双环流厌氧反应器在酒精发酵中的应用
2007-10-10 21:46:58   来源：酿酒科技   评论：0 点击：

环流反应器是近年来随着生物反应器的研究,发展起来的一种新型生物反应器。反应器中加设了导流装置,使原来无序的自然循环流动得到强化,从而产生稳定的总体环流,改善了反应条件,对反应物之间的混合、传热、传质都很有利。环流反应器除推进器式以外,是用反应流体的喷射动能和流体的循环流动来搅动反应物料,因而具有结构简单、造价低、易密封和能耗低等优点[1,2]。高浓发酵是近年来发酵工业追求的目标,具有提高设备利用率、降低生产成本、减少环境污染等优点[3,4]。但也有其缺点,如物料黏度大、输送困难等。而在进行酒精发酵之前将原料中的大部分不溶物(对小麦淀粉主要是蛋白质)除去,使醪液流动性增强,可以很好地解决黏度大的问题;也便于各种发酵新技术,如细胞循环发酵、固定化酵母技术、与分离过程的耦合等的应用;同时还可以提高原料综合利用率,改善装置运行状况[5]。本实验先由Martin系统生产面筋[6],经80目筛制成的小麦淀粉乳直接液化、糖化,之后在一种双环流厌氧反应器中进行酒精发酵。分别进行无环流发酵和在发酵过程的主发酵期强制循环发酵液发酵试验,考察强制环流对发酵过程的影响(主要比较酒度、糖度、酸度和细胞生理状况等要素)。
1材料与方法
1.1实验材料
菌种:安琪牌耐高温酿酒活性干酵母(TH-AADY),湖北安琪酵母股份有限公司。
原料:小麦面粉(小磨粉),许昌面粉厂。
酶制剂:α-淀粉酶(4000 u/g),无锡星达生物工程有限公司;糖化酶(1.0×105 u/g),河南三门峡发酵厂。
仪器设备:ALC-110.4精密电子天平,SartortusGroup;HH-4型数显恒温水浴锅,江苏省金坛市荣华仪器设备制造有限公司;PHS-3C精密级数字式酸度计,上海虹益仪器仪表有限公司;KDM型恒温电热套,山东省鄄城光明仪器有限公司;PYX-DHS-40×50隔水式电热恒温培养箱,上海跃进医疗器械厂;双环流厌氧反应器,自制(见图1)。

1.2分析项目及方法
糖化醪、发酵醪的还原糖含量(%)及总糖含量(%)的测定:采用经改良后的斐林法———快速直接滴定法进行测定[7,8]。小麦粉中粗淀粉的测定[7]:采用斐林试剂法。经测定,本实验所用小麦面粉的粗淀粉含量为70.9%。发酵醪中酒精度的测定[8]:量取混匀的发酵醪100 mL,置于500 mL圆底烧瓶中,加入100 mL水,蒸馏。用100 mL量筒接收馏出液100 mL。将蒸出的酒液上下搅拌均匀,缓慢放入清洁干净的酒精计,稳定后,读取酒精度数,同时测量酒液温度,将酒精度校正为20℃时的酒精度。酵母检查[8,9]:包括酵母细胞浓度、酵母细胞死亡率、酵母出芽率。酵母细胞计数采用血球计数法,死酵母用美蓝染色剂着色,凡芽孢未脱离母体的酵母均算出芽。pH值的测定:采用PHS-3C精密级数字式酸度计测量。原料出酒率、乙醇转化率、淀粉利用率[8,10]:见参考文献[8]和[10]。
1.3实验工艺条件及参数
环流反应器高径比为4.375∶1,装料量92 L,装料系数0.857。发酵过程工艺参数控制为:TH-AADY接种量0.9‰,发酵过程0～8 h温度控制在32～34℃,8～20 h温度控制在38～40℃,20 h以后保持在34～36℃。
2结果与分析
对发酵实验初始参数与终了各项数据进行计算,对比发现:加入强制环流的发酵过程,发酵液中的底物残留减少,说明发酵进行得更加彻底,酵母细胞对底物有更高的利用率;发酵终了时的酒度以及原料出酒率、乙醇转化率、淀粉利用率也都高于无环流过程(见表1、表2)。

2.1酵母细胞生长状况比较
酵母细胞浓度的变化见图2,酵母细胞出芽率的变化见图3,酵母细胞死亡率变化见图4。

从图2可知,在前发酵期,酵母细胞浓度较低,增加速率也不是很大;在主发酵期,酵母细胞大量增殖,细胞浓度急剧增加;在后发酵期,酵母细胞浓度保持在一个较为稳定的数值,并逐渐降低。有环流过程与无环流过程细胞浓度变化规律一致,但在主发酵期和后发酵期,主发酵期强制环流过程的细胞浓度明显高于无环流过程。

从图3可知,主发酵期强制环流过程与无环流过程的酵母细胞出芽率都随发酵的进行而减小,减小速率在12 h之前较高,之后逐渐变缓。但有环流过程的出芽率在加入环流之后一直远高于无环流过程。

图4表明,有环流过程和无环流过程的酵母细胞死亡率在开始的一段时间均保持较低的数值,而后随着醪液中糖含量的消耗迅速升高。而以有环流过程的细胞死亡率升高较无环流过程大为提前,且其数值远高于无环流过程。说明由于营养成分的快速消耗,以及醪液中酒分的快速升高,细胞生长环境恶化加速,酵母细胞提前进入衰亡期。综合来看,强制环流促进了发酵液的流动与混合,加速酵母细胞生长所需要的营养成分在醪液主体中的扩散,在一定程度上改善了酵母细胞的生长环境,促进了酵母细胞的生长和增殖。由于酵母细胞对生长环境的改变有一个适应过程,酵母细胞的浓度随强制环流的开始和停止有较大的波动。而发酵过程中酵母细胞的大量增殖消耗了底物中的大量糖分,酒精含量的增加也抑制了酵母细胞的生长,降低了细胞活性,加速了细胞的衰老,导致了酵母细胞在发酵后期的高死亡率。但酵母细胞的高出芽率使得醪液中衰老酵母细胞在死亡的同时,有大量新生细胞的补充,保持足够的酵母细胞浓度。
2.2发酵醪糖度变化比较

带渣总糖糖度变化见图5,还原糖糖度变化见图6。

从图5可知,在前发酵阶段主发酵期强制双环流发酵过程的总糖糖度略高于无环流过程,但相差很小;进入主发酵期后,两个过程的总糖糖度迅速下降,而有环流过程总糖糖度降低的速率明显大于无环流过程;24 h以后随总糖的不断水解,糖度的下降逐渐变缓。有环流过程发酵终了时的残总糖糖度为1.45%,低于无环流过程的1.56%,这是由于强制环流防止了原料的沉淀,促进了酶与原料的混合,进而促进了底物的水解。

从图6可知,主发酵期强制双环流发酵过程的还原糖糖度,在前发酵阶段与无环流过程基本持平,而在主发酵阶段和后发酵阶段则低于无环流过程。虽然强制环流提高了底物的水解速率,但环流同时也促使酵母细胞大量增殖,新生酵母细胞的生长和代谢过程,都加速了对发酵醪中还原糖的消耗,而且这种消耗增加的速率高于底物水解增加的速率,从而降低了发酵醪中的还原糖糖度。
2.3发酵醪酒度变化比较(见图7)

从图7可看出,两个发酵过程发酵醪中酒度随发酵的进行逐渐升高,在0～24 h之前保持较高的产酒速率,24 h之后逐渐变缓。对主发酵期双环流过程,从第12小时开始,发酵液的酒度一直高于无环流过程。发酵终了时,主发酵期强制环流过程的酒度达13.40%vol,较无环流过程也有明显的提高。可见强制环流可促使酵母细胞较快产酒,并提高了单位原料的出酒率。

此外,由于主发酵期强制环流的影响,在有环流过程发酵醪酒度的增加幅度存在一定的波动。这是因为强制环流造成了酵母生长环境的变化,进而影响到酵母的代谢过程,造成作为代谢产物的酒精增加速率的波动。
2.4发酵醪pH值变化比较(见图8)

发酵醪的pH值对微生物的生长有着明显的影响同时也是影响各种酶活性的主要因素。太低的pH值会增加酵母细胞排斥质子的能量消耗,降低酵母细胞活力和对基质的利用速率;而太高的pH值又容易造成发酵液染菌。因此使发酵液维持适中的pH值是发酵过程成功的关键因素。
主发酵期强制双环流过程与无环流过程的发酵液pH值变化趋势一致,先是快速降低,在10 h左右达到较低值,并维持这个较低值14 h左右,而后又逐渐回升主发酵期强制双环流发酵过程的醪液的pH值明显高于无环流过程,并保持在适中的范围,更有利于酵母细胞的代谢和酶活性的保持,增酸幅度较小。
3结论
实验对强制双环流厌氧反应器在小麦淀粉乳酒精发酵中的应用进行了研究,对比分析了主发酵期强制环流发酵过程和无环流发酵过程中的酵母细胞生长状况、糖含量、pH值和酒度的变化。
3.1在主发酵期强制双环流的作用下,发酵醪液的湍动得到强化,有效防止了醪液中固形物的沉淀,加速了营养成分的扩散,促进了酵母的增殖,同时提前了酵母进入衰亡期的时间。
3.2促进了底物的水解,提高了淀粉利用率和单位原料的出酒率,使原料得到更为充分的利用。
3.3强化了传热过程,提高了传热效率,降低了高温增酸幅度,减轻了对糖化酶的抑制作用。