章 节 | 第2章 | 课 题 | |||||
计划课时数 | 2 | 授课班级 | |||||
教案目的 | 使学生掌握酒精生产原料种类，及原料预处理技术。 | ||||||
教案重点 | 酒精生产原料 淀粉质原料 原料的除杂 辅助原料 酒精生产用水 原料预处理 | ||||||
教案难点 | 淀粉质原料，原料的除杂 | ||||||
教案方法和手段 | 采用课堂理论讲授的教案模式，利用多媒体辅助教案方法，启发式教案。 | ||||||
备注 | |||||||
教案内容 | 备注 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
本章主要内容： 1 酒精生产原料 2 淀粉质原料 3 原料的除杂 4 辅助原料 5 酒精生产用水 6 原料处理 第2章 酒精生产的原料及其处理 第1部分 酒精生产的原料 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。 一个物料要能成为酒精工业生产的原料，除了上述工艺上的要求之外，它还必需能满足从管理和经济角度提出的要求。因此，一个工厂选择原料时，应考虑以下诸条件： (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，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。 1.1 主要原料分类 1.1.1 分类 常用的或具有潜在能力的原料有以下几大类：第一大类为淀粉质原料(粮食原料>，包括薯类原料<甘薯、木薯和马铃薯等）、谷物原料 <玉M、小麦、高梁、大M等）、野生植物<橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香符子等）以及农产品加工副产物<M糠、M糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等）；第二大类原料为糖质原料，这类原料中最常用的是废糖蜜，其次是东欧用甜菜、巴西用甘蔗，具有潜在发展前途的是起源于美国的甜高梁<桔杆中含糖，结的高梁M含淀粉）；第三大类为纤维质原料，目前用于酒精生产或研究的有农作物桔杆，森林工业下脚料，木材工业下脚料，城市废纤维垃圾，甘蔗渣、废甜菜丝等工业下脚料等；还有其他原料，主要是指亚硫酸纸浆废液，各种野生植物，乳清等。野生植物虽然含有可发酵性物质，但从经济的角度来看．不具备真正成为酒精工业化生产原料的条件。不在非常时期，不应用它作为原料。乳清产量不大，短期内在我国不会成为重要的酒精生产原料。 在上述几类原料中，按目前生产水平，谷物原料中的玉M以其栽培面积大并逐年扩增，亩产<目前亩产500～600kg）不断提高而占据原料主导地位。 薯类原料由于收获期温度较高，鲜薯含水量高达75%以上，收获和收购破伤后非常容易感染杂菌而腐烂，给生产带来困难，与谷物原料相比使用薯类原料的酒精企业逐年减少。 糖质原料在巴西等具独特地利的国家有很大优势，甘蔗作为巴西酒精主导原料，成功地解决了绿、可再生能源问题。 1.1.2 成分分析 原料所含的化学成分，不仅关系着酒精生产率的高低，同时也影响酒精生产的工艺过程。常用原料中主要的化学成分如下： 1. 碳水化学物 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，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，30—50%<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。 3. 脂肪 脂肪对发酵有影响，如高粱糠、M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M作为原料，总是把含油脂较高的玉M胚芽除去。 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。 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，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，一定有考虑采用含单宁的霉菌做糖化剂，以分解单宁。 部分原料中还含有一些有碍发酵作用的成分，如木薯中的氢氰酸，发芽马铃薯中的紫龙葵素，野生植物中的各种生物碱等。由于这些妨碍发酵物质的存在，会影响原料的出酒率，但是绝大多数的有害物质，经蒸煮和发酵作用，可被分解或破坏，也就失去了它的危害性。 1.2 各种生产酒精原料的特点 1.2.1 淀粉质原料 淀粉质原料主要包括谷物原料<玉M、小麦、高粱、水稻等）和薯类原料<甘薯、木薯、马铃薯等）。 1. 玉M 在我国，发酵生产酒精的主要原料就是玉M。由于玉M是主要的粮食作物之一，为了合理利用资源，在酒精工业生产上，要处理好生产酒精与节约用粮的关系。 玉M<Zea mays L.）又名玉蜀黍、苞M、珍珠M、包谷等。玉M的化学组成见表1-1。 表1-1 玉M的化学组成<%）
表1–2 玉M各部分组成比例<%，干基）
玉M的子粒组织情况，依品种不同而有差异，就同一品种而言，每粒玉M可包括果皮、种皮、糊胶粒层、内胚乳、胚体或胚芽，实尖等六个基本部分。各部分的组成比例及各部分的主要化学组成分别见表1–2和表1–3。 表1–3 玉M籽粒各部分的主要化学组成<干基）
玉M是粮食作物中用途最广、开发产品最多、用量最大的酒精工业原料。原因是玉M种植范围广、产量高、籽粒结构特殊。玉M胚主要由脂肪和蛋白质组成，利于酒精发酵的原料处理<淀粉与脂肪、蛋白质的分离）。 玉M的特点是含有丰富的脂肪。脂肪主要集中在胚芽中，胚芽的干物质中含脂肪30～40%，它属于半干性植物油，大约有72%的液态脂肪酸和28%的固态脂肪酸组成。所以从玉M胚芽中榨取玉M油，已引起各酒精厂的重视。 一般黄玉M的淀粉含量较白玉M为高，作为生产酒精的原料是含淀粉越多越好。玉M淀粉主要集中在胚乳，呈玻璃质状态。玉M淀粉颗粒呈不规则形状，堆积非常紧密，因而玉M原料液化、糖化有困难。淀粉颗粒的直径约为20µm。淀粉中约10%～15%是直链淀粉，85%～90%是支链淀粉。而蜡质玉M的淀粉全部是支链淀粉，遇碘呈红棕。玉M还含有1%～6%的糊精。 玉M的含氮物质几乎全是真蛋白质，而且是以玉M醇溶蛋白为主。玉M中没有水溶性蛋白，而球蛋白占玉M重量的0.4%。醇溶蛋白不含氨酸和赖氨酸，是不完全蛋白质。 玉M含有3%～7%的脂肪，主要集中在胚芽中。胚芽干物质中30%～40%是脂肪，它属于半干性植物油，大约由72%的不饱和脂肪酸和28%的饱和脂肪酸组成。在酒精生产时，应事先将胚芽除去，既能进一步提取玉M油，又减少了酒精发酵过程中的无用功。 由于玉M原料整齐容易加工,也为生料发酵生产酒精提供了基础条件。发展玉M酒精的合理性正被国内外相当多的业者所认识，我国发酵酒精的原料构成近年来也发生了明显的变化：甘薯干酒精的比重逐年下降，玉M酒精呈不断增长的趋势，其原因主要有以下几点： 首先，随着玉M品种和栽培技术的进步，我国玉M栽培面积、亩产和总产量逐年增长，这对发展酒精产业是有利的条件。据资料报导，1952年我国玉M总产1685万吨，1980年为6260万吨，1990年为9880万吨， 1991年已接近1亿吨 ，到1999年总产达1.2亿吨，占据世界第二位。特别是由于我国人民生活水平的提高，玉M的食用量逐年减少，饲料用量和酒精生产用量逐年上升；另据资料，凡是可种植甘薯、马铃薯、甜菜的土地改种玉M后产量和经济效益均明显高于原种植作物，这是玉M发酵酒精不断发展的物质基础。 其次，玉M酒精是“地下长出的绿清洁能源”。从生态的角度来看，以乙醇的生产和开发为核心的产业集不仅带来了多方面的社会效益，更带来了巨大的生态效益，因此，玉M酒精被称为是一种“地下长出来的绿清洁能源”。以能源消耗大户汽车行业为例，目前我国汽车保有量达到1500万辆以上，并以每年15%至20%的速度增长，汽车污染物的排放，给城市大气环境和人体健康带来很大危害。实验表明，使用10%酒精汽油，可使汽车尾气中一氧化碳、碳氢化合物排放量分别下降30.8%和13.4%，二氧化碳的排放量减少3.9%。作为增氧剂，玉M酒精还可替代甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚，避免对地下水的污染。 最后，玉M酒精产业化有利于可持续发展。从产业的角度分析，玉M通过乙醇这条工艺路线，可以生产乙烯等一系列化工产品，不仅可以使使用石油的时代得以延长，更为我们发展绿产业和循环经济展现出一条现实通道。专家介绍，玉M中可转化成乙醇的淀粉和纤维含量为60%左右，其余为蛋白质和脂肪，每2.5t玉M市场售价不到3000元人民币，就可以生产1t乙醇，还可以提炼大量的食用油和蛋白质。玉M酒精糟液经脱水后，加工成DDGS<Distillers Dried Grains With Solubles，全干燥酒精糟），有较高经济效益。北京、宿县、吉林、哈尔滨、天津、山东、上海等大型酒精企业近年引进的酒精设备、技术在酒精生产中附加联产DDG或DDGS，充分证实了其综合经济效益。 当然，玉M酒精工业发展前景固然一片光明，但仍存在一定隐患。知情人士分析，首先是我国拥有13多亿人口、8亿多农民，我国国情决定了“粮食安全”应放在很重要的地位。但一旦大量采用玉M为原料生产酒精，就会造成玉M用量以及价格上涨，这自然就会触及最敏感的粮食安全问题。另外，农产品很容易受到天气或收成等因素的影响，这些因素常常会导致玉M价格的变动。变动的价格对玉M的稳定供应不利，而玉M供应是影响燃料乙醇发展的一大关键因素，从而也会影响乙醇企业的发展。 再者，很多企业看到新能源热就盲目跟从，缺乏理性。企业一定要按国家提出的“因地制宜、非粮为主”等原则发展生物乙醇燃料，不能以牺牲粮食安全为代价。 据了解，除了用玉M提炼乙醇外，现在已经出现了更新的技术， 即以纤维原料加工提炼乙醇。这种技术仍处于实验室研发阶段，但一旦投入生产，这种以纤维原料提炼的燃料乙醇的能效率将是现有玉M乙醇的6倍。而它所使用的纤维物质是包括草、秸秆等极易获取的原料，比起玉M更物美价廉。最重要的一点是，这种纤维乙醇将比前者更环保。 2. 高粱 高粱又名红粱，其品种很多，按外观分有白高粱、红高粱和黄高粱等；按品质分有粘高粱和粳高粱。高粱胚乳内部大部分是淀粉，另外也含有少量脂肪以及蛋白质等。淀粉颗粒呈多角形，中心有核点，最大的淀粉颗粒直径可达30μm。 高粱中还含有大约3%的单宁与一定量的素，大部分集中在种皮上。单宁会对酵母的酒精发酵起阻碍作用，红高粱中含有的高粱红素以及高粱苞颖素也会对发酵产生不利影响。 高粱不是主要粮食，因此用它来生产酒精与各种白酒较少触及粮食安全的问题，但是高粱的产量不高，又含有单宁等有害物质，从长远角度看高粱作为酒精生产的主要原料并不合适。 除玉M、高粱外，偶尔也有利用小麦、大麦、燕麦、黑麦以及大M与小M等谷物原料发酵生产酒精的。但一般来说，谷物原料中玉M为最佳的酒精生产原料，其它谷物较少采用。当然，在特殊情况下，如患小麦赤霉病的病麦，其无法食用或作饲料，那么用它发酵制酒精就是比较合适的。 3. 马铃薯 马铃薯属茄科一年生植物，又称土豆、洋山芋等。 马铃薯可食用部分为块茎。鲜马铃薯含水约68%～85%，含淀粉9%～25%，粗蛋白0.7%～3.67%，灰分0.5%～1.87%。马铃薯块茎中含有较多酪氨酸和酪氨酸酶，切开的鲜马铃薯块茎在空气中与氧接触，酪氨酸酶使酪氨酸氧化成黑素。黑素影响马铃薯泽，低浓度的亚硫酸溶液可使已生成的黑素变为无；马铃薯淀粉中灰分含量较高，其中磷可达0.18%，磷的含量与淀粉浆糊的粘度呈正相关。 马铃薯作为生产酒精的原料的优点有：马铃薯的生长期短，在日照不足与无霜期短的地区也能生长；且其含有较多的淀粉以及酵母生长需要的蛋白质，纤维少，结构松脆，容易加工。其缺点主要是其亩产量较低；在我国种植面积不如甘薯广，目前的年产量大约6000万吨；它的贮藏性能也比较差。我国用马铃薯作原料的酒精工厂数目很少，但在前苏联与东欧国家，它是主要原料之一。 4. 甘薯 甘薯属旋花科植物，又称地瓜、白薯、红薯等。我国是甘薯栽培生产最多的国家，日本和美国也曾有较多栽培。印度、东南亚各国、热带美洲、非洲一些国家也普遍栽培。 甘薯为高产作物，一般优良品种的亩产可达2000kg。甘薯食用部分为块茎，鲜甘薯块茎含水约60%～80%，含淀粉10%～30%，含糖约5%，还含有少量油脂、纤维素、灰分等。 多数学者认为甘薯原产地是美洲和西印度岛，大约在16世纪末传入我国，已有300多年栽培历史。种植面积较大的地方有四川、山东、河南、广东、浙江、辽宁、河北等地，其中浙江、辽宁、河北、山东单位面积产量较高。 鲜甘薯虽然其淀粉加工性好，价格与其它作物相比有一定优势，但由于贮存困难限制其发展应用。特别是能够种植甘薯的区域改种玉M大多能够很成功，这种作物种植上的取代受工业需求的影响是必然的。日本曾是世界上甘薯种植大国，甘薯淀粉厂多达1500多家，1963年日本甘薯总产量达660万吨<淀粉产量74万吨），1974年甘薯总产降至140万吨，甘薯淀粉生产厂家仅剩128家。这一由于经济发展和淀粉加工制糖技术的提高，造成甘薯栽培面积减少的趋势，在我国也开始显现。 5. 木薯 木薯是我国生产淀粉主要原料之一，主要产地为广东、广西、海南岛等热带亚热带地区，其它地方也有种植，但产量不多。中国木薯产量有限，近年开始进口泰国鲜木薯<泰国年产鲜木薯1800～2000万吨），以提高酒精产量。2001年我国进口泰国木薯约160万吨<到岸价70～75美元/吨）。 木薯品种很多，大体可分为两种：苦味木薯和甜味木薯。苦味木薯含淀粉质一般比甜味木薯高，这有利于酒精生产，但其氢氰酸含量高于甜味木薯。由于酒精生产过程都在加热状态下进行，所以产品中基本不含氢氰酸。木薯淀粉中一般直链淀粉占17%，支链淀粉占83%。 木薯作为酒精原料具有一定的优势。首先，木薯是非粮食农产品，且对土质的要求低，耐旱、耐瘠薄，符合“不争粮，不争<食）油，不争糖，充分利用边际性土地<指基本不适合种植粮、棉、油等作物的土地）”的国家粮食发展战略，同时用于发展燃料乙醇也很符合当前国家生物质能源发展战略，有利于保障国家粮食安全和能源安全。其次，木薯的亩产量较高，一般亩产可达900kg以上，按淀粉产量计算也远远高于谷物。且亚热带、热带地区四季都可种植，有利于全年供应原料。2003年世界鲜木薯的产量大约为1.89亿吨。2006年我国木薯产量90%以上集中在广东和广西，总产量700多万吨。其中广西是全国木薯种植、加工的最大产地，占全国产量的70%；广西属北回归线以南，是木薯产品适宜种植区，木薯酒精产量居全国首位，变性淀粉、山梨醇等产量居全国前列，木薯及其产品居全国首位。 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。以下的表图给出了木薯与玉M及其他农作物生产酒精的经济性及效益，成本、价格的比较。 表1-4 木薯与其它农作物生产酒精的经济性比较
表1-5木薯渣生产酒精与鲜生薯、纯干片生产酒精效益对比
<注：国家政策规定用废渣、废料生产酒精可免税） 图1-1 木薯与玉M酒精成本、价格比较 由此可见，2004~2005年数据表明，木薯酒精成本及价格均比玉M酒精略高。 图1-2 木薯、玉M、糖蜜酒精市场份额比较 数据显示，玉M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。 图1-3木薯、玉M、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，如表1-4所示。而且，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。用木薯渣生产酒精与鲜生薯、纯干片生产酒精效益对比分析表1-5。 近期，陈立胜等人提出要提高木薯酒精的效益，关键在于从木薯酒精产业化和发展生态经济、循环经济的高度，统筹规划、合理布局；典型示范、正确引导；提升产业技术水平、形成循环经济规模。即组成如图1-4所示的木薯生态产业链，提高木薯的效益。 图1-4 木薯生态产业示意图 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） 图1-5 木薯生产淀粉、酒精的循环利用图 尤其是产业链中采用厌氧发酵处理酒糟醪液，生产沼气代替部分燃煤用于烧锅炉，解决了以木薯生产淀粉、酒精的环保大问题，实现了木薯资源的循环利用，如图1-5所示。 用鲜木薯生产1吨酒精约生成11m3的酒糟醪液，约含660㎏的COD；经厌氧发酵处理可生成约350m3沼气；350m3沼气约等于0.54吨煤<3200大卡），其经济价值约216元。充分利用厌氧发酵技术，实现资源的循环利用，走循环经济发展之路，每吨酒精的生产成本可降低约281元。经厌氧后的酒糟废水其COD指标可以达标直接用于农灌，废渣可作有机肥料还田或作食用菌的培养基生产食用菌，也可作为蛋白合成饲料。 在木薯酒精产业化、规模化方面，我国已经作了大量工作。2009年4月，中粮集团《年产20万吨木薯燃料乙醇示范工程》在广西南宁顺利通过技术成果鉴定。年产20万吨木薯燃料乙醇示范工程是中粮集团率先落实国家非粮燃料乙醇产业政策，由广西中粮生物质能源有限公司承担并于2006年12月投资兴建。经过近一年的施工建设，该工程于2007年12月一次投料试车成功。该示范工程经过考核标定及一年多的生产运营表明，装置运行平稳，主要技术指标全面达到或超过 国际先进水平；燃料乙醇产品符合国家标准，在广西自治区全面推广使用，用户反响良好；实现了木薯燃料乙醇装置当年开车、当年达产、当年见效益的目标。 总之，木薯作为可再生资源<且不与粮争地），以木薯为原料生产酒精资源消耗低，综合利用率高，环境污染少，具有明显的社会效益与经济效益。搞好木薯产业资源的循环利用，是提升木薯酒精生产企业核心竞争力的关键。 1.2.2 糖质原料 常用的糖质原料主要有糖蜜、甘蔗和甜菜，以及近期引种的美国的甜高粱。糖质原料的可发酵性物质是糖分，酵母可以直接发酵，可省去淀粉质原料所需的蒸煮<糊化）、液化和糖化工序，因此其能耗和成本都比较低，是发酵生产酒精的理想原料。只是制糖和其它发酵工业也需要上述糖质原料，糖质用于酒精生产的比较优势在我国并不明显。而且，因为我国的制糖工业不够发达，糖蜜的产量也不高，所以目前利用糖质原料生产的酒精产量较小，远不及淀粉质原料生产的酒精产量。 1.2.3纤维质原料 目前纤维质原料主要可分为：农作物纤维下脚料，森林和木材工业下脚料，工厂纤维和半纤维下脚料以及城市废纤维垃圾等四类。这些原料主要成分均为纤维素，且来源广泛，数量巨大，价格低廉，因此利用纤维素生产酒精或其它化工原料是人类长期以来就从事研究的课题。第一次世界大战期间，德国就研究成功了纤维素酸水解生产酒精的工艺。近年来，纤维素和半纤维素生产酒精的研究有了相当大的进展，纤维素和半纤维素已成为最有潜力的酒精生产原料。 常见的农作物纤维质下脚料如麦草、稻草、玉M秸秆、玉M蕊、高粱秆、花生壳、棉籽壳、稻壳等。一般来说，每生产lkg谷物就会产生1～1.5kg的纤维质下脚料。我国每年的农作物秸秆的产量接近5亿吨，如能经济地将其转变为酒精，那将大大改善我国的能源供给状况。 森林采伐的下脚料主要有森林采伐时产生的树枝、树梢<占整棵树的4～12%）与树桩<占木材产量的4～5%），以及森林中不成材的树木和枯秆<约占整个木材贮藏量的15%），三者相加可达木材储量的23%～32%。木材加工工业的边角料和木屑占加工木材量的25～30%小环钗，其中木屑占大约三分之一。森林工业和木材加工工业的下脚料都是制造酒精的纤维质原料，前苏联和北欧等森林资源丰富的国家也有用木材直接加工制酒精的例子。我国森林资源不够丰富，用这一部分纤维质原料制酒精的发展前景不佳。 工厂纤维和半纤维下脚料主要包括糖厂的甘蔗渣、纸厂的废纸浆、纺织厂的废花、废甜菜丝以及造纸用草料中的半纤维素等。我国年产甘蔗渣大约600万吨，其它下脚料数量也相当可观，每年仅利用甘蔗渣一项，保守估计可产酒精70万吨。但是这些下脚料还可作为造纸原料、作饲料以及锅炉燃料，能否用于酒精生产还需要与上述用途进行权衡。目前，为缓解不同用途间的竞争，可利用下脚料中的半纤维素生产酒精，余下的纤维素用作其它用途，这个途径具有应用的潜力。 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28×106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。 总之，纤维质原料制酒精，在我国尤其是利用农作物纤维下脚料制酒精，是一个非常有潜力的发展方向。 1.2.4 其它原料 生产酒精的其它原料主要有木材加工中的亚硫酸盐废液、奶酪加工工业中的副产品乳清以及甘薯淀粉渣和马铃薯淀粉渣。其中亚硫酸盐废液还可用于生产酵母、粘结剂、鞣制剂和增塑剂等，用于生产酒精的优势并不明显；乳清主要是乳制品工业发达的西方国家发酵生产酒精的原料，由于我国乳制品工业尚不发达，乳清产量不大，短期内乳清酒精发酵的实用价值不大；但随着我国淀粉工业的发展，甘薯淀粉渣和马铃薯淀粉渣会有所增加，利用其生产酒精有一定的潜力。 1.3酒精生产用水 1.3.1水在酒精生产中的作用及消耗情况，各处用水量 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。 十字花封控锅炉用水应符合锅炉用水标准，达不到要求的要进行软化处理。 酿造用水主要包括湿法粉碎工艺浸泡玉M用水、干法粉碎玉M拌料用水、酵母菌扩培用水等。由于这些用水直接参与发酵过程，因此水的质量要达到饮用水标准。 换热器降温用水、成品、半成品冷却用水以及粉浆罐、液化罐、糖化罐、发酵罐、蒸馏系统、DDGS生产系统、玉M油生产系统等洗罐用水均要达到饮用水标准。所以说大规模酒精企业用水量大，而且对水的质量要求比较高。 在酒精生产中还有被称为工艺水的概念，比如经换热器降温后的水，根据换热器所在工序部位不同温度有所不同，但都是30℃以上的温水，应该充分利用；从精馏塔塔釜排出的温度很高的热废水，数量很大，在现在大型蒸馏系统设计中均被引入萃取蒸馏塔中充分利用其热能，这样不仅节约了一部分能源，还节约了很多一次用水。 从醪塔排出的液体酒糟，通过分离机把糟液中的固形物分离出之后，剩余的糟液可以作为拌料用水，称为清液回用。清液回用量因企业工艺水平不同而不同，有的企业已达50%，剩余的清液则蒸发浓缩作为饲料用。国外有的企业清液回用量已达100%，这对节水、节能是很大的突破。 为了充分利用工艺水，酒精企业一定要把水处理好。 表1–6 是华润酒精有限公司2002年用水统计数据分析表。 表1–6 华润酒精有限公司2002年用水统计数据表<吨/小时，T/ h）
备注： 一次水量为地下水总的取量 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。一般处理过程是先软化、然后再经活性炭吸附过滤和进行离子交换。严格水质要求的同时，进一步科学合理用水又是考察酒精企业生产管理水平的指标之一。 这是年产22万吨大型酒精企业用水量较为准确的分析。发酵酒精生产用水量非常大，科学合理地用水，是提高酒精企业综合经济效益的措施之一。 1.3.2工艺上对水的要求，水的卫生指标 工艺用水要求符合饮用水标准，水的硬度应不超过7毫克当量每升，即中等硬度的水。不符合要求的天然水要经过必要的处理才能应用。 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(pH4．5~5．5>。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pH4．5左有时，淀粉糖化酶作用最活跃；酒精发酵的最佳pH为5~5．5，中性或酸性介质容易长产酸菌；在碱性条件下发酵移往甘油发酵方向，回用部分酒糟初滤液可以部分解决水的硬度过高问题。 冷却用水硬度也不能过高，否则容易引起设备和管道表面结垢，影响冷却效果。 锅炉用水应符合锅炉用水标准，硬度超标一定要进行软化处理。 1.3.3硬水的软化 水的硬度 水的硬度一般指水中钙离子、镁离子等阳离子的浓度。水的硬度高通常是指水中钙离子、镁离子浓度高，若钙、镁离子含量高的硬水用于锅炉，会使锅炉管道很容易结垢。 水的硬度分类 水的硬度一般用1°d=10mg CaO/L或7.19mg MgO/L表示，即1L水中含10mg CaO或7.19mg MgO为1°d<德国标准），按此标准可将原水按硬度分为如下几类，见表1–7。 表1–7 水的硬度分类表
* 碱性离子浓度单位为mmol/<L H2O）,1°d=0.179mmol/<L H2O）。 软化水 利用钠型阳离子交换树脂除去Ca2+、Mg2+后的水称为软化水，其制备原理如下： 2RSO3Na + Ca2+ → Ca2+ (RSO3>2 + 2Na+ 2RSO3Na + Mg2+ → Mg2+ (RSO3>2 + 2Na+ 钠型阳离子交换树脂，可用质量百分比为10%～15%NaCl<工业级）水溶液再生，反复使用。 锅炉用水常用磺化煤，即用浓H2SO4处理粉碎的褐煤粉<或烟煤）来进行软化。一般磺化煤的软化能力为700t/m3。 1.4酒精生产用辅助材料 酒精生产中常用的辅助材料主要有：酶制剂、尿素、纯碱、活性干酵母、硫酸等。 1. 酶制剂<Enzyme） 酒精生产中常用酶制剂大多为α-耐高温淀粉酶、高活性糖化酶和酸性蛋白酶。 (1> α-耐高温淀粉酶 α-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。 α-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用广泛。 2. 尿素<H2NCONH2） 尿素是大型酒精生产中常用的一种酵母菌氮源，白无臭结晶，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。 3. 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。酒精企业常把几种清洗剂复合使用，下面是其中一个配方： NaOH:Na2CO3:漂白粉:H2O为1:7.5:10:100，认为效果不错。 Na2CO3另一方面的用途是调整回用清液pH，使其能达到α-耐高温淀粉酶的最适宜的pH值。 应用碱液对上述发酵设备进行CIP自控冲洗和化学灭菌，可以取代原来生产过程的蒸气高压灭菌技术，其意义不仅在于节约能耗、节约用水和工作时间，还在于突破了实验室技术思想对规模化生产应用生物技术的束缚，不但对发酵酒精生产有意义，而且对柠檬酸发酵、谷氨酸发酵、乳酸发酵同样具有借鉴意义。 4. 活性干酵母<Active Dry Yeast ADY） 高质量活性干酵母是现代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。 基于此，活性干酵母已成为现代酒精企业的必需原料。但树立酵母近代扩培技术思想和应用酵母回用技术仍是酒精企业专业技术人员的重要课题。 5. 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。 第2部分 原料预处理工艺 淀粉质原料、纤维质原料、糖质原料在正式进入生产过程前，必需进行预处理，以保证生产的正常进行，提高生产的效益。 2.1 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。 2.1.1 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。尤其是生产全干燥酒精糟<DDGS）系统对砂石、金属杂质的清除程度要求更高。这是因为砂石造成卧式螺旋卸料机的螺旋卸料器磨损，极大地降低了卧螺机的处理能力和质量，使分离出的滤渣饼中水分增多，增加下道工序干燥机的蒸气消耗，同时也降低了干燥机的处理能力；另一方面离心液中固形物的增加，既不利于生产的清液回用拌料，又使蒸发过程中的蒸发器容易结垢，降低蒸发器的处理能力。 为确保生产顺畅和减少设备磨损，酒精企业应制定清理后原料的含砂标准，作为生产管理时清理工段的主要考核指标<我国粮食行业对清理后的玉M的砂石含量要求低于0.02%）。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<磁感应强度可达200～300mT）是除杂的关键设备。5-48-Ⅱ型除尘风网的风机性能很好，去石机应根据原料的特点调整参数，即通过调整风速、鱼鳞孔的高度、偏心距、振动频率等来达到较好的除杂效果。 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。但在加工高水分玉M时，含砂量明显超标，最高达0.25%。为了确保原料除杂彻底，企业应使用干燥原料，增设谷物干燥塔及立筒仓，这不仅有利于提高酒精企业对谷物市场价格波动的适应能力，也为提高原料清理水平创造了条件。 2.1.2 淀粉质原料的粉碎 在酒精生产中，如果采用间歇蒸煮的方法，一般的讲，原料不经过粉碎，直接成块状就投入锅内，进行高压蒸煮。当采用连续蒸煮时，不论是采用串锅式连续蒸煮，还是柱式连续蒸煮或管状连续蒸煮等方法，各种原料都必须先经过粉碎。这是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。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。 1．干式粉碎 目前国内的酒精工厂大多是采用干式粉碎方法。合理的干式粉碎采用粗碎和细碎两级粉碎工艺，因为两级粉碎的动力消耗较低。首先，原料过磅称重后，进入输送带，电磁除铁后进行粗碎。粗碎后的物科以应能通过一定尺寸的筛孔，然后再进行细粉碎。粗碎常用的设备是轴向滚筒式粗碎机，也有用锤式粉碎机的。 然后，经过粗碎的原料进入细碎机，细碎后的原料颗粒一般应通过1.2-1.5mm的筛孔。也有采用其他尺寸要求的。常用的细碎设备是锤式粉碎机。 2．湿式粉碎 湿式粉碎是指粉碎时将拌料用水与原料一起加到粉碎机中进行粉碎。这种方法可以减少原料粉尘，降低原料损失，改善劳动条件，还可省去除尘设备。但湿式粉碎所得到的浆料只能马上用于生产，不耐贮藏。另外，湿式粉碎的耗电量要比干式粉碎高出8-10%。根据这种情况，湿式粉碎常用于粉碎湿度比较大的原料。 一般来说，湿式粉碎不够经济，干式粉碎应用得更广泛些。 2.2 纤维质原料的预处理 纤维质原料的主要成分是纤维素、半纤维素以及木质素。纤维素分子是一种葡萄糖糖苷通过β－1，4糖苷键连接起来的链状聚合体<淀粉则是由α－1，4糖苷键连接起来的）。几十个纤维素分子平行排列形成小束，几十个小束则组成小纤维，最后由多个小纤维形成一条植物纤维。纤维素是一种分子量很大的多糖，其分子量可达几十万，甚至几百万。而半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称。在植物细胞壁中，它位于许多纤维素之间，类似一种填充在纤维素框架中的填充料。凡是有纤维素存在的地方，就一定有半纤维素存在。植物纤维中除了上述的纤维素和半纤维素之外，还有一种镶嵌物质：木质素。在用稀酸或浓酸对纤维进行分级水解时，最后剩下20%～30%的非溶性残余物就是木质素。木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳－碳键连接而成的具有三维空间结构的高分子聚合物，它在纤维素周围形成保护层，使后者的水解变得困难。 由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素本身的结晶结构，天然的纤维素原料直接进行酶水解时，其水解的程度是很低的，即水解成糖的百分率很低，一般只能达到10%～20%左右。因此，为提高水解率，对天然纤维质原料进行预处理是必要的。预处理可以解除木质素和半纤维素等对纤维素的保护作用，破坏纤维素的结晶结构，增加其表面积，从而提高水解率。 一般来说，纤维质原料预处理方法有物理法、化学法以及其它方法三大类。处理后的纤维质原料经水解<酸水解或酶水解）转变为可发酵糖，而后发酵生产酒精。 2.2.1 物理方法 纤维质原料的物理预处理方法常见的有：研磨法、蒸汽爆裂法、高能辐射法、微波处理法以及冷冻处理法。 1. 研磨法 将纤维质原料磨碎以增加纤维素酶的酶解率是一种最常用的预处理方法。一般来说，锤碎可以得到小颗粒的物料，也能增加物料的体积密度，但由于其很难降低纤维素的结晶度，因此它不能增加纤维素对水解的敏感性。而双滚筒研磨是破坏结晶度的快速方法<5分钟以下），同时能降低纤维的聚合度，增加物料的体积密度，较好地提高酶的作用效率。另外，球磨也是一种有效手段。由于球磨能把物料粉碎至400目或更小，这样不需要其它处理就能使酶地作用效率提高。当然，因为纤维素具有一定的弹性，要粉碎到这么细的程度是很困难的，能耗也较大，因此在工业大生产上是不经济的。流态能量研磨或湿胶体磨对于处理纤维素来说其效果不如干磨。这种方法对于减小颗粒尺寸是有效的，但它不能降低链的长度，也不能降低纤维素的结晶度。 但是，有的学者发现，如果将纤维素的酶水解和缓和的湿磨结合起来同时进行，则纤维素酶水解产糖率将大大增加。另外，在用溶剂预处理纤维素时，如果给予一些轻微的研磨，也能大大提高糖的产率。这种现象称为“机械－酶水解”。目前，有些学者正致力于这方面的研究，如能取得突破，研磨法就将成为工业上可接受的预处理方法。 2. 蒸汽爆裂法 原料用蒸汽加热至180～200℃，维持5～30分钟<连续处理时），或者加热到245℃，维持0.5～2分钟<间歇处理时）。这种方法在Stake和Iotech流程中采用<Wayman 1980），我国也进行了一些类似的实验。在蒸汽处理过程中，由于高温高压作用，纤维素会分解生成酸类，而酸类可以参与半纤维素和木质素解聚的催化过程<称为自动水解）。当加热过程完成时，木质素已经足够软化，这时就将纤维素迅速吹出罐外，由于突然减压，产生大量二次蒸汽，纤维质原料的体积猛增，造成纤维素晶体和纤维束爆裂，使木质素和纤维素分离，纤维素酶的作用面积增加。汽爆方法的主要缺点是需要耗费大量蒸汽。 3. 高能辐射法 高能辐射<电子辐射，γ射线等）可使纤维素物料的可溶性增加。这是因为照射后的纤维素聚合度降低，结晶减少，吸湿性增加，而这些都有利于纤维素的酶水解。但辐射处理的成本过高，甚至超过研磨处理的成本，目前还很难工业化。 4. 微波处理法 用微波对纤维物料处理也能明显改进纤维素的酶水解。据报道用300MHz～300GHz的微波处理纤维物料，时间短，操作简单。将红松、山毛榉、甘蔗渣、稻草、花生壳等放在密闭容器里进行微波处理，维持160℃～180℃，糖化效果明显。但是，目前这种处理方法还停留在实验室阶段。 5. 冷冻处理法 Bykov和Frolov在1961年指出，纤维素在水悬浮液中反复冷冻和融化<降至-75℃）可以降低其聚合度，增加反应活性。Noriinsho在1980年的专利中概述了冷冻法在减少颗粒大小和改变其结晶度方面的作用。但是该法的能耗太高，尚不能大规模应用。 2.2.2 化学方法 1.氢氧化钠处理法 氢氧化钠处理可以使木质素的结构裂解，半纤维素部分溶解，纤维素则因水化作用而膨胀，结晶度降低。只要经过处理的纤维素能保持湿润，则上述的变化就可以保持。但是一经干燥，这些变化就会不可逆转地消失。 碱处理法除了利用氢氧化钠外，还可以采用氨水，但是后者的处理时间要比前者长几倍，效果也不如前者。 在碱处理的同时将物料加热，可以大大提高纤维素的水解率。 该法的主要缺点在于被处理物料的体积密度很低，如悬浮液浓度为4%～5%时已经太厚，以致对搅拌和输送不利。这样低的浓度从酒精生产的角度来说是不经济的。 2．溶剂处理法 已知纤维素的结晶结构溶解于溶剂后会部分解体。当这些纤维素再次沉淀出来的时候，其结构就比较容易被纤维素酶水解。为区别二者，人们称天然的纤维素结构为纤维素Ⅰ；而再沉淀的纤维素为纤维素Ⅱ。常用的溶剂为磷酸，但磷酸的价格较高，无法在工业上大规模应用。 美国普度大学G. T. Tsao<曹祖宁）教授等采用一种由乙烯二胺和镉氧化物组成的碱性溶液<称为Cadoxen）来处理纤维素，即首先将纤维素溶解在上述Cadoxen溶剂中，然后加水，使纤维素再次沉淀出来。这种再沉淀出来的纤维素就是容易水解的纤维素Ⅱ。Cadoxen溶剂可以回收，这有助于降低成本。 3．稀酸处理法 由于半纤维素在100℃以下就能较好的溶解在稀酸中，因此可用2%浓度的硫酸在100℃或100℃以下对甘蔗渣进行处理。处理可在柱形反应器内进行，处理后可用连续逆向多级萃取法将半纤维素水解产生的糖萃取出来。这种水解液的总糖浓度可达14%。半纤维素水解液经中和后用来生产酒精或其它产品。剩余的纤维素可供进一步酶水解或酸水解。 稀酸处理既对纤维物料进行了预处理，又可以得到半纤维素水解的糖液，这是该方法的一大优点。只要很好地将后者利用起来，稀酸处理就会变成相当有前途的纤维素预处理方法。 2.2.3 其它方法 1. 纸浆法 作为一种预处理方法，采用亚硫酸法或碱法制浆的方法来处理纤维素以除去木质素，成本显然太高，但可以改进，例如用加压的SO2气体来蒸煮纤维物料，这样可以大大提高纤维素酶水解的程度。总体上来说，纸浆法作为预处理方法其成本还是太高。 2. 分解木质素的微生物处理法 自然界中存在许多能分解木质素的微生物。利用它们不仅可以除去纤维素的木质素外壳，而且还能够得到有价值的单细胞蛋白。采用生物处理方法所要求的条件要比化学方法缓和得多，因此，副反应和可能生成的抑制性产物比较少。 本方法的困难在于筛选出具有高木质素分解活力，而纤维素酶活力低的微生物品种。根据最近研究在木腐菌<白腐菌、褐腐菌以及软腐菌等）中，以白腐菌的木质素分解能力最强。 纤维素原料预处理的方法虽然很多，但是既有效又经济的方法至今还没有。开展新的预处理方法的研究是纤维素原料制造酒精的一个重要研究课题。 2.3 糖质原料的预处理 糖质原料的共同特点是它所含的发酵性物质是可以直接供酵母进行酒精发酵的各种糖，因此在工艺过程中不需要考虑原料的酶水解或酸水解。这样就大大简化了生产过程，成本也相应降低。 不同的糖质原料生产酒精有各自的特点，由于我国糖类原料目前主要是甘蔗或甜菜的废糖蜜，因此这里主要介绍废糖蜜的预处理。 糖蜜是糖厂的副产物，它所含的发酵性物质是糖，甜菜糖蜜含的主要是蔗糖，甘蔗糖蜜中除含大量蔗糖外，还含有一定数量的转化糖<葡萄糖与果糖）。糖蜜的糖度大约为80～90°Bx，含糖量在50%以上。在这样高的浓度下，酵母的生长、繁殖与进行酒精发酵十分困难，因此有必要进行预处理。另外，由于糖蜜是良好的微生物培养基，所以一般都染有大量杂菌，其中不少是产酸细菌。为保证后续发酵的顺利进行，一般需要将糖蜜酸化，并添加防腐剂或加热灭菌，这也是预处理的一项任务。还有，由于糖蜜中氮与磷的含量可能不足，在制备酒精发酵稀糖液时还需要添加营养盐。 总之，原糖蜜并不能直接用来进行酒精发酵，一定要通过预处理将其处理制备成符合酒精发酵条件的稀糖液才行。稀糖液的制备过程应包括稀释、酸化、营养盐的添加、灭菌以及澄清等工序。 2.3.1 糖蜜的稀释 目前，国内外糖蜜酒精的生产工艺可以分为单浓度流程与双浓度流程两类。根据工厂采用的工艺流程，可将糖蜜稀释成一种浓度或两种浓度的稀糖液。 糖蜜稀释的目的是为了降低糖的浓度，使其适合酵母的生长，同时也是为了减轻无机盐对酵母的影响。所以，在糖蜜酒精发酵早期，人们配制两种不同浓度的稀糖液，较稀的用于酒母培养称为酒母稀糖液；较浓的用于酒精发酵，称为基本稀糖液。后来随着菌种的性能的改良与工艺的改进，酒母培养与发酵采用同一种浓度的稀糖液也可以达到较好的发酵指标。为了简化工艺，发展形成了单浓度流程。特别是同时生产酒精和面包酵母的工厂往往采用单浓度流程。采用单浓度流程的工厂制备一种稀糖液，其浓度为22～25%；而双浓度流程的工厂制备两种稀糖液的浓度分别为12～加固显示器14%<酒母稀糖液）和33～35%<基本稀糖液）。 糖蜜稀释的方法可以分为间歇和连续两种方法。糖蜜的间歇稀释法是糖蜜分批在稀释罐中进行，稀释罐内装有搅拌器，可保证搅拌均匀。连续稀释法所用设备与间歇稀释法所用设备类似，但是稀释连续进行，糖液的浓度通过进水和进蜜量来控制，而稀糖液的温度则通过冷热水的比例来调节。 2.3.2 糖蜜的酸化 糖蜜酸化的主要目的是调节糖液的pH值，以防止发酵时杂菌的繁殖，同时加酸也有利于除去部分灰分和胶体物质。 对于双浓度流程来说，基本稀糖液一般不加酸，而酒母稀糖液的浓度为12%～14%时，其酸度应为6～7°<中和10mL稀糖液所需0.2mol/L的NaOH溶液的毫升数即为酸度）。对于单浓度流程来说，加酸量应保证稀糖液的酸度为3～3.5°。 酸化用酸量可按照下列公式计算： 式中为酸化用酸量<g），为纯硫酸换算到已知浓度硫酸的换算系数，0.0049为1mL浓度为0.05mol/L硫酸中纯硫酸的克数，为稀糖液的体积<mL），为稀糖液的酸度，分母10表示测定酸度时稀糖液的毫升数。 加酸的方式随着糖蜜酒精生产技术的发展有了很大变化。最初间歇发酵时，酸是直接加到稀糖液中，后来大多数工厂采用了连续发酵工艺，酸就改为加入到稀释至40%～60%浓度的稀糖液中，随后再将此稀糖液进一步稀释到所需的浓度。这样做的好处在于提高酸的浓度，增强灭菌效果，同时可以减少酸化设备的体积。 近年来，国内外有许多工厂进一步改进加酸方式，将酸直接加入到废糖蜜中, 这种加酸的方式可以一次将糖蜜直接稀释到所需的浓度，简化了随后的生产过程，有利于自动控制；原糖蜜直接酸化，相应提高了酸的浓度，灭菌效果增强。但这种方式也存在缺点，即由于糖蜜的粘度高，与酸混合需要带搅拌器的混合器，贮藏酸化糖蜜的容器还需要进行放腐蚀处理。 酸化用酸最常用的是硫酸，但是近年来已有不少工厂采用盐酸来代替硫酸。盐酸盐不像硫酸盐那么容易在设备中结垢，可以在很大程度上减轻设备除垢的劳动。而且，如果要从发酵醪中回收酵母，则用盐酸酸化工艺所得的酵母泽也较好。 另外，在用甜菜糖蜜生产酒精的过程中，糖蜜酸化时会释放出棕黄剧毒的二氧化氮气体，因此需要通风设备将其导出，防止中毒事故发生。 2.3.2 营养盐的添加 原糖蜜因品种和制糖方法的不同，所含的成分也不一样。稀糖液中常常缺乏酵母必需的营养物质，如果不加营养盐，则会直接影响到酵母的生长繁殖和酒精的出率。因此工厂必须对每批糖蜜进行分析，确定需要添加的营养盐的数量并足量添加。 第3章 甘蔗糖蜜所需添加的营养盐 从工厂的生产实践和甘蔗糖蜜的组成来看，甘蔗糖蜜中缺乏的营养成分主要是氮素、镁盐以及生长素。 我国甘蔗糖蜜酒精厂普遍采用硫酸铵作为氮源，因为铵盐能被酵母很好的利用，用量一般为每吨糖蜜添加21%含氮量的硫酸铵1～1.2kg，即0.1～0.12%。也有一些工厂采用尿素作为氮源，由于它的含氮量为46%，为此可适当减少用量，只要硫酸铵的一半就足够了。 酒精酵母的自溶液、麸曲等也可以作为氮源。 酒精酵母的自溶液可以通过将分离得到的酒精酵母泥纺织于35～40℃下令酵母自溶的方法得到<即通过菌体自身的蛋白酶将细胞分解）。自溶液中所含的氨基酸和生长素可用来作为氮源和生长素补充剂。 麸曲加水，加热到50℃，保温维持6小时，麸曲中的蛋白质在曲霉菌蛋白酶的作用下分解。由于曲霉菌能合成酵母需要的生长素，因此麸曲汁也既可以作为氮源，又作为生长素添加剂。 至于镁盐，常用硫酸镁，用量约为糖蜜质量的0.04%～0.05%。 第4章 甜菜糖蜜所需添加的营养盐 甜菜糖蜜的成分与甘蔗糖蜜不完全相同，因此，营养盐的添加也不尽相同。一般来说，甜菜糖蜜中并不缺乏氮素和生长素，但是磷酸盐的含量不足。不过，甜菜糖蜜中氮的利用率和通风情况密切相关。如果通风培养，则氮素利用效率高，足够供酵母生长。但是如果不通风，氮的利用效率就极为低下，需要添加一定的氮素。一般的用量是每吨糖蜜添加硫酸铵0.36kg。 由于甜菜糖蜜缺磷，目前工厂一般是用过磷酸钙作为磷源，其用量为甜菜糖蜜量的1%。另外，也有利用工业磷酸作为磷源的。在需要同时添加磷和氮时，磷酸二氢铵也是一个选择。 2.3.3 糖蜜的灭菌 糖蜜中往往污染有大量的杂菌，主要是野生酵母菌，白念球菌以及乳酸菌一类的产酸细菌。为了保证稀糖液发酵得以顺利进行，除了加酸提高糖液的酸度外，最好还要进行灭菌。灭菌的方法有两种，一种是加热灭菌，一种是添加防腐剂。 加热灭菌一般需要通蒸汽将稀糖液加热到80～90℃，维持1小时，即可达到灭菌的目的。加热灭菌可以在专门的灭菌罐内进行，也可在酸化槽内加装加热蛇管，使加热和酸化工序在一个设备内进行。由于加热灭菌要消耗大量蒸汽，还要增加相应的设备，不大经济，所以工厂只有在必要时才采用这种方法。 添加防腐剂灭菌无需加热，有利于节能，降低成本，因此许多工厂都采用添加防腐剂的方法来进行灭菌。常用的防腐剂有以下几种：漂白粉，甲醛，氟化钠，钠以及抗菌素。其中漂白粉的价格最低，使用也比较广泛，其用量为每吨糖蜜200～500g；甲醛用来灭菌，一般要制成40%浓度的水溶液<即福尔马林），用量是每吨糖蜜600mL；氟化钠则毒性较大，用量一般为稀糖液量的0.01%；钠杀菌效果很好，一般用量仅为糖蜜量的0.004%；抗菌素以往由于价格昂贵，很少大规模应用，但是近年来由于其成本大幅度下降，使应用成为可能。前苏联曾研制成功一种命名为抗乳菌素的抗菌素，该抗菌素用量仅为稀糖液质量的0.005%，就能成功抑制乳酸菌的生长，保证酒精发酵的顺利进行，且对成品酒精的质量也没有影响。 2.3.4 稀糖液的澄清 糖蜜中有很多胶体物质、素和无机盐等物质，它们对发酵有害，因此在可能的情况下应采用澄清的方法来除去这些杂质。澄清的方法很多，常用的有加酸通风沉淀法，热酸处理法，加絮凝剂法以及机械分离法。其中加酸通风沉淀法又叫做冷酸通风处理法：即将糖蜜稀释至50°Bx左右，加入0.2%～0.3%浓硫酸，通压缩空气1小时，静止澄清8小时，取出上层清液作为制备稀糖液用。热酸处理法一般是将酸化灭菌和澄清同时进行：先将原糖蜜稀释到55～60°Bx，温度加热至60℃，加硫酸将pH调至3.0～3.8进行酸化5～6小时，同时达到澄清的目的，上清液取作制备稀糖液用。热酸处理法澄清效果好，但是耗能、耗时、耗设备并耗劳动力，因此大规模生产采用冷酸处理法居多。加絮凝剂来提高澄清效果是正在研究中的方法之一，国内有工厂实验过添加聚丙烯酰胺作为澄清絮凝剂的，但是鲜有用于大规模生产的实例。机械分离法最常用的是离心法和压滤法。机械分离法效果良好，但是能耗和劳动力消耗比较大。 总之，糖蜜澄清对酒母生长和随后的发酵有利，但是任何一种澄清方法的成本均不低，因此，一般只有酒母稀糖液用澄清或酒精联产面包酵母时需要澄清，一般就不一定采用澄清了。 本 章 小 结 酒精生产原料，淀粉质原料，原料的除杂，辅助原料，酒精生产用水，原料处理 本章复习思考题 1 酒精生产原料主要有哪些？ 2 辅助原料主要有哪些？ 3 酒精生产用水要求指标是什么 4 简述原料预处理方法。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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