正文 任務六 酒精發酵新技術(2 / 3)

為了保證稀釋率,通常采用大罐雙流或三流加法,即選擇在1號、2號發酵罐,或預發酵罐、1號、2號發酵罐都流加糖液。實踐表明,效果較為理想。

2.糖液的濃度

酒精發酵要求在一定濃度的糖液中進行。糖液濃度的高低直接影響到生產成績。濃度稀有利於酵母的代謝活動,提高出酒率;濃醪發酵,則有利於提高設備利用率,增加產量,節省水、電、汽,降低生產成本。因此,大罐連續發酵的濃度需控製在一定範圍內,通常控製糖液濃度以保持成熟醪酒精含量為9%(體積分數)左右。

3.發酵溫度

發酵溫度控製與發酵成績關係密切。一般預發酵罐溫度控製為30~32℃,主發酵罐溫度控製為32~35℃,采用耐高溫酵母,預發酵罐溫度控製為33℃,主發酵罐溫度控製為33~37℃。

4.發酵時間

一般地,糖蜜原料生產酒精發酵時間為24~34h,澱粉質原料生產酒精發酵時間需要55~65h。發酵時間太長或太短均不利於生產。為了縮短澱粉質原料酒精發酵時間,可適當提高蒸煮糊化醪的糖化率。

5.發酵醪的滯流和滑漏

在間歇發酵中,不存在發酵醪的滯流和滑漏,但在連續發酵中,由於醪液始終處於流動狀態,因此就要求醪液“依次”先進先出,防止滯流和滑漏的發生。為了防止滯流和滑漏的發生,可在罐內安裝折流擋板,在大罐發酵中,則應以螺旋板式熱交換器代替罐內冷卻盤管,以減少滯流的發生,同時在發酵罐的進料處安裝攪拌器,使新進醪液與原醪液混合充分,在出料口通入無菌空氣,一是激活酵母,二是對醪液充分攪拌混勻。

三、細菌酒精發酵

20世紀70年代以來,人們發現一種運動單胞菌,它具有很強的酒精發酵能力,其發酵速度及酒精產率可能比酵母高,且便於基因工程改造,有可能取代酵母而成為酒精發酵的菌種。

(一)運動發酵單胞菌的形態和生理特性

1.形態特性

運動發酵單胞菌是革蘭陰性菌,細胞長2~6μm,寬1~1.5μm,單個或成雙;30%左右的菌株能運動;有1~4根鞭毛,45%菌株的鞭毛叢生;33%的細胞拉長成絲狀,長達28μm。

2.生理特性

(1)不產孢子和莢膜 胞內不產生油脂和肝糖。

(2)在標準培養基上,深層菌落呈雙凸鏡狀,卵形,白色或乳白色,2d後直徑達1~2mm;厭氣,表麵菌落擴散性,卵形或瘤形,直徑達3~4mm。

(3)生長需要葡萄糖或果糖,有些菌株可利用蔗糖,能在以下幾種培養基中良好生長:①蛋白腖培養基+2%葡萄糖;②啤酒+2%葡萄糖;③棕櫚汁等。在液體培養基中,67%菌株生成緊密的沉澱,33%菌株生成黏性顆粒狀沉澱。

(4)生長最適溫度為30~36℃,死亡溫度60℃(5min)。

(5)生長pH在3.5~7.9,生長最適pH在5~7。

(6)在葡萄糖液中,濃度為20%時,40多個測試菌株全部能生長,濃度為33%時有88%的菌株能生長,濃度為40%時有54%的菌株生長。

(7)在酒精溶液中,酒精濃度為5.5%時測試菌株全部能生長,濃度為7.7%~10%時有47%~73%的菌株能生長。

3.運動發酵單胞菌按ED途徑降解葡萄糖

細菌酒精發酵途徑。

細菌對葡萄糖進行酒精發酵的總反應式為:

C6H12O6+ADP+H3PO4→2CH3CH2OH+2CO2+ATP

(二)運動發酵單胞菌與酵母菌酒精發酵的比較

與酵母菌相比,利用運動發酵單胞菌進行酒精發酵有以下特點。

1.優點

(1)酒精得率比酵母高,每消耗1mol葡萄糖可生成1.9mol酒精。

(2)糖的吸收速度比酵母快1~2倍。

(3)連續發酵回用細胞時,酒精生產能力高達120g/(L·h),而酵母最高隻有30~40g/(L·h)。

(4)在高細胞密度酒精發酵時,運動發酵單胞菌不需要通純氧,而酵母菌需要通少量純氧。

(5)運動發酵單胞菌的正常發酵溫度為36℃,而酵母菌一般為33℃,可節約冷卻用水,並有利於高溫季節生產酒精。

(6)代謝副產物少,為酒精的蒸餾提純及製取高質量酒精提供了有利條件。

(7)細菌比酵母菌容易進行遺傳工程處理,以獲得耐高溫、耐酒精、能利用多種碳源的優良生產菌株。

2.缺點

(1)適宜的生長pH較高,生產中較易汙染雜菌。

(2)細菌耐酒精能力比酵母菌低,約為7%,而酵母菌則可達10%以上。

四、固定化酵母發酵技術

固定化酵母發酵技術是近年來發展起來的一種生物新技術。

(一)固定化酵母發酵的特點

將酵母細胞用載體固定起來進行酒精發酵,不僅可使細胞密度增加,而且可以多次使用,減少酵母增殖消耗的糖分,從而增加了發酵強度,提高出酒率。

(二)酵母細胞固定化方法

根據固定原理不同,酵母細胞固定化方法可分為吸附法、包埋法和交聯(共價鍵)法三大類。

(三)大生產試驗工藝流程及操作方法

1.工藝流程

2.操作方法

(1)固定化酵母細胞製備將培養好的AS1.308菌懸液與複合PVA溶液混合包埋,製得合格PVA固定化酵母細胞,要求包埋細胞(1.0~7.0)×107個/g。

(2)增殖增殖是固定化酵母細胞技術應用的關鍵。首先將固定化酵母細胞載體按1.5%(以反應器體積計算)比例裝入已滅菌容器內,本試驗所用載體量1500kg,裝入已部分滅菌糖化醪的反應器內,溫度控製在2531℃,每隔30min通入無菌空氣1次,每次30s,增殖48h。本試驗過程經2批增殖共72h後,增殖量即達到投入載體的80%,從第三批起即可開始正常發酵。

(3)發酵將酒精大生產製備的糖化醪,加入增殖好的固定化反應器內,前期發酵每隔30min通入無菌空氣1次,每次30s;12h後每隔4~5h通入無菌空氣1次,每次50s;24h後盡量不通氣,以避免酒精揮發。發酵完成後,放罐蒸餾。放罐後,反應器不用清洗滅菌,重新加入糖化醪再進行酒精發酵。

五、透析膜發酵

常見的透析膜發酵係統有以下幾種形式。

(一)連續透析膜發酵器

將透析膜安裝在發酵器中部,即組成所謂的膜生物反應器。

1.工藝過程

該形式將發酵器分為發酵區和進出料區兩部分,醪液進入料區,糖分通過滲透膜進入保持有高濃度酵母的發酵區,迅速發酵,而產生的酒精反向通過滲透膜進入料區,並隨出料排出。

2.工藝特點

該種透析膜發酵係統最為常見,由於該發酵器避免了酵母的流失,醪液中的酵母密度較高。另外,酒精不斷排除,也部分地免除了酒精的抑製作用,因此發酵罐的生產強度應該是高的。但是,由於糖滲透通過透析膜的速度不高,所以實際這種發酵器的生產強度並不高。為了解決糖分滲透的速度問題,人們研究高壓滲析發酵器,利用壓力差來加快糖分的滲透。這一問題得到了解決,但是又產生了一個新的問題,即細胞自溶產生的遊離蛋白質和其他大分子會很快將膜的微孔堵塞,使進一步的滲透發生困難。

(二)連續膜發酵係統

將傳統的發酵器與膜分離器結合起來。

1.工藝過程

該係統即將發酵過程中的醪液送入膜分離器,利用選擇性透析膜將發酵醪中的酒精分離出來,以降低酒精的抑製作用,而葡萄糖無法通過該膜,可重新回入發酵罐直至最終被發酵完。

2.工藝特點

該種膜發酵係統是利用選擇性膜將發酵醪中酒精分離出來,以降低酒精抑製作用,而葡萄糖無法通過該膜,可重新回入發酵罐循環利用。選擇性膜的研製是本技術的關鍵,已經成功地製成能使發酵醪中酒精含量低於60g/L的膜,而使酒精含量低於20g/L的膜也很快會問世。這種工藝和透析膜發酵器原理是相同的,隻是工藝上有所不同。

(三)中空纖維膜發酵係統

利用中空纖維膜係統進行發酵。

1.工藝過程

該係統即將具有微孔的纖維膜製成管狀,中心具有通道,發酵液從通道通過,酵母和糖留在管內,而酒精則隨溶劑一起經過纖維膜滲出。

2.工藝特點

該種膜發酵係統是一種基於膜分離技術的發酵新工藝。該係統需要將具有微孔的纖維膜製成管狀,通道的直徑根據需要不同而異,一般為0.2~1.1mm,發酵液從通道通過,酵母和糖留在管內,而酒精則隨溶劑一起經過纖維膜滲出。這樣就可以既增加發酵醪中的酵母數,又降低其中的酒精含量,將酒精的抑製作用降低,最終使酒精生產強度大為提高。

上述這三種膜發酵係統中膜的性能是至關重要的,因此尋找理想的膜材,即尋找選擇性高、通量大、壽命長的膜材成為近期要研究的關鍵問題。目前,多數膜發酵係統研究中使用的透析膜是矽橡膠膜。

近來,又出現了新的膜發酵係統,該係統將酵母固定化發酵和膜發酵結合起來,形成所謂的固定化酵母-膜生物反應器,並利用其來生產乙醇。由於其兼有酵母固定化發酵和膜發酵雙方的優勢,具有相當的吸引力,因此這方麵的研究正在蓬勃興起。

六、其他發酵新技術

(一)氣提發酵技術