糖蜜酒精生產(chǎn)工藝
一、糖蜜酒精發(fā)酵的依據(jù)二、糖蜜發(fā)酵方法
三、糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的基本理論四、影響糖蜜酒精發(fā)酵的主要因素 五、糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的工藝設(shè)備流程及工藝指標(biāo) 六、低純度糖密酒精發(fā)酵
七、糖蜜與淀粉質(zhì)原料混合發(fā)酵 八、異常發(fā)酵現(xiàn)象及處理方法
一、糖蜜酒精發(fā)酵的依據(jù)
1．糖蜜中的可發(fā)酵性物質(zhì)甘蔗糖蜜中含有相當(dāng)數(shù)量的轉(zhuǎn)化糖，約20％，蔗糖30％，甜菜糖蜜中含轉(zhuǎn)化糖極少，而含大量蔗糖，約50％左右。酵母活細(xì)胞含有豐富的水解酶和酒化酶，酵母中的蔗糖酶能將糖蜜中的蔗糖水解為一分子葡萄糖和一分子果糖，然后再通過酒化酶將己糖發(fā)酵生成灑精和CO2。
2．糖蜜酒精發(fā)酵中酵母的有效酶系糖蜜酒精發(fā)酵過程中，酵母細(xì)胞中參與酒精發(fā)酵的酶有十多種。酵母活細(xì)胞中蔗糖酶首先將糖蜜醪中的蔗糖水解生成一分子葡萄糖和一分子果糖，然后再由酵母活細(xì)胞中的酒化酶進(jìn)行發(fā)酵，酒化酶是參與酒精發(fā)酵的各種酶的總稱，它不是單一的酶，而是包括12種酶和三個(gè)輔酶體系的總稱，主要包括己糖磷酸化酶、激酶、氫化還原酶、烯醇化酶、脫羧酶及脫氫酶等，在這些酶中有的是簡單的酶，有的是復(fù)合酶，酒化酶是胞內(nèi)酶，是由酵母活細(xì)胞于細(xì)胞內(nèi)合成，也只能于細(xì)胞內(nèi)起催化反應(yīng)作用，它不能從酵母體內(nèi)滲至發(fā)酵醪中。
3．提高糖蜜酒精發(fā)酵效率的方法一方面要注意調(diào)整酵母的外界環(huán)境條件，使外因適于酵母內(nèi)在規(guī)律要求，另一方面馴養(yǎng)和選育耐高滲透壓和耐高溫的優(yōu)良酵母菌種，以適于糖蜜酒精發(fā)酵。
調(diào)整酵母外界環(huán)境的滲透壓是提高糖蜜酒精發(fā)酵效率的關(guān)鍵，酵母細(xì)胞內(nèi)酶系催化效率的提高，依賴于酵母細(xì)胞質(zhì)膜的半滲透作用。所以，糖蜜酒精發(fā)酵要求發(fā)酵醪要有適當(dāng)?shù)臐B透壓，才有利于酵母半透性細(xì)胞質(zhì)膜對醪液中C、N源、生長素等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，才能加速細(xì)胞內(nèi)酶系的催化反應(yīng)速度，從而使發(fā)酵率進(jìn)一步提高。為了保證酒母細(xì)胞質(zhì)膜半滲透作用的正常進(jìn)行，對于糖蜜原料，特別是低純度糖蜜原料，應(yīng)想辦法先除去搪蜜中的焦糖、黑色素、果膠等膠體物質(zhì)；只有適當(dāng)降低糖密濃度和粘度才能調(diào)整至適宜的滲透壓，才能保證酵母細(xì)胞質(zhì)膜半滲透作用的正常進(jìn)行和提高工作效率。
其它工藝條件也能直接影響發(fā)酵效率，如果調(diào)整適宜的發(fā)酵溫度，發(fā)酵效率也明顯提高。例如采用川102酵母菌種發(fā)酵溫度控制在36℃以下，則產(chǎn)酒精特別高，發(fā)酵率也明顯提高。但發(fā)酵溫度超過36℃以上甚至高達(dá)40℃時(shí)，則產(chǎn)酒精速度降低，發(fā)酵率也明顯降低。而川345酵母菌種對溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)，夏天天氣炎熱，盡管發(fā)酵溫度可達(dá)40℃，發(fā)酵尚正常，發(fā)酵率仍穩(wěn)定�？梢姴粩囫Z養(yǎng)和選育耐高滲透壓和耐高溫的優(yōu)良酵母菌種顯得特別重要。
4．糖蜜酒精發(fā)酵宜在密閉發(fā)酵罐中進(jìn)行的理論依據(jù)糖密酒精發(fā)酵過程是不需氧的生物化學(xué)氧化過程，其生物氧化自成體系，反應(yīng)過程中生成還原態(tài)的NAD·2H，用于乙醛的還原，而其自身被氧化恢復(fù)成氧化態(tài)的NAD。輔酶上的氧化還原過程，即酒精發(fā)酵氫的傳遞過程。所以酵母進(jìn)行糖蜜酒精發(fā)酵時(shí)宜在密閉的發(fā)酵罐中進(jìn)行。
酵母進(jìn)行糖蜜酒精發(fā)酵時(shí)，在有氧的情況下，由于進(jìn)行了呼吸作用，而酒精產(chǎn)量大大降低，糖的消耗速度在單位時(shí)間內(nèi)也減慢。
有氧情況下，為什么糖蜜酒精發(fā)酵的發(fā)酵率反而降低?從酒精發(fā)酵反應(yīng)式可總結(jié)如下：
C6H12O6十2ADP十2H3PO4→2C2H5OH十2ATp十2CO2↑
在酒精發(fā)酵過程中，在無氧情況下，一分子葡萄糖經(jīng)酵母酒化酶系的催化作用最終生成二分子的乙醇，二分子ATP，二分子CO2，同時(shí)在酒精發(fā)酵中進(jìn)行底物水平磷酸化，每發(fā)酵一分子葡萄糖產(chǎn)生3分子ATP，同時(shí)需要用去2分子ADP和2分子磷酸：
2ADP十2Pi→2ATP
在有氧的情況下，進(jìn)行電子傳遞磷酸化，每消耗一分子葡萄糖，則產(chǎn)生38個(gè)ATP，因此需要38個(gè)分子的ADP和磷酸：
38ADP十38Pi→38ATP
在酵母細(xì)胞內(nèi)，ADP和Pi量是有限的，由于發(fā)酵的高速度進(jìn)行，ADP和Pi經(jīng)充分被利用了，當(dāng)有氧的情況下進(jìn)行了電子傳遞磷酸化，生成大量的ATP，因而消耗了大量的ADP和Pi，而用來進(jìn)行發(fā)酵的底物磷酸化就會(huì)感到不足，從而降低了發(fā)酵速度，因此在有氧的情況下，糖蜜酒精發(fā)酵的效應(yīng)反而降低。由此可見，糖蜜酒精發(fā)酵宜在密閉的發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行。
5．從CO2回收酒精的依據(jù)糖蜜酒精發(fā)酵過程中放出大量CO2。發(fā)酵過程中產(chǎn)生CO2的主要來源是在酵母菌羧化酶及羧化輔酶的催化作用下，丙酮酸脫羧變?yōu)橐胰┎⒎懦?/span>CO2，乙醛在酵母的乙醇脫氫酶作用下還原為酒精。
根據(jù)糖蜜酒精發(fā)酵化學(xué)反應(yīng)式：
C12H22O11十H2O＝＝＝＝＝2C6H12O6
342.2 2×180
C6H12O6＝＝＝＝＝＝2C2H5OH十2CO2↑
2×46 2×44
100公斤蔗糖可生成105.26公斤轉(zhuǎn)化糖。
理論上1噸蔗糖應(yīng)產(chǎn)生538.1公斤無水酒精，或682公升無水酒精(以20℃計(jì)算)，或677.6公升無水酒精(以15℃計(jì)算)，同時(shí)產(chǎn)461.9公斤CO2，可見糖蜜酒精發(fā)酵過程中產(chǎn)生CO2數(shù)量不少。一個(gè)年產(chǎn)3000噸糖蜜酒精工廠每小時(shí)排出CO2400-580公斤，每年排出CO2 2736噸。目前國內(nèi)不少酒精工廠回收CO2綜合利用生產(chǎn)液體CO2、干冰等。
在酒精發(fā)酵過程中，CO2的排出需要通過含有酒精的發(fā)酵醪層，于是就被酒精蒸汽所飽和，因此，CO2排出的同時(shí)必然帶走醪液中的一部分酒精。另外，酒精發(fā)酵醪表面的蒸發(fā)也使部分酒精必然隨著CO2氣體而排出。排出的CO2所帶走的酒精數(shù)量與發(fā)酵醪的溫度、酒精濃度以及蒸發(fā)表面的狀態(tài)都有密切的關(guān)系。根據(jù)糖蜜酒精工廠實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)酵過程中CO2帶出的酒精量按產(chǎn)量的1—1.169％計(jì)，則一個(gè)年產(chǎn)3000噸的糖蜜酒精工廠每年由于CO2所帶走的酒精即達(dá)30000—35000公斤。因此，決不能讓這么多的酒精損失，必須設(shè)法回收。目前酒精工廠多采用的CO2酒精捕集器有泡蓋式與填科式兩種，捕集效果較好。
6．糖蜜酒精發(fā)酵過程中產(chǎn)生乙醛積累較多量的來由糖蜜酒精發(fā)酵特點(diǎn)之一就是發(fā)酵過程中代謝產(chǎn)物生成乙醛量較多。為了保證成品酒精的質(zhì)量，蒸餾過程中要特別注意排醛操作和抽提醛酒。
乙醛是酒精發(fā)酵的中間代謝產(chǎn)物，在無氧條件下，丙酮酸脫羧便形成乙醛，并放出CO2。乙醛是酒精的前體物質(zhì)。正常的酒精發(fā)酵，乙醛在酵母的乙醇脫氫酶的作用下，由還原型輔酶I(NAD·2H)還原為酒精。在正常酒精發(fā)酵的情況下，乙醛積累不應(yīng)過多，但由于糖蜜中的膠體物質(zhì)，灰分及重金屬離子對酵母細(xì)胞中乙醇脫氫酶活性有一定的抑制作用，或從甘油醛轉(zhuǎn)變成甘油酸中放出的還原型輔酶I (NAD·2H)中斷，都使乙醛還原為酒精受到制約，因而相對地增加了乙醛的積累。特別是采用通風(fēng)培養(yǎng)酒母的糖蜜酒精發(fā)酵，代謝副產(chǎn)物中乙醛的積累特別多，這都與酵母細(xì)胞中脫氫酶活性受抑制有關(guān)。
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二、糖蜜發(fā)酵方法
糖蜜酒精的發(fā)酵方法很多，基本上可分為間歇法與連續(xù)法兩大類，目前我國大多數(shù)糖蜜灑精工廠都采用連續(xù)發(fā)酵法，生產(chǎn)技術(shù)管理比較完善，而且有些廠儀表自動(dòng)化程度也比較高，而產(chǎn)量較少的糖蜜酒精工廠仍有采用間歇發(fā)酵法。
(一)間歇發(fā)酵法
根據(jù)工藝和設(shè)備不同，間歇發(fā)酵法又可分為開放式、密閉式、分割式、分段添加和連續(xù)流加等發(fā)酵方法。
1．開放式間歇發(fā)酵法此法的特點(diǎn)是醪液在敞開的發(fā)酵槽內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵，操作是間歇進(jìn)行，發(fā)酵槽一般用水泥制成，也可用鋼板制成，發(fā)酵槽內(nèi)裝有冷卻管和蒸汽管，使用時(shí)先用石灰乳、熱水充分洗滌及消毒。培養(yǎng)酒母稀糖蜜濃度為12—15％，pH4.0—5.O，接入10％的種子，25—30℃培養(yǎng)至濃度為6—8％時(shí)即為成熟灑母。濃度為20％的稀糖液送入發(fā)酵槽，同時(shí)接入20％的酒母，接種溫度隨季節(jié)而改變，夏季27℃，冬季為32℃，酒母添加后不久就進(jìn)行前發(fā)酵，再約經(jīng)10小時(shí)開始主發(fā)酵，溫度逐漸上升，這時(shí)要注意降溫，發(fā)酵時(shí)間約需30—40小時(shí)，成熟醪含酒精6—7％(容量)。
開放式間歇發(fā)酵法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，容易上馬，操作簡便。缺點(diǎn)是直接與空氣接觸不利于嫌氣性發(fā)酵，容易感染雜菌，同時(shí)也容易導(dǎo)致酒精揮發(fā)損失及CO2無法回收，設(shè)備利用率低。
2．密閉式間歇發(fā)酵此法的特點(diǎn)是在密閉的容器內(nèi)進(jìn)入，嫌氣性發(fā)酵條件較好，能防止雜菌感染，發(fā)酵率穩(wěn)定，可以回收CO2，酒精損失較少。
酒母罐預(yù)先以100℃空消1小時(shí)，送入12—15％的稀糖液后，再加熱到100℃，滅菌30分鐘，實(shí)消后加入濃硫酸調(diào)節(jié)pH4.5—5.0，然后冷卻到30℃時(shí)接入種母，培養(yǎng)至濃度降至6—8％時(shí)即為成熟酒母。
將已殺菌的濃度為20％的稀糖液送入密閉式發(fā)酵槽，冷卻至80℃時(shí)接入10％的酒母，保溫30—35℃發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間為30—40小時(shí)，成熟醪含酒精6.5—7％(容量），發(fā)酵率86—87%。
3．分割式發(fā)酵法此法是利用發(fā)酵正常的主發(fā)酵醪，把它抽出一部分(1／3或1／2)送人第二發(fā)酵罐，作為第二發(fā)酵罐的酒母，兩個(gè)發(fā)酵罐各用稀糖液添加滿，第一個(gè)罐讓它發(fā)酵完畢，然后蒸餾，而第二個(gè)發(fā)酵罐在進(jìn)入主發(fā)酵期時(shí)，又分割出1／3或1／2的發(fā)酵醪送入第三個(gè)發(fā)酵罐，作為第三個(gè)發(fā)酵罐的酒母，再分別添加滿稀搪液，如此依次進(jìn)行下去，分割主發(fā)酵醪進(jìn)行發(fā)酵。
此法優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省酒母的制備，分割主發(fā)酵醪作為酒母，接種量較大，可以縮短發(fā)酵時(shí)間，缺點(diǎn)是容易感染雜菌。為了減少雜菌感染的機(jī)會(huì)，每天更換新種兩次，或在重復(fù)分割時(shí)，將發(fā)酵醪酸化調(diào)整為pH4.0，或添加適量的氟化鈉或五氯代苯酚鈉等化學(xué)防腐劑。我國南方小型糖蜜酒精工廠采用此法較普通。稀糖液濃度以全糖分為標(biāo)準(zhǔn)，冬季為12—13％，夏季為ll—12％，酒母稀糖液的濃度一般比發(fā)酵所用的低2—3％，發(fā)酵時(shí)間只需要30—36小時(shí)，成熟醪含酒精夏季6—6.5％(容量)，冬季6.5—7％(容量)。
4．分段添加發(fā)酵法分段添加發(fā)酵法的特點(diǎn)是將酵母培養(yǎng)階段和發(fā)酵階段明顯地劃分開來，根據(jù)兩者不同的目的要求，采取不同的技術(shù)條件，在發(fā)酵過程中盡可能維持醪液中的糖分一致，使酵母在較穩(wěn)定的情況下發(fā)酵，由于采用分段添加糖液，保持了醒液中較低的糖分和較高的酒精分。
分段添加發(fā)酵法是在發(fā)酵罐中加入10—20％的成熟酒母，并且分三次或更多次加入基本稀糖液。第一、第二次添加發(fā)酵罐容積20％的糖液，第三次加入發(fā)酵罐容積40—50％的糖液。為了使酵母很好地增殖，在第一次及第二次添加時(shí)，通空氣一小時(shí)，而第三次添加時(shí)則通氣15-20分鐘，如果沒有通風(fēng)設(shè)備，添加速度應(yīng)盡量慢。
當(dāng)糖度降到5.5—6％時(shí)，才開始添加基本稀糖液，稀糖液混入后的濃度應(yīng)在7.5％左右，最后一次添加的稀糖液濃度應(yīng)該保證成熟醪的酒精含量為8.5—9％(容量)，錘度為5.5-—6.5％，發(fā)酵溫度宜控制30—35℃。發(fā)酵時(shí)間約36—45小時(shí)。
5．連續(xù)流加發(fā)酵法連續(xù)流加發(fā)酵法的特點(diǎn)是把成熟的酒母一次加入發(fā)酵罐中，然后連續(xù)流加基本糖液，連續(xù)流加基本糖液的速度應(yīng)控制，使發(fā)酵糖液的濃度大致相同，這樣可使發(fā)酵時(shí)間大大縮短，發(fā)醪中酒精含增高。
連續(xù)流加發(fā)酵法是先將占發(fā)酵醪總?cè)萘考s30%的成熟酒母醪一次放入發(fā)酵罐中，然后加入相同數(shù)量的濃度為14％的稀糖液，通入空氣，使其與酒母混勻，促使酒母很快增殖，約經(jīng)過兩小時(shí)，發(fā)酵度降低7—7.5％，這時(shí)就連續(xù)地加入濃度32—35％的基本稀糖液，連續(xù)流加基本糖液的速度，主要是維持加入過程中發(fā)酵醪的濃度在10％左右。采用連續(xù)流加發(fā)酵法，發(fā)酵最高溫度須控制在33—34℃，發(fā)酵總時(shí)間只有15—20小時(shí)，發(fā)酵醪的酒精含量可達(dá)9％(容量)以上。
(二)連續(xù)發(fā)酵法
間歇式發(fā)酵是始終在一個(gè)容器內(nèi)進(jìn)行，酵母始終處在一個(gè)變動(dòng)的環(huán)境中，即酵母的繁殖與生命活動(dòng)是在糖分不斷下降，酒精含量逐步增加的變化過程中進(jìn)行的。連續(xù)發(fā)酵與此相反，發(fā)酵的每一個(gè)階段是在各個(gè)不同的容器中進(jìn)行，對每個(gè)容器來講，醪液的濃度，酒精的含量，pH，溫度等因素是一定的，這樣，酵母由于適應(yīng)穩(wěn)定外界的環(huán)境，其發(fā)酵能力加強(qiáng)，發(fā)酵率也相應(yīng)提高，整個(gè)生產(chǎn)過程連續(xù)化，操作方便，生產(chǎn)管理穩(wěn)定，大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)省勞動(dòng)力，為實(shí)現(xiàn)儀表自動(dòng)控制提供了有利條件，同時(shí)由于連續(xù)發(fā)酵法，節(jié)約了非生產(chǎn)時(shí)間，提高了發(fā)酵設(shè)備利用率。
我國南方利用甘蔗糖蜜與北方利用甜菜糖蜜生產(chǎn)酒精的工廠，大都采用連續(xù)發(fā)酵法。糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的方法較多，現(xiàn)歸納如下：
1．多級連續(xù)發(fā)酵法多級連續(xù)發(fā)酵法又稱自流式連續(xù)流動(dòng)發(fā)酵法，是在一組串聯(lián)幾個(gè)發(fā)酵罐中進(jìn)行的，罐的數(shù)量及位置可以不同。通常采用9—10個(gè)罐串聯(lián)起來，它們的位置可以在高度相同的一個(gè)平面上或者高度不同的兩個(gè)平面上，呈梯級式。酒母和基本稀糖液，以一定的速度連續(xù)地流入前兩個(gè)發(fā)酵罐，發(fā)酵時(shí)醪液從#1發(fā)酵罐上部沿連通管流入#2發(fā)酵罐底部，再經(jīng)#2發(fā)酵罐上部流入#3發(fā)酵罐底部，這樣順序連續(xù)流動(dòng)，經(jīng)過一組串聯(lián)的發(fā)酵設(shè)備所連接的空間，酵母完成增殖和發(fā)酵作用的全過程，成熟醪從最后的發(fā)酵罐中連續(xù)排出，送去蒸餾。
多級連續(xù)發(fā)酵法可分為單濃度連續(xù)發(fā)醉法和雙濃度連續(xù)發(fā)酵法兩種。單濃度連續(xù)發(fā)酵法是酒母培養(yǎng)與連續(xù)發(fā)酵醪的糖液均采用同一種濃度：22—25％；雙濃度連續(xù)發(fā)酵法酒母的培養(yǎng)液采用低濃度糖液，濃度為12—15％；連續(xù)發(fā)酵法添加基本稀糖液采用高濃度糖液，濃度為32—35％。
多級連續(xù)發(fā)酵法的特點(diǎn)是：把前兩個(gè)發(fā)酵罐作為主體罐，在酒母與基本稀糖液連續(xù)流加的條件下，酵母處在對數(shù)生長期，保持旺盛的生命活動(dòng)能力，發(fā)酵-開始便達(dá)到主發(fā)酵期，發(fā)酵時(shí)間可以大大縮短。在間歇分批發(fā)酵過程中，酵母的萌發(fā)期較長，然而在連續(xù)發(fā)酵過程中，酵母的萌發(fā)期的時(shí)間取決于主罐中醪液交換的速度和第一次加入酵母的數(shù)量。換句話說，如果交換速度過大，在營養(yǎng)物質(zhì)豐富的情況下，雖然酵母的生長速度加大，但不利于酵母的積累，往往酵母來不及繁殖就有可能被流掉，酵母積累便在后面幾個(gè)罐內(nèi)進(jìn)行，并且速度緩慢。為了消除這一現(xiàn)象，
主罐的發(fā)酵醪交換速度應(yīng)比其他發(fā)酵罐的進(jìn)度低一些，為此可加大主發(fā)酵罐的容量，或者利用一組罐的前兩罐作主罐，這種方法使酵母的積累在第一罐內(nèi)結(jié)束，而使第二、第三發(fā)酵罐酵母細(xì)胞含量變化不大，使連續(xù)發(fā)酵穩(wěn)定在一定的酵母數(shù)量。酵母在主罐中積累過程也取決于它的初始含量，在連續(xù)發(fā)酵過程中控制主發(fā)酵罐的酵母數(shù)量甚為重要，需要掌握好發(fā)酵醪的流加速度，使其交換速度與酵母的生長速度達(dá)到相對平衡。另外，糖蜜連續(xù)發(fā)酵一些重要的因子，如糖濃度、pH、溫度、酵母數(shù)量和酒精濃度在各個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)雖不相同，但能控制保持相對穩(wěn)定性，因而可
以避免和間歇發(fā)酵過程中由于代謝產(chǎn)物反饋抑制作用，酒精濃度增加，致使酵母出現(xiàn)過早衰亡的現(xiàn)象，使酵母連續(xù)發(fā)酵作用得到充分發(fā)揮，因此，發(fā)酵率可以相應(yīng)提高。多級連續(xù)發(fā)酵節(jié)約了非生產(chǎn)時(shí)間，所以設(shè)備利用率相應(yīng)提高。但應(yīng)該看到多級連續(xù)發(fā)酵經(jīng)常會(huì)因雜菌感染，不可能長期維持下去，必須定期更換酵母種子，一般每隔幾天，必要時(shí)甚至每隔2—3天各發(fā)酵罐需要交替排空滅菌再重新接入酵母種子進(jìn)行發(fā)酵，滅菌方法如下，
先用泵將#1發(fā)酵罐抽人#2發(fā)酵罐，#1發(fā)酵罐于l00℃滅菌1小時(shí)后，再用泵將#2發(fā)酵罐發(fā)酵液抽入#3發(fā)酵罐，按順序下去，直至各發(fā)酵罐滅菌完畢為止，在滅菌換種過程中仍不停止流加基本稀糖液。目前我國四川內(nèi)江糖廣、廣東陽江糖廠等酒精車間發(fā)酵過程采用高酸滅菌和抑制雜菌繁殖，不通空氣進(jìn)行酒母培養(yǎng)，不停生產(chǎn)抽醪洗罐，以及在抽醪洗罐時(shí)，提高培養(yǎng)糖液酸度，洗滌酒母罐等措施，實(shí)現(xiàn)糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵長期不換酒母種，通常6個(gè)月才換一次新種，這樣不僅節(jié)約酒母培養(yǎng)的管理工作節(jié)約水、電、汽，更重要的是酵母適應(yīng)能力強(qiáng)，發(fā)酵率穩(wěn)定，如果經(jīng)常更換新種，還需要一段時(shí)間適應(yīng)過程，直接影響發(fā)酵率及生產(chǎn)任務(wù)的完成。
2．循環(huán)(往復(fù))多級連續(xù)發(fā)酵法此法的特點(diǎn)是發(fā)酵設(shè)備與多級連續(xù)發(fā)酵法相同，但管道布置與換種操作則不同，共同點(diǎn)是發(fā)酵設(shè)備同樣由9至10個(gè)發(fā)酵罐一組串聯(lián)起來，酒母與基本稀糖液的流加，由#1、#2發(fā)酵罐，依次經(jīng)過所有的發(fā)酵罐完成連續(xù)發(fā)酵的全過程，成熟醪從最終發(fā)酵罐排出，送去蒸餾。不同點(diǎn)是：最終發(fā)酵罐成熟醪蒸餾后，立即刷罐滅菌，接入酵母新種，連續(xù)流加基本糖液，其它各發(fā)酵罐依次滅菌接入發(fā)酵醪，以相反的方向連續(xù)流動(dòng)進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵，這樣尾罐變?yōu)槭坠�，�?shí)現(xiàn)了循環(huán)連續(xù)發(fā)酵法。該法的優(yōu)點(diǎn)是不需用泵轉(zhuǎn)換，可簡化操作，節(jié)省電力消耗。 ’
3．通氣攪拌多級連續(xù)發(fā)酵法為了使糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵在均勻相(或均質(zhì))情況下進(jìn)行，同時(shí)保證有足夠或較多的酵母數(shù)量。我國一些糖蜜酒精廠，在一組發(fā)酵罐串聯(lián)起來的發(fā)酵系統(tǒng)中第一個(gè)罐采用通氣攪拌或間歇通氣攪拌措施，保持足夠和較多量酵母的情況下，通過連續(xù)流加基本稀糖液，使酵母迅速處于對數(shù)生長階段，保持其旺盛的生命力，和提高酵母的比生長速度，是獲得高發(fā)酵率的關(guān)鍵。在隨后的各級發(fā)酵罐中，隨著糖液濃度降低，酵母比生長速度也逐漸緩慢降低。所以，設(shè)計(jì)糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵方案時(shí)，宜采用雙流和多流系統(tǒng)，即糖液同時(shí)流入前2—3個(gè)發(fā)酵罐，以便保持酵母一定的比生長速度。間歇通氣攪拌對穩(wěn)定和保證較高的比生長速度更為有利。
4．回收酵母多級連續(xù)發(fā)酵法此法的特點(diǎn)是將發(fā)酵醪的酵母，用高速離心機(jī)回收再用。由于回收大量的酵母，在發(fā)酵過程中一開始便有足夠多量的酵母，發(fā)酵特別旺盛，代謝產(chǎn)物酒精立即大量積聚。由于代謝產(chǎn)物的反饋抑制作用，發(fā)酵過程中隨著酒精濃度迅速增高，抑制了酵母的增殖，使酵母迅速衰亡。因此，酵母耗糖的損失相應(yīng)減少，酒精產(chǎn)率相應(yīng)可增加2％左右，連續(xù)發(fā)酵時(shí)間可縮短8—10小時(shí)，所以此法的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵周期短，產(chǎn)率高，設(shè)備利用率高。
回收酵母多級連續(xù)發(fā)酵是在四個(gè)一組串聯(lián)的發(fā)酵罐中進(jìn)行，連續(xù)發(fā)酵用糖液濃度為30—34％，來自活化罐的成熟酒母及發(fā)酵濃糖液送入第一個(gè)發(fā)酵罐的底部，發(fā)酵醪向上升起，沿導(dǎo)管流入第二發(fā)酵罐的底部，依次流入第三個(gè)發(fā)酵罐。這樣的輸送方向保證了酵母在整個(gè)發(fā)酵期間都處于懸浮狀態(tài)。由于發(fā)酵作用產(chǎn)生代謝產(chǎn)物酒精和二氧化碳，醪液比重沿罐高度而逐漸降低，這樣能防止發(fā)酵醪把剛送來的糖液帶走。第三與第四兩個(gè)發(fā)酵罐之間上部用導(dǎo)管相連，發(fā)酵醪由第四發(fā)酵罐的下部放出，使酵母沉降，便于回收。發(fā)酵醪的流動(dòng)速度需調(diào)節(jié)到第一罐發(fā)酵度14％，第二罐發(fā)酵度10％，第三罐發(fā)酵度6.5％，第四罐6.1％，成熟醪酒精濃度約為8.8％(容量)。
從發(fā)酵醪分離回收的酵母漿，約為發(fā)酵醪容積的15％，此酵母漿送至酒母罐，添加濃度11—12％稀糖液并添加硫酸，位酸度達(dá)1—1.3°，再加過磷酸鈣，而不加氮源養(yǎng)料，當(dāng)濃度降低至4.5—5％時(shí)，即將酒母醪送至發(fā)酵罐，在發(fā)酵過程所釋出的二氧化碳，通過捕集器，而洗水則用來稀釋糖蜜，發(fā)酵醪用泵送入沉降槽，通過高速離心分離器將醪液和酵母分離，醪液送去蒸餾，酵母重回至活化罐中，如此反復(fù)使用15次左右。
三、糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的基本理論
(一)糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的理論依據(jù)
糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵是在間歇法分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但連續(xù)發(fā)酵的控制與分批發(fā)酵的控制畢竟有較大的差別。為了使糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵獲得較高的發(fā)酵效率，必須首先認(rèn)識(shí)在糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵過程中酵母生命活動(dòng)的特點(diǎn)，另一方面要了解糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的變化規(guī)律，要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)適宜于酵母糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵穩(wěn)定狀態(tài)的工藝條件。而這些穩(wěn)定狀態(tài)是建立在動(dòng)態(tài)平衡的基礎(chǔ)上。如果糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵出現(xiàn)不穩(wěn)定性的問題，這不僅降低發(fā)酵率，同時(shí)會(huì)引起雜菌的污染和酵母菌種的變異，退化，甚至破壞正常連續(xù)發(fā)酵的進(jìn)行。
正確設(shè)計(jì)糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的工藝設(shè)備流程，首先要了解連續(xù)發(fā)酵過程中酵母的生長速度與發(fā)酵基質(zhì)濃度，代謝產(chǎn)物濃度以及發(fā)酵基質(zhì)流加速度，代謝產(chǎn)物形成速度的辯證關(guān)系，同時(shí)也要明確連續(xù)發(fā)酵的類型，合理選擇發(fā)酵罐設(shè)備的大小、容量和數(shù)量；選擇適宜的稀釋度、進(jìn)料速度、營養(yǎng)濃度和pH值等工藝參數(shù)，力求連續(xù)發(fā)酵處于動(dòng)態(tài)平衡相對穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行。
糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的類型大多是屬于恒流速多級均質(zhì)連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)，要認(rèn)識(shí)恒流速多級均質(zhì)連續(xù)發(fā)酵的變化規(guī)律，首先應(yīng)分析最簡單的連續(xù)發(fā)酵過程。從理論上仔細(xì)分析這一較簡單的動(dòng)態(tài)變化，并建立了數(shù)學(xué)關(guān)系式，通過數(shù)學(xué)關(guān)系式的理論推導(dǎo)，就不難看出連續(xù)發(fā)酵處于動(dòng)態(tài)平衡相對穩(wěn)定工藝參數(shù)之間的辯證關(guān)系。
hoonpapa 2007-4-3 19:39
(二)單級勻質(zhì)連續(xù)發(fā)酵控制的理論依據(jù)
1．單級培養(yǎng)的基本概念
(1)稀釋度的概念酵母生長繁殖速度決定于發(fā)酵基質(zhì)的濃度，而在發(fā)酵條件下發(fā)酵基質(zhì)濃度卻取決于稀釋度和進(jìn)料速度。
在恒流速勻質(zhì)連續(xù)發(fā)酵罐中，單位體積的發(fā)酵醪在發(fā)酵罐中的平均停留時(shí)間是以稀釋度D表示：
D＝f/V(小時(shí)-1)..............................................................1
式中 f——為發(fā)酵醪的速度，立方米／小時(shí)
V——為發(fā)酵醪的容積即發(fā)酵罐的有效容積，立方米。
由此可以看出，所謂稀釋度，即為每小時(shí)流過單位發(fā)酵罐的發(fā)酵醪容積數(shù)，單位為小時(shí)-1，也可以理解為每小時(shí)內(nèi)新鮮基本稀糖液的交換量，稀深度的倒數(shù)即為停留時(shí)間。
∴停留時(shí)間 T＝1/D(小時(shí))
例如表2—3所示。
表2—3 停留時(shí)間與稀釋程度的關(guān)系
V（m3） f（立方米/小時(shí)） D（小時(shí)-1）停留時(shí)間（小時(shí)）
10 1 1/10=0.1 10
10 5 5/10=0.5 2
10 10 10/10=1 1
(2)倍增時(shí)間或世代時(shí)間的概念在分批發(fā)酵時(shí)，處于對數(shù)生長期的酵母，基本上以固定的速度繁殖。由于酵母是以二等分分裂法(出芽法)繁殖，細(xì)胞每分裂(出芽)一次所需要的時(shí)間為g，稱為世代時(shí)間，又稱倍增時(shí)間。假若在一定體積的發(fā)酵醪中，開始時(shí)酵母細(xì)胞數(shù)量為X0，經(jīng)過一段培養(yǎng)后，細(xì)胞數(shù)量變化可寫為：
末分裂(出芽)時(shí)，酵母細(xì)胞的濃度是X0
在第一次分裂后(一世代后)，酵母細(xì)胞濃度是2X0
在第二次分裂后(二世代后)酵母細(xì)胞濃度是2×2X0
在第n次分裂后(n世代后)，酵母細(xì)胞濃度是2n X0
即酵母經(jīng)n次世代后最后的酵母細(xì)胞濃度為：
X=X0·2n.....................................................................2
n表示在t時(shí)間內(nèi)細(xì)胞分裂的次數(shù)，則：
f/n=g......................................................................3
此g表示在對數(shù)生長期中平均世代時(shí)間或倍增時(shí)間，它在這里的含義是表示細(xì)胞群體的平均世代時(shí)間，并非某一個(gè)細(xì)胞繁殖的世代時(shí)間。直接測定平均世代時(shí)間是因難的，常采用的方法，是在一已知的時(shí)間間隔內(nèi)測定細(xì)胞數(shù)量的增加，再經(jīng)計(jì)算后求出平均世代時(shí)間，為此目的應(yīng)將3寫成n=t/g并代入2
則：X＝X0·2·t/g..............................................................4
將4式取對數(shù)并重排得到下列等式：
g=ln2·t/（lnx-lnX0）=0.69t/（lnX-lnX0）......................................5
等式5是計(jì)算世代時(shí)間的基本公式，它表示在t時(shí)間內(nèi)，由二次測定菌體細(xì)胞數(shù)量的增加而計(jì)算出的平均世代時(shí)間。在測定時(shí)應(yīng)在固定的條件下進(jìn)行。
(3)對數(shù)生長速度的概念在對數(shù)生長期中酵母的生長速度是固定的，對數(shù)生長期中一定時(shí)間內(nèi)細(xì)胞數(shù)量的增加可用對數(shù)生長速度μ表示。
將4式取對數(shù)，則：1nx=t·ln2/g+lnX0...........................................6
因在對數(shù)生長期中ln2/g的數(shù)是固定的，如改用μ代替，上述等式可寫為：
lnX＝μt+lnX0...............................................................7
則μ=ln2/g=0.69／g..........................................................8
或者將7式重排
μ=（lnX-lnX0）/t............................................................9
9式是測定對數(shù)生長速度的常用公式，它表示從t—t0這樣時(shí)間間隔t內(nèi)，菌體數(shù)量由X0增加到x時(shí)的速度。
對數(shù)生長速度μ是由酵母的生長能力和發(fā)酵的外界環(huán)境所決定的，酵母在對數(shù)生長期的生長速度μ要達(dá)到最大值必須生長在營養(yǎng)豐富的發(fā)酵醪中，也就是要含有充分的碳、氮、磷及生長因素，達(dá)到最大的生長速度稱生長最高速度，以μm表示。
(4)菌體密度與生長速度的關(guān)系
x--發(fā)酵罐中酵母菌體密度，克／升
μ--對數(shù)生長速度，小時(shí)-1
從公式7去對數(shù)可得：
X=X0eμt....................................................................10
解此式可得酵母的瞬時(shí)增殖速度為：
dX/dt=μt...................................................................11
(5)生長速度與基質(zhì)濃度的關(guān)系
μ=μmax·[S/（Ks+S）]........................................................12
式中 S——限制生長的基質(zhì)濃度，克／升
μmax——該發(fā)酵醪中μ的最大值即最高生長速度，小時(shí)-1
Ks——生長速度等于最高生長速度一半時(shí)的基質(zhì)濃度稱飽和常數(shù)，克／升
μmax值的生理意義在于能說明在相同條件下，用作主要營養(yǎng)成分的發(fā)酵基質(zhì)的同化效率，即說明酵母能利用該發(fā)酵基質(zhì)的專門酶系統(tǒng)的活性高低。
Ks的生理意義是Ks數(shù)值的大小，表示酶系對發(fā)酵基質(zhì)的親和力，同時(shí)也表示該發(fā)酵基質(zhì)在酵母細(xì)胞中的滲透能力的大小。
(6)總生長量的概念酵母在一定容積的發(fā)酵醒醪中，繁殖所能達(dá)到的最大數(shù)量
G＝Km－X0..................................................................13
式中 Km——最終菌體量，克／升
xo——接種時(shí)酵母細(xì)胞的濃度，即接種量，克／升
G——總生長量，克／升
當(dāng)酵母對數(shù)生長期結(jié)束，進(jìn)入生長穩(wěn)定期，此時(shí)細(xì)胞數(shù)量不再增加，因此生長穩(wěn)定期的酵母數(shù)量就是生長量。
(7)限制因素的概念如前所述，只有在某些限制因素出現(xiàn)后，酵母繁殖的對數(shù)生長期才會(huì)結(jié)束，常見的限制因素如營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，有毒代謝產(chǎn)物的積累、pH值的變化等，糖蜜酒精發(fā)酵中酒精代謝產(chǎn)物的積累對酵母就是一種限制因素。如果微生物生長時(shí)只有一種限制因素存在，如作為碳源或能源的主要營養(yǎng)成分成為限制因素時(shí)，那么總生長量G的數(shù)值便可以用來測定限制因素的影響，可作為研究微生物營養(yǎng)的工具，當(dāng)其它營養(yǎng)物質(zhì)是過量的，而只有一種主要營養(yǎng)成分是限量供應(yīng)，成為該微生物生長的限制因素，這種微生物的總生長量G與此限制營養(yǎng)因素濃度之間的關(guān)系是一直線關(guān)系，可以表示為：
G＝KS0......................................................................14
式中 K-——產(chǎn)量常數(shù)
S0——限制營養(yǎng)因素的濃度，即消耗營養(yǎng)物質(zhì)總量，克／升
G——總生長量，克／升
14式說明在此條件下，合成細(xì)胞數(shù)量是和限制因素的濃度成正比關(guān)系的，當(dāng)限制因素——營養(yǎng)物質(zhì)完全消耗盡，微生物生長也就完全停止。
根據(jù)14式可決定產(chǎn)量常數(shù)
K=G/S0.....................................................................15
上式說明，生長產(chǎn)量常數(shù)為消耗單位重量的營養(yǎng)物質(zhì)所能生
成的菌體量，同時(shí)根據(jù)K值大小可以看出該微生物同化效率的高低。
2．連續(xù)發(fā)酵的生長動(dòng)力學(xué)
(1)連續(xù)發(fā)酵時(shí)菌體密度的變化在連續(xù)發(fā)酵罐中，酵母生長速度是：
dx/dt=μx
當(dāng)連續(xù)加入新鮮基本稀糖液時(shí)，如酵母的生長速度為零，則發(fā)酵罐內(nèi)的酵母菌體密度必然隨稀釋度而減少。
流出速度＝dx/dt=Dx.........................................................16
能建立連續(xù)發(fā)酵的基本條件，應(yīng)是在連續(xù)發(fā)酵罐中處于動(dòng)態(tài)
平衡狀態(tài)，即對數(shù)生長速度等于稀釋度μ＝D
酵母菌體增加速度=生長速度-流出速度＝0
即 dx/dt=μx－Dx=（μ－D）x=0................................................17
在17式中，可能出現(xiàn)三種情況：
① μ＞D，則在發(fā)酵罐中酵母菌體密度不斷增加。
② μ＜D，則在發(fā)酵罐中酵母菌體密度不斷減少。
③ μ=D，則在發(fā)酵罐中酵母菌體密度成為動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。
(2)連續(xù)發(fā)酵的發(fā)酵基質(zhì)的變化
設(shè)： S0——流入時(shí)的基質(zhì)濃度，克／升
S——流出時(shí)的基質(zhì)濃度，克／升
因此S0＞S
連續(xù)發(fā)酵時(shí)基質(zhì)變化也處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，即基質(zhì)增加速度=進(jìn)入速度-流出速度-基質(zhì)消耗速度＝0
ds/dt=DS0-DS-μmax·X/K[S/（Ks+s）]=0.........................................18
(3)連續(xù)發(fā)酵中平衡狀態(tài)菌體密度與基質(zhì)間的關(guān)系從17和18式可見，在連續(xù)發(fā)酵的平衡狀態(tài)下，菌體增加速度與基質(zhì)增加速度都等于零，即：
dx/dt=0
ds/dt=0
因此能計(jì)算在連續(xù)發(fā)酵穩(wěn)定狀態(tài)下的x和s，計(jì)算x可變換18式為：
D（S0-S）=x/K·μmax·[S/（Ks+S）].............................................19
由于平衡狀態(tài)下D=μ，
即 D=μmax·S/（Ks+S）
因此x＝K(S0-S).............................................................20
計(jì)算S可變換17式為：
X[μmax·S/（Ks＋S）－D]=0
同樣由于 D＝μmax·S/（Ks＋S）
μmaxS=DKs＋DS
μmaxS－DS=DKs
S（μmax－D）=DKs
S＝DKs/（μmax－D）.........................................................21
根據(jù)21或18式可變?yōu)椋?/span>
x=K{S0-Ks[D/（μmax－D）]}..................................................22
上面提到的Ks、μmas等的數(shù)值可通過分批發(fā)酵試驗(yàn)測定試驗(yàn)值，產(chǎn)量常數(shù)K也能測定試驗(yàn)值。根據(jù)以上數(shù)值，經(jīng)21式及22式計(jì)算可得圖2-3。
從圖的曲線能說明基質(zhì)濃度，對數(shù)生長速度或世代時(shí)間，發(fā)酵罐中酵母數(shù)量及流出的酵母數(shù)與稀釋度之間的關(guān)系。
以上曲線根據(jù)下列數(shù)據(jù)計(jì)算：
μmax=1小時(shí)-1 K＝0.5
Ks＝0.2克／升 S0＝10克／升
從圖2—3可以說明：
①在相當(dāng)大的稀釋度范圍內(nèi)此類連續(xù)發(fā)酵是一個(gè)很穩(wěn)定的系統(tǒng)，本身具有自我調(diào)節(jié)的能力，當(dāng)給定任何一個(gè)稀釋度，酵母能自動(dòng)調(diào)整它自己而成為一動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此時(shí)發(fā)酵罐內(nèi)酵母和發(fā)酵醪的濃度保持固定，只要流入的基本糖液的成分和流速保持不變，在這一平衡狀態(tài)中酵母的生長速度必然相等于稀釋度。
②稀釋度增大到一定范圍以外，便達(dá)到臨界稀釋度Do，超出此范圍，發(fā)酵罐中細(xì)胞數(shù)近似等于零，這種情況稱為“沖出”，此時(shí)D＞μ，穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，不能再維持連續(xù)發(fā)酵。
③稀釋度介于0與Do之間有一最大產(chǎn)量(每單位時(shí)間單位體積的發(fā)酵醪中酵母細(xì)胞數(shù)量)的稀釋度DM，此DM值是在接近“沖出”的條件下實(shí)現(xiàn)的，從圖2-3可見酵母的產(chǎn)量曲線是由xF／V＝xD的曲線得到的。
(三)多級勻質(zhì)連續(xù)發(fā)酵控制的理論根據(jù)
(1)糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵采用多級比單級有利，因?yàn)槎嗉夁B續(xù)發(fā)酵可以比較充分地利用基質(zhì)，而第一級發(fā)酵罐流出的發(fā)酵醪中未利用的基質(zhì)，可以在以后的各級發(fā)酵罐內(nèi)被繼續(xù)消耗，因而多級連續(xù)發(fā)酵效率較高。其次是第一級發(fā)酵罐的酵母細(xì)胞數(shù)量立即達(dá)到對數(shù)生長期的數(shù)量，取消酵母繁殖中的遲滯期，使多級連續(xù)發(fā)酵一開始便進(jìn)入主發(fā)酵階段，從而取消了前發(fā)酵階段，縮短了連續(xù)發(fā)酵過程的總時(shí)間，提高了設(shè)備利用率。
多級連續(xù)發(fā)酵是在一組幾個(gè)串聯(lián)的發(fā)酵罐中進(jìn)行，第一級發(fā)酵罐中酵母的對數(shù)生長速度最高，在以后各級發(fā)酵罐中隨著基質(zhì)濃度的降低，相應(yīng)發(fā)酵罐的對數(shù)生長速度也降低，為使各級發(fā)酵罐中有不同的生長速度及稀釋度，因此各級發(fā)酵罐的體積必須適當(dāng)調(diào)節(jié)。
(2)為了正確設(shè)計(jì)糖蜜酒精多級連續(xù)發(fā)酵的工藝設(shè)備流程，我們必須進(jìn)一步了解多級連續(xù)發(fā)酵過程中的對數(shù)生長速度，稀釋度，發(fā)酵體積及產(chǎn)率之間的相互關(guān)系及變化規(guī)律。
為了說明問題方便起見，主要討論兩級連續(xù)發(fā)酵，流程圖見圖2-4
說明：
第一級發(fā)酵罐體積V1，含有酵母菌體濃度X1發(fā)酵醪進(jìn)入第一發(fā)酵罐的流速為F1，同時(shí)發(fā)酵醪流入第二級發(fā)酵罐的體積為V2，第二級發(fā)酵罐發(fā)酵醪流出的流速是F2，其中酵母菌體濃度為X2，第一級發(fā)酵罐的稀釋速度為D1，第二級發(fā)酵罐的稀釋速度為D2，并假定第二級發(fā)酵以F02的流速加入新鮮基本糖液，同時(shí)又從第一級發(fā)酵罐流入帶有酵母細(xì)胞的發(fā)酵醪，則：
①此第一級發(fā)酵罐中的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)如同單級連續(xù)發(fā)酵一樣，可寫為D1＝μ1，然后未利用的基質(zhì)以及酵母菌體流入第二級發(fā)酵罐，并被以流速F02流入的新鮮基質(zhì)沖稀，離開第一級發(fā)酵罐時(shí)的酵母菌體濃度X1稀釋為X02，可用下式計(jì)算得到：
X02=X1·F1/（F1+F02）.........................................................23
②第二級發(fā)酵罐的稀釋度
D2=F2/V2=（F1+F02）/V2
∵F1十F02=F2
第二級發(fā)酵罐的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)必處于以下的均衡狀態(tài)。
流入十生長＝流出
D2X02十μ2X2＝D2X2...........................................................24
將24式移項(xiàng)可以同樣計(jì)算出D2的值
D2=μ2·X2/（X2-X02）.........................................................25
25式說明第二級發(fā)酵罐的稀釋度D2是由該發(fā)酵罐對數(shù)生長速度和X2/（X2-X02）這一分?jǐn)?shù)所決定的，試驗(yàn)條件決定X2/（X2-X02），因此第二級發(fā)酵罐的稀釋度D2總是大于μ2，但是第二級發(fā)酵罐中的酵母菌體并不會(huì)過量流出，所以從24式可以推導(dǎo)出以下公式：
即在第二級發(fā)酵罐內(nèi)酵母菌體濃度
X2=X02·D2/（D2-μ2）..........................................................26
將26式重排列，則：
X2=（D2-μ2）X02+μ2X02/（D2-μ2）
=X02+μ2/（D2-μ2）·X02........................................................27
式說明當(dāng)X02酵母濃度加入第二級發(fā)酵罐進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵時(shí)，不會(huì)從該發(fā)酵罐內(nèi)流出過量的菌體，因?yàn)?/span>X02、μ2和D2是大于零，并且D2＞μ2，按照26式可見X2＞X02。
③如果兩級連續(xù)發(fā)酵過程中已經(jīng)知道μ1、μ2、X1、X2和D2等參數(shù)的數(shù)值便可以根據(jù)23、24式計(jì)算，第一級發(fā)酵罐體積V1和第二級發(fā)酵罐體積V2之間的關(guān)系。
將24式重排可變?yōu)椋?/span>
（F1+F02）/V2·X02+μ2X2=D2·X2..........................................................................28
用23式代入28式，則：
（F1+F02）/V2·F1/（F1+F02）·X1+μ2·X2－D2·X2=0....................................29
簡化為F1/V2·X1+μ2·X2－D2·X2=0..................................................30
由于F1/V2=D1=μ1
則：F1＝μ1·V1
因此30式可以再改寫為
μ1·1·V1／V2＋μ2·X2－D2·X2=0....................................................31
31式是在上述參數(shù)己知時(shí)，第一級發(fā)酵罐體積和第二級發(fā)酵罐體積之間的基本關(guān)系式，將此式改寫可得到：
V1＝X2·（D2-μ2）/μ1·X1·V2......................................................32
V2＝μ1·X1／X2·（D2-μ2）·V1.....................................................33
32式及33式說明了發(fā)酵罐體積或者對數(shù)生長速度、稀釋度和酵母菌體濃度之間的關(guān)系，由公式還說明加入第二級發(fā)酵罐的發(fā)酵醪，是否通過第一級發(fā)酵罐，或者是接著就加入第二級發(fā)酵罐，是無關(guān)重要的，這意味著，當(dāng)以第一線發(fā)酵罐中作為酒母接種罐在一定基質(zhì)條件下，真正的連續(xù)發(fā)酵過程僅在第二級發(fā)酵罐中發(fā)生。
④為了全面分析問題，我們考察一下第二級發(fā)酵罐內(nèi)基質(zhì)濃度為S02，假定S02內(nèi)以下經(jīng)驗(yàn)公式得到：
則：S02=（F1S1+F02Sa）/F2....................................................34
如Sa是F02中的基質(zhì)濃度，在第二級發(fā)酵罐內(nèi)基質(zhì)濃度是S2，在產(chǎn)量常數(shù)K時(shí)基質(zhì)消耗是與菌體生長成比例。
即基質(zhì)消耗量=μ2X2／K
因此在動(dòng)態(tài)平HENG 衡狀態(tài)時(shí)可寫為
流入-流出-消耗＝0
D2·S02－D2·S2－μ2·X2／K=0......................................................35
在第二級發(fā)酵罐內(nèi)甚質(zhì)減少▲S為：
▲S＝S02－S2＝μ2·X2／D2·K.....................................................36
在第二級發(fā)酵罐中基質(zhì)濃度是：
S2＝S02－μ2X2／D2K...........................................................37
將24式中的μ2代入，在己知酵母菌體產(chǎn)量K和已知流入成分S02時(shí)，便得到基質(zhì)濃度與酵母菌體濃度之間的關(guān)系。
S2=S02-(X2-X02)/K...........................................................38
將38式重排可得：
X2=K(S02-S2)+X02............................................................39
假如要了解處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的第二級發(fā)酵罐中的條件，可通過分批發(fā)酵得到μmax,Ks和K等數(shù)值以及測得第一級罐的條件，如X1、D1、S1及V1等數(shù)值，再通過上述公式運(yùn)算便可求到第二級發(fā)酵罐的其它條件，如果新鮮基質(zhì)是加入第二級發(fā)酵罐內(nèi)，它的濃度Sa和流速F02也必須知道。
(3)將上述公式可推廣到有任意級數(shù)發(fā)酵罐的多級連續(xù)發(fā)酵過程中，求得第n級發(fā)酵罐的各數(shù)值。
①如求Vn按33式為：
Vn=μn-1· Xn-1／Xn·(Dn－μn)Vn-1...............................................40
②求稀釋度Dn可按25式
Dn＝μnXn/(Xn－x0n)..........................................................41
③求第n級發(fā)酵罐中的基質(zhì)濃度為：
0n(Xn－X0n)／K.........................................................42
④求酵母菌體濃度為：
Xn＝K(Son－Sn)十X0n.........................................................43
假如基質(zhì)僅從第一級發(fā)酵罐中加入，也就是在所有發(fā)酵罐中加料都是相同的
則：Xon＝Xn-1
Son＝Sn-1
(4)設(shè)計(jì)多級連續(xù)發(fā)酵的圖解法
①除了上述數(shù)學(xué)推導(dǎo)外，為求得多級連續(xù)發(fā)酵的各生產(chǎn)參數(shù)，還可以采用作圖法。如果假定在連續(xù)發(fā)酵中任何一級發(fā)酵罐酵母菌體數(shù)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，加基質(zhì)都從第一級發(fā)酵罐加入，則應(yīng)服從下式平衡狀態(tài)：
流入十生長＝流出
FXn-1+V·dXn/dt＝FXn.........................................................44
將44式重排便得到下式：
dXn/dt=F/V(Xn-xn-1)........................................................45
②公式45是用作圖法求得多級連續(xù)發(fā)酵各參數(shù)的基本公式，可以直接用糖蜜酒精間歇發(fā)酵的數(shù)據(jù)，構(gòu)成一條細(xì)胞生長速率dx/dt對應(yīng)于酵母菌體濃度x作圖所得的曲線，即為多級連續(xù)發(fā)酵的反應(yīng)曲線，見圖2-5。
③多級連續(xù)發(fā)酵的反應(yīng)曲線是以abc表示，連續(xù)發(fā)酵的第一個(gè)發(fā)酵罐的X1值可用圖解法決定，斜率為F／V的直線與曲線abc的交點(diǎn)即為X1值，按這樣的程序重復(fù)作圖，可繼續(xù)求得X2，X3，如圖2-5所示。
如果需要求得一個(gè)連續(xù)發(fā)酵過程的最大生產(chǎn)能力，則應(yīng)選擇第一級發(fā)酵罐的酵母菌體濃度，使之為dx/dt曲線的最高點(diǎn)a,即酵母菌體最大增殖點(diǎn)。根據(jù)物料平衡原則，第二級發(fā)酵罐或以后
各級發(fā)酵罐的酵母菌體濃度也可求得。
hoonpapa 2007-4-3 19:39
四、影響糖蜜酒精發(fā)酵的主要因素
通過上述數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以清楚地看到，糖蜜酒精多級連續(xù)發(fā)酵過程的主要參數(shù)關(guān)系，這些主要參數(shù)可以作為連續(xù)發(fā)酵過程運(yùn)轉(zhuǎn)和控制的基礎(chǔ)及依據(jù)。這對建立合理的糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的工藝條件控制是否恰當(dāng)，也直接影響連續(xù)發(fā)酵的效率。現(xiàn)將影響糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的主要工藝因素分析討論如下：
1．酵母數(shù)量糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵效率主要取決于酵母細(xì)胞內(nèi)酒化酶系的活力，而酵母細(xì)胞內(nèi)酒化酶系的活力又決定于酵母繁殖速度和酵母數(shù)量，因而要提高糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵的效率，除選育酒化酶系活力強(qiáng)、耐高滲透壓的酵母菌種外，還要正確選擇糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵過程中立體罐的酵母數(shù)量。應(yīng)該看到，在連續(xù)發(fā)酵穩(wěn)定狀態(tài)條件下，主體罐的酵母數(shù)量是與主體罐的容量、進(jìn)料速度、稀釋度、發(fā)酵醪的糖分濃度、營養(yǎng)條件、pH值、酸度及通風(fēng)攪拌情況均有密切關(guān)系。例如改變進(jìn)料速度可以調(diào)節(jié)酵母數(shù)量，而在通風(fēng)攪拌條件下，酵母繁殖速度和酵母數(shù)量迅速提高．糖蜜酒精多級連續(xù)發(fā)酵要求主體罐的酵母數(shù)量要控制適宜，過多或過少的酵母數(shù)量對發(fā)酵率均有影響。在通風(fēng)攪拌條件下，酵母繁殖速度過快，酵母數(shù)量過多，則發(fā)酵醪的糖分供給酵母作為茵體生長消耗較多，相應(yīng)地糖蜜轉(zhuǎn)化為酒精的轉(zhuǎn)化率降低。酵母數(shù)量過少，酵母繁殖速度慢，發(fā)酵速度也相應(yīng)地減慢，不僅發(fā)酵時(shí)間延長，設(shè)備利用率降低，同時(shí)易使雜菌感染和繁殖，酸度增高，導(dǎo)致發(fā)酵率下降。所以，糖蜜酒精多級連續(xù)發(fā)酵過程中主體罐一定要控制適宜的酵母數(shù)量，使酵母處于對數(shù)生長期，細(xì)胞內(nèi)酒化酶系活力保持最高，則可以使主發(fā)酵旺盛進(jìn)行，發(fā)酵率可以提高，發(fā)酵時(shí)間可進(jìn)一步降低。
酵母菌種特性不同和糖蜜原料不同，酵母的數(shù)量控制也不同。根據(jù)國內(nèi)外糖蜜酒精工廠的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)：對于甘蔗糖蜜酵母菌種采用F—396、高l—396、As.2.1190、川345等酵母時(shí)，連續(xù)發(fā)酵中主發(fā)酵罐的酵母數(shù)量宜控制0.8—1.2億／毫升，出芽率25—30％，死亡率1％以下、對于甜菜糖蜜，酵母菌種如采用Rasseя字酵母時(shí)，連續(xù)發(fā)酵中主發(fā)酵罐的酵母數(shù)量宜控制1.4—1.6億／毫升，出芽率25—30％，死亡率1％以下。為了控制適宜的酵母數(shù)量，通常在酒母培養(yǎng)罐與主發(fā)酵罐采取間歇通風(fēng)的措施，以保證連續(xù)發(fā)酵所需要的酵母數(shù)量。
2．發(fā)酵醪的糖分濃度糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵正確選擇與控制適宜的發(fā)酵醪糖分濃度是重要的，它不僅直接影響成熟醪中酒精含量，也影響發(fā)酵的快慢與糖分利用率。不同質(zhì)量級別的糖蜜，確定發(fā)酵醪的糖分濃度也有所不同，一般認(rèn)為對質(zhì)量較好的、純度較高的煉糖糖蜜，以及一級、二級的糖蜜，宜采用濃醪發(fā)酵。對質(zhì)量較差純度較低的三級與低純度糖蜜，宜采用稀醪發(fā)酵。一般認(rèn)為稀醪發(fā)酵[指成熟醪中酒精含量在6—7％(容量）]可以提高糖分的轉(zhuǎn)化率。這是因?yàn)橄□舱{(diào)整了環(huán)境的滲透壓，不僅利于酵母半滲透作用的細(xì)胞質(zhì)膜對發(fā)酵醪中營養(yǎng)物質(zhì)的選擇吸收，有利于酵母生長繁殖，同時(shí)也有利于酵母細(xì)胞內(nèi)酒化酶將發(fā)酵基質(zhì)迅速轉(zhuǎn)化為酒精，因而稀醪可以加速酒精發(fā)酵和提高糖分的轉(zhuǎn)化率。而濃醪發(fā)酵[成熟醪酒精含量在9％(容量)以上]的優(yōu)點(diǎn)，在于發(fā)酵醪酒精含量高，可以相對地提高設(shè)備的利用率，節(jié)約動(dòng)力，水電及蒸汽，還可以節(jié)約勞動(dòng)力，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，從全面考慮還是濃醪發(fā)酵比較合理，目前國內(nèi)一些糖蜜酒精工廠正在進(jìn)行低純度糖蜜濃醪發(fā)酵的探索。日本低純度糖蜜濃醪發(fā)酵試驗(yàn)，成熟醪酒精含量高達(dá)15％以上，發(fā)酵效率為90％以上�？梢娝^濃醪發(fā)酵與稀醪發(fā)酵都是相對而言，關(guān)鍵在于選擇耐高滲透壓和耐高濃度酒精的酵母，低純度糖蜜濃醪酒精發(fā)酵，同樣可以獲得較高的發(fā)酵效率。
糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵過程中為了控制適宜的發(fā)酵醪糖分濃度，基本稀糖液的流加速度以及各罐順次流往下一罐的速度必須保持均勻，流量準(zhǔn)確和穩(wěn)定，否則各罐流速不一，將造成發(fā)酵醪成熟情況不穩(wěn)定，使糖分不能充分利用，從而影響糖分利用率和發(fā)酵效率。
3．主發(fā)酵罐的酒精濃度為了使糖蜜酒精多級連續(xù)發(fā)酵順利進(jìn)行，主發(fā)酵罐的酒精濃度必須嚴(yán)格控制，如果第一個(gè)主發(fā)酵罐的發(fā)酵醪中酒精濃度過高，超過5％(容量)以上，則酵母受到抑制，容易衰老，酒化酶活力也下降，從而使以下各級發(fā)酵罐的發(fā)酵速度也下降，因而發(fā)酵效率降低，成熟醪殘?zhí)歉�，酒精含量低。所以糖蜜酒精多級連續(xù)發(fā)酵過程中，除了第一主發(fā)酵罐的容量、稀釋度、進(jìn)料速度、糖分濃度、酵母數(shù)量、酸度、品溫等工藝參數(shù)需要嚴(yán)格選擇和控制外，還需要注意第一主發(fā)酵罐的酒精濃度，宜控制在3—3.5％(容量)左右。實(shí)踐證明，在合理的有效容量的前提下，控制適當(dāng)?shù)�，均勻的基本稀糖液的流加速度，酵母�?shù)量保持0.8—1.2億／毫升情況下，第一主發(fā)酵罐發(fā)酵醪中的酒精濃度應(yīng)相應(yīng)比較穩(wěn)定，同時(shí)對酵母的抑制作用不會(huì)太大。
4．發(fā)酵溫度糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵成績的好壞與合理控制發(fā)酵溫度有著極大的關(guān)系，因?yàn)榘l(fā)酵溫度對酵母的生長繁殖，酒化酶系的活力，發(fā)酵速度，發(fā)酵周期及雜菌的污染等方面有著密切的關(guān)系。酵母的繁殖，在發(fā)酵溫度28—34℃范圍內(nèi)，溫度越高發(fā)酵越迅速，但在34℃以上，發(fā)酵速度減弱，當(dāng)40℃以上時(shí)，酵母衰老，難于發(fā)酵。發(fā)酵最高溫度應(yīng)維持在32—34℃，最低溫度維持在28—30℃。溫度過高，酵母容易衰老，酒化酶系活力減退，產(chǎn)酸細(xì)菌繁殖迅速；溫度過低則發(fā)酵速度遲緩，延長了生產(chǎn)周期，降低設(shè)備利用率和產(chǎn)品產(chǎn)量。
我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)酵母特性、原料質(zhì)量、發(fā)酵醪濃度等因素合理控制發(fā)酵溫度。不同酵母菌種，發(fā)育最適溫度與發(fā)酵最適溫度不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行合理的控制。例如：F—396酵母：發(fā)育最適溫度30—33℃，以32℃為最適宜；發(fā)酵最適溫度為33—35℃，以34—35℃為最適宜。川102酵母的發(fā)酵溫度以34—35℃為最適宜，超過36℃則發(fā)酵率明顯下降。而高1—396與川345酵母的發(fā)酵溫度在40℃以下，發(fā)酵仍正常進(jìn)行，發(fā)酵速度不改變，發(fā)酵率相當(dāng)穩(wěn)定。
5．發(fā)酵醪pH值的控制與雜菌感染酵母發(fā)育最適pH4.5-5，發(fā)酵最適pH3.5—5�？梢姡敲劬凭B續(xù)發(fā)酵只宜在酸性條件下進(jìn)行。糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵醪pH的調(diào)整，一方面是從酵母發(fā)育與發(fā)酵最適PH的要求來考慮問題；而另一方面是從防止雜菌的污染來考慮。糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵能否順利進(jìn)行，關(guān)鍵在于防止雜菌的污染，如果能夠控制住雜菌的繁殖，連續(xù)發(fā)酵就能順利進(jìn)行。防止雜菌的措施一方面要做好預(yù)防工作，除了保證酒母不被污染外，還要對發(fā)酵罐管道閥門進(jìn)行經(jīng)常嚴(yán)格的殺菌，此外控制#l—#3罐處于主發(fā)酵狀態(tài)，使發(fā)酵一開始就造成酵母繁殖的優(yōu)勢，均收到良好的效果。
糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵過程中，為了抑制雜菌的生長繁殖，不少工廠流加硫酸控制發(fā)酵醪的酸度，調(diào)整發(fā)酵醪的pH值為4.0，在這pH值下，酵母菌可以正常生長繁殖和發(fā)酵，而雜菌則受到明顯的抑制或死亡。
6. 發(fā)酵時(shí)間與成熟醪指標(biāo)糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵能否完全徹底，必須正確控制發(fā)酵時(shí)間，但發(fā)酵時(shí)間并不是固定不變的，它：與原料質(zhì)量、酵母特性、酵母數(shù)量、稀釋度、發(fā)酵醪的糖分濃度、pH值以及發(fā)酵溫度都有密切的關(guān)系。一般來說，甜菜糖蜜雙濃度流程酒精連續(xù)發(fā)酵時(shí)間約為20—24小時(shí)左右，甘蔗糖密雙濃度流程酒精連續(xù)發(fā)酵時(shí)間約為30—36小時(shí)左右。單濃度流程酒精連續(xù)發(fā)酵時(shí)間約為24—26小時(shí)左右。控制好發(fā)酵時(shí)間主要在于掌握好成熟醪的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)醪中酒精含量最高時(shí)，應(yīng)即送去蒸餾。例如：甘蔗糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵成熟醪的指標(biāo)；殘?zhí)?/span>0.5—1.0％；酒精含量8％(容量)以上；酸度5—5.5°；濃度9—10Bx；品溫30—32℃；鏡檢雜菌不明顯，酵母形態(tài)正常。
甜菜糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵成熟醪指標(biāo)：殘?zhí)?/span>0.35％；酒精含量8.2％(容量)以上；酸度1.5°；濃度6—7Bx；品溫30—32℃；鏡檢雜菌不明顯，酵母形態(tài)正常。 |
