3 乙醇发酵工艺
本设计选用淀粉质原料发酵乙醇。淀粉质原料包括薯类原料（甘薯、马铃薯、木薯、等）。目前，国内主要使用的原料有甘薯、木薯、小麦、玉米和高粱。
最初，我国的乙醇生产主要用玉米、小麦等粮食发酵制得，其中主要以玉米为主。随着陈化粮食逐步消耗殆尽和玉米价格节节攀升，考虑到玉米生物乙醇的发展可能威胁到国家的粮食安全，为此，2006年起国家停止新批玉米燃料乙醇企业，并大力鼓励发展非粮食作物为原料开发燃料乙醇。从2006年至今，在保证现有的粮食乙醇生产的基础上，我国燃料乙醇生产企业的发展主要是两个方向：一是木薯乙醇；二是纤维素乙醇。两者都属于非粮食作物，其中，木薯乙醇已处于规模化生产阶段，技术发展已相对完善；而纤维素乙醇在我国还处在试验阶段，技术还有待完善。
木薯是热带和亚热带广泛种植的粮食和经济作物，适应性很强，耐旱、耐瘠、耐水，对土质要求不高，是可在任何土质中生长的作物。我国南方盛产木薯，不仅产量高，淀粉含量也很高，木薯
[11]
的块根淀粉含量达25-30％左右，木薯干淀粉含量达70％左右，是被誉为“淀粉之王”。木薯已被世界公认具有很大发展潜力、很有前途的酒精生产的可再生资源。近年来，随着木薯原料用于生产酒精逐渐受到人们的重视，国内外学者都致力于木薯生产酒精工艺的研究。
本设计选用木薯为原料发酵制的乙醇，总工艺流程为：
原料——粉碎——拌料——蒸煮——糖化——发酵——蒸馏——乙醇 3.1木薯的处理
木薯原料在进行正式生产之前，必须预处理，以保证生产的正常进行和提高生产的效益，预处理包括除杂和粉碎两个工序。 3.1.1原料除杂
木薯在收获和干燥过程中，经常会掺夹进泥土、沙石、粗纤维、金属杂质等杂质，这些杂质如果没有在正式投入生产之前清除，会严重影响后续生产的正常进行。石块和金属杂质会使粉碎机的筛板磨损或者损坏，造成生产的中断；机械设备运转部位，会因泥沙的存在而加速磨损，杂物还易造成堵塞阀门、管道、泵和关键设备，使生产过程不能正常进行，泥沙等杂质也会影响正常的发酵过程。所以用木薯原料生产酒精前，必需进行除杂，以保证生产的正常进行和提高生产的效益。
原料除杂通常采用筛选和磁选。筛选多选用振动筛除去原料中的较大杂质及泥沙。振动筛是一种平面筛，常用的有两种：一种是由金属丝（或其他丝线）编织而成的；另一种是冲孔的金属板。
[12]
开孔率越大，筛选效率越高，但开孔率过大会影响筛子的强度。本设计选用冲孔的金属板，筛板开孔率为50%，筛宽1000mm，振幅5mm，频率400次/min
其生产能力
G?3600B0hVcp?? =3600?0.95?1?0.2?0.4?0.5?0.79 =108.072tB0——筛面有效宽度，m；
H——筛面物料厚度，m，取h?(1~2)d（d为物料最大直径）； Vcp——物料沿筛面运动的平均速度，m/s，取0.4m/s； ?——物料松散系数，取0.5；
3
?——物料的密度，kg/m。
磁选多选用磁力除铁器除去原物料中的磁选杂质，如铁定和螺母等，常见设备为永久性磁力除铁器和电磁除铁器[9]。 3.1.2原料粉碎
淀粉质原料的淀粉颗粒常以颗粒状态储存于细胞之中，由于受到植物组织的细胞壁的保护不宜
[13]
被直接利用。所以原料粉碎是原料处理的关键步骤之一。木薯原料粉碎可以使原料的颗粒变小，原料的细胞组织部分破坏，淀粉颗粒部分外泄，增加原料的表面积，在进行水热处理时，加快原料吸水速度，降低水热处理温度，节约水热处理蒸汽；有利于α-淀粉酶与原料中淀粉分子的充分接触，促使其水解彻底，速度加快，提高淀粉的转化率；有利于物料在生产过程中的输送。原料的粉碎按带水与否可分为：干式粉碎和湿式粉碎，实际生产中多采用干式粉碎。国内乙醇生产原料粉碎设备主要是锤片式粉碎机，合理的干式粉碎应采用粗碎和细碎两级粉碎工艺，在进入锤碎机前先经过粗
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碎，把大块原料初步打碎成小块原料，再经过锤碎机，将小块原料打碎成较细的粉末原料。湿式粉碎是指粉碎时将拌粉用水和原料一起加到粉碎机中去进行粉碎。
本设计采用200型CSJ-高效粗碎机，其主要适用于医药、食品、化工、冶金、建筑等行业，对坚硬、难粉碎的物料进行加工，包括对塑料、树根等进行粉碎，也能作为微粉碎加工前道工序的配套设备。不受物料粘度、硬度、软度等的限制。对任何物料都能起到较好的粉碎效果。其工作原理：本机为卧式粉碎结构，物料有进料斗进入粉碎室，利用旋转刀与固定刀冲击、剪切而获得粉碎，经旋转离心力的作用，物料自动流向出口处，该机按“GMP”标准设计，整机全部采用不锈钢材料制造，结构简单、清洗方便、噪音低。
其生产能力为300～1000kg/h， 粒度100mm， 粉碎细度0.5～20mm， 主轴转速为400r/min， 电机功率5.5kw， 外形尺寸（长×宽×高）880×900×1250 3.1.3原料输送
原料输送常用方法是机械输送、气流输送。
1）机械输送 通常多用于固体物料的输送。常用的输送机械有皮带输送器、螺旋输送器和斗式提升机。前两种多用于水平方向输送，后者多用于垂直方向输送。
2）气流输送 也称风送或气力输送。
本设计中原料粉碎采用风选风送工艺，除掉了原料中的沙、石杂质，提高了设备粉碎能力。 3.2液化和糖化
用于乙醇生产的酵母，不能直接利用淀粉进行乙醇发酵，淀粉必须水解成糖类利用。此外，淀粉因受到植物细胞壁的保护作用，细胞内的淀粉颗粒不易受到淀粉酶系统的作用，同时糖化酶对不溶解状态淀粉的糖化作用又非常弱，所以，淀粉原料在经过前述的与处理后，需要进一步液化和糖化后，才能使淀粉从细胞中游离并转化成糖类，以保证乙醇发酵的顺利进行。 3.2.1液化
木薯淀粉中含直链淀粉17％，支链淀粉83％ ，淀粉浆的液化是将淀粉链打断，淀粉的网状结
[11]
构被破坏，从而使淀粉浆的粘度降低，使淀粉水解为糖和糊精。传统的液化工艺采用高温高压蒸煮法。原料和水混均后，于130℃下进行高温高压处理。随着酶工程的发展，传统的高压高温蒸煮逐渐被取代，液化可分为有蒸煮方式和无蒸煮方式，现在的有蒸煮液化方式与传统的高温高压蒸煮液化方式有着本质的不同，它是建立在酶制剂技术上的一种液化方式。液化过程中广泛使用液化酶(α-淀粉酶)对原料进行液化处理。
?-淀粉酶可将淀粉长链从内部分裂成若干短链的糊精，所以，也称内切淀粉酶。?-淀粉酶水解直链淀粉分子，最后阶段的产物为葡萄糖、麦芽糖和麦芽三糖；水解支链淀粉分子，最后阶段的产物为葡萄糖、麦芽糖和少量的界限糊精。淀粉受到?-淀粉酶作用后，遇碘呈色反应，表现为如下规律。
蓝 → 紫 → 红 → 浅红 → 不显色（碘原色）
淀粉液化是糖化的前提。工业生产中一般根据使用?-淀粉酶的不同，液化的工艺条件会略有不同。使用耐高温?-淀粉酶，采用95℃的处理温度，使用普通?-淀粉酶，采用85℃的处理温度。采用高温液化可以提高酶反应速度，但温度高于酶的最适作用温度时，酶活力损失加快。此外，生产中有时也添加CaCl2或CaSO4，Ca2+的存在有助于提高酶对热的稳定性，一般Ca2+浓度控制在0.01mol/L左右。?-淀粉酶的用量一般为每克淀粉使用2～10U，含单宁多的原料用量可适当增大。液化时间，一般控制在45～90min，薯类淀粉较谷类淀粉更容易水解些。淀粉液化不需要进行的非常的彻底，一般控制淀粉水解程度在葡萄糖值为10～20之间较好，液化的终点常以碘液显色控制。
喷射液化是目前使用最广泛的液化工艺，它是利用低压蒸汽喷射器来完成淀粉的液化。淀粉在?-淀粉酶的水解作用和喷射发生地剪切作用下，能很快地将淀粉液化。喷射液化连续液化、操作稳定、液化均匀、淀粉利用率高等优点，此外对蒸汽压力要求低，且不易堵塞，无震动。其流程如图3.1所示：
粉料制浆喷射液化保温液化冷却糖化水、淀粉酶蒸汽第 11 页 共 50页
图3.1 喷射液化流程图
本设计选用罐式连续蒸煮工艺蒸煮过程使用直接蒸汽加热，在后熟和汽液分离器减压蒸发、冷却降温。
3.2.2糖化
经过液化后的淀粉继续进行糖化，将短的淀粉链即糊精转化为可发酵性糖，糖化分前糖化阶段和后糖化阶段，因为糖化过程的时间限制，不可能将全部的淀粉转化为糖，所以在发酵过程中还存在糖化过程，称为后糖化[11]。糖化是一个复杂的生物化学变化过程，受糖化酶添加量、时间、温度等多种因素的影响。糖化酶在木薯酒精发酵中有很大的作用，它将木薯中的淀粉分解成可发酵性糖，以利于酵母酒精发酵。糖化酶的用量对酒精发酵有很大的影响，糖化酶的用量太少，会造成发酵不彻底；糖化酶太多，则增加了生产成本。糖化的效果不仅取决于糖化酶的添加量，而且与糖化时间有很大的关系，糖化时间不足，造成糖化不完全，不利于提高原料出酒率；糖化时间过长，会延长生产周期,降低设备的利用率。糖化的温度的高低对糖化也有一定的影响。酶的化学本质是蛋白质，反应温度高于适宜温度时，酶蛋白会逐渐产生变性而作用减弱，甚至丧失其催化活性，温度过低于适宜温度容易染菌，所以糖化温度的控制是非常重要的。从历年来，木薯酒精发酵的研究资料来看，糖化酶添加量一般控制在100-200u/g原料，糖化阶段的温度在58-62℃，糖化酶最适pH为4.2～5.0，乙醇生产过程，糖化醪的自然pH与最适pH相近，不需要调整pH。糖化时间控制在30-60min[14]。
糖化的方式可分为间歇糖化和连续糖化。本设计采用连续糖化工艺，实现了生产操作的连续性，即降低了蒸汽消耗，又降低了工人的劳动强度。 3.3乙醇发酵
原料经过预处理、蒸煮、糖化等处理后，即可进入发酵工序，把糖转化为乙醇和二氧化碳。从表面上看，乙醇发酵过程很简单，氮发酵过程却发生着非常复杂的生物化学反应过程。此在，不同种类的微生物对营养需求的不同，处理后原料所含成分的差异，以及发酵工艺的多样性都决定了乙醇发酵是一个复杂的过程。 3.3.1乙醇发酵常用的微生物
自然界中，很多微生物都能代谢产生乙醇，氮酿酒酵母等酵母菌和兼性厌氧细菌运动发酵单细胞是目前乙醇生产的主要微生物。此外，根据不同的代谢途径构建的基因工程菌也是显示了良好的特性。下面介绍淀粉质原料发酵常用菌种。
1) 酵母 淀粉质原料发酵最常用的菌种是酵母，酵母属于真菌中的子囊菌纲、源自囊菌目、真酵母科、无丝酵母属，是单细胞微生物。酵母一般呈卵形、椭圆形或卵圆形，大小在6～11?m之间。乙醇生产中常用的酵母菌种有酿酒母、卡尔斯伯酵母、粟酒裂殖酵母和克鲁夫衣酵母及其变种等。
活性干酵母（AADY）活性干酵母是经优选的乙醇酵母繁殖得到菌体后再经干燥得到的一种保持活性的干酵母制品，它经复水活化后即能完全恢复其正常的繁殖、发酵性能[15]。它主要有一下优点：可节省酒母培养的投资，简化生产环节，提高劳动生产率；活性干酵母质量稳定，活化操作简单，能保证发酵的稳定性；活性干酵母种类多，具有较强的实用性；能有效提高发酵率，降低生产成本；干酵母含水分低，储存方便，能随时投入使用。
自絮凝酵母 通过原生质融合技术可以使酵母获得自絮凝的特征，在培养和发酵过程中自絮凝形成毫米级大小的颗粒。自絮凝酵母乙醇技术的推广应用给乙醇工艺技术带来了重大突破。
与现有各种乙醇发酵技术相比，自絮凝颗粒酵母乙醇发酵新工艺具有的突出优点有：
①酵母细胞在发酵罐中实现完全固定化，这一无载体固定化细胞技术不产生任何附件费用； ②单位体积发酵罐中酵母密度可以高达50～100g/L（干重），细胞密度显著提高。平均发酵时间缩短，发酵罐设备生产强度相应提高；
③原料的前处理及酵母细胞的完全固定化，使进入后续精馏系统的发酵液比较清洁，基本不含颗粒酵母，精馏过程生产的废糟液COD降低，有利于实现清洁生产。
对于目前乙醇生产行业普遍才有的干法工艺来说，需要考虑原料残渣去除带来淀粉损失的影响，而对于湿法工艺建设的大型燃料乙醇装置，则比较容易实现。
酵母工程菌 利用基因工程技术，可以赋予酵母新的特性。对于淀粉份额之原料用酵母，目前主要要就多集中在在酿酒加盟中表达淀粉酶基因，包括?-淀粉酶基因和糖化酶基因。常用的酿酒酵母
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一般缺乏水解淀粉的酶类，不能直接利用淀粉质原料，如果能够表达淀粉酶基因，则酵母就有可能直接利用淀粉质原料进行发酵。人们把细菌或霉菌中产生淀粉酶的基因片段克隆到酵母汇总，构建了不同种类的酵母工程菌。虽然构建分解淀粉酿酒酵母的工作已取得相当大的进展，但仍存在不少问题寻要解决，如构建的多数菌株利用糊精及淀粉的能力是有限的，而且讲解速率较慢等。
2) 运动发酵单胞菌 运动单胞菌最早是Linder于1942从龙舌兰酒中分离得到的。为革兰阴性、厌氧细菌，单胞菌能够耐一定的氧气。其通过ED途径，专一代谢葡萄糖、果糖、蔗糖作为碳源和能源。利用葡萄糖和果糖时。能够得到近似理论产量的乙醇。该菌具有高耐糖能力、高耐乙醇能力、低生物量和高乙醇回收率以及发酵速度快等优点。单它的缺点时碳源利用面窄，仅限于葡萄糖、果糖和蔗糖。所以，当以淀粉质原料发酵制乙醇时需要对原料进行处理转化为可被利用的糖类。将运动单胞菌与其他微生物如黑曲霉共固定化，可以解决碳源利用面窄的问题。
本文选择活性干酵母为发酵乙醇。目前，活性干酵母已经广泛用于乙醇企业中。经多年的推广，国内不少企业已经成功的将活性干酵母应用于乙醇生产，实现了提高酒分、降低消耗等目标。 3.3.2酵母生长条件
酵母的生长受到温度、pH和培养基组成等因素的影响
1)温度 温度对酵母的生长影响。酵母正常的生活和繁殖温度是29~30℃。在很高或很低的温度下，酵母的生命活动会削弱或停止。酵母生长的最高温度是38℃，最低位-5℃；在50℃时酵母死亡。温度不同，酵母的世代时间也显著不同，如表3.1所示。
表3.1 乙醇酵母在不同温度下的世代时间
温度/℃ 乙醇酵母世代时间/h
8 42.0
10 11.0
18 3.2
28 1.6
33 1.4
36 2.0
39 4.0
酵母生长的最适温度和最适的发酵温度不同。生产实践中，酵母的最适生长温度控制在28~30℃，最适发酵温度控制在30~33℃。此外，在较高的温度下，野生酵母和细菌的繁殖速度要比乙醇酵母
[16]
快，会导致发酵醪酸度增加，降低乙醇产率。
2)pH 发酵醪的pH和氧化还原电位有关，而氧化还原电位有与酵母的呼吸有直接联系。乙醇酵母可在pH4.0~6.0环境中进行繁殖，如果醪液的pH低于3，则酵母的活力大减。酵母生长的最适pH为4.8~5.0，当pH降到4.2以下时，酵母仍能继续繁殖，但此时，乳酸菌已停止生长。酒母的这种耐酸性常用来清除污染醪中的细菌，即采用加酸调节醪液pH至3.8~4，并保持一段时间酵母能继续生长并最终占据优势，而细菌污染可被消除。正常的糖化醪的pH为5.0~5.5左右，适宜于酵母菌的繁殖和发酵。但为了保证酵母菌繁殖，并一直杂菌生长，生产中常将酒母糖化醪的pH控制在4.0~4.5[17]。
3)培养基 酵母的生长需要各种营养，在培养基的制备上必须首先满足酵母生长和发酵的需求，并在此基础上，考虑各组成配比及成分对酵母的影响。这里介绍以下几种因素的影响。
① 糖化醪浓度的影响。酵母的生长速度与细胞内和糖化醪的渗透压之差有关，两者之间的渗透压差越大，酵母增殖得越快。所以，淀粉质原料生产乙醇所用的酒母糖化醪在可能的情况应较发酵用糖化醪稀在两个百分点左右。
② 无机酸和有机酸的影响。亚硫酸、亚硝酸和氢氟酸及他们的盐类，即使在很低浓度时（二氧化硫浓度为0.0025％，亚硝酸盐在0.0005%），都会阻碍酵母的正常生长。在浓度为0.35% ~0.6%的硫酸溶液中，经过15min，所有酵母都能保持其生命活力，经24h也只能有2%的死细胞。乳酸菌在0.15%的硫酸溶液中，经过2h就死亡，而在0.5%的硫酸溶液中，经2h全部细菌死亡。但野生酵母也能在1.3%的硫酸溶液中忍耐2h[18]。
游离的有机酸对酵母有较大的抑制作用。丁酸和己酸的一致作用最为强烈。但pH降到4时，酵母对挥发酸的敏感性最强。
③ 糠醛、氨基糖扥的影响。尤其对于纤维质原料的酸水解液中，如果醪液中存在糠醛时，出牙的细胞数会减少，细胞也较小。即使微量的糠醛也会造成从糖蜜发酵醪中分离得到的面包酵母的麦芽糖酶和酒化酶活力的降低。
乙醇酵母细胞表面具有负电荷，因此，它将具有正电荷的氨基糖分子吸附在自己的表面。随着pH的降低，酵母细胞的负电荷加强，氨基糖的吸附量也随之曾加。氨基糖是得酵母变成褐色，并促使酵母细胞死亡。当醪液氨基糖含量从0.005g/100mL增加到0.3g/100mL时，经24h，酵母细胞数降低0.3~1倍[14]。
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3.3.3酵母的培养工艺
乙醇发酵所需酵母的接种量一般为10%，对于大型发酵罐来说，所需的酵母量是很大的。所以必须进行扩大培养才能满足生产的要求。酵母的扩大培养通常可分为两部分进行：第一部分从斜面军中逐级扩大到卡氏罐（或大三角瓶），有的企业一直到小酒母，这一部分是是在纯培养条件下进行，即严格保证该过程不受杂菌的污染；第二部分从小酒母，有时从中酒母开始，一直到大酒母，该过程是在限制杂菌的条件进行，即是杂菌尽可能少进入培养基中，同时创造有利于酵母生长的条件，这个过程称为自然纯培养过程。下面就酵母扩大培养的过程和详细介绍。
1) 纯培养过程 该过程是酵母扩大培养的基础，生产上希望该阶段培养得到细胞健壮，没有杂菌的种子酵母。因此，无菌操作要求严格，酵母培养基的成分也高。一般多采用米曲汁或麦芽汁作为培养基，其中含有丰富的碳、氮及其它营养物质，很适合酵母的生长繁殖，这里先简单介绍培养基的制备。
麦芽汁培养基。将麦芽磨碎后，加水，于55~60℃糖化4h，再过滤，将滤液调整至10~12°Bx。其它做法同米曲汁。米曲汁或麦芽汁的pH一般控制在4~4.5左右。
该阶段的流程表示如下：
斜面菌种 三角瓶培养 卡氏罐培养 液体试管 原始出发菌种
①原始菌种 原始菌种是指保藏的酵母菌种。它们是经过纯种分离的优良酵母菌种。保藏时间长的原菌，应接入新鲜斜面试管进行活化，以便使酵母处于旺盛的生活状态。
②斜面菌种培养 将活化后的酵母菌在无菌的条件下接入新鲜斜面试管，在恒温培养箱中28~30℃下培养3~4天待斜面生长出白色菌苔，即培养成熟。
③ 液体试管培养 在无菌条件下，有接种针自西面菌种试管挑选一环酵母菌体，接入装有10mL米曲汁的液体试管，摇匀后，于28~30℃后恒温培养24h，即培养成熟。
④ 三角瓶培养 三角瓶培养阶段，可视其容量选用不同的培养基。如用250mL，可装入100mL米曲汁，如用3000mL大三角瓶，可装入米曲汁和经过过滤的酵母糖化醪各500mL，灭菌后备用。接种时，应先用乙醇消毒液消毒瓶口，在无菌条件下，将液体试管全部接入三角瓶中，28~30℃条件下保温培养15~20h，即可成熟。
⑤卡氏罐培养 卡氏罐培养也可以用大三角瓶代替。卡氏罐培养基可使用糖化醪，以使酵母逐渐适应培养条件。该接种过程基本同三角瓶培养，在无菌条件下，将三角瓶培养液接入罐内，在28~30℃下培养15~20h即可。
2) 自然纯培养过程 该阶段主要工艺流程如下：
卡氏罐 小酒母罐 大酒母罐 成熟酒母醪
进入该阶段后，要使用大量的培养基，如果 继续使用米曲汁或麦芽汁就不经济了。生产上这一阶段的酒母培养基多采用酒母糖化醪。制造酒母糖化醪的原料以玉米为最好，因为玉米中除了含有大量淀粉外，还含有丰富的蛋白质等，能满足酵母繁殖所需的营养，另外，玉米的无机盐和维生素颔联也很丰富，所以，当用玉米为原料时，不需补加其它营养物质。
此外，还要对糖化醪进行杀菌、调酸处理。糖化醪中存在着产酸的细菌，所以一般糖化醪还要加温至85~90℃杀菌15~30min，以杀死细菌的营养体。生产中常将糖化醪pH调到4.0~4.5，以抑制产酸细菌对酵母的污染。
对菌种的陪培养有几种不同的方法，有间歇培养、半连续培养、连续培养。本文采用间歇培养，并对其进行简单介绍。
间隙培养法分为小酒母罐和大酒母罐两个阶段进行培养。先将酒母罐刷洗干净并对罐体、管道进行杀菌后，将酒母糖化醪打入小酒母培养罐中，并接入上阶段已培养好的酵母菌。通无菌空气，使酒母与醪液混合均匀，并能溶解部分氧气，供酵母增值使用。控制醪液28~30℃进行培养，待糖分降低40%~45%（外观糖测定），其乙醇含量3%~4%（体积分数）左右，并且液体培养CO2冒出，即培养成熟。酒母打出后，洗刷罐体，并杀菌准备下一批酒母培养使用。间隙培养的生产效率低，但酵母质量易于控制，故仍被工厂使用[17]。
3) 成熟酵母质量指标 酵母的扩培不仅要有一定的数量，还要具有很好的质量。成熟酵母质量的好坏，会直接影响乙醇的产率，在实际生产中，除要求细胞形态整齐、健壮、没有杂菌、出芽多、耗糖快外，还要通过下述指标进行检查。
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，也是反应酵母培养成熟的指标。
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