1 引言 我国工业自1991年起，在无锡轻院发酵法生产甘油专利技术[专利号891036.5]的基础上，开始了发酵甘油的工业生产历程，并就甘油的发酵、发酵液的净化以及提取精制等展开广泛的研究与探索。许多科研单位和院校也致力于解决甘油生产中出现的诸多工艺技术问题，为促进发酵甘油生产向成熟发展起了积极的作用。在这个过程中，各个单位都积累了不少宝贵的经验，取得了很大进步。可以预见，在不远的将来，我国的发酵甘油必将形成强大的生产力，为解决市场甘油缺乏，减少进口，节约外汇，起到不可估量的作用。
为促进发酵甘油事业的发展，加快研究进程，作者拟根据三年来从事甘油生产与研究所积累得经验，就其发酵、净化与提取工艺提出自己的一些见解与看法。希望对读者有一定的帮助，相互交流，共同提高。
2 发酵工艺初探
探索提高发酵糖甘油化率，降低发酵过程的动力消耗(占整个生产动力的50％左右)，是解决当前甘油生产成本过高的一个有效途径。同时，在发酵初糖与残糖浓度相同的情况下，转化率越高则最后残糖对甘油比例越小，对后提取也越有利。国内各发酵甘油生产厂家(均使用无锡轻院W2002－5菌种)的发酵转化率一般在38％～42％，好的可达45％左右，而在实验室中，通过摇床发酵，最高可达60％左右，在这方面应该说W2002－5菌种是有潜力可挖的，在此谈谈对甘油发酵的一点初步认识，供大家参考。
2.1 关于低磷发酵
2.1.1 玉米浆(磷含量)对发酵的影响
①玉米浆含有丰富的磷元素，为酵母生长提供磷源。同时，玉米浆还含有各种生长素，无机盐和微量元素，这都是酵母生产所不可缺少的营养物质。但在甘油发酵中，只有磷含量才是添加玉米浆的主要控制因素，磷含量要求越高则玉米浆添加越多，发酵培养基中营养越丰富，酵母生长越快。
②磷量高，发酵过程中PH下降快，且最终pH低，磷量低，则相反。
③磷量越高，要求的风量也越大，也就是酵母对溶解氧的要求越高。
2.1.2 低磷发酵
此处所指的低磷是相对于原发酵工艺的磷量而言的，按无锡轻院发酵工艺，磷量在120μ/ml左右为好，在这种情款下，从表面上看，有三个比较明显的特征：一是发酵过程中pH下降快，8～12h，pH即降至2.5左右；第二是酵母生长快，酵母量一般可达0.55ml/10ml以上；第三，必须以大风量来防止脂香味的产生，也就是要防止其它醇类物质的生成，保证甘油产率达稳定，必须以比较高的风量才能办到。以上三种现象通常是同时发生，相伴而行。
而在低磷量情况下，一般在80μ/ml左右，也有三个对应特征，即：
①pH下降较慢，8～12h，至3.0～3.3左右，并保持此pH至发酵结束。
②酵母生长较缓慢，发酵结束时一般在0.5ml/10ml左右。
③保持正常发酵气味所要求的风量较小。
从“低磷”与“高磷”两种发酵的特点对比分析，低磷发酵具有两个优点：首先，在磷含量较低时，玉米浆添加量较少，培养基中各种营养物质相应减少，酵母的生长受到一定限制，防止了由于酵母过渡生长而消耗掉过多糖类物质，有助于提高整个发酵过程度糖甘转化率，使转化率达到42％～45％；其次，低磷发酵的pH值与高磷发酵明显不同，在风量较低时，pH3.0～3.3时的甘油发酵转化率比在pH2.5左右时高的多。因此从节约动力消耗的角度上考虑，可以认为pH3.0～3.3是甘油发酵的最佳pH值，为达到此值，也应采用低磷发酵，这也是它与原工艺相比，最具有吸引力的优点。
2.1.3 综上所述，低磷发酵根据玉米浆(磷含量)对发酵过程度影响的原理，在综合考虑多方面因素的基础上，合理选取较低磷含量，以达到提高糖甘转化率和减少动力消耗的目的，从而在一定程度上降低了甘油的发酵成本，对生产总成本的降低有很大帮助。
2.2 关于发酵初始pH值
以前通常的认识是，甘油发酵的初始pH对发酵的影响不大，一般取自然pH，即糖化后的pH4.5左右，然而在一次偶然的实验中，我们发现初始pH对发酵转化率达提高也是有影响的，并在此基础上做了一系列摇床实验。
2.2.1 以口服葡萄糖配制发酵培养基
以口服葡萄糖为碳源，配制相同初始糖浓度和相同营养配比的培养基，然后分成两部分，分别调整pH至8.5和5.5灭菌后，接同一斜面上的菌种，在相同环境条件下发酵相同时间，检测结果如表1。
表1 检测结果
项 目 初始pH8.5 初始pH5.5
甘油(%) 7.4 6.5
残糖(%) 2.64 3.1
最终pH 4.2 3.2
结果分析：在初始pH8.5左右时的甘油产率比pH5.5时高出0.9％，按正常情况分析，应多耗糖1.8％左右，而以上实验表明，只多耗糖0.46％，可见初始pH8.5时的发酵转化率比pH5.5时(自然pH)略高。
2.2.2 以酶法糖配制发酵培养基
为了证实以上试验是否有生产价值，我们模拟大生产情况，以酶法糖为碳源，做了以下实验，配制两种初始糖浓度相同，玉米浆配比分别为0.2％、0.4％，而其他营养物配比相同的培养基，分别分成两份，其中一份调pH至8.0，另一份保持自然pH(4.5左右)，灭菌后接同一菌种(种量相同)。在相同环境条件下发酵相同时间，结果如表2。
表2 试验结果
项 目 初始pH8.0 初始pH4.5
玉米浆(%) 0.2 0.2
甘 油(%) 16.3 14.6
残 糖(%) 2.9 2.9
pH 3.4 3.2
酵母量(ml/10ml) 0.45 0.55
玉米浆(%) 0.4 0.4
甘油(%) 14.3 13.9
残糖(%) 2.4 3.69
pH 3.4 3.1
酵母量(ml/10ml) 0.5 0.65
以上实验表明不仅对口服葡萄糖，而且对淀粉酶法糖，初始pH对发酵的影响都存在，并且在较低磷量时(玉米浆0.2％)影响更大，提高发酵转化率达作用更显著，其甘油产率比初始pH4.5时高出1.7％，相当于提高转化率5％～7％，而耗糖相同，同时也可推测：初始pH值对发酵的影响也可能是通过限制酵母过度生长而起作用的，因为从以上数据可以看出，在相同条件下，初始pH8.5时的酵母量全部比pH4.5时低。由于时间等因素影响，所做实验有限，关于初始pH对发酵的影响可能还存在其他因素，读者可进一步在这方面开展更深入的研究。
2.3 关于发酵工艺的改进意见
根据上述对低磷发酵及初始pH的一些初步讨论，有一点是完全可以证实的，即甘油发酵还大有潜力可挖，其中关于低磷发酵以多次在大生产成功运用，虽然它的作用机理还不能确定，但通过不断摸索，形成一套完整的工艺技术是完全有可能的，如能在低磷发酵的基础上，适当调整初始pH至7～8，并能应选出此时的最佳磷含量(在低磷范围内100μ/ml以下),就能达到即提高发酵糖甘转化率，又减少动力消耗的目的，从而使发酵成本大大降低，为甘油的净化和提取工艺留下更大回旋余地，可以在提取时投入更多成本，采取更优的工艺，有助于总收率及成品质量的提高。
3 关于发酵液的净化
由于发酵结束后经高速离心机分离出的清液中含有大量的糖类(主要是多糖2％～3％左右)、蛋白质、有机酸及其胶体杂质，这些物质的存在，给以后的蒸馏提取造成很大困难，成品质量也因此而达不到要求，因此必须进行净化。由于本发酵液中各种物质含量较低(甘油最高，为10％左右)，考虑到处理的成本费用，建议首先进行一次浓缩，除去大部分水分，使甘油含量提高到40％左右，然后这步净化应以除去有机酸、蛋白质及其他胶体杂质为主。这些物质经浓缩后，呈现出黑色粘稠液体。由于不知其组成成分，暂且称之为黑色复合物，以下是净化流程：
经此工艺处理后的40％粗甘油浓缩液，由黑色变为棕黄色，由粘稠变为稀薄，由混浊变为透明，除了糖类物质外，其它杂质基本上清除干净。此工艺优点在于，所用溶剂乙醇沸点低，易与水、甘油分离，如采用一定塔板数的蒸馏塔回收，则效果更好，*步骤可采用密封设备和暗流型的板柜压滤机，则绝大部分溶剂可得到回收，循环利用，因而处理费用小，而且溶剂回收形成封闭流程，甘油几乎没有损失。主要损失在过滤及脱色工序上，但这些都能进行有效回收，因此甘油损失应该不会超过2％，另外，也可考虑省去脱色工序直接进行再浓缩，然后进行蒸馏。
曾经有这样一种观点。认为在净化时可加入一定的熟石灰，起到去糖作用。而实际上，采用碱法去糖不但降糖效果不显著，反而使粗甘油色泽进一步加深，并且这种黑色物质是活碳所不能脱去的(可能是类黑色素)。因此，这里暂时没有考虑糖类物质的清楚问题，待蒸馏时，通过蒸馏设备与工艺的改进来解决此问题。另一方面，在这一流程中，残糖与甘油的比例基本没有变化，从而也在一定程度上证实力这样一个观点，即蒸发浓缩后的黑色复合物主要是有机酸，蛋白质及胶体造成的。在这个过程中，糖类物质基本没有变化，因而是次要因素，待蒸馏时，糖类在高温下的结焦才是影响收率与质量的主要因素。
此工艺经过多次实验室试验，但由于部分设备不全及有关条件限制，未进行生产规模的试验，有待进一步改进完善，接受大生产的检验。
4 关于甘油的提取(即蒸馏)
4.1 改进蒸馏工艺的初步看法
发酵清液经上述工艺净化后，除了糖类物资以外，其它杂质均已大部分除去。由于糖类物质与甘油的性质十分相似，采用物理、化学方法很难见效，即使有可行方案，也因成本高，甘油损失大而不能用于工业生产。因此，通过改进蒸馏工艺与设备来解决此问题，是一比较经济的方法。
采用传统的间歇式补加蒸馏工艺，由于在高温下糖类物质的结焦将甘油包裹其中，难以馏出。针对这一问题，可否考虑采用连续进料的“闪蒸”方法，即在进蒸馏锅之前，将粗甘油(60%～70%)预热至90℃左右，然后以一定流速通过安装在蒸馏锅内部的喷嘴呈雾状喷出，雾滴由于喷射压力及重力作用下落，在下落过程中其中水分由于本身温度高于真空下(-0.098MPa)的蒸发温度而迅速蒸发出去，滴雾中的甘油也随后吸收热量而蒸发，如能适当调节喷雾嘴距加热盘管高度，以及控制喷嘴产生雾滴的粒度，使雾滴在下落过程中甘油及被大部分蒸出，由于雾滴很小，不会出现糖类物质包裹甘油现象，就可避免残糖结焦对甘油的影响。
这里存在的主要问题是，在真空度很高的情况下，通过加热盘管进行加热时，由于没有传热介质，热量无法传递到正在下落过程中的雾粒身上。这里提出如下想法，供大家参考，即直接通入0.3MPa左右的直接蒸汽，一方面可以通过直接蒸汽的向上运动给甘油雾滴传递热量；另一方面，直接蒸汽进入真空环境后，由于焓变也会放出一定热量，起到辅助供热的作用。这样，加热盘管中的高压蒸汽通过间接加热，将热量传递给直接蒸汽，然后直接蒸汽再将热量传递给下落中的雾粒，使甘油在下落过程中即与水和糖类等物质分离。从而起到既能使甘油充分馏出提高收率达作用，又能使甘油与糖类等物质彻底分离，提高黄甘油的纯净度，减轻成品脱色负担，有利于改善成品质量。这里采用低压直接蒸汽，是因为蒸汽压力过高会破坏蒸馏的真空度。当然，这里，也可以考虑其它加热方式，如红外线等。
4.2 改进蒸馏设备的几点意见
采用上述连续流加的闪蒸工艺时，雾沫夹带十分严重，由于现有设备为标准的造化甘油蒸馏设备，虽有一破沫器与一旋风捕沫器，但相对于此工艺而言，效果并不十分理想。因此，必须采取有效措施，尽量防止雾沫夹带，可以考虑在蒸馏锅顶部气道上，加装一高效气液分离装置，可以采用丝网分离，可用拉西环捕沫，具体形式如附图所示：
图中所示H，以及喷嘴的形式和喷射压力，喷嘴大小，进料流速等参数，都有待进一步通过生产实践来逐步确定，已达到使产生的雾滴的大小合适，下落速度适中，恰好在下落H距离后甘油能基本蒸出的最佳工艺条件。
填料层所采用的材料以及厚度以冷凝回收到黄甘油中基本不含焦糖类物质为标准进行设计。另外，从气液分离器和捕沫器中流出的甘油，由于经过蒸馏已基本不含糖类等杂质，而且浓度较高，不应在回流进蒸馏锅，否则，回流甘油沿锅壁下流至锅底，与蒸馏残渣混合，则难以馏出，影响蒸馏收率达提高。所以，应将这部分 甘油收集起来，积累到一定数量，再单独进行蒸馏提取。同样道理，从第三冷凝器中流出的甜水也应单独再行浓缩、蒸馏，不要再与下批含糖类物质的粗甘油混合处理。
以上设计方案的一部分经过生产实践检验，取得一定效果，但由于各种原因影响，未能进行全面工业试验，有待进一步改进完善，仅供大家参考。
