化工原理课程设计木薯酒精文档格式.docx
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前言
能源是工业的血液,它与国家经济的发展速度和水平密切相关。
它是当前国际上重大的工业经济战略要素,直接关系到每个国家工业化、现代化和人民生活水平的提高,甚至影响到战争与和平。
从需求量和发展来看,我国的能源仍十分紧缺,寻找绿色的、可再生的替代能源是解决能源危机的最佳途径。
燃料酒精是目前国际上运用的较成功的替代能源之一[1]。
目前,我国大部分生产燃料酒精的原料都是以玉米、小麦等粮食为主,因此酒精生产原料呈现“非粮化”的发展趋势。
木薯是一种不与粮食作物争地且很有发展前途的酒精生产原料[2]。
木薯是生产可再生能源—燃料酒精的主要原材料之一,经济价值凸显。
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,产量高,淀粉含量高,木薯的块根淀粉含量达25-30%左右,木薯干淀粉含量达70%左右,是被誉为“淀粉之王”。
木薯淀粉中一般直链淀粉占17%,直链淀粉占83%[3]。
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。
酒精发酵主要是利用酵母菌在一定的控制条件下进行发酵而得到所需要的产物酒精。
在酒精生产的开始,往往只有一只小试管的酵母菌种,酒母的制备就是把这一只小试管菌种培养成发酵时需要的大量酵母细胞,即利用酵母菌的生理特性,供给一定的营养物质,创造一定的环境条件,经过逐步扩大培养来完成这一任务。
1酒母的选择
酒精发酵过程所使用的微生物是酒精酵母,俗称酒母。
酒精酵母在分类学上属于真菌门,子囊菌纲,原子囊菌亚纲,内孢霉目,內孢霉科,酵母亚科,酵母属,是发酵工业中重要的微生物,能发酵碳水化合物生成酒精和CO2。
该种酵母菌繁殖速度快,发酵能力即产酒精能力强,并具有较强的耐酒精能力。
1.1酒精生产对酵母菌的要求
用于工业酒精生产的酵母菌必须具有以下优良性能:
(1)含有较强的酒化酶,发酵能力强,而且迅速;
(2)繁殖速度快,具有很强的增殖能力;
(3)耐酒精能力强,能在较高浓度的酒精发酵醪中进行发酵;
(4)耐温性能好,能在较高温度下进行繁殖和发酵;
(5)抵抗杂菌能力强;
(6)耐酸能力强;
(7)生产性能稳定,变异性小;
(8)发酵时产生泡沫少。
具备上述条件的酵母菌种,经过扩大培养,能迅速大量繁殖达到酒精发酵所需要的数量,因而发酵时间短,发酵效率高,提高了生产能力和原料出酒率[4]。
1.2酒精生产中所采用酵母菌及其优越性[5,6,15]
在木薯酒精的发酵中在相同条件下活性干酵母出酒率最高,而其中安琪酒精活性干酵母有明显优势。
安琪酒精活性干酵母现有两种类型:
常温型和耐高温型。
常温型菌株为SF和AY-5。
耐高温型菌株为YY和WT,两种干酵母均已通过专家鉴定。
所用菌株被认为是国内最优良的酒精酵母菌株。
它们的主要特点如下表所列:
无论是在北方还是在南方,夏天或是冬天,使用耐高温型酒精活性干酵母比常温型或其它酵母都具有明显的优越性。
这是因为:
(1)耐高温酒精活性干酵母的菌种YY及WT系两株耐温范围广的酵母,它在28~42℃之间具有几乎相同的发酵能力,它不仅适于高温发酵,同时也适于常温。
同时,它对酸度等其它因素的影响亦有较强的抗性;
(2)如果提高入窖、发酵温度,一般的酵母又不能适应高温。
如果使用耐高温型酒精活性干酵母,解决窖温低的问题是可行的。
关键是要试验摸索一个最适的入窖温度,使这种酵母的耐高温优势得到充分发挥,最终提高出酒率,取得经济效益;
(3)耐高温酒精活性干酵母用于酒精生产,如果采取高温发酵,可缩短发酵周期30%。
与常温型或其它酵母相比这种以YY、WT为菌种生产的耐高温型酒精活性干酵母,繁殖能力强得多。
繁殖能力强的酵母用量自然少,一般酵母用于淀粉质酒精发酵,用量为原料量的1.0~1.2‰,耐高温酒精活性干酵母的用量则只需0.5‰。
用量同它的价格一起折算来看,耐高温酒精活性干酵母应是最经济的。
所以我们选定安琪酒精耐高温活性千酵母(TH一AADY)作为本设计的菌种。
2、酒母培养与扩大培养工艺
在酒精发酵过程中,工厂通常把酵母称为酒母,即酵母为酒精发酵之母。
在酒精发酵醪中,酵母细胞数一般控制在0.8—1.5亿个/mL。
为了满足大规模生产所需要的酵母细胞数量,就要根据酵母菌的生理特性,供给一定的营养物质,选择最佳的培养条件进行扩大培养,这就是酒母的扩培过程。
该过程主要包括酒母糖化醪的制备与酒母扩培(包括实验室酵母菌扩大培养和酒母车间扩大培养两个阶段)。
2.1酒母培养基的制备
要想使少量的酵母菌繁殖成大量的酵母细胞,首先必须供给酵母菌大量的生长繁殖所需的营养物质。
根据酵母菌培养过程的情况。
生产上常将其营养物质的制作分为两个阶段来进行:
2.1.1实验室阶段培养基的制备
酵母菌在试验室培养阶段一般多采用米曲汁或麦芽汁来做培养基。
由于其中含有丰富的碳、氮及其它营养物质,很适宜于酵母菌开始繁殖时,在试管、三角瓶培养阶段的营养需要。
考虑到米曲汁培养基的制备较简便,对设备要求低,且原料来源经济,故本设计在实验室阶段的培养基将采用米曲汁培养基。
米曲汁培养基制备过程如下:
米粉粒度对制曲影响很大,过粗制曲时湿度不易保持,且成曲不能碾细,外观不雅;
过细,造成制曲透气性差,菌生长缓慢。
我们选用无霉、无虫当年新鲜袖米,粉碎至40--80目,于烘箱或炒粉机上ll0℃杀菌10分钟,并随时翻炒,不能使米粉焦糊,自然冷却至40℃以下,备用[7]。
取大米500克,淘洗干净后,浸泡一夜,倾去水后,用纱布将米粒表面水分沾干,再用纱布包好,常压蒸一小时,加人175毫升清水拌匀,再蒸30分钟。
取出摊凉至36~38℃,接种一支黄曲霉(3800)斜面,将孢子拌匀后,将废斜面培养基弃去。
大米放入洁净的曲盆中摊匀,置30℃温箱培养20小时,待米粒表面长出白色菌丝时,用玻璃棒将曲划碎,以利通气。
待培养40小时左右,菌丝已长满米粒表面,此时酶已大量形成,培养既成熟。
如果立即要使用米曲汁,可将450克湿米曲加入68℃热水1000毫升,于55~60℃恒温糖化4~5小时,过滤后,即得米曲汁。
然后调整浓度,分装试管或三角瓶即可备用。
如果暂时不用米曲汁,则可将米曲汁凉干,放阴凉处保存。
用时,可按米曲:
水=1:
4配好,置55~60℃恒温糖化3~4小时即可。
因酵母宜在低渗溶液中繁殖,米曲汁浓度一般配成10~13Bx。
米曲汁的pH值一般可控制在4~4.5,如果太高,可用硫酸或磷酸调整。
如果要制作固体培养基时,可加入2%的琼脂,溶化后分装试管,灭菌后,取出斜放,待冷凝后,于30℃培养两天,观察有无杂茵生长,若没有,则可以做接种用。
2.1.2酒母糖化醪的制备
酒母扩大培养至卡氏罐和酒母罐后,由于需要用大量的培养基,这时如果再使用米曲汁已是很不经济的了。
因此,生产上这一阶段的酒母培养基是采用淀粉质原料来制作酒母糖化醪。
考虑到使酒母在发酵罐中适应期缩短,提高发酵产率,且节省生产成本,本设计采用木薯为原料制备酒母糖化醪。
由于酒母糖化醪主要用来繁殖酵母细胞,所以酒母醪中除含有一定量的糖分外,还要求含有一定量的氮和无机盐等其它营养物质,以供酵母菌合成菌体细胞的需要。
此外,为了确保酵母菌能够顺利的繁殖,还要调节酒母糖化醪的pH值,以抑制杂菌生长。
所以酒母糖化醪的制作方法与发酵用糖化醪的制做又有一定差别。
(1)酒母糖化醪原料的选择培养酒母所用的原料,应当不含对酵母繁殖有害的物质。
由于使用淀粉质原料制作酒母糖化醪,玉米为最好,但考虑到要使酒母在发酵罐中适应期缩短,提高发酵产率,且节省生产成本,所以本设计采用木薯为原料制备酒母糖化醪。
但同时因其蛋白质含量较低,氮源不足,故常常加入硫酸铵以补充氮源,以保证酵母能旺盛生长繁殖。
(2)酒母糖化醪的制作
酒母糖化醪的制备过程大致如下:
(原料:
水=1:
4~5)(3—4h,60~65℃)(pH4.0~4.5)(75℃间歇杀菌)
①原料蒸煮酒母醪的原料蒸煮与大生产中原料间歇蒸煮方法基本相同,只是因为酵母适宜在低渗溶液中生长,所以加水量要大些。
一般原料加水比为原料:
4-5。
糖化后的醪液浓度在12-14Bx。
②酒母蒸煮醪的糖化蒸煮醪打入锅后,冷却到68℃左右,加入糖化酶进行糖化。
为了使酒母糖化醪中含有丰富的可被酵母直接利用的糖分和低分子氮素化合物,其用酶制剂量多高于大生产的加酶量。
③酒母糖化醪营养盐的添加玉米中因各种营养物质含量丰富,故使用玉米做酒母糖化醪时,就不需要另外补加营养盐了。
但设计使用木薯原料时,由于木薯淀粉含氮量低,要添加一定量的氮源(如蛋白胨、硫酸铵和尿素),才能更好的满足酵母的生长所需,从而大大提高木薯淀粉的产酒精量[7]。
试验结果表明,在糖化液中添加0.5%硫酸铵的发酵效果最好[8]。
④酒母糖化醪的酸化在酒母制备过程中,防止产酸细菌的污染是生产工作中重要一环。
为了防患于未然,创造一个自然纯粹培养条件,使之只适宜于酵母菌的生长繁殖,并能抑制产酸细菌的生长,是十分有意义的。
一般酒精酵母可在pH4.0-6.0环境中进行繁殖,酒母糖化醪的pH值不能调得太低,否则将会抑制酵母的活性。
如果醪液的pH值低于3.0,酵母的活力会大减。
正常的酒母糖化醪pH值为5.0-5.5左右,适宜酵母菌的繁殖和发酵。
但为了保证酵母菌繁殖并能抑制杂菌的生长,生产中常将酒母糖化醪的pH值控制在4.0-4.5。
酒精生产中常用H2SO4来调节醪液酸度,酒母醪的酸度常控制在5-6度(相当于pH4.0-4.5)。
根据经验,每升醪液加入浓硫酸(浓度为98%,比重1.84)0.49克(或0.49/0.98ⅹ1.84=0.272毫升)可使醪液酸度提高1度。
若用乳酸,则每升醪液加一毫升乳酸可使醪液酸度提高1度。
生产中,应根据实际情况采取不同的加酸量。
一般加酸量为0.05-0.1%。
如果生产中卫生管理较严,无菌条件较好,可适当少加酸,因为酸度太大,不但对细菌繁殖不利,同时对酵母繁殖也会产生不良影响。
卫生管理好的工厂也可以不加酸。
⑤酒母糖化醪的杀菌酒母糖化醪的糖化温度一般在60-65℃,由于醪液中含有糖类等物质,这个温度不能把醪液中的产酸细菌完全杀死。
为了确保酒母在培养过程中不被杂菌污染,在酒母醪糖化完毕后,还要加温至85-90℃杀菌15-30分钟。
这个杀菌温度也只能杀死细菌的营养体,而细菌的芽孢须在100℃以上才能被杀死。
杀菌温度的高低,须视设备的结构而定,如果设备的死角多,可适当提高杀菌温度。
但实际应用中,酒母糖化醪的杀菌温度应尽量降低,因低温不易破坏醪液中对酵母繁殖是有利的的维生素等营养物质,所以考虑多方面原因后本设计采用75℃间歇杀菌。
酒母糖化醪经杀菌加酸后,冷却到27℃,就可供培养酒母使用了。
(3)生物催化剂的选择
糖化过程中利用曲霉菌所产生的糖化酶将淀粉分解成葡萄糖,糖化酶是生物催化剂中的一种。
①糖化酶简介
经过蒸煮以后的糊化醪,加入一定量的糖化剂,使溶解状态的淀粉变为可发酵的糖类,这一由淀粉转变为糖的过程,称为糖化。
酒精生产上常用的糖化剂有麦芽、曲、糖化酶。
欧美、俄罗斯等多采用麦芽作糖化剂,我国传统使用曲作糖化剂。
曲有固、液之分。
近年来随着酶制剂工业的飞速发展,糖化酶作为糖化剂已被普遍采用。
糖化酶是由黑曲霉优良菌种经深层发酵提炼而成的。
糖化酶又称葡萄糖淀粉酶,它能从淀粉非还原性末端水解α-1,4葡萄糖苷键,产生葡萄糖,也能水解α-1,6葡萄糖苷键,转化为葡萄糖。
化学反应式为:
(C6H10O5)n+nH2O→nC6H12O6
糖化酶适用条件:
pH3.0~5.5,温度58~65℃。
糖化酶的规格:
固态粉末高单位糖化酶的酶活力为105u/g,低单位为5×
104u/g,液态高转化率糖化酶的酶活力为105u/ml。
②以糖化酶作为糖化剂的特点:
(1)糖化酶活力恒定,糖化后生成还原糖恒定,出酒率稳定并有提高。
(2)操作方便,利于连续糖化,便于科学管理。
(3)采用糖化酶与曲相比,可大量减少操作人员,减少占地面积,减少制曲设备,降低成本。
(4)糖化酶的酶系纯,有利于发酵,所产酒精的杂质含量少。
(5)糖化酶作为商品,便于运输,便于保存。
③糖化酶的应用
糖化酶的分类比较如表3-1所示。
表2-1糖化酶的分类比较
酶种
形态
活力
等级
酶系
转苷酶
用途
高转化率
液体糖化酶
液体
104u/ml
食品
较纯
微
味精、啤酒酒精
糖化酶
粉末
5×
104u/g
10×
104u/g
工业
不纯
少
酒精、白酒
表2-1所列的糖化酶在酒精生产中均可使用。
高转化率液体糖化酶更适用于自动化程度很高的工厂,进行连续流加。
粉剂糖化酶在连续糖化使用过程中,必须用温水(30℃左右)进行稀释溶解,根据计算均匀流加;
在间隙糖化时,粉剂糖化酶不必稀释,可直接倒入糖化罐中糖化。
采用高单位糖化酶优于低单位糖化酶,减少了酶中填充料的影响,所以选用酶制剂时,应尽可能采用活力更高的酶制剂,这对于降低成本、提高质量都大有益处。
④影响糖化酶糖化的因素
(1)温度使用糖化酶时的温度,一般均习惯采用58~60℃,因为该温度是曲的传统使用温度,而且较安全保险。
以我们的经验,认为使用糖化酶时的温度可比曲温度高2℃,控制温度60~62℃更为合适。
(2)pH使用范围3.0~5.5,最适pH4.0~4.5,过低和过高的pH都会影响酶活力,使之大大减低。
在较低的pH下糖化,有利于酶的作用,抑制杂菌生长繁殖。
在加糖化酶前调pH4.0~4.5,既适合糖化酶的作用,又适合酵母的发酵作用。
(3)加酶量糖化酶加量与原料粉碎度、蒸煮质量、糖化方式有关。
一般加酶为80~120u/g原料。
生成还原糖的量并不是与加酶量成正比的。
(4)糖化时间一般在酒精生产中,糖化时间以30~60min为宜。
(5)加酶方式在使用糖化酶前,先用冷水将酶溶解,加水量1∶10以上,搅拌均匀,加在间歇糖化锅中。
如果采用连续糖化,糖化酶溶液搅拌均匀后,按醪液流量加入所需酶量。
注意两者必须均匀。
在连续糖化时,需防止醪液“走短路”,未经糖化就流出。
要确保糖化醪按秩序流动,以保证糖化效果。
在糖化过程中必须经常搅拌,转速为80r/min左右。
搅拌的目的是使淀粉颗粒与酶分子接触碰撞。
接触机会多,酶才能在一定条件下转化淀粉为糖。
⑤使用酶制剂的正确方法
1、中温蒸煮时采用耐高温α-淀粉酶
使用高温酶在配料时,待料和水混合均匀后,一般不需要调pH,如果原料发生霉变,或用废水配料,其pH太低,低于5.5时,可加碱液调到pH6.0~6.5,按原料量加入高温淀粉酶,上下搅拌均匀,可以进料到加热器,直接加温到105℃左右,进入连续蒸煮。
中温蒸煮技术要素:
(1)原料粉碎细度通过直径1.5mm以下筛孔;
(2)蒸煮温度(100±
5)℃;
(3)蒸煮时间100min;
(4)加酶量5~6u/g原料。
2、中温淀粉酶的应用
中、高温α-淀粉酶比较如表2-2所示。
表2-2中、高温α-淀粉酶比较
酶类
最适温度/℃
最适pH
蒸煮方式
用量/(u/g)
对原料比例/%
酶制剂活力/[u/g(ml)]
中温α-淀粉酶
65~75
6
低温
高温
6.1~6.2
0.05~0.15
4000
耐高温α-淀粉酶
90~105
5.7~7.0
中温
0.03
20000
从表2-2可以看出,在采用低温蒸煮时,必须使用中温α-淀粉酶,当蒸煮温度85℃左右时,正是该酶发生酶解的最适温度,在酶的作用下,淀粉质原料很快液化,经过约2h的蒸煮,可以达到液化的效果。
在高温蒸煮时,往往配料浓度较大,在配料时使用温水配料。
一般粉浆温度:
原料为甘薯时,40~50℃;
原料为玉米时,60~70℃。
在配料罐一段逗留时间为30min左右,这时加入中温淀粉酶,可以起到预蒸煮作用,使原料变稀,有利于原料蒸煮和输送。
当温度逐步提高时,酶作用愈加迅速,直到温度达到90℃以上时,该酶已完成了预蒸煮和输送任务,而失去活力。
2.2酒母的扩大培养
2.2.1酒精活性千酵母的活化
无论是耐高温型还是普通型活性干酵母的活化都是一样的。
关键要掌握的一个是温度,一个是时间:
(1)复水温度控制在37~40℃,半小时后一定要降至34℃以下进行活化,否则酵母会老化死亡,出芽率低;
(2)活化的时间可以根据活化液的变化有所不同:
①如果活化液含搪较高(例如4%以上),活化时间可以长一些(4小时左右),含糖低(1%),活化时间宜短一些(2小时以内),②如果活化温度较低(30℃以下),时间可较长,如果活化温度较高(35℃),时间则宜短。
总之活化条件较灵活,但切不可因此过于放松要求,否则,酵母用量要加大,而且发酵结果也会受到不良影响。
一般干酵母活化较好的表现是:
①镜检无细胞结团现象;
②活细胞率高,开始出芽。
具体工艺流程[5]:
将耐高温活性干酵母(投料量的0.5‰)投入到50倍的还原糖为6.6外观糖为10的木薯糖化酸中,在38~40℃复水活化15~20分钟后,将糖化醪降温至32~33℃,再培养3小时,成熟后打入发酵罐中,入糖化醪,发酵48~56小时蒸馏取酒。
2.2.2活性干酵母接入小酒母扩大培养
其流程为:
原菌→斜面试管→液体试管→三角瓶培养→卡氏罐
将活性干酵母3kg投入到45kg(38~40℃)浓度为4.5。
Bx的稀糖化醪中复水活化15~20分钟,待起泡沫后,接入到小酒母罐中,培养温度为30~33℃,培养时间10分钟,成熟后,接入到外观糖为14的大酒母糖化醪中,培养8小时,培养温度30~33℃,成熟后打入发酵罐中进行发酵。
2.2.3添加营养盐活性千酵母接入小酒母扩大培养
用木薯为原料做酒母糖化醪时,因不能提供酵母生长所必须的含氮物质,所以在用木薯生产酒精时,必须在酒母糖化够中补充氮源,以利于酵母生长繁殖。
根据酵母必须营养盐计算,每升酒母醪液中除碳水化合物外,最少需要0.2gN、0.08gK20、0.11gP2O5和0.019gMgO,根据这个数据可计算出,用木薯原料做酒母糖化醪时,外加氮源为3‰~5‰,按此比例对酒母糖化醪加氮源后,其它操作方法与第二轮相同。
2.2.4酒母车间培养
从卡氏罐以后酒母扩大培养属于酒母车间培养,其流程为:
卡氏罐-→小酒母罐-→大酒母罐-→成熟酒母送发酵车间
表2-3酒母的车间培养过程[4]
卡氏罐
小酒母罐
大酒母罐
培养基
糖化醪
外观糖(Bx)
12~14
pH
4.0~4.4
培养温度(℃)
28~30
30
培养时间
12小时
8~10小时
2.3关于工艺条件的几点说明[5]
2.3.1关于酒母培养温度的选择
应用TH-AADY生产木薯酒精时酒母培养的具体工艺操作参数,一般酵母最适宜培养温度为28~30℃,车间根据以木薯为原料时,酵母繁殖升温情况,应调整酒母培养温度为32~34℃,小酒母接种温度32℃,培养温度最高不超过34℃。
从大生产角度,安琪牌耐高温活性干酵母在高温培养方面,也具有了无可比拟的优越性。
2.3.2关于发酵温度的选择
原来传统发酵工艺发酵温度为30~34℃,超过34℃即开大冷却水冷却,发酵温度不能超过34℃,由于应用耐高温酒精活性干酵母,将其发酵温度定为:
满罐温度32~33℃。
发酵最高温度可达38~42℃。
2.3.3发酵时间
传统工艺发酵时间为60~72小时,应用高温发酵一般在48~56小时,即可结束发酵。
3成熟酒母的质量指标
成熟的酒母质量的好坏,直接影响
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