酒精生产方法及菌种更新技术

酒精（乙醇）是用途最广和用量最大的有机溶剂之一。酒精按产品质量或性质，分为高纯度酒精（酒精浓度不得低于99.5%）、无水酒精、精馏酒精、工业酒精（只要求酒精浓度达到95.0%）和医药酒精。

酒精按生产方法可分为发酵法酒精和合成法酒精两大类，目前，我国90%以上的酒精是用发酵法生产。由于发酵原料来源广泛，所以发酵法酒精被视为可长期持续供应的清洁能源，而广受重视。

（一）酒精发酵原料

1. 淀粉质原料

淀粉质原料是发酵生产酒精的主要原料，利用淀粉质原料发酵生产酒精是我国当前生产酒精的主要方法，它是利用薯类、谷物及野生植物等含淀粉的原料，在微生物的作用下将淀粉水解为葡萄糖，再进一步发酵生成酒精。

薯类原料包括甘薯、木薯和马铃薯等。甘薯干及鲜甘薯是一种良好的酒精生产原料，为我国大多数工厂所采用，是我国生产酒精的主要薯类原料。谷物原料（粮食原料）也是很好的酒精生产原料，包括玉米、小麦、高粱、大米等。

2. 糖质原料

常用的糖质原料有糖蜜、甘蔗、甜菜和甜高粱等。

糖蜜含糖量较高，一级甘蔗糖蜜含糖分50%以上，甜菜糖蜜含糖量50%左右，所含主要成分为蔗糖。甘蔗是一种良好的制糖原料，20世纪70年代起，国外开始直接利用甘蔗生产酒精，即利用甘蔗压榨或萃取后的蔗汁进行酒精发酵。甜菜所含主要糖分是蔗糖，此外还含少量其他碳水合物和果胶质。甜高粱是一种高秆作物，其秆中含糖分10%～12%，所结的高粱米富含淀粉，均可用于发酵酒精，是具有潜在发展前途的糖质原料。

3. 纤维质原料

近年来，纤维素和半纤维素生产酒精的研究有了突破性的进展，纤维素和半纤维已成为很有潜力的酒精生产原料。可用于酒精生产的纤维质原料包括农作物纤维质下脚料（稻草、麦草、玉米秆、玉米芯、花生壳、稻壳、棉籽壳等）、森林和木材加工工业的下脚料（树枝、木屑等）、工厂纤维素和半纤维素下脚料（甘蔗渣、废甜菜丝、废纸浆等）及城市废纤维垃圾等四类。

4. 其他原料

主要指亚硫酸盐纸浆废液、甘薯和马铃薯淀粉渣、各种野生植物和乳清等。例如，造纸原料经亚硫酸盐液蒸煮后，废液中含有六碳糖，这部分糖在酵母作用下可以发酵生成酒精，主要是工业酒精。

（二）与酒精发酵有关的微生物

1. 糖化菌

用淀粉质原料生产酒精时，在进行乙醇发酵之前，一定要先将淀粉全部或部分转化成葡萄糖等可发酵性糖，这种淀粉转化为可发酵性糖的过程称为糖化，所用催化剂称为糖化剂。糖化剂可以是由微生物制成的糖化曲（包括固体曲和液体曲），也可以是商品酶制剂。无机酸也可以起糖化剂作用，但酒精生产中一般不采用酸糖化。

能产生淀粉酶类并用于水解淀粉的微生物种类很多，但它们不是都能作为糖化菌用于生产糖化曲，实际生产中主要用的是曲霉和根霉。

酒精生产中，曾用过的曲霉包括黑曲霉、白曲霉、黄曲霉、米曲霉等。酒精和白酒生产中，不断更新菌种，是改进生产、提高淀粉利用率的有效途径之一。我国的糖化菌种经历了从米曲霉到黄曲霉，进而发展到用黑曲霉的过程。

20世纪70年代，我国选育出黑曲霉新菌株As.3.4309（UV-11）。目前，该菌株性能优良，我国很多酒精厂和酶制剂厂都以该菌种生产麸曲、液体曲以及糖化酶等，新的糖化菌株也都是As.3.4309的变异菌株。

根霉和毛霉也是常用的糖化菌。常用的根霉和毛霉有东京根霉（又叫河内根霉）、爪哇根霉和鲁氏毛霉等。

2. 酒精酵母

许多微生物都能利用己糖进行酒精发酵，但在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母（俗称酒母），利用淀粉质原料生产酒精的酵母在分类上叫啤酒酵母。该种酵母菌繁殖速度快，发酵能力强，并具有较强的耐酒精能力。常用的酵母菌株有南阳酵母、拉斯2号酵母、K字酵母、M酵母、卡尔斯伯酵母等。利用糖质原料的酒母除啤酒酵母外，还有粟酒裂殖酵母和克鲁维酵母等。

想一想 酵母菌内的酶有哪些？

酵母菌中可分离出二三十种酶，能直接参与酒精发酵的只有十多种。酒精酵母不含α-淀粉酶及β-淀粉酶等淀粉酶，因此，酿酒酵母是不能直接利用淀粉进行酒精发酵。在利用淀粉质原料生产酒精时，必须把淀粉转化成可发酵性糖，才能被酵母利用来进行酒精发酵。酒精酵母也不含乳糖酶，所以也不能利用乳糖进行发酵。

酵母菌内含与酒精发酵关系密切的酶主要有两类，一类为水解酶，另一类为酒化酶。水解酶类主要包括蔗糖酶、麦芽糖酶、肝糖酶等。酒化酶是指参与酒精发酵的各种酶及辅酶的总称，它主要包括己糖磷酸化酶、氧化还原酶、烯醇化酶、脱羧酶及磷酸酶等。在这些酶的作用下，把糖变成酒精。这类酶为胞内酶，只存在于酵母细胞内，而不被酵母分泌到细胞外，所以，酒精发酵要求有强壮的酵母活细胞参与活动。

（三）糖化方法

目前我国酒精生成中糖化主要采用间歇糖化工艺和连续糖化工艺。

1. 间歇糖化工艺

间歇糖化在糖化锅内完成，糖化锅的结构如图11-15所示。先将糖化锅洗净，并加入适量的冷水，然后放入蒸煮醪，边搅拌，边开冷水进行冷却。待醪液冷却到61～62℃时，加入糖化剂，搅拌均匀后，调整糖化醪液的pH在4.0～4.6，静止糖化30min，再冷却至30℃后供发酵用。

图11-15 糖化锅结构图

1—冷却管 2—蒸煮醪 3—吹醪管 4—人孔5—搅拌器 6—排气筒 7—冷水入口8—温度计 9—冷水进口 10—糖化醪

2. 连续糖化工艺

连续糖化法是连续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。真空冷却连续糖化法如图11-16所示。

图11-16 真空冷却连续糖化生产工艺流程

1—真空冷却器 2—混合冷却器 3—蒸汽喷射器4—液封水箱 5—糖化曲贮罐 6—糖化罐7—糖化醪泵 8—喷淋冷却器

（四）发酵工艺

根据发酵醪注入发酵罐的方式不同，可以将酒精发酵的方式分为间歇式、半连续式和连续式三种。

1. 间歇发酵法

间歇式发酵法就是指全部发酵过程始终在一个发酵罐中进行。由于发酵罐容量和工艺操作不同，在间歇发酵工艺中，又可分为如下几种方法。

（1）一次加满法 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。此法适用于糖化锅与发酵罐容积相等的小型酒精厂。其优点是操作简便，易于管理，缺点是酒母用量大。

（2）分次添加法 适用于糖化锅容量小，而发酵罐容量大的工厂。生产时，先打入发酵罐容积1/3左右的糖化醪，接入10%酒母进行发酵，再隔2～3h后，加第二次糖化醪，再隔2～3h，加第三次糖化醪。如此，直至加到发酵罐容积的90%为止。从第一次加糖化醪直至加满发酵罐，其总时间不应超过10h。

此外，还有分割主发酵醪法，此种发酵方式省去了酒母的制备，其无菌要求较高。

2. 半连续发酵法

半连续发酵是指在主发酵阶段采用连续发酵，而后发酵则采用间歇发酵的方式。常用的方法：将一组多个发酵罐连接起来，使前3个罐保持连续发酵状态。开始时，在第1只罐接入酒母后，使该罐始终处于主发酵状态，连续流加糖化醪。待第1罐加满后，溢流入第2罐，此时可分别向第1、第2两罐流加糖化醪，并保持两罐始终处于主发酵状态。待第2罐流加满后，醪液自然流入第3罐。第3罐流加满后，流入第4罐。第4罐加满后，则由第3罐改流至第5、第6罐，依次类推。从第4罐后便进入间歇发酵，第4、5罐发酵结束后，送去蒸馏。半连续发酵法的操作方式如图11-17所示。

图11-17 半连续发酵法的操作方式

3. 多级连续发酵法

如图11-18所示，多级连续发酵法是用8～10个发酵罐串联在一起，组成一组发酵系统。各罐连接是由前一罐上部经连通管流至下一罐底部。投产时，先将酒母接入第1罐，然后在保持主发酵状态下流加糖化醪，满罐后，流入第2罐。在保持两罐均处于主发酵状态下，与第1罐同时流加糖化醪。待第2罐流加满后，又流入第3发酵罐，又在保持3个罐均处于主发酵状态下，向3个罐同时流加糖化醪。待第3罐流加满后，自然流入第4罐，直至流到末罐。

图11-18 多级连续流动发酵法生产流程

1—酵母繁殖罐 2～9—发酵罐 10， 11—计量罐 12—泡沫捕捉器 13—二氧化碳洗涤塔14—转筒泵 15—成熟醪泵

这样，只在前3只发酵罐中流加糖化醪，并使处于主发酵状态，从而保证了酵母菌生长繁殖的绝对优势，抑制了杂菌的生长。从第4只发酵罐起，不再流加糖化醪，使之处于后发酵阶段。当醪液流至末罐时，发酵醪即成熟，即可送去蒸馏。发酵过程从前到后，各罐之间的醪液浓度、酒精含量等，均保持相对稳定的浓度梯度。从前面3只发酵罐连续流加糖化醪，到最后1罐连续流出成熟发酵醪，整个过程处于连续状态。(www.xing528.com)

（五）淀粉质原料发酵生产酒精

淀粉质原料生产酒精分为原料预处理、原料蒸煮、糖化剂制备、糖化、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏等工艺，工艺流程如图11-19所示。

图11-19 淀粉原料生产酒精流程

1. 原料预处理

原料首先要通过振荡筛、吸铁器等将其中的混杂的小铁钉、泥块、杂草、石块等杂质除去。原料除杂后要进行粉碎，目前国内大多采用干粉碎法，设备大多采用锤式粉碎机。

2. 蒸料

淀粉质原料吸水后在高温、高压下蒸煮，可以破坏植物组织和细胞，使淀粉彻底糊化、液化，使蒸煮物料成为均一的糊化醪，为进一步淀粉转化为糖创造良好的条件；其次蒸料还有灭菌的作用。

概念解析 糊化和液化

糊化：淀粉受热吸水膨胀，从细胞壁中释放，破坏晶状结构并形成凝胶的过程。

液化：淀粉在热水中糊化形成高黏度凝胶，如继续加热或受到淀粉酶的水解，使淀粉长链断裂成短链状，黏度迅速降低的过程。

（1）蒸煮过程中甲醇的产生果胶物质是细胞壁组成的一部分，也是细胞间层的填充剂，其化学成分是由许多链状化合物的半乳糖醛酸或半乳糖醛酸甲脂所组成。里面含有许多甲氧基，在蒸煮时，甲氧基从果胶物质中分离出来，生成甲醇。反应式：

果胶物质的含量，随原料品种不同而异，薯类原料所含果胶物质比谷类原料多，因此，生成甲醇量也较多。甲醇的存在，对发酵不利，同时对酒精的质量也有影响。因此，在生产中应尽量控制甲醇的产生。

（2）蒸煮工艺 间歇蒸煮工艺流程：

加水按粉状原料1∶4.0；甘薯原料1∶（3.2～3.4）；谷物原料1∶（2.8～3.0）。投料后升温时间一般采用40min左右。

目前我国各酒精厂广泛采用连续蒸煮工艺，方法有多种，常用有罐式（锅式）连续蒸煮、管道式连续蒸煮、塔式（柱式）连续蒸煮三种方法。

3. 糖化

糖化通过添加酶制剂或糖化曲来完成。糖化曲中含有的并起作用的淀粉酶类包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶（脱支酶）。淀粉在这几类酶的共同作用下被彻底水解成葡萄糖和麦芽糖，麦芽糖可在麦芽糖酶的作用下进一步生成葡萄糖。

另外，在糖化曲中除含有淀粉酶类外，还含有一些蛋白酶等，后者在糖化过程中能将蛋白质水解成胨、多肽和氨基酸等。

4. 酒母制备

（1）酒母制备过程 酒母扩大培养过程，分为实验室扩大培养和酒母罐扩大培养两阶段，具体流程如图11-20所示。整个酒母扩大培养过程控制的温度均为28～30℃。

图11-20 酒母扩大培养流程

（2）酒母培养设备 主要为酒母培养罐，铁制圆桶，因其通风要求不高，所以罐体直径与高之比近1∶1。酒母培养罐结构如图11-21所示。罐体密闭，底部呈碟形或锥形，罐内设有冷却蛇管，罐底设搅拌器，转速为80～100r/min，有的罐底部还设有无菌空气吹管，另外，罐体底部还设有排醪口，侧面还装有冷水与蒸汽进出口管。

（3）成熟酒母质量指标 根据生产实践，好的酒母除了要求其细胞形态整齐、健壮、没有杂菌、芽孢多、降糖快外，还要通过表11-9的几项指标来进行检查。

图11-21 酒母培养罐

1—冷却水进口 2—电动机 3—蒸汽冷凝液出口4—排醪口 5—冷却水出口 6—蒸汽进口 7—搅拌器

此外，成熟酒母醪中的酒精含量一方面反映酵母耗糖情况，也反映酵母成熟程度。如果酒母醪中酒精含量高，说明营养消耗大，酵母培养过于成熟，此时，应停止酒母培养，否则会因营养缺乏或酒精含量高抑制酵母生长，造成酵母衰老。成熟酒母醪中的酒精含量一般为3%～4%（体积分数）。

表11-9 成熟酒母的指标

5. 酒精发酵

糖化醪送入发酵罐，接入酒母后，即开始酒精发酵。

前发酵期一般为前10h左右，一般控制发酵温度为28～30℃。主发酵期为前发酵期之后的12h左右，此期间发酵醪温度上升也快，生产上应加强温度控制，最好控制在30～34℃。经主发酵期，醪液的糖分大部分已被耗掉，发酵进入后发酵期。在后发酵期阶段，发酵作用弱，产生热量也少，应控制发酵温度在30～32℃。后发酵一般需要约40h才能完成，总发酵时间一般控制60～72h。一般工艺工厂糖化醪浓度为16～18°Bx，发酵成熟醪的酒精含量为6%～10%（体积分数）。

酒精发酵醪成熟指标的控制是生产中一项重要工作。发酵醪的成熟虽与发酵时间、醪液浓度、发酵温度、酵母接种量和发酵方式等因素有关，但最终主要由表11-10所列的几项指标来控制。

表11-10 发酵成熟醪质量指标

6. 酒精蒸馏与精馏

酒精蒸馏包括两个过程：将酒精和所有容易挥发的物质从发酵液中分离出来的过程，称为粗馏。发酵成熟醪经过蒸馏后所得到的粗酒精，杂质较多。除去粗酒精中的杂质，进一步提高酒精浓度，使之成为各种规格成品酒精的过程，称为精馏。

蒸馏所用设备为蒸馏塔，又称为粗馏塔，精馏所用设备为精馏塔。粗馏塔的作用是将乙醇从成熟醪中分离出来，并排除酒糟。精馏塔的作用是浓缩乙醇和排除大部分杂质。

（1）发酵成熟醪的组成 发酵成熟醪的成分有不挥发性成分和挥发性成分两大类。

不挥发性成分包括甘油、琥珀酸、乳酸、脂肪酸、无机盐、酵母菌体、不发酵及未发酵完全的糖、皮壳、纤维等。挥发性杂质一般分成醇类、醛类、酸类和酯类等四大类，如表11-11所示，这些杂质随酒精蒸馏进入粗酒精中，需要精馏除去，在精馏中，沸点比酒精低的杂质先被蒸馏出，称为中间杂质，包括乙醛、乙酸乙酯和甲酸甲酯等，有些杂质沸点高的杂质出现在蒸馏酒尾中，呈油状浮在液面，称为尾级杂质，又称杂醇油。

表11-11 粗酒精的主要杂质及来源

（2）酒精蒸馏与精馏工艺 酒精蒸馏一般有两塔、三塔等多种蒸馏工艺。

两塔工艺过程分别在粗馏塔和精馏塔内进行。其中气相进塔（即粗馏塔顶上升的酒精蒸气直接进入精馏塔）方式为淀粉原料酒精工厂所采用。

三塔式连续蒸馏流程中，在粗馏塔和精馏塔之间增加一个排醛塔（分馏塔），其作用是排除醛酯类头级杂质。目前，半直接三塔式连续蒸馏在国内酒精工业得到广泛应用，如图11-22所示。

图11-22 半直接式三塔蒸馏流程图

1—醪液预热器 2—粗镏塔 3—醛塔 4—精馏塔 5～9—冷凝器

当成熟醪自醪池经往复泵送入预热器后，进入粗馏塔，塔顶上升的酒精蒸气直接进入排醛塔，从排醛塔塔顶经冷凝后，绝大部分酒精冷凝液回流塔内，少量蒸汽和杂质冷凝后作为醛酯酒（工业酒精）排出，醛酯酒的酒精含量为95.5%～96%。排醛塔塔顶回流的酒精在向下流动的过程中，一方面由于塔内酒精浓度很高，阻止了精馏系数较小的杂醇油继续上升，另一方面又使其与脱醛液一同下流至塔底，由于排醛塔是气体直接加热，所以提馏段的酒精浓度较粗馏塔导出的粗酒精浓度略低，一般在30%～35%之间。

脱出部分杂质的稀酒精液从塔底进入精馏塔，再经精馏塔浓缩并抽提杂醇油和排除杂质。因此，成品酒精质量较高，能达到精馏酒精标准。

（六）糖质原料发酵生产酒精

糖质原料生产酒精不必进行糖化及之前的工艺操作，工艺过程较为简单。糖蜜酒精生产工艺过程包括前处理、酒母制备、发酵和蒸馏四个工序，具体工艺如图11-23所示。

前处理主要是将糖蜜稀释至糖浓度为12%～18%（依不同的发酵工艺而异）。糖蜜中常缺乏酵母必需的营养物质，需要添加一些氮源、营养盐（如硫酸铵、硫酸镁、磷酸盐等）以及生长素（如酵母菌自溶物）等。一般来说，采用甘蔗糖蜜，要添加硫酸铵0.1%～0.12%、硫酸镁0.04%～0.05%及适量的酵母浸出液等；采用甜菜糖蜜，要添加过磷酸钙约1%，有时还要加少量的硫酸铵。在前处理中，还需要加酸酸化，将发酵稀糖液pH调至4.0～4.5，这样能起到防止发酵过程中杂菌繁殖等作用。所加酸一般为硫酸，也有用盐酸的。

图11-23 以甘蔗糖蜜为原料的酒精生产工艺

糖蜜经前处理后，接入酒母，于30～35℃发酵，酒精发酵所用工艺主要是间歇法和连续法，成熟醪酒精度为6%～9%（体积分数）。