酒精生产工艺

新疆农业大学

《酶与酶工程》

专题讨论综述

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成 绩： 酒精生产工艺

2013 年4月

酒精生产工艺

摘要 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。 关键词：霉菌，废糖蜜，糊化，醪液。

原料及其处理

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℃）。

原料的种类

用于生产酒精的淀粉原料主要有：薯类；粮谷类；糖质原料；野生植物；农产品加工副产品；纤维质原料。

常用原料的化学组成

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。

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。 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。

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。 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。

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。

（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。

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。

（三）蒸煮过程中原料各组分的化学变化

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。

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。

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。

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，蛋白质发生凝固和部分变性作用，使蒸煮醪中的可溶性含氮物质含量下降；但当温度升至140~158℃时，蛋白质发生胶溶作用，可溶性含氮物质含量将增加。蛋白质在蒸煮过程中是不能被分解的，故氨基氮并未增加，反而因生成黑色素而减少。

7.脂肪 在蒸煮过程中变化甚小。

蒸煮工艺流程

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，下面分别加以介绍。

（一）间歇蒸煮法

1.间歇蒸煮工艺流程 目前我国酒精厂间歇蒸煮的方法基本上有两种，一种是加压间歇蒸煮，一种是添加细菌淀粉酶液化后低压或常压间歇蒸煮、

2.加压间歇 蒸煮是原料经人工或运输机械送到蒸煮车间，经除杂后进入拌料罐，加温水拌料，并维持一定时间，然后送入蒸煮锅中，通入直接蒸汽将醪液加热到预定蒸煮压力，维持一定的蒸煮时间，蒸煮时间结束后，进行吹醪。操作工艺流程如下：

温水 蒸汽

↓ ↓

原料 →除杂 → 粉碎 → 拌料 → 泵 → 蒸煮 →成熟蒸煮醪送入糖化锅

（1）加水 蒸煮整粒原粒时，水温要求在80~90℃，尤其是蒸煮含有淀粉酶的甘薯干，更不能用低温水。蒸煮粉状原料时，水温不宜过高，一般要求在50~55℃。原料加水比因原料不同和粉碎度不同而不同，一般为：粉状原料为1:3.4至1:4.0；薯干为1：3.0至1:4.0；谷物原料为1:2.8至1：3.0

（2）投料。 蒸煮整粒原料时，投完粒即加盖进汽，或者在投料过程中同时通

入少量蒸汽，起搅拌作用。投料时间因罐的容量大小和投料方法不同而有差异，通常在15~20min。

（3）升温（生压)。投料毕，即关闭加料盖，通入蒸汽，同时打开排气阀，驱除罐内冷空气，以防罐内冷空气存在而产生“冷压”，影响压力表所指示的数值，不能反反映罐内的真实温度，造成原料蒸煮不透。正确排出“冷压”的方法是：通入蒸汽加热时，打开排气阀，直到排出的气体发白（水蒸气），并保持2~3min，而后再关闭排气阀，升温时间一般40~50min。

（4）蒸煮（定压）。 料液升到规定压力后，保持此压力维持一定的时间。使原料达到彻底糊化的操作，工厂常称之为定压。

（5）吹醪。 蒸煮完毕的醪液，利用蒸煮罐内的压力从蒸煮锅排出，并送入糖化锅内。吹醪时间视蒸煮罐容量的大小而定，不得少于10~15min。

2.加淀粉酶低压或常压间歇蒸煮法 此法是先加细菌淀粉酶液化后，在进行加压蒸煮。方法是先粉碎原料，按照规定的加水比放到混合池拌匀，调整温度至50~60℃，加入细菌淀粉酶，搅拌均匀，细菌淀粉酶的用量为5~10μg/g原料，加石灰水调整pH6.9~7.1，送入蒸煮锅，通入压缩空气进行搅拌，并通蒸汽升温至88~93℃，保持1h，取样化验（碘反应呈红色），达到标准的液化程度，继续升温至115~130℃，保持0.5h，经灭酶后即可吹醪送至糖化锅。这样，蒸煮压力可以降低，蒸煮时间也可以缩短。

蒸煮新工艺

因传统的酒精生产均需要经过130—150℃的高温蒸煮，能耗药占整个酒精生产总能耗的30%。因此，10多年来，有不少研究者首先从节约蒸煮工序的能耗着手进行了试验，其中比较成功并以被工业生产采用的石低温蒸煮法和无蒸煮法的酒精发酵技术。

1.低温蒸煮法 采用高于淀粉糊化温度，但不高于100℃，另加α—淀粉酶作为液化剂是低温蒸煮工艺的特点。根据醪液加温的高低，该工艺主要分为下列两种形式：

（1）90—95℃糊化液工艺。这种方法是德国和美国合作开发的简称LBW工艺，整粒玉米先用离心方法分离的热酒糟清夜在90—95℃下浸渍，使玉米吸水软化，并完成玉米糊化作用，再用均质机加耐高温α-淀粉酶进行二次湿磨。可节约蒸汽85%以上。采用此工艺处理甘薯原料较少。

（2)80—85℃糊化液工艺 。对薯类原料而言。该工艺的流程如下：

甘薯干→粉碎→拌碎→加α-淀粉酶→加温至80—85℃糊化液化→冷却至62℃→加酸调节ph4.6→糖化（30min)→冷却至27—28℃。

2.无蒸煮工艺 近年来酒精生产的各个部门都在进行淀粉原料的无蒸煮工艺的研究，并取得了一定成效。本文仅以研究较多的玉米粉的无蒸煮工艺为例： 玉米原料 → 粉碎 → 调浆→ 糖化(加糖化剂） → 发酵（加防腐剂、酒母） → 蒸馏 → 成品

糖化

一 、糖化的目的

淀粉质原料蒸煮以后得到的蒸煮液，或者无蒸煮工艺的醪液中，淀粉变成了糊精，糊精不能直接被酵母菌利用发酵生成酒精。糊化醪在发酵前必须加入一定数量的糖化剂（麸曲、液体曲、糖化酶），使淀粉、糊精水解生成为酵母能发酵的糖类。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。

糖化的目的是将淀粉水解成可发酵性糖。在糖化工序内不可能将全部淀粉都转化为糖，相当一部分淀粉和糊精要在发酵过程中进一步酶水解，并生成可发酵性糖。后面这个过程早在酒精生成上称为“后糖化”，而前面的糖化工序则称为“前糖化”或简称“糖化”。

二 淀粉水解的基本原理

淀粉质原料的糖化过程，就是把淀粉转变成葡萄糖。在进行糖化的过程中，往往需要酸或酶作为糖化剂，因此工业上常采用的方法有酸法糖化和酶法糖化。

1.酸解法 酸解法又称酸糖化法，它是以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。

2.酶解法 酶解法是用淀粉酶将淀粉水解为葡萄糖。

3.酸酶结合法 酸酶结合水解法是集酸法及酶法制糖的优点而形成的生产工艺。根据原料淀粉性质又可分为酸酶水解法和酶酸水解法。

三 化过程物质变化

1.淀粉 在糖化剂中的液化酶和糖化型淀粉酶共同作用下，一部分淀粉被水解为小分子糊精，进而水解为可发酵性糖。

2.含氮物质 在糖化过程中，醪液中的蛋白质在蛋白酶的作用下水解成胨、多肽和氨基酸等，所以糖化时醪液中氨基态氮的含量增加1.5~2.0倍。

3.果胶物质和半纤维素 微生物糖化剂中除了淀粉酶系统外，也含有一定量的果胶酶和半纤维素酶，在糖化过程中，醪液中的果胶质和半纤维素会有不同程度的水解，并生成相应的水解产物。

4.含磷化合物 在磷酸酯酶的作用下，磷从有机化合物中被释放出来，这对酵母的生长和发酵都有重要的意义。

糖化工艺

糖化的基本工艺流程：

蒸煮醪冷却至糖化温度→ 加糖化剂使蒸煮醪化液→ 淀粉糖化 → 物料巴氏灭菌 → 糖化醪冷却到发酵温度→ 用泵将醪液送往发酵或酒母车间。 连续糖化工艺

连续糖化法是连续地将蒸煮醪冷却到糖化温度送至糖化锅内进行糖化，然后又连续泵送糖化醪经冷却至发酵温度后送入发酵罐。连续糖化工艺目前采用的有两种形式，主要差异是糖化前的冷却设备不同，一种是采用将蒸煮醪直接在糖化锅内冷却，另一种是采用真空冷却。

1.混合冷却连续糖化法 利用原有的糖化罐，先把罐中约2/3的糖化醪冷却至60℃左右，然后加入温度为85~100℃的蒸煮醪，并通过糖化锅内冷却装置进行冷却。同时加入糖化剂并开动搅拌，使其混合均匀，按规定的工艺条件进行连续糖化。该工艺所用设备简单，工艺操作不复杂，但有时冷却时间长，糖化温度不好控制。

2.真空冷却连续糖化法 该法是蒸煮醪在进入糖化锅前，将蒸煮醪在真空冷却器中瞬时冷却至规定的糖化温度（58~60℃），然后加入糖化剂，在糖化锅中进

行糖化，糖化时间约30min。糖化完成后，经喷淋冷却器将糖化醪冷却至发酵温度（28~30℃），然后送往至发酵车间。

糖化工艺的发展趋势

国内外对糖化剂和糖化工艺的改革和研究方向如下：

1.糖化剂方面的研究 ①提高现有菌种的产酶活力。②开发和研究其他糖化剂菌种 ；我国目前用的菌种局限于黑曲霉一种，国外用的泡盛曲霉、拟内孢酶，根酶等菌种都有开发的潜力。降低糖化剂的生产成本。开发研究连续发酵生产糖化酶和改进固体曲培养技术。

2.糖化工艺的改革 对糖化工艺本身来说，糖化水解多少为宜，不同株的糖化温度多高为好，糖化剂用量的综合经济效益等方面都应该有进一步的理论和实践阐明。

发 酵

（一）酒精发酵动态

酒精发酵过程以外观现象可以将其分为如下3个发酵不同阶段：

1.前期发酵 在酒母与糖化醪加入发酵罐后，酵母细胞利用醪液中溶解的少量的氧和营养物质，迅速的进行繁殖，并达到一定的数量。同时，醪液中的糊精继续被糖化酶作用生成糖分。醪液温度控制，接种时为26~28℃，前发酵期温度不超过30℃。前发酵时间的长短取决于酵母的接种量及种酵母的菌龄，一般为6~8h。

2.主发酵期 醪液中酵母细胞数达每毫升1亿个以上，酵母菌因氧气已消耗基本上停止繁殖，主要进行酒精发酵作用。此阶段，醪液中糖分迅速下降，酒精逐渐增多，并产生大量二氧化碳。发酵温度应控制在30~34℃。时间为10~14h。

3.后发酵期 醪液中的糖分大部分已被酵母菌消耗掉，其中残存的糊精会继续被淀粉酶水解为糖，此水解作用的速度缓慢，发酵作用也十分缓慢。此时醪液温度应控制在30~32℃。后发酵一般约需60~72h左右。

（二）酒精发酵机制

在酒精发酵过程中主要经过下述4个阶段

第一阶段 葡萄糖磷酸化生成1,6-二磷酸果糖

第二阶段 1,6-二磷酸果糖分解生成两个分子的磷酸丙糖

第三阶段 3-磷酸甘油醛经氧化磷酸化生成1,3-二磷酸甘油酸，在生成丙酮酸。

第四阶段 酵母菌在无氧条件下，将丙酮酸继续降解，生成乙醇。

（三）酒精发酵的目的和要求

1.目的 淀粉质原料经过预处理、蒸煮和糖化等作用，大部分淀粉转化成可发酵性糖。可发酵性糖在酵母菌的作用下，转变为酒精和二氧化碳，获得酒精产品。

2.要求 酒精生产要求用最少原料来生产尽可能多的酒精产品，并尽量减少发酵损失，为达到此目的，必须创造如下有利条件：

（1）在发酵前期，要创造条件，让酵母菌繁殖到一定数量。

（2）保持一定量的糖化酶活力，保证后糖化作用继续进行，使糖化醪中的淀粉和糊精继续被分解，生成可发酵性糖。

（3）发酵过程的中、后期，创造厌氧条件，使酵母在无氧条件下将糖分变成酒精。

（4）发酵过程中产生的二氧化碳应设法排除，并注意回收二氧化碳逸出时夹带的酒精。

二 酒精发酵工艺

根据发酵醪注入发酵罐的方式不同，可将酒精发酵的方式分为间歇式、半连续式、连续式3种。

（一）间歇式发酵法

指全部发酵过程始终在一个发酵罐中进行。根据发酵罐容量和糖化醪流加方式等工艺操作的不同，间歇式发酵可分为如下几种方法：

1.一次加满法 一次加满法是将糖化醪冷却到27~30℃后，接入糖化醪量10%的酒母，混合均匀后，经60~72h发酵即成熟，发酵温度控制在32~34℃.此法适用于糖化锅和发酵罐容积相等的小型酒精工厂，优点是操作简便，易于管理。缺点是酒母用量大。

2.分次添加法 生产时，糖化醪分几批加入发酵罐（分2~4次）。先打入发酵罐容积，1/3左右的糖化醪，接入8%~10%酒母进行发酵，再隔2~3h后，加第二次糖化醪，在重复操作一次，直至加到发酵罐容积的90%为止。每个发酵罐加满的时间不应超过10h。此法适用于糖化锅容量小，而发酵罐容量大的工厂。

3.分割式发酵法 此法是将处在旺盛主发酵阶段的第1个发酵罐发酵醪分出1/3~1/2至第2个发酵罐，然后量罐同时加满新鲜糖化醪，继续发酵。第1 罐任其发酵完毕，送去蒸馏。而当第2 个罐进入主发酵时，又分割出1/3~1/2的发酵醪，送入第3 罐，并同时用糖化醪将第2、第3罐加满，依次轮流下去，进行分割式发酵。此法的优点是省去了酒母的制作，由于接入的酵母种子量大，相应的减少了酵母生长的前发酵期，发酵时间可相应缩短。此法适用于卫生管理较好工厂，无菌条件要求较高。

蒸 馏

发酵成熟醪的化学组成随原料种类、加工方法、菌种性能以及操作条件不同而变化。化学组成一般为：含水82%~90%，酒精7%~11%,还含有醇、醛、酸、酯等挥发性物质，浸出物、无机盐、酵母泥和其他不挥发性物质以及夹杂物。要得到高浓度和高纯度的酒精，就需要用蒸馏和精馏的方法，把酒精从成熟醪中分离出来。

蒸馏的基本原理

蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发性的不同而分离组成的方法。在酒精生产中，通常把酒精和其他挥发性杂质从发酵成熟醪中分离出来的过程，称为蒸馏，也称为粗馏。蒸馏所得到的是含挥发性杂质较多的粗酒精，所用的设备称作醪塔，也称粗馏塔。从塔底排出的废液称为酒糟，其主要成分是水和少量不挥发性物质。 除去混在粗酒精中的挥发性杂质和一部分水，进一步提高酒精浓度和纯度的操作过程，称为精馏。精馏有的结果可以得到各种符合产品质量要求的酒精（医药酒精或精馏酒精），所用的设备称为精馏设备。精馏设备除了精馏塔以外，还要视其产品质量要求，安装排醛塔（也称分馏塔）或甲醇塔等。

1.酒精的挥发系数 蒸馏过程之所以能将成熟醪中所含的酒精分离出来，并得到高浓度的酒精，基本原因是成熟醪中所含的各种物质的挥发性不同。将两种或两种以上挥发性不同的物质组成的混合溶液加热至沸腾，这时，液相组分与气相组分往往不同，气相比液相含有较多的易挥发组分，剩下的液相就含有较多难挥发组分，加热酒精-水溶液至沸腾，蒸汽中酒精含量酒较溶液中的高。

二、蒸馏的工艺流程

醪液蒸馏和酒精精馏的主要设备是蒸馏塔，它把酒精从醪液中蒸馏分离出来，把

酒精蒸馏到高浓度；同时分离出部分杂质。

酒精发酵的成熟醪除含有固形物外，主要成分是酒精和水，并伴随许多微量物质如醛、醇、酮、酯等，这些微量物质在酒精蒸馏系统中统称杂质。

参考文献

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