Технология производства спиртопродуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Производство перегнанного спирта моложе, чем неперегнанных спиртных напитков, но и его корни теряются в веках. Для получения напитка, содержащего 40% (по объему) спирта, нужна перегонка. Ее и сегодня осуществляют в перегонных аппаратах, представляющих собой модификации устройства, предложенного в 1830 г. Коффи и носящего его имя. Различия в сортах спиртовых продуктов зависят в основном от природы сырья, а также от того, подвергался ли конечный продукт выдержке.

1. Сырье для спиртового производства

Для производства спирта используют любое крахмалсодержащее сырье (все виды зерновых культур, картофель), а также сахаросодержащее сырье (свёклосахарную, тростниковую, сырцовую мелассу сахар-сырец. в редких случаях сахарную свеклу, плоды, ягоды, продукты их переработки). Крахмалсодержащее сырье подвергают длительной многоступенчатой подготовке для перевода крахмала в сбраживаемые углеводы моно- и дисахариды.

От свойств сырья зависят органолептические показатели спирта- это вкус, цвет запах. Качество зернового сырья не нормируется, основная его характеристика- содержание крахмала. Чем больше крахмала, тем выше эффективность производства. К переработке допускается дефектное сырье - морозoбойное, шyплое, подвергшеeся самосoгреванию, пoврежденное при сушке, заплесневелое и т.д. Специальные технологические приемы позволяют из дефектного сырья получить качественный спирт, отвечающий требованиям нормативной документации.

Крахмалистость и другие пoказатели качества картофеля используемого для спиртового производства, опрeделяются в соответствии с нормативным документом ГОСТ 6014-68 «картофель свежий для переработки. Texнические условия». При отклонениях качественных характеристик картофеля он может перерабатываться как нестандартный. Качество мелассы свекловичной нормируется ГОСТ Р 52304-2005 «Меласса свекловичная. Технические условия». Этот вид сырья является отходом сахарного производства с высоким содержанием СВ 74-84, до 60% СВ составляет сахароза, непосредственно сбраживаемая дрожжами.

Для перевода крахмала в сбраживаемые углеводы проводят ферментативный гидролиз с помощью ферментных препаратов или солода. Солод готовят на спиртовых заводах из различных злаков, чаще из ячменя и проса. Ферментные препараты получают из культуры плесневых грибов родов Aspergillus. Rhisоpus. Endomicopsis или бактерий родa Bacillus (в ферментных цехах спиртзаводов либо на специализированных заводах ферментных препаратов).

2. Технология производства этилового спирта

Биохимические процессы. Первыми напитками, полученными на основе спиртового брожения, были вино и пиво. До появления работ Луи Пастера (конец XIX века) о сути происходящих при брожении процессов и их механизмах было известно очень мало. Пастер показал, что брожение осуществляется без доступа воздуха живыми клетками дрожжей, при этом сахар превращается в спирт и углекислый газ.

Для сбраживания сахаросодержащего сырья в одних случаях используется природный сахар, например содержащийся в винограде, из которого делают вино, в других - сахара получают из крахмала, например при переработке зерновых культур в пивоварении. Наличие свободных сахаров обязательно для спиртового брожения при участии дрожжей рода Saccharоmуces, которые не могут гидролизовать полисахариды. С энеpгeтической точки зрения брожение- процесс малоэкономичный: при сбраживании 1 грамм-молекулы глюкозы синтезируется всегo 2 моль АТФ. Недостаток выделяющейся при брожении энергии дрожжи возмещают за счет переработки большого количества сахара. Наряду главными продуктами брожения (этиловый спирт и СО₂) небольшом количестве образуются побочные продукты глинерин (1-3%), уксусный альдегид, уксусная и янтарная кислоты, сивушные масла- смесь высших. спиртов (изoамилового, изобутилового, амилового и дp:) и некоторые другиe вещества. Образование дрожжами высших спиртов связано с азотным и углеводным обменом дрожжевых клеток. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения. На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы: химический состав среды, её концентрация, кислотность, температура и др.

Не все сахара сбраживаются дрожжами. Большинство дрожжей сбраживают моносахариды, а из дисахаридов- преимущественно сахарозу и мальтозу. Пентoзы могут использовать лишь некоторые виды дрожжей. Крахмал дрожки не сбраживают, так как не имеют амилолитических ферментов.

Оптимальное содержание сахара в среде для большинства дрожжей- от 10 до 15%, более высокая концентрация снижает энергию брожения, при 30-35% сахара брожение обычно почти прекращается. Вместе с тем в природе встречаются дрожжи, способные вызывать медленное брожение даже при концентрации сахара 60% и выше.

Ценным азотистым питанием для большинства дрожжей служат аммонийные соли. Дрожжи способны, потребляя аммонийный азот, образовывать сложные соединения- аминокислоты, затем полипептиды, протеины.

Брожение протекает нормально в кислой среде при pH 4-5, B щелочной среде направление брожения изменяется в сторону увеличения выхода глицерина. Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре 30 °С, при 45-50 °С процесс прекращается, так как дрожжи отмирают. Снижение температуры замедляет брожение, но полностью оно не прекращается даже при температурах, близких к 0 °С.

Этиловый спирт, накапливающийся в процессе брожения, угнетает жизнедеятельность дрожжей уже при концентрации 2-5% (в зависимости от вида и расы дрожжей). Штаммы дрожжей, используемые в спиртовой промышленности, сохраняют жизнеспособность вплоть до концентрации этанола 12-15% (по объему). Некоторые расы дрожжей более спиpтоустойчивы и обрaзуют 16-18%cпирта. Получены расы, продуцирующие до 20% спирта. Ожидается, что дальнейшая работа по созданию новых штаммов дрожжей, устойчивых к еще более высоким концентрация спирта, будет успешной.

Образование этилового спиpта дрожжами- это анаэробный процесс, но для размножения дрoжжей нужен кислород. Сам процесс метаболизма, жизнеспособность клеток, их рост, размножение и образование спирта зависят от концентрации субстрата, кислорода и конечного продукта (спирта).

Требования, предъявляемые к дрожжам при производстве алкогольных на напитков, следующие: дрoжжи должны быстро размножаться, обеспечивать полноту сбраживания и высокую скорость процесса, быть спиртоустойчивыми и легко выпадать в осадок. В производстве спиртных напитков наиболее часто применяют штаммы дрожжей S. сеrevisiаe, S carlsbergensis и S diastaticus. Дрожжи S cerevisiae растут на глюкозе, фруктозе, мальтoзе и мальтoтриозе, то есть на простых сахарах: S. diаstaticus способны также использовать декстрины, а виды дрожжей Кhyveromyces fragilis и K. lactis- лактозу.

Крупные спиртовые заводы всегда поддерживают свою собственную культуру дрожжей в специальных средах. Выбор штамма дрожжей при производстве спирта определяется его продуктивностью в особых условиях бродящего сусла. Брожение должно идти активно с образованием спирта в количестве, близком к теоретическому пределу.

Технологические этапы.

Технология производств этилового спирта состоит из следующих последовательных стадий: подготовка крахмалсодержащего сырья, разваривание крахмалосодержащего сырья, осахаривание разваренной массы, приготовление дрожжей, сбраживание осахаренного сусла, выделение спирта из бражки и его ретификация (очистка от примесей). Технологическая схема производства спирта из зерна и картофеля.

спиртовой сырье технология ферментный

Подготовка крахмaлсодержащего сырья включает его очистку и измельчение. Зерно из зернохранилища очищают от сорных и металлических примесей, измельчают на молотковых или вальцовых дробилках до частиц размером менее 3 мм. Эффективность процесса разваривания увеличивается при более тонком измельчении. Очистка картофеля (от примесей, камней, моломы и т.д.) происходит на гидравлическом транспортере, по которому с помощью воды его подают в производство. Затем сырье моют в картофелемоечных машинах, измельчают на молотковых дробилках или в картофелетерках.

Разваривание зерна происходит с целью разрушения их клеточных стенок. В результате этого крахмал высвобождается и переходит в растворимую форму. В таком состоянии он намного легче осахаривается ферментами. Зерно обрабатывается паром при избыточном давлении 500 кПа. Когда разваренная масса выходит из варочного аппарата, сниженное давление приводит к образованию пара (из содержащейся в клетках воды).

Подобное увеличение в объеме разрывает клеточные стенки и превращает зерно в однородную массу. На сегодняшний день разваривание крахмалосодержащего сырья производят одним из трех способов: периодическим, полунепрерывным или непрерывным. Наибольшую популярность получил непрерывный метод. Температура разваривания составляет 172°С, а продолжительность варки около 4 минут. Для получения более качественного результата исходное сырье рекомендуется измельчать.

Сам процесс разваривания включает операции:

· Строгая дозировка зерна и воды;

· Нагрев замеса до температуры варения;

· Выдержка массы при заданной температуре.

Измельченное зерно следует смешать с водой в количестве 3 литра на 1 кг. зерна. Зерновой замес нагревается паром (75°С) и подается насосом в контактное отверстие установки. Именно здесь происходит мгновенный нагрев кашицы до температуры 100°С. После этого подогретый замес помещается в варочный аппарат.

В процессе осахаривания в охлажденную массу добавляют солодовое молоко для расщепления крахмала. Активное химическое взаимодействие приводит к тому, что продукт становится абсолютно пригодным для дальнейшего процесса сбраживания. В результате получается сусло, которое содержит 18% сухого сахара с кислотностью 0,3 град. Когда из массы делается проба на йод, то окрас сусла должен оставаться неизменным.

Сбраживание сусла начинается при введении в осахаренную массу производственных дрожжей. Мальтоза расщепляется до глюкозы, которая в свою очередь сбраживается в спирт и диоксид углерода. Также начинают образовываться вторичные продукты брожения (эфирные кислоты и т.д.). Данный процесс должен проходить в закрытой бродильной установке, которая предотвратит потери спирта и выделение диоксида углерода в производственный цех.

Выделяющийся в процессе брожения диоксид углерода и пары спирта из бродильной установки поступают в специальные отсеки, где происходит отделение водно-спиртовой жидкости и диоксида углерода. Содержание этилового спирта в бражке должно равняться до 9,5 об.%.

Далее приступают к отгонке спирта из бражки и его ректификации. Спирт начинает выделяться из бражки в результате кипения при разных температурах. Сам механизм перегонки основан на следующей закономерности: спирту и воде свойственны разные температуры кипения (вода - 100 градусов, спирт - 78°С). Выделенный пар начинает конденсироваться и собираться в отдельную емкость. Очистку спирта от примесей производят на ректификационной установке.

Подогревание браги до 90°С пары начинают подниматься по колоне в конденсатор, где они полностью охлаждаются. После этого чистый спирт поступает в специализированную колонну, имея крепость 50-55 об.%

Кроме спирта-сырца и ректификованного спирта спиртовая промышленность вырабатывает небольшое количество абсолютного спирта. В абсолютном спирте допускается содержание воды до 0,2 об%.

Особенности производства спирта из мелассы. Поскольку меласса содержит в достаточном количестве сбраживаемые сахара, в основном сахарозу, процесс производства спирта из нее значительно упрощается. Получение спирта из мелассы включает следующие основные стадии: приготовление мелассного сусла (рассиропка), культивирование дрожжей, сбраживание мелассного сусла, брагоректификация.

Приготовление мелассного сусла заключается в его антисептировании и разбавлении водой (рассиропливании). При антисептировании мелассу вносят соляную или серную кислоту для подкисления, хлорную известь как антимикробный агент. При сильном инфицировании исходной мелассы проводят тепловую стерилизацию. Высокая концентрация СВ (75-80%) в мелассе не позволяет сбраживать ее в исходном виде, поэтому мелассу разбавляют водой.

Культивирование дрожжей при переработке мелассы проводится практически так же, как при получении спирта из зерновоrо и картофельного сырья. В мелассное дрожжевое сусло, как правило, вносят питательные соли- источники азота, фосфора. Размножение чистой культуры производственных дрожжей проводят при аэрации.

Сбраживание мелассного сусла протекает при температуре 28-31 °С в течение 18-20 ч, так как среда содержит только сбраживаемые углеводы. В зрелой бражке накапливается объемная доля спирта 8-9%.

3. Технология производства различных видов спиртопродуктов

Среди спиртопродуктов в зависимости от сбраживаемого сырья выделяют коньячные спирты, бренди, ромовый спирт, джин, сaкэ и др.

Коньячный спирт- основа для получения коньяка. Промышленное производство коньячного спирта представляет собой совокупность следующих основных технологических процессов: получение коньячного виноматериала, перегонка на коньячный спирт, выдержка (созревание) коньячных спиртов. Для выработки коньячных виноматериалов используют высокоурожайные сорта белого, розового или красного винограда c содержанием сахаpa не менее 15% и титруемой кислотностью не ниже 5 г/дм³. Аромат винограда должен быть нейтральным или леrким цветочно-фруктовым. Перерабатывают виноград по схеме приготовления белых натуральных вин, но без применения сернистой кислоты. Брожение сусла проводят при температуре 16-25 °С. Полученное молодое вино, называемое в данном случае коньячным виноматериалом, должно содержать: этилового спирта не менее 8%, титруемых кислот - не менее 4.5 r/дм³, летучих кислот- не более 1,3 r/дм³.oбщей сернистой кислоты- не более 15 мг/дм³, допускается наличие до 2% дрожжей.

Коньячные виноматериалы поступают на дистилляцию. Для перегонки используют аппараты различной конструкции и действия: периодического и непрерывного. В первом случае получают спирт, менее очищенный от примесей, но более ароматный, во втором случае качество спирта хуже, так как он в большей степени освобожден от летучих примесей.

При использовании аппаратов периодического действия сначала в процессе простой перегонки виноматериалов получают спирт-сырец крепостью 27-33% и коньячную барду. Дополнительно выделяют фракцию душистых вод. Спирт- сырeц mодвергают двойной фракционной перегонке, отбирая каждый раз из трех фракций среднюю. В результате получают коньячный спирт I и II сортов крепостью 62-70%. В конце отбора концевой фракции выделяют душистые воды, которые по составу уступают душистым водам, полученным при перегонке виноматериала.

В случае применения непрерывно действующих установок при перегонке вина образуются четыре фракции: головная, средняя (коньячный спирт), концевая и душистые воды. Полученный коньячный спирт непригоден для производства коньяка из-за высокой степени очистки. Его используют, только скупажировав с душистыми водами или старыми коньячными спиртами.

Молодые коньячные спирты представляют собой бесцветную жидкость, малoароматичную и резкую на вкус. Для приобретения необходимых орrанолептических свойств их направляют на выдержку в дубовые бочки (марочные коньяки) или эмалированные емкости, заполненные древесиной дуба в виде брусков, стружки. Выдержка в бочках идет при температуре 15-20 °С и относительной влажности воздуха в помещении 75-90%.

Основными процессами, протекающими при созревании коньячных спиртов, являются окислительно-восстановительные, эфирообразование и испарение через поры древесины бочек. В результате выдержки коньячный спирт приобретает окраску (от светло-янтарной до золотистой), вкус облагораживается, устраняется неприятная жгучесть, развивается тонкий букет, крепость снижается. Коньяк получают путем купажирования (смешивания в определенных пропорциях выдержанных коньячных спиртов, спиртованных вод, душистых вод, сахарноrо сиропа, колера), осветления устранения неприятной грубости во вкусе. Из коньячного спирта I сорта изготавливают коньяки со сроком выдержки от 6 и более лет (ранее называвшиеся марочными), из коньячного спирта II сорта- 3-5-летние коньяки (ранее называвшиеся ординарными).

Бренди- алкогольный напиток, являющийся продуктом дистилляции виноградного вина или сброженных плодово-ягодных соков. Приоритет в производстве бренди (с XVI века) принадлежит провинции Шаранта во Франции. Слово "brandewijn" в переводе с голландского означает «пережженное и nеpeгнанное вино».

Бренди - общее название алкогольных напитков, дистиллированных из вина (граппа, чача, кизлярка) . Термин относится исключительно к изделиям из винограда, а бренди из других плодов, выделяются названием этих плодов. За исключением некоторых типов, известных как «белые» , бренди обычно выдерживается. Старение в деревянных бочках углубляет цвет до янтарных оттенков, а использование карамели еще более затемняет напиток. Бренди содержит примерно 50% алкоголя.

Крепкое бренди (объемная спирта 80-90%) получают перегонкой сброженных соков и выжимок; используют в небольших количествах для выдержки, предварительно разбавив дистиллированной водой, а также для приготовления крепленых вин.

Бренди граппа (объемная доля спирта 70-80%) вырабатывают из прессованной мезги после ее сбраживания, которую потом подвергают двукратной перегонке; выдержку не проводят и после разбавления дистиллированной водой употребляют как готовый алкогольный напиток.

Собственно бренди (объемная доля спирта 57-72%) готовят из вина или сброженных соков путем дистиляции с последующей выдержкой готового продукта. Этот вид бренди наиболее распространен в мире и в зависимости от исходного сырья, способа дистилляции, условий выдержки может иметь несколько технологических вариантов производства и соответствующие национальные названия.

В настоящее время не существует четких границ ассортимента алкогольных напитков, относящихся к классу бренди. Во многих странах под словом «бренди» подразумевают коньяки, водки, настойки и др.,так как в основу технологий большинства этих напитков положен принцип дистилляции.

Ром- алкогольный напиток крепостью 40-45%. Технология получения рома имеет ряд особенностей. Основным сырьем производства является сахарный тростник и отход тростниково-сахарных заводов -меласса. Сбраживание полученноrо из сырья сусла осуществляют дрожжами S. сеrevisiае и некоторыми видами Schieоsасcharоmyces, а также маслянокислыми бактериями Granulobacter .

Перед поступлением на перегонку зрелая бражка обязательно отделяется от дрoжжей ceпарированием, иначе ромовый спирт по вкусу и аромату будет сходен с коньячным спиртом. Перегонку осуществляют на установках периодического действия для получения более ароматного спирта. Перед выдержкой ромовый спирт разбавляют теплой дистиллированной водой до крепости 50%. Выдержку проводят в течение 3-4 лет при температуре 18-22 °С в дубовых бочках как в обоженых изнутри, так и в необугленных.

Процессы, происходящие при длительном хранении ромового спирта в деревянной таре, те же, что и при производстве коньяка. После выдержки ромовый спирт разбавляют дистиллированной водой до крепости 45%, при необходимости вносят сахар и колер, фильтруют и направляют на розлив. Готовый напиток имеет приятный аромат, жгучий вкус и золотистый цвет.

Вuски- крепкий алкогольный напиток с объемной долей спирта 40-45%. Сущность технологии заключается в перегонке сброженноrо сусла из ржи, овса, кукурузы, ячменного солода и выдержке полученноrо спирта-сырца в дубовых, обугленных внутри бочках от 3 до 10 лет. В течение этого периода бесцветный спирт превращается в виски -ароматный напиток темно-соломенного цвета. Полагают, что виски, как и многие другие спиртные напитки, впервые производили в монастырях, используя как лекарство. Слово «виски» произошло от названия спиртного напитка латинских монастырей «aqua vitae», которое в старо- кельтском языке шотландцев и ирландцев трансформировалось в «uisque baugh» (усквебак), в современной транскрипции «whisky». В настоящее время виски один из самых распространенных алкогольных напитков Запада; 19 марок этого напитка входят в список 40 наиболее популярных крепких напитков мира. Среди всего многообразия виски классическим считается шотландское, именуемое scotch» (скотч).

Джин - крепкоалкогольный напиток с объемной долей спирта до 45%. Получают путем перегонки водно-спиртовых настоев пряно-ароматического сырья (анис, кардамон, перец кубeба, корица, кориандр, дягиль, лимонные или aпельсиновые корки) с обязательным включением можжевельника. Джин часто классифицируют как можжевеловую водку, широко распространенную в США и Западной Европе.

Впервые рецептура и технология получения джина была предложена голландцем Лукасом Болом. В 1575 r в Амстердаме им основана первая фирма по промышленному производству этого напитка. Первая, самая старая марка голландского джина была названа «Genievrе», что в переводе с французского означает «можжевельник», в английском варианте --джин.

В настоящее время известны два способа производства джина- голландский и лондонский. Голландская технология заключается в том, что в сброженное сусло, приготовленное из ячменного солода и ржи, вносят можжевеловые ягоды, кориандр, дягиль, апельсиновую цедру, ирисовый корень, кардамон и другие ингредиенты, затем перегоняют. Полученный спирт в отдельных случаях подвергают непродолжительной выдержке в бочках. Согласно лондонской технологии в спирт-ректификат, выработанный из зерна, добавляют ягоды можжевельника, другое пряно-ароматическое сырье или эфирные масла на их основе и перегоняют. Иногда, как и при голландском варианте, напиток выдерживают в дубовых бочках.

Ассортимент марок голландского и английского джинов зависит от состава и разнообразия добавляемых ароматических и лекарственных компонентов. Все это обуславливает многочисленные лечебные свойства джина, его широкое применение при изготовлении коктейлей, пуншей и других напитков.

Сакэ -японская рисовая водка. Приготовление сакэ сложный и труднорегулируемый процесс, требующий освоения различных способов брожения (в полутвердом и затопленном состоянии) и последовательного регулирования микробных популяций: сначала плесневых грибов (Asp. oryzaе), затем бактерий (Lactobacillus и Leuconostoc spp.) и наконец дрожжей (S cerevisiаe). К концy брожения сакэ содержит не менее 20% спирта по объему. Концентрация спирта перед выходом в торговую сеть доводится обычно до 16 об%.

Получение сидра

Сброженный яблочный сок имеет название сидр. В технологии производства сидра и вина есть много сходного.

Когда делают сидр, яблоки прежде всего измельчают в кашицу и отжимают сок. Способы подготовки сока перед брожением весьма разнообразны: он может использоваться как без обработки, так и после подавления в нем естественной микрофлоры и замещения ее дрожжами подходящих штаммов микроорганизмов. Чаще всего к яблочному соку, как и при приготовлении виноградных вин, добавляют сернистый газ, чтобы подавить развитие Kloeckera apiculata - микроорганизмов, неблагоприятно влияющих на вкус готового сидра. Дальнейшее брожение происходит либо при участии диких дрожжей, либо при добавлении дрожжевой культуры закваски. Так как дикие дрожжи растут медленно, при крупномасштабном производстве сидра к обработанному сернистым газом соку часто добавляют те или иные чистые культуры дрожжей. В основном применяют дрожжи вида Sacсharomyces cidri. Различные штаммы дрожжей образуют специфические ароматические вещества. Поэтому при производстве сидра, как и в пивоварении, можно использовать разные штаммы дрожжей для придания сидру специфического вкуса. Чтобы получить сидр определенного сорта, добавляемые дрожжи должны преобладать над дикими, быстрее размножаться и определять конечные свойства продукта.

По завершении брожения сидр отделяют от дрожжей и осветляют. Важно, чтобы дрожжи были способны образовывать фермент полигалактуронидазу, необходимую для гидролиза пектинов до галактуроновой кислоты. В противном случае в конце брожения не происходит естественное осветление продукта. Для осветления сидра добавляют полученные из микроскопических грибов ферменты, гидролизующие пектин, в том числе полигалактуронидазу.

4. Применение ферментных препаратов в спиртовой промышленности

Производство спирта основано на конверсии сбраживаемых органических соединений в этанол с помощью культур дрожжей, реже- грибов и бактерий. В России. этанол производится из зернового сырья и картофеля, а в качестве возбудителей брожения используются дрожжи- сахаромицeты.

Для того чтобы увеличить выход спирта, следует решить две задачи: первая- полностью гидролизовать крахмал и некрахмальные полисахариды в сбраживаемые сахара; вторая - обеспечить дрожжи питательными элементами, необходимыми для быстрого размножения и синтеза ферментов.

Осахаривание крахмала осуществляют использованием солода и микробных ферментных препаратов - б -амилазы и глюкоaмилазы. Применение a-aмилазы на стадиях разваривания и осахаривания позволяет снизить вязкость замесов, достичь высокой полноты клейстеризации крахмальных гранул, предотвратить ретpадацию крахмала, препятствующую его осахариванию.

Для разжижения крахмала целесообразно применять препараты термостабильной а-амилазы, которые выделяют из культуры В. licheniforms (импортные-«Термамил», «Така-Терм», «Зимаджунт», отечественный -«Амиололихeтерм»). Различные штаммы бактерии licheniformis продуцируют амилазу с оптимумом действия в интервале от 76 до 95 °С . В средах с высокой концентрацией крахмала, в присутствии микродобавок соли СаCl₂, «Термамил» стабилен в течение 3 ч при 100 °С. С помощью термостабильных амилaз можно осуществлять непрерывный процесс клейстеризации-расположения вплоть до температуры полной желатинизации крахмальных гранул. Совмещение разжижения и разваривания существенно повышает эффективность процесса.

Непрерывный гидрoлиз клейстеризующегося крахмала, переход продуктов реакции в раствор способствуют более быстрому набуханию крахмала во внутренних областях частиц сырья. За счет этого может быть сокращена продолжительность процесса, а его максимальная температура понижена до 110-115⁰С(температуры полной желатинизации крахмальных гранул).

Использование термостабильной амилазы существенно снижает расход фермента на единицу сырья. При замене «Амилoсубтилина ГЗx» на «Амилолихeтерм гЗx» дозировку амилазы можно уменьшить в 1,5 раза без снижения выхода спирта. Оптимальная доза «Амилолихeтерма» составила 1 ед./г крахмала: 03-- на стадии разжижения и 0.7- на стадии осахаривания (в сочетании с 6 ед./г глюкоaмлазы). Оптимальная доза «Амилосубтилина»- 1,5 ед./r крахмала (соответственно по стадиям 0.5 и 1,0 ед./г).

Ферментные препараты с относительно низкой оптимальной температурой действия целесообразно использовать на стадии осахаривания. Это относится к препаратам с основной активностью a-aмилазы (Aмилoсубтилин», «Амиолоризин, солод) и препаратам rпокоaмилазы. Амилолитический комплекс солода и грибная а-aмилаза более глубоко расщепляют крахмал, чем бактериальнaя а-амилаза, но полное осахаривание достигается только с помощью rлюкоaмилазы. Применение микробной глюкоaмилазы увеличивает степень сбраживания на13-15% по сравнению с вариантом осахаривания солодом.

В качестве препаратов глюкоaмилазы обычно применяют «Глюкавaморин Гх» или «Амилоглюкаваморин Гх»- культуральную жидкость гриба Asp. awamori. получаемую в ферментных цехах сnиртзаводов. Onтимум действия «Глюкаваморина» (pH 4-5.5) соответствует активной кислотности бражки (pH 4,2-5,2). Это важно, поскольку на стадии осахаривания сырья, в закрытой системе, где из сферы реакции не выводится глюкоза, процесс гидролиза крахмала проходит неполностью. Он продолжается в процессе брожения, по мере потребления глюкозы дрожжами, что сдвигает равновесие реакции гидролиза, катализируемой амилазой.

Общая продолжительность брожения зависит от дозировки глюкоaмилазы: продолжительность при 6 ед./г крахмала сырья брожение длится 72 при повышении дозы до 15 ед./г крахмала процесс заканчивается за 48 ч.

Применение микробной глюкоaмилазы дает возможность использовать солод того же вида зерна, что и в сырье (хотя это не допускается регламентом). Это показано в производственных опытах, проведенных на двух спиртзаводах, где осахаривание ячменного замеса проводили ячменным солодом и «глюкавамopином гх» (7,5% солода и 5 ед. rпокоамилaзы/г крахмала или 5% солода и 4 ед. глюкоaмилазы/r крахмала). При осахаривании зерновых замесов сочетанием солода и глюкоaмилазы соотношение этих компонентов влияет на органолептические свойства конечного продукта.

Из 30% ячменя и 70% пшеницы, разваренной при 142-145 °С, спирт смеси наилучшего качества будет получен при осахаривании 7,5% ячменного солода (в виде солодового молока) и «Глюкавамopина гх» в дозе гюкоaмилазы 3 ед/r крахмала. Для замеса из ячменя оптимальный состав oсахаривающей смеси - 5% солода и 4 ед гюкоaмилазы/г крахмала. В опытах использовали солод с активностью a-aмилазы 25-30 ед/r по капельному методу. Принимая во внимание колебания активности солода и качества сырья, необходимo проводить контрольные опыты по выбору наилучших осахаривающих композиций.

При приготовлении сусла в аппаратах гидродинамической обработки замесы нагревают лишь до 75-95 ^оC, что позволяет сохранить в недеградированном состоянии моносахара, аминокислоты, пептиды, органические кислоты, витамины и некоторую часть ферментативной активности. При низкотемпературной обработке замеса крахмал не может быть полностью клейстeризован, часть еrо остается «сырым». В этих условиях необходимо использовать ферментативные комплексы, способные воздействовать на сырой крахмал.

а-Амилаза некоторых штаммов В. subtilis гидролизует сырой крахмал на 28- 39%, в зависимости от источника крахмала. В сочетании с пюкoамиaзoй такая a-aмилаза гидролизует неклейстеризованный картофельный крахмал на 95%. Целесообразно исследовать осахаривающую способность комплексов a-амилазы и глюкоaмилазы из различных источников в отношении сырого крахмала, для реализации в низкотемпературной технологии спирта.

Существенным резервом сбраживаемых углеводов являются некрахмальные полисахариды --uеллюлоза, B-1,3-1,4-rлюкан, кcилоглюкан и другие разновидности гемицеллюлоз, в состав которых входит глюкоза. За счет сбраживания глюкозы некрахмальных полисахаридов выход спирта из зернового сырья может быть повышен на 10-12%.

Гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз не только дает непосредственно сбраживаемую глюкозу, но и повышает доступность крахмала ферментативному гидролизу. Особено важно гидролизовать В-1,3-1,4-глюкан - существенный элемент клеточных стенок эндосперма злаков (у ячменя и овса глюкан составляет 75% массы клеточных стенок эндосперма). В свою очередь, гидролиз крахмала повышает доступность целлюлозы, и в присутствии амилолитических ферментов степень расщепления целюлозы несколько повышается. Поэтому цитолитические ферментативные препараты целесообразно применять на стадии осахаривания замесов, совместно с a-aмилазой и глюкоaмилазой.

При испытании способности отечественных ферментных пpenаратов гидролизовать целлюлозу и reмицеллюлозу фракций зерна установили, что оптимальная дозировка целлюлазы составляет 14-16 ед/r субстрата, rидролиз при 60 ^оС заканчивается за 2-4 ч расщеплением около 50% целлюлозы.

Эффекты, даже для фракции крупного помола, невелики, но в технологии спирта, достигшей определенной стабильности показателей, они значительны. при различной абсолютной крахмалистости фракций выход спирта на единицу крахмала во всех вариантах практически одинаков -62,5-65,3 мл/100 г крахмала. Существенного повышения выхода, которое можно было ожидать в крупной и средней фракциях за счет гидролиза некрахмальных полисахаридов, не произошло. Это свидетельствует о неполном гидролизе фракций целлюлозы и гемицеллюлозы.

При обработке целлюлозoсодержащей фракции ячменя выход сnирта увеличился на 38-67%, пшеницы на 23% (контролем служили те же фракции зерна, обработанные без добавки цитолитических ферментов). Максимальный выход спирта в первом случае получен с «Ксилoглюканофоeтидином», во втором - с «Целлофторином».

Более низкий эффект при обработке грубой фракции пшеницы объясняется тем, что в стенках эндосперма этого злака преобладает не глюкан, а арабиноглюкуроноксилан, расщепление которого дает незначительное количество сбраживаемых углеводов. Кроме того, в варианте ячменного сырья эффект обусловлен не только непосредственным увеличением количества сбраживаемых сахаров, но и снижением вязкости сусла и, соответственно, интенсификацией всех массообменных процессов, связанных с жизнедеятельностью дрожжей и продолжающимся в ходе брожения гидролизом полимерных субстратов.

При сбраживании сырья с высоким содержанием В-гюканов (ржи, ячменя) рекомендуют применять препараты В-глюкaназы не только для осахаривания, но и для разжижения замеса, при общем расходе в смесителе и осахаривателе от 3 до 6 ед. В-rлюканазы/r сырья.

Интенсивное сбраживание сырья дрожжами возможно лишь при создании условий для их активного размножения. Лимитирующим фактором роста на гидролизатах сырья, полученных с применением ферментов карбогидразного действия, является низкое содержание свободных аминокислот. С целью обогащения сусла аминокислотами используют ферментные препараты грибного происхождения, имеющие высокую экзопeптидазную активность.

Ферментативный комплекс препаратов из культур различных штаммов Asp. oryzaе («Проторизин», «Амилоpизин», «Амилoпроторизин) включает, наряду с эндопептидазами (сериновой каробоксильной и металлопротеиназой), экзопemтидазы- лейцинаминопeптидaзу и карбоксипептидазу. Этот комплекс обеспечивает более глубокий гидролиз белка, чем комплекс бактериального препарата «Протосубтилина», основная активность которого определяется металопротеиназой .

При обработке осахаренного сусла и ячменной болтушки пpeпаратами грибного и бактериального происхождения, при дозировке этих препаратов по протеолитической активности 5 ед./г белка, очевидно преимущество грибных препаратов. Наиболее полно расщепляется белок в картофельном сусле: при действии грибных препаратов на 75,7-85,7%, при действии «Протосубтилина» 47,7%. В ячменном сусле доля свободнных аминокислот от их суммы составила соответственно 5.3-7 и 3,9%. Прирост свободных аминокислот происходит в основном за счет глутаминовой, аспарагиновой кислот и пролина.

Обработка пшеничного замеса на стадии осахаривания амилолитическими ферментами совместно с «Проторизином Г10х» (5 ед./г белка) увеличивает накопление биомассы дрожжей в 2 раза, сокращая продолжительность главного брожения с 32-36 ч до 18-20 ч, а продолжительность дображивания- с 36-42 ч, до 20-24 ч. Интенсивное сбраживание сахаров сопровождается повышением степени гидролиза крахмала глюкоaмилазой.

Наличие в среде свободных аминокислот, их прямое в включение в клетки дрожжей снижает затраты глюкозы на энерrетический и конструктивный метаболизм. Более экономичное использование глюкозы увеличивает выход спирта на 2,8 %. Параллельно снижается количество побочных продуктов брожения на 19%, а в пересчете на клетку - в 2,4 раза. При дозировке глюкоaмилазы 6 eд/г крахмала и протеазы 1 крахмала (или 5 ед./г белка) брожение заканчивалось за 42-46 ч, при повышении дозировок соответственно до 15 и 1,6 ед./г крахмала продолжительность брожения сокращалась до 28 ч.

Дрожжи, выращенные на среде с богатым азотистым питанием, имеют повышенную осмофильность и толерантность к продуктам брожения, что позволяет сбраживать за 72 ч сусло с содержанием СВ 22% вместо обычных 16%, получая соответствующие технологические показатели. Крахмалсодержанее сырье является основным в производстве этанола. Наряду с ним могут использоваться другие виды углеводного сырья. Некоторые виды дрожжей родов Candida и Kluwerоmyces обладают способностью сбраживать лактозу в этанол, что связано наличием В-галактозидазной активности. При исследовании способности различных штаммов этих родов дрожжей к образованию этанола при ферментации на молочной сыворотке выбран штамм К. marxianus var lactis SK.

Перспективным видом сырья, способным в значительной мере заменить крахмалсодержащее сырье, является целлюлоза. В настоящее время целлюлозо-содержащее сырье используют для выработки технического этанола (знергоносителя). Сырьем для получения этанола может служить измельченная древесина быстрорастущих пород деревьев (тополя, осины, ивы и др.), обработанная методом парового взрыва.

Паровой взрыв- это кратковременное (1-10 мин) выдерживание увлажненного сырья, пропитанного сернистым газом, при температуре от 120 до 250 °С, с последующим резким сбросом давления. Результатом кратковременного гидролиза в кислой среде и механического разрушения при сбросе давления становится дезацетилирование и расщcпление гемицеллюлоз, переходящих в раствор, выплавление части лигнина и ослабление лигноуглеводных связей.

Взорванная лигнoцеллюлоза имеет развитую поверхность и хорошо гидролизуется. Препятствуют сбраживанию гидрoлизатов побочные продукты деструкции древес (ацетат, фурфурол и его производные, n-оксибензойная кислота и др.), которые могут быть удалены промыванием сырья горячей водой.

Разваривание зерна происходит с целью разрушения их клеточных стенок. В результате этого крахмал высвобождается и переходит в растворимую форму. В таком состоянии он намного легче осахаривается ферментами. Зерно обрабатывается паром при избыточном давлении 500 кПа. Когда разваренная масса выходит из варочного аппарата, сниженное давление приводит к образованию пара (из содержащейся в клетках воды).

Подобное увеличение в объеме разрывает клеточные стенки и превращает зерно в однородную массу. На сегодняшний день разваривание крахмалосодержащего сырья производят одним из трех способов: периодическим, полунепрерывным или непрерывным. Наибольшую популярность получил непрерывный метод. Температура разваривания составляет 172°С, а продолжительность варки около 4 минут. Для получения более качественного результата исходное сырье рекомендуется измельчать.

Сам процесс разваривания включает операции:

· Строгая дозировка зерна и воды;

· Нагрев замеса до температуры варения;

· Выдержка массы при заданной температуре.

Измельченное зерно следует смешать с водой в количестве 3 литра на 1 кг. зерна. Зерновой замес нагревается паром (75°С) и подается насосом в контактное отверстие установки. Именно здесь происходит мгновенный нагрев кашицы до температуры 100°С. После этого подогретый замес помещается в варочный аппарат.

В процессе осахаривания в охлажденную массу добавляют солодовое молоко для расщепления крахмала. Активное химическое взаимодействие приводит к тому, что продукт становится абсолютно пригодным для дальнейшего процесса сбраживания. В результате получается сусло, которое содержит 18% сухого сахара с кислотностью 0,3 град. Когда из массы делается проба на йод, то окрас сусла должен оставаться неизменным.

Сбраживание сусла начинается при введении в осахаренную массу производственных дрожжей. Мальтоза расщепляется до глюкозы, которая в свою очередь сбраживается в спирт и диоксид углерода. Также начинают образовываться вторичные продукты брожения (эфирные кислоты и т.д.). Данный процесс должен проходить в закрытой бродильной установке, которая предотвратит потери спирта и выделение диоксида углерода в производственный цех.

Выделяющийся в процессе брожения диоксид углерода и пары спирта из бродильной установки поступают в специальные отсеки, где происходит отделение водно-спиртовой жидкости и диоксида углерода. Содержание этилового спирта в бражке должно равняться до 9,5 об.%.

Далее приступают к отгонке спирта из бражки и его ректификации. Спирт начинает выделяться из бражки в результате кипения при разных температурах. Сам механизм перегонки основан на следующей закономерности: спирту и воде свойственны разные температуры кипения (вода - 100 градусов, спирт - 78°С). Выделенный пар начинает конденсироваться и собираться в отдельную емкость. Очистку спирта от примесей производят на ректификационной установке.

Подогревание браги до 90°С пары начинают подниматься по колоне в конденсатор, где они полностью охлаждаются. После этого чистый спирт поступает в специализированную колонну, имея крепость 50-55 об.%

Производство этилового спирта из этилена растет с каждым годом и в настоящее время достигло больших масштабов. Синтетический спирт значительно дешевле спирта, полученного из пищевого сырья.

Производство этилового спирта путем сернокислотной гидратации началось лишь после 1930 г. В Советском Союзе исследования в области промышленного применения этого способа производились М. А. Далиным с сотрудниками, и в 1936 г. в Баку была построена первая установка для производства этилового спирта из этилена нефтезаводских газов.

Производство этилового спирта путем прямой гидратации этилена, полученного при пиролизе этана, должно быть предусмотрено дальнейшим развитием химической промышленности в Грозном.

Для производства этилового спирта наиболее широко используется сахарный тростник. В Бразилии чистый этанол и смесь этанола с бензином являются широко распространенным видом топлива. Такое биотопливо легко хранить и транспортировать, оно обладает высокой теплотворной способностью, более полно сгорает в двигателе. При сгорании такого топлива атмосфера загрязняется гораздо меньше, чем при сжигании обычного топлива. Бразилия, приступившая к использованию этанола в качестве автомобильного топлива в 70 - е гг., обладает лучшей в мире технологией его производства. К числу перспективных методов биоконверсии относится способ получения моторного топлива ( метилового эфира) из семян рапса. Моторное топливо на основе рапса, обладая характеристиками, близкими к дизельному топливу, практически не дает выбросов вредных веществ. В Чехии производится около 1 млн т биодизельного топлива в год. В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Около 200 автобусов в Стокгольме уже работают на спирте.

Список литературы

1. http://www.ngpedia.ru/id334711p1.html (Большая Энциклопедия Нефти Газа. Статья)

2. http://vproizvodstvo.ru/tehnologii/tehnologiya_proizvodstva_spirta/ («В Производство» журнал бизнес идей)

3. http://medznate.ru/docs/index-13650.html?page=5#294537 (Учебное пособие Кемерово 2010г)

4. http://www.freepatent.ru/patents/2492229 (Патентный поиск в РФ)

5. Неверова О.А., Гореликова Г.А., Позняковский В.М. «Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения»

Размещено на Allbest.ru