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熱文連續發酵有什么意義(連續發酵的意義是什么)

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之前我們有討論過利用生物方法去減少雙乙酰對啤酒成品的影響。今天我們探討一下工業上如何消弭這一影響。

使用固定酵母連續發酵法減少雙乙酰

在工業應用上,會用到連續發酵(Continuous fermentation)搭配固定酵母(Immobilized Yeast)工藝的方法減少雙乙酰。

連續發酵

連續發酵法是 20 世紀 70 年代誕生的一種技術。最開始的目的就是為了更加高效率地生產乙醇。連續發酵,不同于單桶發酵技術,最大限度避免酵母的生長期,遲緩期和成熟期,而是直接進入發酵階段,并且可以一直發酵而不停止。

其原理就是將培養基(也就是麥芽汁)以一定速率流入反應器內(也就是發酵罐),同時以固定速率流出發酵液。通過工業控制可以找到流入、流出與發酵率之間的最優解。

一個多罐連續發酵的系統

上圖就為多罐連續發酵,將不同發酵度的發酵液經過多個發酵罐發酵。這樣可以保持連續的發酵進程而不停止。當然也有單桶,下面會講到。

盡管上面提到,可以找到流入 / 流出與發酵率之間的最優解。但傳統的連續發酵工藝,發酵度不高依舊是個問題,其中一個解決方法就是多罐,但成本很高;且連續補充麥芽汁、桶于桶之間交換發酵液等容易導致染菌。所以就引入了固定化酵母這個工藝。

固定化酵母

固定化酵母的原理是,將酵母集中固定在載體上,讓其進行快速繁殖,使載體上聚集高濃度的酵母細胞。流經這些高濃度酵母聚合體的麥芽汁,麥芽汁中的葡萄糖會被快速消耗并轉化為乙醇(及一些副產物)。

固定酵母的方法,會有所不同。吸附法 ,使用谷物纖維(玉米芯、使用過的谷物殼)作為酵母載體,這類屬于吸附;而最常用,包括家釀都可以使用的是 包埋法,使用海藻酸鈉(微溶于水)作為載體,進行酵母固定化。

用海藻酸鈉固定化酵母

被固定的酵母濃度很高,加上不斷繁殖而游離出的酵母,發酵罐的酵母總濃度比非固定化酵母的批次更高。固定酵母的濃度可以去到非固定酵母濃度的 1.5- 2 倍,所以反應速度更加迅速,某些研究表明發酵時間可以從幾天減到一天甚至十幾個小時;而高濃度的酵母可以有效抑制雜菌的滋生;加上收集方便,方便重復利用。

但被固定的酵母始終會受限于載體的面積大小,生長率有所下降,所以一般是經過培育后再進行使用。而固定酵母用于普通的釀酒中,始終不太適合,因為其快速的反應,容易導致其他副產物的失控。

目前比較常用的 固定酵母連續發酵方法,是使用氣升環流反應器(Gas Lift Reactor),如下圖所示,是一個雙桶結構,一個用于發酵,一個用于成熟。R1 反應器里塞滿了被固定的酵母及其載體(載體為廢棄谷物),底部充氣,側部進麥芽汁,氣體壓力讓麥芽汁運動起來,在預先塞滿了固定酵母里形成環流,避免某一區域酒精濃度過高導致發酵緩慢。

上圖另外一個反應器,R3,也塞滿了被固定的酵母及其載體(玉米芯),用于啤酒成熟。這里就沒有使用環流,而是使用填充的方法進行成熟。

兩個桶均為底部入原料,頂部出反應物,是因為當液位升高的時候,酒精比水輕,可判斷最上層的液體已經經過了固定化酵母的發酵,所以頂部出產物。

那么為什么與雙乙酰相關呢?其實 R3 里的啤酒成熟原理和普通的成熟差不多,雙乙酰休止也是如此。不過由于酵母濃度更高,加上可以采用環流式反應器,使 α - 乙酰乳酸均勻被降解,所以效率會更高。

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