔等多种蒸馏工艺。双塔蒸馏的蒸馏和精馏两个过程分别在粗馏塔和精馏塔内进行。根据进料方式的不同分为气相进料塔和液相进料塔两种形式。气
