Научные основы технологии бродильных производств

Размещено на http://www.allbest.ru

Реферат

Научные основы технологии бродильных производств



1. Стадии развития микроорганизмов

Для использования микроорганизмов в производстве необходимо всестороннее изучение их свойств, в том числе закономерностей роста и развития.

Рост клетки - увеличение ее размеров и массы в результате биосинтетических процессов. Развитие культуры - изменение морфологических и физиологических ее свойств в процессе прохождения жизненного цикла.

Бактерии, дрожжи и микроорганизмы обычно размножаются почкованием и очень редко, при большом дефиците питательных веществ и других неблагоприятных условиях - спорообразованием. Культивирование микроорганизмов может осуществляться периодическим и непрерывным способами.

При периодическом культивировании микроорганизмы последовательно проходят 5 основных стадий (фаз) роста: лаг-фазу, экспоненциальную, или логарифмическую, замедленного роста, стационарную или отмирания. Характер этих стадий зависит от физиологического состояния клеток и различных факторов среды.

1 - лаг фаза (фаза адаптации). Внесенные в питательную среду клетки микроорганизмов приспосабливаются к условиям и составу среды, размножения практически не происходит. Продолжительность этой фазы (может длиться от нескольких часов до нескольких суток) зависит от состава питательной среды, рН, температуры, возраста и количества внесенных клеток микроорганизм бродильный спирт вино дрожжи квас

2- логарифмическая или экспоненциальная фаза роста. Это стадия интенсивного размножения. Скорость размножения максимальна. В этой фазе большинство клеток является биологически активными и молодыми. Если культуру в данной фазе развития перенести в другую емкость с аналогичным субстратом, то скорость роста микроорганизмов не изменится. В этом случае лаг-фаза отсутствует. Если же пересев происходит во время другой стадии, то фаза адаптации обязательно будет присутствовать.

Клетки по размеру мелкие, так как почкование опережает рост, но большая поверхность таких клеток обеспечивает высокую скорость биохимических процессов. В то же время на этой стадии культура более чувствительна к действию неблагоприятных факторов.

3 фаза - замедленного роста. Скорость размножения замедляется, так как постепенно изменяется состав среды: снижается концентрация питательных веществ, увеличивается плотность культуры в единице объема, накапливаются продукты обмена веществ клеток, которые в определенной концентрации могут угнетать нормальную жизнедеятельность культуры микроорганизмов.

4 фаза - стационарная. Наступает, когда концентрация клеток перестает увеличиваться и число их в единице объема становится максимальным. Скорость размножения равна скорости отмирания. В этот период в результате жизнедеятельности клеток в культуральной среде накапливаются продукты обмена веществ, которые имеют важное практическое значение (ферменты, антибиотики и др.).

5 фаза - отмирания. Это период, когда в результате истощения питательной среды и максимального накопления продуктов обмена скорость отмирания клеток намного превышает скорость их размножения. Происходит автолиз -- распад белков мертвых клеток под действием собственных ферментов. Фаза отмирания является противоположностью логарифмической фазы роста.

2. Методы культивирования микроорганизмов

Для культивирования микроорганизмов применяют поверхностный или глубинный способы.

При поверхностном способе микроорганизмы выращивают чаще всего на твердых (рыхлых, увлажненных до 30-80%, например, отрубях) или жидких (реже) питательных средах. В первом случае рост идет на поверхности твердых частиц и в порах, заполненных водой или воздухом, перемешивание отсутствует. Если среда жидкая, то кюветы с ней помещают в вентилируемые воздухом камеры. Культура микроорганизмов потребляет кислород непосредственно из газовой фазы ^__ воздуха.

Поверхностным способом выращивают аэробные микроорганизмы (например, плесневые грибы).

Глубинный способ характеризуется тем, что микроорганизмы развиваются во всей толще жидкой питательной среды в специальных аппаратах (ферментаторах). Метод применим как для выращивания аэробных (аэрация среды обязательна), так и анаэробных микроорганизмов. Во всех случаях проводят перемешивание питательной среды мешалками.

Культивирование глубинным способом может быть периодическим или непрерывным.

Сущность периодического способа заключается в том, что весь объем питательной среды загружают в аппарат сразу, добавляют культуру микроорганизмов и при оптимальных условиях ведут процесс до тех пор, пока не накопится нужное количество биомассы (например, при выращивании чистой культуры дрожжей, бактерий; в производстве хлебопекарных дрожжей) или продуктов жизнедеятельности микроорганизмов -- метаболитов (например, спирта).

При периодическом культивировании изменяется состав среды (уменьшается концентрация питательных веществ и увеличивается количество метаболитов); скорость роста; морфологические и физиологические свойства культуры. К тому же возникают технологические трудности ^__ циклический ход операций, сменные технологические режимы, что затрудняет контроль и автоматизацию процесса. Эффективность данного способа низкая (70% времени приходится на непроизводительные стадии ^__ лаг-фазу и фазу отмирания).

Эти недостатки устраняются применением непрерывных способов культивирования.

Данные методы характеризуются непрерывным поступлением в ферментатор свежей питательной среды и непрерывным оттоком готовой культуральной жидкости вместе с клетками введенной культуры микроорганизма.

При непрерывном культивировании можно задержать культуру на логарифмической стадии роста (или любой другой), установки могут длительно работать без остановки на дезинфекцию, время производства сокращается, процесс легче автоматизировать.

Различают гомогенно- и гетерогенно-непрерывное культивирование.

Гомогенно-непрерывный способ отличается интенсивным перемешиванием содержимого в ферментаторе, благодаря этому все параметры в любой точке аппарата и в вытекающей из него среде одинаковы.

Гетерогенно-непрерывный способ характеризуется незначительным перемешиванием среды или полным его отсутствием. При этом состав среды в любой точке аппарата различен, однако показатели системы в целом не изменяются во времени.

Гомогенные методы культивирования чаще всего используют для накопления биомассы микроорганизмов, гетерогенные - для проведения собственно процесса брожения.

Все непрерывные процессы осуществляют в одном аппарате или в батарее, соединенных последовательно между собой ферментаторов.

3. Производственная инфекция и дезинфекция

Под производственной инфекцией понимают попадание в полупродукты и продукты того или иного производства посторонних микроорганизмов. Эти микроорганизмы, развиваясь на различных стадиях производства, понижают выход основного продукта (например, спирта) или приводят к порче таких продуктов, как пиво и вино.

К внешним источникам производственной инфекции относятся воздух, вода, зернопродукты, производственные дрожжи.

Наружный воздух, так же как и воздух производственных помещений, всегда содержит некоторое количество микроорганизмов. И там, где воздух непосредственно соприкасается с суслом, пивом или вином, он может быть источником инфекции. Производственная вода также может содержать зародыши микроорганизмов. Большое число микроорганизмов (бактерий, дрожжевых грибов и плесеней) находится на поверхности (оболочках) зернопродуктов.

Источники инфекции встречаются и в самом производстве. Они возникают в различных, особенно труднодоступных для чистки местах в производственном оборудовании, в которых задерживаются остатки производственных жидкостей, являющихся питательной средой для микроорганизмов. При соприкосновении с ними производственные жидкости инфицируются и сами становятся источниками инфекции.

Активным средством уничтожения и подавления развития в производстве вредных и посторонних микроорганизмов является дезинфекция. На каждом предприятии проводят профилактические меры борьбы с инфекцией, своевременно удаляют отходы и отбросы, поддерживают чистоту в помещениях, следят за личной гигиеной обслуживающего персонала. Наряду с профилактическими мерами применяют и активные меры борьбы с инфекцией, которые по характеру действующего средства делятся на физические и химические. К физическим методам обеззараживания относятся различные способы стерилизации: автоклавирование, применение горячего воздуха, насыщенного водяного пара, кипящей воды, а также обеспложивающая фильтрация, бактерицидное облучение и ультразвук.

Большинство неспорообразующих бактерий и дрожжей погибают при нагревании до температуры 60-70°С в течение 5-20 минут. Такие бактерии, как пивная сарцина, термобактерии и слизеобразующие, более устойчивы и не всегда погибают даже при нагревании до 80-90°С. Споры микроорганизмов еще более устойчивы к действию высокой температуры. Пропаривание трубопроводов острым паром убивает вегетативные и споровые формы. Устойчивость бактериальных спор к нагреванию и химическим дезинфицирующим веществам, вероятно, обусловлена либо степенью гидратации их протоплазмы, либо тем, что вода в протоплазме эндоспор находится в связанном состоянии. Во всяком случае, вода, содержащаяся в спорах, по-видимому, не обладает свойствами свободной водной фазы.

Химические методы дезинфекции

К химическим методам обеззараживания относится применение различных дезинфицирующих и моющих веществ: растворов гидроксида натрия (NaOH), карбоната натрия (Na₂СО₃), хлорной извести, антиформина (смесь растворов хлорной извести, гидроксида натрия, карбоната натрия), формалина, четвертичных аммонийных соединений, известкового молока.

Ряд химических веществ тормозит или полностью подавляет рост бактерий. Если то или иное вещество подавляет рост бактерий, а после удаления этого вещества их рост вновь возобновляется, то говорят о бактериостазе и бактериостатическом действии. Вещества или условия, которые хотя и не вызывают немедленной гибели микроорганизмов, но подавляют их размножение так, что численность микроорганизмов не возрастает и они погибают в различные сроки, называют микробостатическими (бактериостатическими).

Любое вещество или воздействие, убивающее бактерии, называется бактерицидным. Бактерицидные вещества вызывают гибель клеток, т. е. клетки утрачивают способность к росту и размножению.

К дезинфицирующим веществам весьма близки антисептики - вещества, которые убивают или подавляют рост микроорганизмов, находящихся в непосредственном контакте с микроорганизмом. Дезинфицирующее вещество часто используют в качестве антисептика и наоборот. Поэтому термин «дезинфицирующее вещество» часто используют как синоним термина «антисептик».

Под действием высоких температур и многих химических дезинфицирующих веществ нарушается физико-химическая структура бактериальных клеток, коагулируются белки протоплазмы. Так, этанол в достаточно высокой концентрации (70%) вызывает коагуляцию белков и оказывает бактерицидное действие.

Четвертичные соединения аммония обладают бактерицидной, а в больших разведениях и бактериостатической активностью, низкой токсичностью и слабым раздражающим действием, отсутствием запаха и вкуса, хорошей растворимостью, высокой' поверхностной активностью и поэтому хорошей смачивающей способностью. Благодаря тенденции накапливаться на поверхностях они способны «обволакивать» клетку и лишать ее возможности взаимодействовать с окружающей средой. Другая особенность этих соединений заключается в способности вызывать лизис (растворение) бактерий разных видов. Поскольку эти вещества обладают широким спектром антимикробного действия, их обычно применяют как средства для дезинфекции различных поверхностей.

Дезинфекция оборудования состоит из механического удаления микроорганизмов, термической и химической обработки его. Перед использованием дезинфицирующих растворов проводят тщательную механическую чистку аппаратуры при помощи щеток, ершей и холодной, а затем горячей воды.

Физические методы дезинфекции

Полное освобождение какого-нибудь материала или жидкой среды от всех возможных живых микроорганизмов или от их покоящихся форм называют стерилизацией (обеспложиванием). Обычно применяемыми методами стерилизации являются автоклавирование, тиндализация (дробная стерилизация), кипячение.

Автоклавирование осуществляют в автоклаве - аппарате, работающем под давлением выше атмосферного. Назначение автоклава - прогревание объектов стерилизации паром под высоким давлением. Следует помнить, что стерилизует именно пар под давлением, а не сжатый воздух (сухой и обычно не такой горячий, как пар).

Например, температура чистого пара под давлением 0,1 МПа достигает 120^оС. Если пар смешать с равным количеством воздуха, то при том же давлении температура смеси будет равна 110°С, а при большем количестве воздуха - значительно ниже. Поэтому при автоклавировании, перед тем как повысить давление, через специальный клапан вытесняют из автоклава паром весь воздух.

Стерилизацию проводят также пропуском через жидкие среды пара. Но при пропуске пара температура жидкости не может превышать температуру 100°С и маловероятно, чтобы однократное пропускание пара привело к гибели всех микроорганизмов, суспендированных в жидкостях, особенно нейтральных.

Применением тиндализации, разработанной в 1877г английским ученым Тиндалем, достигают стерилизации и нейтральных жидкостей. По этому методу температуру жидкости доводят текучим паром до 100°С и продолжают нагревать при этой температуре в течение 10 минут. За это время все вегетативные клетки погибают, а жизнеспособными остаются только споры. Затем жидкость охлаждают до температуры, благоприятной для прорастания спор (30°С), и через несколько часов снова пропускают пар. Двух-трех подобных циклов бывает достаточно, чтобы все содержащиеся в исходной жидкости споры успели прорасти и погибнуть при последующем нагревании. Эффективность этого способа особенно велика, потому что нагревание обычно приводит к активации спор.

Тиндализация не достигает цели, если споры находятся в культуральной среде, непригодной для роста или содержащей ингибиторы, или если жидкость в промежутках между нагреванием выдерживают при температуре, неблагоприятной для прорастания спор.

Недостаток метода состоит в большой затрате времени, а преимущество - в том, что не требуется специальной аппаратуры. Кипячением как средством стерилизации пользуются лишь изредка, так как маловероятно, чтобы с помощью кипячения можно было убить споры, суспендированные в нейтральных растворах.

От стерилизации следует отличать пастеризацию (частичное обеспложивание), которая обеспечивает лишь уничтожение вегетативных форм микроорганизмов. Такой эффект достигается посредством различных вариантов пастеризации: выдерживания в течение 5, 10 или 30 минут при температуре 75^о или 80°С. При этом погибают все вегетативные клетки бактерий.

Пастеризации подвергают пиво, молоко, сливки, плодовые и фруктово-ягодные соки, нагревание которых до более высоких температур приводит к нежелательным изменениям вкуса и запаха.

Жидкости, которые нельзя простерилизовать рассмотренными способами, стерилизуют фильтрованием через мембранные фильтры, которые представляют собой тонкие мембраны толщиной примерно 100 мкм из коллодия, ацетата целлюлозы и других аналогичных материалов. Мембранные фильтры различаются как по диаметру, так и по размерам пор (от 5 до 10 нм). Их можно разделить на две главные группы: фильтры, предназначенные для фильтрования воздуха, и фильтры, предназначенные для фильтрования жидкостей. Обычно эти фильтры представляют собой диск диаметром 50 мм и толщиной 0,1 мм. Такой диск пронизан множеством мельчайших цилиндрических отверстий, соединяющих верхнюю поверхность фильтра с нижней. Можно приготовить фильтры достаточно мелкими для того, чтобы задержать даже мелкие вирусы.

При использовании мембранных фильтров можно все микроорганизмы, содержащиеся в относительно большом объеме жидкости, собрать на маленький диск и непосредственно исследовать под микроскопом.

Для полной или частичной стерилизации применяют ультрафиолетовые лучи. В излучении большинства ультрафиолетовых ламп преобладают лучи наибольшего бактерицидного действия с длиной волны около 260 нм, которые поглощаются преимущественно важнейшими веществами клетки - нуклеиновыми кислотами и вызывают их химические изменения. При длительном воздействии эти лучи вызывают гибель всех бактерий. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей распространяется как на вегетативные, так и на споровые формы бактерий. Но чтобы убить споры, потребуется в 4-5 раз больше энергии. УФ-облучение применяют для частичной стерилизации помещений. При этом бактерии погибают очень быстро, а споры грибов (гораздо менее чувствительные к ультрафиолетовым лучам) - значительно медленнее.

4. Основное сырье бродильных производств

Общая характеристика сырья бродильных производств

Основным видом сырья в бродильных производствах является растительное.

Существуют различные классификации сырья: по консистенции, преобладанию какого-либо химического вещества, целевому назначению и др. В бродильной отрасли сырье классифицируют в зависимости от преимущественного содержания в нем какого-либо углевода. Исходя из этого, сырье подразделяется на:

крахмалсодержащее - зерновые злаки, картофель;

сахаросодержащее - меласса, виноград, сахарная свекла, плоды, ягоды;

содержащее клетчатку - древесина, сульфитный щелок;

специфическое - хмель и другое пряно-ароматическое сырье.

При производстве спирта используют ячмень, кукурузу, овес, просо, рожь, пшеницу, картофель, мелассу, сахарную свеклу, древесину, сульфитный щелок. В виноделии - плоды, ягоды, виноград. В пивоварении - ячмень, хмель. Кроме этого при приготовлении некоторых сортов пива используют рис, пшеницу, кукурузу и другие злаки. При производстве хлебопекарных дрожжей - мелассу. При производстве кваса - рожь. В производстве безалкогольных напитков - плоды, ягоды.

К растительному сырью, используемому в бродильных производствах, предъявляют следующие технико-экономические требования:

- оно должно ежегодно воспроизводиться в необходимых количествах;

- быть доступным и дешевым;

- сырье должно содержать значительное количество основного компонента (например, углеводов);

- в случае необходимости хорошо выдерживать хранение.

Зерновые культуры

Зерновые культуры являются основным видом сырья на спиртовых и пивоваренных заводах.

Для применения солода на спиртовых заводах применяют ячмень, рожь, тритикале, овес и просо. На пивоваренных - ячмень, редко пшеницу и тритикале. Для производства кваса - рожь ячмень и тритикале.

Все зерновые культуры различаются по строению, но, тем не менее содержат одинаковые анатомические части.

Химический состав злаков зависит от сорта, почвенно-климатических условий, используемых удобрений, условий выращивания и не является постоянным для данной культуры.

Важная составная часть зерна ^__ вода. Зерно злаков в среднем содержит 14-15 % воды и 85-86 % сухих веществ.

Сухие вещества представлены углеводами, белками, жирами, минеральными веществами.

К углеводам относятся: крахмал, целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые и гумми-вещества, растворимые сахара.

Основная масса углеводов приходится на крахмал. Он содержится в эндосперме и алейроновом слое. Крахмальные зерна на 97 % состоят из чистого крахмала (С₆Н₁₀О₅)_п и 3 % примесей - минеральных веществ, остатков фосфорной кислоты, белков. Чистый крахмал представлен двумя полисахаридами: амилозой и амилопектином. Содержание крахмала (в %) составляет: в пшенице - 60 - 65; ржи - 60-73; ячмене- 55-65; овсе - около 50; просе - около 60; рисе - 75-80 .

Целлюлоза (клетчатка) - полисахарид. Входит в состав оболочек и клеточных стенок. В воде не растворима. Стойка к действию ферментов. При проращивании зерна не изменяется, при затирании полностью переходит в дробину. Голозерные культуры содержат целлюлозы 2-3 %, пленчатые - 6-14% .

Гемицеллюлозы и гумми-вещества - высокомолекулярные полисахариды, содержатся, в основном, в периферийных частях зерна, ближе к оболочкам. Состоят из гексозанов (глюканы, галактаны, маннаны) и пентозанов (арабана, ксилана). Мономерами их являются глюкоза, галактоза, манноза, арабиноза и ксилоза. Дрожжами сбраживается только глюкоза и манноза. Гемицеллюлозы в воде нерастворимы, но растворяются в разбавленных щелочах.

Гумми-вещества не отличаются от гемицеллюлоз по строению, но имеют меньшую молекулярную массу. Поэтому растворяются в горячей воде и дают вязкие растворы. Меньше всего гемицеллюлоз содержится в рисе и просе (около 2 %), больше всего - в овсе - 13 %. В остальных зерновых культурах - 7-11 %.

Слизи содержатся в зернах некоторых злаков. Это - полисахариды, в большинстве случаев растворимы в воде. Состоят в основном из пентозанов. Больше всего содержится во ржи (до 3 %).

Левулезаны - полисахариды, которые состоят из остатков фруктозы. Содержатся в зернах ржи, пшеницы, овса в количестве 2-3 %.

Пектиновые вещества - входят в состав клеточных стенок. Содержание их составляет 1-2 %. При гидролизе дают галактуроновую кислоту и метиловый спирт.

В зерне злаков (преимущественно в зародыше) содержатся также свободные сахара в количестве от 2 до 5 %. Преобладает сахароза. Кроме этого содержатся фруктоза, рафиноза, глюкоза. Сахара используются зародышем в качестве питательных веществ.

Азотистые вещества - подразделяются на белковый и небелковый азот. Белковый азот входит в состав белков и полипептидов. Существует зависимость: чем больше белка в зерне, тем меньше крахмала. Количество белка в зерновых составляет от 7 до 20 %. Больше всего белка в пшенице, меньше всего в кукурузе и рисе (7-9 %). Белковые вещества сосредоточены в зародыше, эндосперме и алейроновом слое. Это резервные белки, ферменты. Белки делятся на простые и сложные.

Простые белки:

альбумины - растворимы в воде;

глобулины - растворимы в солях;

проламины - растворимы в спирте;

глютелины - растворимы в щелочах.

Сложные белки - протеиды, наряду с белковой частью имеют небелковую группу.

Небелковый азот - аминный (представлен аминокислотами); аммиачный (солями органических кислот); минеральный (солями азотной кислоты); амидный (представлен амидами). Аминокислоты и другие формы небелкового азота являются питанием для дрожжей.

Суммарное содержание всех форм азота представляет собой общий азот. Азотистые вещества, которые при водной экстракции зерна переходят в раствор, называют растворимым азотом.

Жиры - содержатся, в основном, в зародыше и алейроновом слое. Используются зародышем как питательные вещества. Больше всего жира в овсе и кукурузе (до 5 %). В остальных зерновых культурах 2-3 %. Жир отрицательно влияет на сохранность зерна (прогоркает) и пеностойкость пива. Поэтому в пивоварении кукурузу используют только обезжиренную.

Минеральные вещества - содержатся от 1,5 до 6 %. Меньше всего во ржи. Больше всего в рисе. В основном это фосфаты.

Витамины - играют роль в поддержания жизненных процессов роста, брожения, в образовании ферментов. Содержатся в алейроновом слое и зародыше. Это витамины группы В, РР, биотин.

В зерне содержатся также ферменты, но их мало и находятся они в связанном состоянии.

При хранении зерна большую роль играют его физические и физико-химические свойства.

Теплопроводность - передача тепла от зерна к зерну перемещающимся внутри зерновой массы воздухом. Зерно имеет низкую теплопроводность. Это играет положительную и отрицательную роль.

Положительная роль - плохая теплопроводность позволяет длительное время сохранять даже в теплое время низкую температуру зерновой массы, что способствует лучшей сохранности зерна.

Отрицательная роль - это же свойство зерновой массы может привести при наличии благоприятных условий к самосогреванию, так как тепло, которое выделяется при дыхании зерна, накапливается в зерновой массе.

Гигроскопичность - способность зерна поглощать или отдавать влагу.

Скважистость - отношение объема воздуха в межзерновом пространстве к общему объему зерновой массы. Это обеспечивает дыхание зерна, позволяет продувать зерновую массу воздухом.

Сыпучесть - характеризует способность зерна перемещаться под собственным весом. Этим свойством обусловлено самосортирование зерна. Тяжелые зерна располагаются к центру падения у вершины конуса, а легкие - ближе к основанию образующей конуса. Угол между диаметром основания и образующей конуса называется углом естественного откоса. Для различных зерновых культур он различен. Это свойство учитывают при разгрузке зерна.



Способы и режимы хранения зерна

Так как зерно перерабатывается в течение всего года, то его хранят длительное время. Существует три основные способа хранения зерна:

Напольное - в мешках или тонким слоем на полу высотой до 2 м.

Закромное - хранение в отгороженном месте (закроме) высотой до 5 м.

Силосное - зернохранилище состоит из рабочей башни, где зерно очищается, и силосов, где оно хранится. Силоса - емкости из железобетона круглого или квадратного сечения высотой до 30 м. Силосные хранилища с механизацией приема, перемещения, очистки и сортировки зерна называются элеваторами. Преимущества использования данного способа хранения - механизация процессов, устранение внешних воздействий, защита от грызунов. Недостаток - нельзя хранить сырое зерно.

Различают три режима хранения зерновых масс:

- в сухом состоянии, т.е. с влажностью ниже критической. В этом случае зерно может храниться 4-5 лет в складах амбарного типа и 2-3 года в силосах элеваторов;

- в охлажденном состоянии, когда температура зерна понижена до пределов, тормозящих его жизненные функции. Для охлаждения зерновой массы используют сезонные и суточные перепады температур наружного воздуха;

- без доступа воздуха - в герметично закрытых емкостях. Удаление воздуха из межзернового пространства достигается самоконсервацией за счет выделяющегося при дыхании зерна СО₂; вакуумированием зерна; введением в массу диоксида углерода или азота, вытесняющих воздух.

В нашей стране первые два режима являются основными для хранения зерна. При хранении контролируют температуру зерна. Зимой температура зерна может быть на 2-3 ^оС выше температуры наружного воздуха, летом - не выше 20 ^оС.

Перед закладкой на хранение зерно подсушивают (если оно влажное), очищают от примесей, обрабатывают химическими средствами для уничтожения вредителей.

Картофель

Картофель - основное сырье для производства спирта. Принадлежит к семейству пасленовых, к группе корнеплодов. Клубень картофеля имеет следующее строение:

Снаружи покрыт кожицей - эпидермисом. Она защищает клубень от механических повреждений. На ней видны глазки и поры. Под кожицей содержится несколько рядов клеток пробкового слоя - перидерма, который защищает клубень от высыхания, сосудисто-волокнистые кольца, от которых отходят пучки к глазкам. Кожица и пробковый слой не содержат крахмала. Далее следует внутренняя часть клубня - внешняя сердцевина паренхима и внутренняя сердцевина, которые состоят из клеток, заполненных клеточным соком. В нем плавают крахмальные зерна.

Химический состав картофеля зависит от сорта, способов возделывания, почвенно-климатических условий, длительности и условий хранения. В среднем химический состав картофеля следующий: влажность 75 %; сухие вещества 25 %. Сухие вещества представлены: крахмалом (14-20 %); сахарами (до 1 %); целлюлозой (1 %); пентозанами и пектиновыми веществами (до 1,5 %); азотистыми веществами (2 %); минеральными веществами (1 %).

Из сахаров содержатся: сахароза, глюкоза, фруктоза. Преобладает сахароза.

Азотистые вещества представлены белками, аминокислотами, амидами и азотистыми основаниями.

Клеточный сок картофеля имеет слабокислую реакцию (рН 5,6-6,2) из-за наличия органических кислот (лимонной, щавелевой, яблочной).

Минеральные вещества представлены солями калия и фосфорной кислоты.

В картофеле содержится витамин С (до 25 мг%) и небольшое количество витаминов группы В.

Известно более 2000 сортов картофеля. Для переработки на спирт применяют высококрахмалистые сорта, с высокой урожайностью, устойчивые к хранению и стойкие против заболеваний.

Хранение картофеля на спиртовых заводах осуществляют в буртах или кагатах, которые располагаются недалеко от завода, либо в картофелехранилищах. Бурты - конические, кагаты - в виде трапеции, представляют собой кучи картофеля шириной до 4 м. Длина бурта 20-25 м. Сверху бурты закрывают соломой и землей. В бурты для длительного хранения укладывают только здоровый и сухой картофель, влажный - подсушивают на воздухе. Картофель пониженного качества перерабатывают в первую очередь или закладывают в бурты для кратковременного хранения. Для вентиляции при хранении служат горизонтальные дырчатые трубы. Их устанавливают вдоль основания бурта.

Температурный режим хранения зависит от периода хранения. Различают следующие периоды хранения: начальный, охлаждение, зимний, весенний.

В начальный период - происходит дозревание клубней и заживление механических повреждений. Под поврежденной кожицей образуется защитный слой, который предотвращает потерю влаги. Этот слой непроницаем для микроорганизмов. Продолжительность периода 10-15 дней, температура 15-20 ^оС.

Период охлаждения - в этот момент картофель постепенно охлаждают до температуры 2 ^оС. Для снижения температуры проводят интенсивное вентилирование. Длительность периода 20-30 дней.

Зимний период - картофель находится в состоянии покоя. Температура хранения 2-4 ^оС. При температуре 0 ^оС происходит гидролиз крахмала и образование сахаров (накапливается сахароза). При температуре минус 6 ^оС картофель погибает.

Весенний период - усиливается дыхание, клубни прорастают. Процесс прорастания задерживают обработкой специальными химическими веществами.

При хранении картофеля уменьшается его масса за счет испарения воды и расхода крахмала на дыхание.

Виноград

Виноград - это основное сырье для производства вина. Представляет собой лиану, относится к семейству виноградных. Соцветие - сложная кисть. Плоды винограда, собранные в кисть, представляют собой гроздь. Гроздь состоит из механически прочного остова - гребня и нежных плодов - ягод, прикрепленных к гребню. Ягода состоит из кожицы, мякоти и семян.

Механический состав грозди составляет (в среднем):

- масса гребней - 3-7 % от массы зрелой грозди;

- мякоть с соком - 75-85 % от массы ягод;

- кожица - 15-20 % от массы ягод;

- семена - 3-6 % от массы ягод.

Химический состав мякоти винограда сложен и представлен различными группами органических и неорганических соединений. В среднем химический состав винограда следующий:

- вода 55-85 %;

- сахара (преобладают глюкоза и фруктоза) - 10-30 %;

- органические кислоты (в основном винная, яблочная) - 0,5-1,5 %;

- азотистые вещества (преобладает небелковый азот) 0,1-0,9 %;

- пектиновые вещества 0,1-0,3 %;

- минеральные вещества (больше всего калия, фосфора, кальция, магния) до 0,5 %.

В кожице винограда сосредоточены красящие вещества, фенольные соединения, клетчатка, эфирные масла.

Семена содержат фенольные вещества, клетчатку, жирное масло, смолистые вещества с неприятным вкусом.

Виноград богат витаминами: С, каротином, В₁, В₂ и др.

Собирают виноград в период технической зрелости, когда накапливаются в определенном соотношении сахара и органические кислоты, что обеспечивает получение определенных типов вин.

Все технические сорта винограда делят на универсальные и специальные. Универсальные сорта (Совиньон, Ркацители, Каберне Совиньон и др.) распространены в различных районах виноделия, позволяют готовить разные типы вин (от натуральных до специальных). Специальные сорта используют только для выработки определенных типов вин (шампанских, хереса, десертных и др.).

В каждом районе виноделия выделяют свои местные аборигенные сорта (токайские сорта - Фурминт, Гарс Левелю ^__ в Венгрии, цимлянские сорта - Цимлянский черный, Плечистик ^__ на Дону и др.), из которых получают широко известные местные вина.

Меласса

Меласса - сырье для производства спирта и хлебопекарных дрожжей. Это густая, вязкая жидкость темно-коричневого цвета с запахом карамели. Является отходом свеклосахарного производства.

Состав мелассы непостоянен, зависит от почвенно-климатических условий выращивания сахарной свеклы, условий хранения свеклы и самой мелассы, технологии переработки свеклы на сахар.

Химический состав мелассы:

- сухие вещества 75-82 %, в том числе: сахароза 45-50 %;

- инвертный сахар - не более 0,5 %; рафиноза - не выше 1 %;

- азот общий ^__ не менее 1,4%; азот аминный ^__ не менее 0,3%;

- минеральные вещества 7-8 %;

- безазотистые экстрактивные вещества 15-16 %;

рН 6,5-8,5;

- число микроорганизмов не более 10000 в 1г.

Важный показатель качества мелассы - доброкачественность (Д). Это отношение содержания сахара к общему количеству сухих веществ. Доброкачественность должна лежать в пределах 55-62 %.

Наряду с ценными веществами (сбраживаемыми сахарами, азотистыми соединениями, витаминами - В₁; В₂; В₆; РР, биотином) меласса содержит вредные примеси, отрицательно влияющие на жизнедеятельность дрожжей. К ним относятся красящие вещества (карамели, меланоидины), летучие кислоты (муравьиная, уксусная), сернистый ангидрид, остатки пестицидов и гербицидов, нитриты, коллоидные вещества.

Меласса с кислой реакцией (рН менее 6,5), с высоким содержанием инвертного сахара, повышенной цветностью считается дефектной. Для производства хлебопекарных дрожжей она не пригодна, а для получения спирта перерабатывается вместе с нормальной.

Перевозится меласса в железнодорожных, автомобильных цистернах или металлических бочках. Сливается из цистерн самотеком по металлическим желобам в приемные сборники. Остатки разбавляют водой, собирают и хранят отдельно.

Мелассу хранят в цилиндрических стальных резервуарах вместимостью 500-2000 тонн при температуре не выше 40 оС.

5. Производство этилового спирта

Прием зерна и картофеля ведут по массе без примесей и по крахмалистости. Картофель перед подачей в производство освобождают от примесей и моют. Окончательная мойка картофеля производится в картофелемойках различной конструкции. Все зерно, поступающее в производство, освобождают от сорных примесей, земли, пыли, от металлических примесей. После очистки зерна, идущего на варку, не должно содержаться металлических примесей, сорных минеральных примесей не более 1%. При периодическом и полунепрерывном разваривании зерно перерабатывают в целом виде. При непрерывном разваривании все виды зерна дробят на молотковых дробилках или вальцовых станках.

Основная цель водно-тепловой обработки крахмалсодержащего сырья - перевод крахмала в растворимое состояние, доступное для действия амилолитических ферментов осахаривающих материалов.

Водно-тепловая обработка зернового сырья проводится при высоких температурах (130-170 °С). При этом основные вещества зерна претерпевают различные химические и структурные изменения.

Для облегчения перехода крахмала в раствор клетки разрушают механически путем дробления, однако, таким образом удается разрушить только часть клеток даже при тонком помоле. После смешивания с водой и подогревании измельченного зерна крахмал последовательно проходит несколько стадий деградации: набухание, клейстеризацию, растворение.

Крахмал разных злаков представляет собой гранулы разного размера и формы.

Гранулы сгруппированы в эндосперме зерна в крахмальные клетки, которые окружены клеточными оболочками. Крахмал становится доступным для действия ферментов после разрушения клеток и крахмальных гранул до отдельных молекул. Для облегчения перехода крахмала в раствор клетки разрушают механически путем дробления, однако, таким образом удается разрушить только часть клеток даже при тонком помоле. После смешивания с водой и подогревании измельченного зерна крахмал последовательно проходит несколько стадий деградации: набухание, клейстеризацию, растворение.

В состав крахмала входят два полисахарида: амилоза и амилопектин. Амилоза растворяется в горячей воде, образуя гель. Амилопектин только набухает, в крахмальной грануле он играет роль полупроницаемой мембраны. Соотношение амилозы и амилопектина в разных злаках составляет 25...30 : 70...75.

В крахмальных гранулах молекулы амилопектина образуют трехмерную структуру, дополнительную прочность этой структуре придают вторичные водородные связи. При набухании они ослабевают, но сохраняют прочность даже при высоких температурах.

Крахмал разных злаков поглощает разное количество воды. Степень поглощения воды зависит от температуры. При температуре до 60 °С зерна крахмала поглощают до 300% воды, а при температуре близкой к клейстеризации - до 2500%. В результате этого ослабевают связи между клетками, структура зерна становится более мягкой, растворяются другие межклеточные вещества: пентозаны, гумми-вещества, минеральные соли. Набухание ускоряется при повышении температуры, нарушении целостности зерна.

В определенном температурном интервале, значение которого зависит от природы крахмала, размера крахмальных гранул и других факторов, нарушается целостность гранул. При этом резко возрастает вязкость раствора, происходит клейстеризация крахмала. Температура, при которой вязкость крахмального раствора максимальна, называется температурой клейстеризации, у крахмалов различного происхождения она находится в разных интервалах, например для пшеничного крахмала - 54...62 °С, ячменного - 60...80 °С, картофельного - 59...64 °С, кукурузного - 65...75 °С. В крахмальном клейстере молекулы расположены беспорядочно, нарушается кристаллическая структура крахмала. Оклейстеризованный крахмал представляет собой трехмерную сетку из набухших молекул амилопектина, ячейки которой заполнены раствором амилозы. Механизм гидролиза крахмала до настоящего времени не достаточно изучен, несмотря на большое количество работ, посвященных этому вопросу.

При 90 °С клейстеризация практически заканчивается, вязкость больше не возрастает, а при дальнейшем нагревании уменьшается за счет деструкции трехмерной сетки клейстера. Происходит растворение амилопектина, температурный интервал растворения его также различен для крахмала разных злаков: пшеничного - 136...141 °С, ржаного - 121...127 °С, кукурузного - 146...151 °С, картофельного 132 °С.

Скорость гидролиза растворенного крахмала возрастает многократно. Поэтому в спиртовом производстве стадия разваривания имеет большое значение.

Температура клейстеризации и растворения крахмала уменьшается при тонком измельчении зерна, при воздействии амилолитических ферментов. На этих свойствах крахмала основаны современные способы водно-тепловой обработки зерна, позволяющие проводить эту стадию при атмосферном давлении и температуре до 100 °С, в частности

Процесс разваривания можно разделить на несколько последовательных стадий:

приготовление замеса и его подваривание;

нагрев замеса до температуры разваривания;

выдержка замеса;

отделение пара (паросепарация).

Зерно дробят на молотковых или вальцовых дробилках. Измельченное зерно смешивают с водой при температуре не более 50°С (ниже температуры клейстеризации) в соотношении 1:2,5...3,5 в зависимости от содержания крахмала, чтобы впоследствии получить осахаренное сусло с содержанием сухих веществ 16-18%. Замес готовят в смесителях с мешалкой.

Рекомендуется для экономии тепла нагревать замес в смесителе или контактной головке вторичным паром до температуры не более 55...65 °С, чтобы не допустить полной клейстеризации для сохранения его транспортабельности, кроме того, не допускается накопление сахаров за счет воздействия на крахмал собственных амилолитических ферментов зерна. Такая обработка замеса называется подвариванием.

На стадии подваривания эффективно использовать бактериальную б-амилазу, которую вносят в смеситель при температуре 75...80 °С.

Картофель измельчают на молотковых или дисковых дробилках и через промежуточный сборник направляют на контактную головку для нагрева до температуры разваривания. Можно подогревать замес вторичным паром, но не выше 45...50 °С, так как при более высокой температуре начинается клейстеризация крахмала, и замес теряет подвижность.

Подогрев замеса до температуры разваривания проводится в контактных головках острым паром до температуры 138-170 °С в зависимости от способа разваривания.

Способы разваривания в зависимости от организации процесса различают:

периодические,

непрерывные.

Периодические способы проводятся в установках, состоящих из нескольких аппаратов, в каждом из которых протекает одна из стадий разваривания. Непрерывные способы разваривания более эффективны, они характеризуются тем, что подготовленный замес непрерывно проходит ряд аппаратов установки при определенных режимах и выводится в готовом виде.

Основной целью осахаривания разваренной массы является получение осахаренного сусла оптимального состава для сбраживания и культивирования дрожжей.

Основной процесс на стадии осахаривания - гидролиз крахмала амилолитическими ферментами солода или микробных ферментных препаратов.

Независимо от способа процесс осахаривания можно разбить на стадии:

1. Охлаждение разваренной массы до температуры осахаривания.

2. Смешивание с осахаривающим материалом.

3. Осахаривание разваренной массы.

4. Охлаждение до температуры брожения.

Осахаривание может проводиться в одну или две ступени.

Основной целью процесса брожения является максимальное сбраживание сахаров и накопление спирта.

При сбраживании осахаренного сусла одновременно идут два основных процесса:

- сбраживание сахаров с образованием спирта, диоксида углерода, побочных и вторичных продуктов брожения; процесс брожения сопровождается выделением тепла;

- доосахаривание декстринов ферментами, внесенными на стадии осахаривания.

Первая стадия - возбраживание, в течение этого периода практически нет убыли сахаров. Эта стадия соответствует лаг-фазе размножения дрожжей, которая характеризуется тем, что происходит адаптация дрожжей к среде, синтез необходимых ферментов для их жизнедеятельности.

Вторая стадия - главное брожение, в процессе которого наблюдается максимальная скорость сбраживания сахаров, так как сусло содержит достаточно питательных и ростовых веществ.

Третья стадия - дображивание. Скорость сбраживания сахаров уменьшается за счет 2-х основных лимитирующих факторов:

1. Недостаток сахаров и других веществ, необходимых дрожжам, дрожжи сбраживают сахара, образующиеся при доосахаривании декстринов за счет гидролитической активности глюкоамилазы.

2. Накопление спирта в значительных концентрациях, который тормозит процесс брожения.

В зависимости от организации проведения всех этих стадий используются 3 основных способа брожения:

периодический;

циклический;

непрерывно-поточный.

В зрелой бражке кроме видимой концентрации сухих веществ контролируется крепость: 8-9%, нарастание кислотности: не более 0,15-0,20 °; содержание несброженных сахаров: 0,25% - при отличной работе; 0,35 - при хорошей, 0,45 - при удовлетворительной.

Бражка может быть представлена как смесь легколетучего компонента (спирта с летучими примесями) и труднолетучего компонента (вода и труднолетучие примеси).

Выделение спирта из бражки и его освобождение от примесей осуществляются путем перегонки и ректификации.

Под перегонкой понимается разделение смеси из двух компонентов (или фракций), обладающих различной летучестью или температурой кипения, на отдельные компоненты (или фракции) путем частичного испарения и последующей конденсации пара.

В процессе ректификации происходит разделение многокомпонентной смеси (бражки) на компоненты или группы компонентов (фракции), различающихся летучестью (упругостью паров), путем многократного массо- и теплообмена между противоточно движущимися паровым и жидкостным потоками.

Теоретический выход, вычисленный по уравнению спиртового брожения, составляет 71,98 дал из 1 т условного крахмала.

Практический выход колеблется от 81,5 до 93% от теоретического и нормируется для различных видов сырья.

Спирт из мелассы

Меласса является побочным продуктом в производстве сахара. В зависимости от вида сырья, перерабатываемого на сахарных заводах, меласса бывает нескольких видов:

· свеклосахарная меласса -- при переработке сахарной свеклы;

· тростниковая меласса -- при переработке сахарного тростника на сахар-песок;

· рафинадная меласса -- при производстве сахара-рафинада из сахара-песка.

В России для производства спирта используется преимущественно свеклосахарная меласса.

Для производства спирта меласса - наилучшее сырье. Ценность ее заключается в том, что наряду с высоким содержанием сахара в ней находятся все вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности дрожжей. При переработке мелассы упрощается технологическая схема, так как исключается операция разваривания сырья и осахаривания крахмала ферментами.

Мелассу принимают по массе в специальном отделении завода, в котором ее перекачивают в специальные аппараты - рассиропники.

При переработке на спирт мелассы подготовка ее сводится к гомогенизации, подкислению, асептированию, добавлению питательных веществ для дрожжей и разбавлению водой. Мелассу, сильно инфицированную микроорганизмами, подвергают тепловой стерилизации. В зависимости от переработки мелассы - одно- или двухпоточной - готовят мелассное сусло одной или двух концентраций сухих веществ.

Гомогенизация (усреднение). Меласса, поступающая от различных сахарных заводов, неоднородна по своему составу и качеству и поэтому неодинаково сбраживается дрожжами. Перед сбраживанием ее рекомендуется усреднять по составу и качеству. Согласно типовой схеме, мелассу из хранилищ при помощи насоса направляют в резервуар для гомогенизации. Усреднение производится смешиванием мелассы из разных хранилищ и циркуляции ее с помощью насоса, которые забирает мелассу из нижней части резервуара и подает ее в верхнюю часть того же резервуара.

Мелассное сусло необходимо сбраживать в условиях, исключающих развитие посторонних микроорганизмов, продукты обмена которых отрицательно влияют на жизнедеятельность дрожжей. Сбраживание мелассного сусла протекает нормально при рН около 5. Для подкисления используют серную или соляную кислоту. Во избежание разрушения сахаров мелассы серную кислоту предварительно разбавляют четырех-пятикратным количеством воды. Оборудование должно быть выполнено из кислотостойкой стали.

Антимикробные препараты для асептирования мелассы должны обладать высоким бактерицидным действием , не влиять отрицательно на жизнедеятельность дрожжей и качество спирта.

Мелассу смешивают с кислотой, антисептиком и питательными веществами в смесителе.

Для мелассы наиболее эффективна кратковременная стерилизация при температуре 140°С.

Для лучшего питания дрожжей при брожении к мелассе в специальном смесителе добавляют ортофосфорную кислоту, сульфат аммония и мочевину.

В условиях непрерывного сбраживания мелассы особое внимание следует уделить непрерывному приготовлению сусла. Для разбавления мелассы применяют непрерывнодействующие смесители двух типов: с механическим размешиванием и без него.

На выход и качество этилового спирта влияет множество факторов: интенсивность аэрирования сбраживаемого сусла , концентрация в нем сахара, кислотность и рН сусла, температура брожения, раса применяемых дрожжей, качество перерабатываемой мелассы и др.

С повышением интенсивности аэрирования сусла в дрожжегенераторах содержание спирта снижается, что связано с увеличением расхода сахара на синтез биомассы дрожжей и образование других продуктов брожения.

При повышении концентрации сахара в зрелой бражке увеличивается количество альдегидов и эфиров. При этом угнетаются ферменты, регулирующие превращения альдегидов в другие продукты.

Мелассное сусло сбраживается различными расами дрожжей, чаще - одновременно двумя.

На спиртовых заводах, перерабатывающих мелассу применяют одно- или двухпоточные схемы сбраживания сусла.

При однопоточном способе сбраживания готовят сусло одной концентрации 22-24 %, вследствие чего упрощается технология и управление процессом. Мелассное сусло сначала используют для культивации дрожжей, а затем непрерывно сбраживают ими. По однопоточному способу меласса сначала гомогенизируется. Дефектная меласса сначала стерилизуется, затем охлаждается в специальном теплообменнике и смешивается с нормальной мелассой. Затем меласса подкисляется, асептируется и обогащается питательными веществами для дрожжей в специальном смесителе. Затем она разбавляется до концентрации сухих веществ 35-40%, очищается от взвешенных примесей и, наконец, окончательно разбавляется до концентрации 22 %.

Сущность двухпоточного способа заключается в том, что основное сусло сбраживается в 4-х последовательно соединенных аппаратах дрожжами, выделенными из зрелой бражки на сепараторах.

При двухпоточном способе гомогенизированная меласса, предназначенная для приготовления дрожжевого сусла, взвешивается как и при однопоточном, подкисляется, асептируется, обогащается питательными веществами разбавляется до концентрации сухих веществ 12%. При этом количество кислоты и питательных солей, рассчитанную на всю мелассу вносят в дрожжевое сусло. Мелассу, предназначенную для приготовления основного сусла, после взвешивания только асептируют и затем разбавляют до концентрации в 32%.

Основная особенность двухпоточного способа - сепарирование дрожжей и возвращение их в начало бродильной батареи для многократного использования. Многократное использование возвращаемых дрожжей ведет к сокращению и устранению лаг-фазы, и приводит к повышению интенсивности брожения.

Брожение мелассного сусла происходит в батарее последовательно соединенных ферментеров периодическим или непрерывным способами. Ферментеры представляют собой цилиндрические аппараты вместимостью 50-100 м3 с перемешивающими устройствами, змеевиками и барботерами для подвода воздуха. Выход спирта с 1 м3 ферментера составляет 2-8 дал/сут. Из 1 т мелассы получают 66,5 дал спирта.

...