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發(fā)酵的目的
淀粉質(zhì)原料經(jīng)過(guò)蒸煮，使淀粉呈溶解狀態(tài)，又經(jīng)過(guò)曲霉糖化酶的作用，部分生成可發(fā)酵性糖，這還不是酒精生產(chǎn)的終了，在糖化醪中接入酵母菌；在酵母的作用下，將糖分轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭虲O2，獲得了酒精產(chǎn)品，這才是酒精發(fā)酵的目的。 從表面上去觀察酒精發(fā)酵，其過(guò)程十分簡(jiǎn)單，它只是將糖化醪打入發(fā)酵罐后，接入酒母，就可以進(jìn)行發(fā)酵了。但是，在酒精發(fā)酵過(guò)程中卻發(fā)生著十分復(fù)雜的生物化學(xué)變化過(guò)程：在這里既有糖化醪中的淀粉和糊精繼續(xù)被糖化酶水解，生成糖分的作用（即后糖化作用），也還有蛋白質(zhì)在曲霉蛋白酶進(jìn)一步水解下生成低分子含氮化合物如是是眎、動(dòng)胨、肽和氨基酸的作用。生成的這些物質(zhì)，有的被酵母吸收利用，合成酵母菌體細(xì)胞，另一部分則被發(fā)酵，生成酒精和CO2及其它副產(chǎn)物。
酒精生產(chǎn)，要求用最少的原料來(lái)生產(chǎn)盡可能多的酒精產(chǎn)品，并應(yīng)盡量減少發(fā)酵損失，為了達(dá)到這一目的，必須創(chuàng)造如下有利條件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的要求：
（1）在發(fā)酵前期，要?jiǎng)?chuàng)造條件，讓酵母菌繼續(xù)繁殖到一定數(shù)量。
（2）使糖化醪中的淀粉和糊精繼續(xù)被分解，生成可發(fā)酵的糖分。
（3）發(fā)酵過(guò)程的中期和后期，要?jiǎng)?chuàng)造厭氣條件，使酵母在無(wú)氧條件下將糖分發(fā)酵生成酒精。
（4）發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的CO2應(yīng)設(shè)法排除，并注意加強(qiáng)對(duì)隨CO2逸出時(shí)被帶走酒精的捕集回收。
分類
酒精發(fā)酵的工藝方式不同，發(fā)酵設(shè)備也略有差異。從發(fā)酵形式來(lái)分，有開(kāi)放式、半密閉式和密閉式三種。如果從材質(zhì)上分，則可分為鋼板和水泥制兩種。
半密閉式發(fā)酵罐多采用鋼板制成，罐頂設(shè)有頂蓋，頂蓋上設(shè)有能啟閉的人孔。
結(jié)構(gòu)
鋼板制酒精發(fā)酵罐采用鋼板制成，鋼板厚度視發(fā)酵罐容積不同而異，一般采用4—8毫米厚鋼板制成，罐身呈圓柱形，罐身直徑與高之比為1：1.1；蓋及底為圓錐形成碟形；罐內(nèi)裝冷卻蛇管，蛇管數(shù)量一般取每立方米發(fā)酵醪用不少于0.25平方米的冷卻面積。蛇管可分上下兩組安裝，并加以固定。也有采用在罐頂用淋水管或淋水圍板使水沿罐壁流下，達(dá)到冷卻發(fā)酵醪的目。對(duì)于容積較大的發(fā)酵罐，這兩種冷卻形式可同時(shí)采用。對(duì)地處南方的酒精廠，因氣溫較高，故應(yīng)加強(qiáng)冷卻措施。有的工廠在發(fā)酵罐底部設(shè)置吹泡器，以便進(jìn)行攪拌醪液，使發(fā)酵均勻。罐頂設(shè)有CO2排出管和加熱蒸汽管、醪液輸入管。但管路設(shè)置應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，做到一管多用，這對(duì)減少管道死角，防止雜菌污染有重要作用。大的發(fā)酵罐的頂端及側(cè)面還應(yīng)設(shè)有人孔，以便于清洗。 水泥制酒精酵罐系采用鋼筋水泥制成，形狀可分為圓形或方形兩種。有的制成密封式，也可制成敞口式。因水泥發(fā)酵罐有易腐蝕、逃酒和滅菌不徹di等缺點(diǎn)，所以一般廠多不采用。
特點(diǎn)
酒精發(fā)酵罐是食品廠和酒廠的主要設(shè)備之一，其發(fā)酵溫度控制是依靠調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的冷卻流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外較多采用罐體外壁的夾套通入低溫酒精水冷卻罐內(nèi)發(fā)酵液，而酒精水的降溫是通過(guò)液氨蒸發(fā)來(lái)冷卻的，其缺點(diǎn)是需要酒精水的中間換熱循環(huán)。其主要特點(diǎn)如下：
⑴把大罐的夾層當(dāng)作蒸發(fā)器，液氨直接在夾套內(nèi)蒸發(fā)，利用其氣化潛熱冷卻罐內(nèi)的啤酒液，從而省卻了酒精水的中間換熱循環(huán)，節(jié)省能耗12%以上。
⑵把夾套當(dāng)作蒸發(fā)器，由于夾套內(nèi)的壓力比酒精水系統(tǒng)的要高，為此，設(shè)置了安全可靠、合理、結(jié)構(gòu)新穎的蜂窩結(jié)構(gòu)夾套，夾套與筒體組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度和剛度相互得到了提高。夾套焊縫可減少30%。
⑶夾套做成分片式，與筒體的焊接避開(kāi)筒體的縱、環(huán)向焊縫，避免了氨通過(guò)焊縫往罐內(nèi)啤酒液泄漏的可能性。克服了其它夾套的缺點(diǎn)。
⑷可選用碳鋼或不銹鋼材料，便于現(xiàn)場(chǎng)制造，降低制造成本，節(jié)省投資費(fèi)用。
⑸占地面積小，并可避免使用酒精水冷卻系統(tǒng)帶來(lái)的酒精揮發(fā)對(duì)大氣帶來(lái)的污染，符合環(huán)保產(chǎn)品要求。
⑹設(shè)備底座可采用鋼架結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)，定貨時(shí)可根據(jù)用戶確定。
發(fā)展歷史
第一階段：1900年以前，是現(xiàn)代發(fā)酵罐的雛形，它帶有簡(jiǎn)單的溫度和熱交換儀器。 第二階段：1900-1940年，出現(xiàn)了200m3的鋼制發(fā)酵罐，在面包酵母發(fā)酵罐中開(kāi)始使用空氣分布器，機(jī)械攪拌開(kāi)始用在小型的發(fā)酵罐中。
第三階段：1940-1960年，機(jī)械攪拌，通風(fēng)，無(wú)菌操作和純種培養(yǎng)等一系列技術(shù)開(kāi)始完善，發(fā)酵工藝過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)和控制方面已出現(xiàn)，耐蒸汽滅菌的在線連續(xù)測(cè)定的pH電極和溶氧電極，計(jì)算機(jī)開(kāi)始進(jìn)行發(fā)酵過(guò)程的控制。發(fā)酵產(chǎn)品的分離和純化設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)商品化。
第四階段：1960-1979年，機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的容積增大到80-150m3。由于大規(guī)模生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的需要，又出現(xiàn)了壓力循環(huán)和壓力噴射型的發(fā)酵罐，它可以克服—些氣體交換和熱交換問(wèn)題。計(jì)算機(jī)開(kāi)始在發(fā)酵工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。
第五階段：1979年至今。生物工程和技術(shù)的迅猛發(fā)展，給發(fā)酵工業(yè)提出了新的課題。于是，大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)酵罐應(yīng)運(yùn)而生，胰島素，干擾素等基因工程的產(chǎn)品走上商品化。
工藝流程
淀粉酶
↓
原料→粉碎→拌料罐→往復(fù)泵→加熱器→1-5#蒸煮鍋干酵母
↑↓ ↓
│汽液分離器→小酒母
│↓↓
┎─┙粗制復(fù)合酶 糖化罐大酒母
│↓ ↓↓
清液泵←清液酶解罐←糟液分離機(jī)←蒸餾塔←往復(fù)泵←1-10#發(fā)酵罐
↓↓
去污水處理品合格產(chǎn)品
發(fā)酵原理
采用多級(jí)連續(xù)發(fā)酵法，將10個(gè)罐組成連續(xù)發(fā)酵罐組，各罐連續(xù)方式是從上一罐上部流入下一罐底部。投產(chǎn)時(shí)，先將酒母打入第一罐，同時(shí)加入糖化醪，在保持該罐主發(fā)酵狀態(tài)下，流加糖化醪至滿，然后自動(dòng)流入第二罐，在保持兩罐主發(fā)酵狀態(tài)下，流加進(jìn)入第三只發(fā)酵罐，在保持三罐主發(fā)酵狀態(tài)下，向第三只罐同時(shí)加入糖化醪，待第三罐流加滿后，自然流入第四罐，直到末罐。
發(fā)酵過(guò)程
發(fā)酵罐進(jìn)料后調(diào)酸到PH4.2－4.7，發(fā)酵總周期：木薯60h－62h。
主要分為3個(gè)部分：
前酵期：入罐時(shí)溫度28℃－30℃，時(shí)間9h－11h，主要是菌體生長(zhǎng)。前兩只發(fā)酵罐一直處于前酵期。
主酵期：溫度保持在33℃－35℃，時(shí)間11h－13h，是產(chǎn)酒精發(fā)酵的關(guān)鍵時(shí)期。
后酵期：溫度比主酵期低，為31℃－33℃，時(shí)間36h－38h。
?成熟指標(biāo)
1、還原糖和總糖的測(cè)定
還原糖測(cè)定采用DNS（3，5－二硝基水楊酸比色定糖法）法。發(fā)酵醪中的總殘?zhí)橇繙y(cè)定根據(jù)Saha等人所用的方法：取10mL發(fā)酵醪，加10mL25%HCI和30mL蒸餾水混合均勻，在100℃水浴中水解3h，水解液調(diào)至中性，然后用DNS法測(cè)定水解液中的還原糖。多級(jí)連續(xù)發(fā)酵法成熟發(fā)酵醪還原糖濃度在0.3%以下，總糖在0.8%以下。
2、酒精含量測(cè)定與蒸餾
發(fā)酵液中乙醇濃度的定量分析法用酒精比重計(jì)測(cè)定法。多級(jí)連續(xù)發(fā)酵法工藝過(guò)程成熟發(fā)酵醪酒精濃度在9.0%－9.5%。發(fā)酵醪成熟后開(kāi)始放罐進(jìn)入蒸餾工序，蒸餾工序采用汽相過(guò)兩塔蒸餾的方法。成熟的發(fā)酵醪在蒸餾工序完成后，進(jìn)行酒精產(chǎn)品的提純和糟液的分離工作。
控制關(guān)鍵
1、釋放速度與發(fā)酵罐的數(shù)量問(wèn)題
多級(jí)連續(xù)發(fā)酵法中，各罐基本上處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)蒙陰天久酒業(yè)的實(shí)踐，每小時(shí)進(jìn)醪60m3，流加罐總?cè)莘e為500m3，稀釋濃度太大，雖然營(yíng)養(yǎng)成分較好，酵母繁殖快，但酵母來(lái)不及積累就流走，不能保持發(fā)酵罐內(nèi)相對(duì)發(fā)酵的穩(wěn)定，稀釋速度太低，造成設(shè)備利用率低，不利于生產(chǎn)的循環(huán)。
在發(fā)酵罐組中，除前幾罐流加發(fā)酵外，后面還要配置適量的罐作為后發(fā)酵用，并使前后發(fā)酵罐之間的醪液保持一定的濃度梯度。天久酒業(yè)共采用了10只500m3發(fā)酵罐，流加速度為60m3/h。
2、發(fā)酵醪PH與溫度控制
適當(dāng)降低發(fā)酵醪中PH的合理控制，是阻止多級(jí)連續(xù)發(fā)酵雜菌污染的主要措施。連續(xù)發(fā)酵要求無(wú)菌條件非常嚴(yán)格，PH應(yīng)控制在4.2－4.7為宜。但PH值太低，不但會(huì)抑制雜菌的繁殖，同時(shí)也會(huì)抑制酵母的繁殖和代謝，還會(huì)使糖化酶鈍化，影響發(fā)酵結(jié)果。
多級(jí)連續(xù)發(fā)酵法中，酵母繁殖溫度為27℃－30℃，發(fā)酵溫度為33℃－35℃，如果溫度高于40℃，酒精發(fā)酵很難進(jìn)行。產(chǎn)酸細(xì)菌繁殖最適溫度為37℃－50℃，因此高溫發(fā)酵易被細(xì)菌污染。
3、關(guān)于發(fā)酵醪濃度問(wèn)題
酒精發(fā)酵要求在一定濃度的糖化醪中進(jìn)行，醪液濃度的高低直接影響到生產(chǎn)業(yè)績(jī)。糖化醪濃度稀，雖然有利于酵母的生長(zhǎng)代謝，能提高出酒率，但是濃醪發(fā)酵卻能提高設(shè)備利用率，節(jié)省水、電，降低生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)量。因此，生產(chǎn)上建議盡量采用濃醪發(fā)酵。天久酒業(yè)糖化醪發(fā)酵濃度為8%，成熟醪酒精含量在9.3%%Vol。
影響
1、酒精發(fā)酵設(shè)備對(duì)紅葡萄酒顏色的影響
葡萄酒發(fā)酵容器有水泥池、碳鋼罐、橡木桶、立式發(fā)酵罐和旋轉(zhuǎn)罐。旋轉(zhuǎn)罐有加熱、冷卻系統(tǒng)，能夠控制浸漬溫度，且具有一定的保壓能力，當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)壓力到達(dá)一定程度時(shí)才開(kāi)始排氣，發(fā)酵剛啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳覆蓋在罐中葡萄漿果的上表面，既起到了防止氧化，又有二氧化碳浸漬作用。旋轉(zhuǎn)罐可設(shè)定罐體轉(zhuǎn)動(dòng)間隔時(shí)間和正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，葡萄漿果在旋轉(zhuǎn)罐內(nèi)定時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使皮渣、汗液充分均勻，有利于色素浸提。
2、倒罐次數(shù)對(duì)紅葡萄酒顏色的影響 立式不銹鋼罐發(fā)酵紅葡萄酒，在酒精發(fā)酵期間，倒罐的方法、倒罐的時(shí)間與倒罐的次數(shù)至關(guān)重要，是體現(xiàn)釀酒師水平的關(guān)鍵工藝點(diǎn)之一。倒罐俗稱打循環(huán)，就是將發(fā)酵罐底部的葡萄汁泵送至發(fā)酵罐上部，分開(kāi)放式倒罐和封閉式倒罐。開(kāi)放式倒罐將葡萄汁從罐底的出酒口放入中間容器中，然后再用泵送至罐頂部；封閉式倒罐是直接將泵的進(jìn)酒口接到罐底的排酒口，直接泵送入罐頂部淋洗皮渣。
倒罐的主要作用有：
（1）使發(fā)酵基層，包括加入的原輔料充分混勻；
（2）壓帽防止皮渣干燥，促進(jìn)液相與固相之間的物質(zhì)交換；
（3）使發(fā)酵基質(zhì)通風(fēng)，提供氧有利于酵母菌的活動(dòng)，并可避免SO2還原為H2S。
許多酒廠在整個(gè)酒精發(fā)酵過(guò)程中只進(jìn)行3-4次倒罐，主要在加亞硫酸、酵母、白砂糖時(shí)進(jìn)行，其認(rèn)為倒罐的主要作用僅僅是為了混勻發(fā)酵基質(zhì)。但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)殡S著酒精發(fā)酵的進(jìn)行，葡萄皮渣由于比重輕，另一方面由于發(fā)酵時(shí)不斷上升的CO2氣體，使皮渣上升，在罐內(nèi)葡萄汁的上表面形成厚厚的一層，俗稱“帽”，結(jié)果造成上面的皮渣干燥與汁液隔離，并且在與皮渣相接處的汁液形成飽和層，不利于浸提作用的進(jìn)行，這時(shí)就需要用倒罐來(lái)淋洗整個(gè)皮渣表面，破壞形成的飽和層，使之有利于花色素、單寧等的浸提。
一般情況下，在干紅葡萄酒整個(gè)酒精發(fā)酵過(guò)程中，需要進(jìn)行三次開(kāi)放式倒罐，第一次在加入果膠酶、活性干酵母時(shí)，倒罐量約為罐體容積的1/20；第二次開(kāi)放式發(fā)酵剛啟動(dòng)時(shí)，倒罐量約為罐體容積的1/5；第三次可在加糖時(shí)進(jìn)行，倒罐量約為罐體容積的1/10。至于封閉式倒罐，可在葡萄入料滿罐后進(jìn)行第一次封閉式倒罐，其主要目的是為了將入料時(shí)加入的SO2充分混合均勻。其余時(shí)間，可每天進(jìn)行一次封閉式倒罐，每次倒罐體容積的1/5或每天進(jìn)行2次封閉式倒罐，每次倒罐體容積的1/10，主要目的是為了混勻發(fā)酵基層和淋洗皮渣、破壞飽和層、加強(qiáng)色素浸提。
3、分離時(shí)間對(duì)紅葡萄酒原酒顏色的影響
紅葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中，皮渣的分離沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間與天數(shù)，它與葡萄原料質(zhì)量，酒精發(fā)酵啟動(dòng)的時(shí)間、發(fā)酵速度、發(fā)酵溫度及所要求生產(chǎn)的葡萄酒的種類密切相關(guān)。有的酒廠以浸漬發(fā)酵天數(shù)決定分離時(shí)間，有的酒廠以葡萄酒的比重來(lái)判定是否該分離，也有的酒廠直接在發(fā)酵終止時(shí)分離葡萄皮渣。在酒精發(fā)酵剛開(kāi)始時(shí)，葡萄皮中的花色苷、單寧及芳香物質(zhì)不斷地被浸提出來(lái)，但當(dāng)葡萄酒的顏色達(dá)到一定程度時(shí)，酒中的花色素含量不再上升，酒的顏色不再加深，這時(shí)如果不分離葡萄皮渣繼續(xù)浸漬，葡萄皮渣會(huì)吸附一部分酒中的色素、使葡萄酒顏色變淺，而酒中單寧的含量隨著浸漬時(shí)間延長(zhǎng)而上升。因此如果要生產(chǎn)在2-3年消費(fèi)，顏色深、果香濃、酒體柔和、單寧含量較多的葡萄酒就應(yīng)該縮短浸漬時(shí)間，一般也就在酒精發(fā)酵啟動(dòng)后5-6天，比重在10-15天左右分離，好的辦法是用肉眼觀察、比較，并用分光光度計(jì)測(cè)定其在520mm處吸光值，當(dāng)酒中色素達(dá)到最高值時(shí)分離，發(fā)酵溫度控制在25-27℃為宜。相反，為了獲得需長(zhǎng)期陳釀的葡萄酒就應(yīng)延長(zhǎng)浸漬時(shí)間，如果葡萄原料成熟度與質(zhì)量好的話，可直接在酒精發(fā)酵中止時(shí)分離皮渣，使酒中富含單寧，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)感，而發(fā)酵溫度可控制在27-30℃范圍內(nèi)。
參考資料
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