乙醇提取工艺和方法

一、生物发酵法酿造酒精1.1 生物发酵法的地位由于化学合成法酒精有含有较多杂质等缺陷，其应用受到限制，因此我国酒精生产以发酵法为主，尤其是随着石油储量的锐减，发酵法酒精工业将日趋重要。我国酒精年产量为300 万吨，仅次于巴西、美国，列为世界第3 位。其中发酵法酒精占绝对优势， 80%左右的酒精用淀粉质原料生产、约有10%的酒精用废糖蜜生产、以亚硫酸盐纸浆废液等纤维原料生产的酒精约占2%左右，合成酒精占酒精总产量的3.5%左右。1.2 生产原料淀粉质原料是生产酒精的主要原料。用于发酵法生产酒精的原料主要有：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）；亚硫酸造纸废液等。我国大多数工厂是采用红薯和玉米为原料生产酒精。玉米化学成分：水分蛋白质脂肪淀粉粗纤维灰分78-103.1-560-651.31.7红薯化学成分：水分蛋白质脂肪淀粉粗纤维灰分149-150.5-315-301.10.91.3 辅助物料辅助物料包括：酵母培养和糖化剂制备所需营养盐，调PH 所用酸类、洗涤剂、消毒剂、脱水剂等。酒母，就是将酵母菌扩大培养，获得足够数量酵母菌的酵母培养液，以供酒精发酵之用。酒精生产用水，按水的用处不同，大体分为以下三种：（1）酿造用水：或称工艺用水，凡制曲时拌料，微生物培养，制曲原料的浸泡、糊化、稀释、设备及工具的清洗等因其与原料、半成品、成品的直接接触，故统称为工艺用水。通常要求具有弱酸性， PH 为 4.0-5.0。（2）冷却用水：蒸煮醪和糖化醪的冷却，发酵温度的控制，需大量的冷却用水。因其不与物料直接接触，故只需温度较低；硬度适中。为节约用水，冷却水应尽可能予以回收利用。（3）锅炉用水：通常要求无固型悬浮物，总硬度和碱度应尽可能低，PH 在25°时高于 7，含油量及溶解物等越少越好。1.4 淀粉性质1.4.1 淀粉颗粒的形状淀粉颗粒呈白色，不溶于冷水和有机溶剂，颗粒内部呈复杂的结晶组织。不同的淀粉颗粒具有不同的形状和大小。同一淀粉的颗粒大小也不均匀。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。1.4.2 淀粉分子的结构淀粉分子是由许多葡萄糖基团聚合而成的。根据淀粉分子链结构的不同，淀粉可分成直链和支链淀粉两类。直链淀粉溶解于70-80的温水中。支链淀粉具有分支，它不溶解于温水中。1.4.3 淀粉的膨胀和溶解淀粉在水中加热，即发生膨胀。这时淀粉颗粒好像是一个渗透系统，其中支链淀粉起着半透膜的作用，而渗透压的大小及膨胀程度则随温度的增高而增高。从40开始，膨胀的速度就明显加快。当温度升高到一定数值（60-80）时，淀粉颗粒的体积膨胀至原来体积的50-100 倍时，淀粉分子之间的联系削弱， 引起淀粉颗粒的部分解体，形成了均一的粘稠液体。这种无限膨化的现象为淀粉的糊化。与此相应的温度叫做糊化温度。糊化现象发生后，如果温度继续上升，并达到130左右时，因为支链淀粉也已几乎全部溶解，网状组织彻底破坏，淀粉溶解变成粘度较低的流动性醪液，这种现象称为淀粉的溶解。1.5 工艺流程酒精生产工艺示意图如下：1.5.1 原料处理淀粉质原料在正式进入设备之前，必须进行预处理，以保证生产的正常进行提高生产的效益。预处理包括除杂和粉碎两个工序。原料除杂：淀粉质原料在收获和干燥的过程中往往会掺杂进泥土，沙石，纤维质杂物，甚至金属块等杂物。这些杂质如果不在投入生产前予以除去，则将严重影响生产的正常运转。石块和金属杂质会使粉碎机的筛板磨损或损伤，泥沙等杂质的存在也会影响正常的发酵过程。常用的除杂方法有筛选、风送除杂和电磁除铁三种。原料的粉碎：淀粉是以淀粉颗粒的形式存在于原料的细胞之中，为了使淀粉能最终转化成酒精， 首先要创造条件， 使淀粉有可能从细胞中游离出来。 为此 ,原料要粉碎，把块状或粒状的原料磨碎成粉末状态。以破坏植物细胞组织，便于淀粉的游离。原料经粉碎后，受热面积可增加，利于淀粉原料的吸水膨化，糊化乃至溶解，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条件，从而提高热处理效率。干式粉碎：干法粉碎多采用粗碎和细碎两级粉碎工艺。（1）粗碎：原料过磅称重后，进入输送带，电磁除铁后进行粗碎。粗碎后的物料以薯干为例应能通过 6-10mm 的筛孔，然后在送去进行细粉碎 。（2）细碎：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 1.8-2.0mm 筛孔的（适合玉米粉） 。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。1.5.2 原料水热处理（1）目的：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，不溶解状态的淀粉被常规糖化酶糖化的速度非产的缓慢，水解程度也不高。所以，淀粉原料在进行糖化之前一定要经过水-热处理（原料的蒸煮），使淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用。（2）用淀粉质原料生产酒精的工厂，多数采用连续蒸煮工艺，只有少部分小型酒精厂和白酒厂，还采用间歇蒸煮工艺（3）连续蒸煮工艺应满足的要求原料的粉碎；粉浆的预煮醪的蒸煮；蒸煮醪的汽液分离；淀粉质原料的连续蒸煮，是一项重大技术革新。根据蒸煮设备的类型，可分为罐式连续蒸煮、柱式连续蒸煮和管道式连续蒸煮3 种方法。1.5.3 物料的糖化（1）糖化剂的定义：用淀粉质原料生产酒精时，在进行酒精发酵前，一定要事先将淀粉全部或部分转化成葡萄糖等可发酵性糖， 这一淀粉转化为糖的过程称为 “糖化”，而促使淀粉转化成糖的生物催化剂称为“糖化剂” 。（2）糖化的目的：淀粉质原料蒸煮以后得到的蒸煮醪，或者无蒸煮工艺的醪液，在发酵前均要加入一定数量的糖化剂，使淀粉在淀粉酶系统的作用下水解成酵母能发酵的糖类。淀粉转变为糖的这一过程，称为糖化。糖化后的醪液称为糖化醪。主要目的还是将淀粉酶解成发酵性糖。（3）糖化过程的控制糖化温度：在蒸煮醪时，不宜采用糖化酶的最适作用温度，因为酶稳定的最适温度比其他作用的最适温度低。所以在最适作用温度下进行糖化，虽然糖化速度提高了，但是酶的失活率也比较高，不利于在发酵过程中进行的淀粉后糖化作用。糖化时间 ：糖化 30min 就够了，醪中所含的糖已经够酵母最初繁殖和发酵的需要。而且糖化时间再延长，不仅糖含量增加较慢，而且糖化酶失活量增加，这会造成发酵过程中边发酵边糖化作用的削弱，综合效果反而恶化。另外，糖化时间过长会降低糖化设备的利用率。糖化剂的用量：过多的糖化剂的使用会增加成本。糖化设备的清洗和灭菌：凡是因故停止送糖化醪达 15min 以上者，一定要用水或蒸汽将管道中的糖化醪放空冲洗干净。喷淋冷却器等设备的结构要能排污和没有死角。1.5.4 酒精的发酵（1）发酵机理：发酵原是一种自发性的天然过程，微生物在合适的基质上生长，分泌出各种酶将食物中的蛋白质和碳水化合物分解，并将之吸收及转化，最终形成风味物质。而微生物的品种、基质的种类及预处理方法，以及发酵过程中环境条件的调控等，都是影响产品风味的重要因素。代谢产生的酒精可与水以任意比例混合，然后穿过细胞进入发酵液。发酵过程中产生的二氧化碳逐渐溶于发酵醪中，达到饱和时，便吸附于细胞表面，超过吸附能力时，则二氧化碳变为气泡上升，又由于二氧化碳之间的相互碰撞，形成更大的气泡上升。二氧化碳的上升带动了醪液中酵母细胞的上下浮动，从而使酵母细胞更充分地与醪液中的糖分接触，进而使发酵作用进行得更充分和更彻底。酒精酵母不含有阿尔法淀粉酶和贝塔淀粉酶，所以不能直接利用淀粉进行发酵。因此，在利用淀粉原料生产酒精时，必须先进行糖化。酵母菌体内与酒精发酵关系密切的酶主要有两类：一类水解酶，它能将大分子物质分解为小分子物质，如蔗糖酶、麦芽糖酶及甘糖酶；另一类是酒化酶，是参与酒精发酵的各种酶及辅酶的总称（酵母细胞参与活动将糖转化为酒精） ，如氧化还原酶、烯醇化酶等胞内酶。（2）酵母的要求应具有较高的发酵能力，即能快速并完全地将糖分转化为酒精。繁殖速度快，即具有高的比生长速度。具有高的耐酒精能力，即对本身代谢产物的稳定性高，因而可以进行浓醪发酵。抵抗杂菌能力强，即对杂菌代谢产物的稳定性高，耐有机酸能力强。对培养基的适应性强，耐高温，耐盐，耐干物质浓度的性能强。（3）酵母的生长条件温度和 PH酵母生存和繁殖的温度范围很宽，但是，其正常的生活和繁殖温度是27-30°C。在很高或很低的温度下，酵母的生命活动削弱或停止。酵母发育的最高温度是 38°C，最低温度为 -5°C，在 50° C 时酵母死亡； PH 应控制在 4.24.7 为宜， PH 值太低，不但会抑制杂菌的繁殖，同时也会抑制酵母的繁殖和代谢，还会使糖化酶钝化，影响发酵结果。酵母对营养物质的要求由于酵母的化学组成与培养基，培养条件和酵母本身所处的生理状态有关，所以，可以根据酵母的化学组成来讨论其对营养物质的需求。营养来源酵母的营养区分为内部营养和外部营养两类。在外部营养时，营养物质是从培养基进入细胞，而内部营养时，酵母利用自己的贮存物质：肝糖，海藻糖，脂类，含氮化合物。其他因素糖化醪的浓度,无机酸和有机酸的影响，钙，铁，镁，离子的作用。1.5.5 发酵液的蒸馏、冷凝、提纯蒸馏原理：蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发性能的不同，将各组分分离的方法。它就是当前全世界酒精工业从发酵醪中回收酒精所采用的唯一方法。所以，把之前发酵好的物料泵送入塔里进行蒸馏，利用酒精的易发挥发，沸点低等物理性质，把酒精从发酵液里分离出来。冷凝：酒精蒸汽从蒸馏塔里出来经过冷凝塔冷凝成酒精液体，输送到提馏塔里进行提纯，最后到成品罐。1.5.6 存在问题及安全事故处理1、二氧化碳中带有酒精，未及时处理问题发酵当中会产生大量的二氧化碳和酒精，二氧化碳会随着量的增加会跑出去，这个时候会夹带少部分酒精在里面，来不及处理就浪费了。处理方法，应将