Біотехнологія виробництва бiоетанолу з крохмальовмісної сировини

Мікросоми (рібосоми) являють собою включення у вигляді субмікроскопічних зернинок, які складаються з ліпідів, білків та рибонуклеїнових кислот (РНК), що зумовлюють синтез білків за рахунок активованих амінокислот, які поступають із мітохондріальної системи.

Ядро - невелике шароподібне чи овальне тіло, оповите цитоплазмою та нерозчинне в ній. В ядерних структурах відокремлені у вигляді включень дезоксірибонуклеїнова кислота (ДНК) та її протеїд (ДНКП), міститься велика кількість РНК.

Обов'язків органоїд клітини вакуолі -ємкості, наповнені клітинним соком та відокремлені від цитоплазми вакуолярною мембраною. Форма вакуолів змінюється внаслідок руху і контракції цитоплазми. Вакуоль в молодих клітинах складається з великої кількості малих ємкостей, в старих - з однієї дуже великої. Клітинний сік являє собою водний розчин різноманітних солей, вуглеводів, білків, жирів та ферментів. У вакуолях скупчуються різноманітні сполуки, які повинні підпадати під ферментативні перетворення, утворює продукти життєдіяльності та відходи.

В молодих дріжджових клітинах жиру зазвичай нема, в зрілих він міститься лишень у невеликої кількості клітин у вигляді малих капель, у старих - крупних капель.

Глікоген - запасна поживна речовина, що накопичується при культивуванні дріжджів на середовищах, багатих цукром, і при нехватці його швидко витрачається. В молодих клітинах глікогену мало, в зрілих - значна кількість (до 40%).

По зовнішньому стану можна визначити фізіологічний стан дріжджів. У виробничих середовищах одночасно є молоді, зрілі, брунькуючиїся старі та відмерлі клітини. Найбільшою бродильною енергією володіють зрілі клітини.

Дріжджі, що використовують у виробництві спирту, повинні мати високу бродильну енергію (швидко і повністю зброджувати цукри) та анаеробний тип дихання, бути стійкими до продуктів свого обміну та продуктів обміну сторонніх мікроорганізмів, а також до зміни складу середовища, виносити велику концентрацію солей та сухих речовин, що містяться в суслі при переробці меляси повністю зброджувати рафінозу. При відокремленні дріжджів із зрілої бражки та використанні їх як хлібопекарських вони повинні відповідати вимогам, висунутим до хлібопекарським дріжджам по стійкості при зберіганні, підЧємної сили, зимазній та мальтозній активності.

Збільшення бродильної активності дріжджів може бути досягнуто різними шляхами: мутагенезом, гибрідізацією та ін. Для отримання рас дріжджів з властивостями, які вимагалися, найбільш ефективним виявився метод гібридизації, тому що при схрещуванні двох батьківських видів дріжджів можна підібрати раси із заздалегідь відомими властивостями.

Способами генетичної інженерії отримані високоефективні раси дріжджів, які володіють амінокислотною активністю. Промислове використання таких дріжджів дозволить суттєво прискорити процес зброджування сусла і зменшити витрати оцукрюючи матеріалів.

Умови життєдіяльності дріжджів. До умов, що забезпечують нормальну життєдіяльність дріжджів, відносяться перш за все температура, рН та склад поживного середовища.

Температура та рН. Дріжджі живуть і розмножуються в обмежених температурних умовах, і для нормальної їх життєдіяльності необхідна температура 29 - 30 ⁰С. за дуже великої чи дуже низької температури життєдіяльність дріжджів послаблюється чи припиняється. Максимальна температура для розвитку дріжджів 38 ⁰С, мінімальна 5 ⁰С; при температурі 50 ⁰С дріжджі гинуть.

Оптимальні температури для розвитку та виявлення максимальної бродильної активності не завжди співпадають. Дріжджі вирощені при температурі, наприклад, 17 - 22 ⁰С, мають велику бродильну енергію. Зброджування мелясного сусла при температурах, вищих за 30 ⁰С негативно відображається на виході та якості дріжджів, як і відокремлені із зрілої бражки та використовуються в якості хлібопекарних. Ферментативна активність, підЧємна сила та стійкість таких дріжджів при зберіганні знижується, тому для вирощування дріжджів і зброджування мелясного сусла рекомендується наступний температурний режим: 28 - 29⁰С в дріжджегенераторах, 30 - 31 ⁰С у двох головних бродильних апаратах і 28 - 29 ⁰С в кінцевих апаратах.

При підвищенні температури дикі дріжджі та бактерії розмножуються значно швидше сахароміцетів. Якщо при 32 ⁰С коефіцієнт розмноження диких дріжджів у 2 - 3 рази більше коефіцієнта розмноження сахароміцетів, то при 38 ⁰С вже у 6 - 8 разів більше. Внаслідок прискореного розвитку бактерій збільшується кислотність бражки. В обох випадках зменшується вихід спирту.

На життєдіяльність дріжджів значною мірою впливає активна кислотність середовища. Йони водню змінюють електричний заряд колоїдів плазмової оболонки клітин і залежно від концентрації можуть зменшувати чи збільшувати її проникливість для окремих сполук та йонів. Від значення рН залежить швидкість надходження поживних речовин в клітину, активність ферментів, утворення вітамінів. При зміні рН середовища змінюється і напрямок самого бродіння. Якщо рН зсувається в лужний край, то збільшується утворення гліцерину.

Життєдіяльність дріжджів зберігається у рамках рН середовища від 2 до 8; для їх вирощування оптимальним являється рН 4,8 - 5. При рН нижче 4,2 дріжджі продовжують розвиватися, тоді як ріст молочнокислих бактерій зупиняється. Цю властивість дріжджів використовують для пригнічення розвитку бактерій в інфікованому середовищі, яке підкислюють до рН 2,8 - 4 і витримують визначений час.

Склад поживного середовища. Про потребу дріжджів в поживних речовинах судять за їх хімічним складом, що залежить від поживної речовини, умов культивування дріжджів та їх фізіологічних особливостей. Середній елементарний склад дріжджових клітин (%): вуглець 47, водень 6,5, кисень 31, азот 7,5 - 10,фосфор 1,6 - 3,5. вміст інших елементів незначний (%): кальцію 0,3 - 0,8, калію 1,5 - 2,5, мангану 0,1 - 0,4, натру 0,06 - 0,2, сірки 0,2. В дріжджах знайдені мікроелементи (мг/кг): залізо 90 -350, мідь 20 -135, цинк 100 - 160, молібден 15 - 65.

У пресованих дріжджах знаходиться 68 - 76% води і 32 - 24% сухої речовини. В залежності від стану колоїдів в дріжджовій клітині може бути 46 - 53% внутріклітинної вологи і 22 - 27% міжклітинної. При зміні загальної вологості дріжджів змінюється співвідношення між кількістю внутріклітинної та міжклітинної вологи. Видалення 85% води з дріжджів при температурі не вищої від 50 ⁰С майже не впливає на їх життєдіяльність.

Сухі речовини дріжджів включають в себе 23 28% органічних сполук і 5- 7% золи. Склад органічних сполук наступний (%): білки 13 - 14, глікоген 6 - 8, целюлози 1,8 - 2, і жиру 0,5 - 2.

Білок. Дріжджі містять в середньому 50% сирого білку в перерахунку на суху речовину і близько 45% дійсного білку. До складу сирого білку входять всі сполуки азоту, до яких відносяться похідні нуклеїнових кислот, пуринові та піримідінові основи, азот вільних амінокислот.

Глікоген. При відсутності поживних речовин в середовищі глікоген перетворюється на спирт та діоксид вуглецю.

Наряду з глікогеном міститься трегалоза - дуже мобільний резервний вуглець, обумовлюючий стійкість хлібопекарських дріжджів. Вміст трегалози збільшується зі зменшенням азоту та при рН нижче 4,5.

Жир. До складу жиру входять здебільшого олеїнова, ліноленова і пальмітинова кислоти. Він містить 30 -40% фосфатидів.

Зола. Зола складається з наступних основних окислів (%): Р₂О₅ - 25 - 60, К₂О - 23 - 40, СаО - 1 - 8, МgO - 4 - 6, Na₂O - 0,5 - 2, SO₃ - 0,5 - 6, SO₂ - 1 - 2, Fe₂O₃ - 0,05 - 0,7.

Мікроелементи. Вони мають важливе значення для розмноження та життєдіяльності дріжджів, входять до складу ферментів, вітамінів та інших сполук, що беруть участь в їх синтезі. Мікроелементи впливають на швидкість та характер різноманітних біохімічних процесів. Наприклад, кобальт стимулює розмноження дріжджів, підвищує вміст в клітинах азотистих речовин небілкової природи, перш за все ДНК, РНК і вільних амінокислот. Він стимулює також синтез вітамінів - рібофлавіна та аскорбінової кислоти. Стимулююча дія мікроелементів обумовлена тим, що вони утворюють з ферментами металоорганічні та внутрішньокомплексні сполуки. Ефект, що отримаємо залежить від міцності зв'язку ферменту з молекулою субстрату чи активації субстрату в проміжному активному комплексі.

Вітаміни та інші фактори росту. Для нормального розвинення і спиртового бродіння дріжджі потребують вітаміни, які являють собою кофактори багатьох ферментів. Сахароміцети у більшій чи меншій мірі можуть синтезувати всі вітаміни, за виключенням біотину, який повинен обов'язково міститись в поживному середовищі.

Ненасичені жирні кислоти з 18 атомами вуглецю, особливо олеїнова, також являються важливими факторами росту. Стимулюючий вплив олеїнової кислоти спостерігається тільки при незначній її концентрації, не перевищуючої 0,5 мг/мл. При збільшенні концентрації швидкість росту дріжджів набагато зменшується.

2.2 Види та джерела харчування

Розрізняють екзогенне та ендогенне харчування дріжджів: при екзогенному харчуванні поживні речовини потрапляють до клітини із зовнішнього середовища, при ендогенному дріжджі використовують (в основному при голоданні) свої резервні речовини: глікоген, трегалозу, ліпіди азотисті сполуки.

Вуглецеве харчування. Дріжджі (Saccharomyes cerevisiae) використовують вуглець із різноманітних органічних сполук: глюкози, маннози, галактози, фруктози (D - форми). Пентози Sacch. cerevisiae не асимілюють. При відсутності гексоз джерелом вуглецю можуть бути також гліцерин, маніт, етиловий та інші спирти, органічні кислоти (молочна, оцтова, яблучна, лимонна).

Слід враховувати поліауксію - послідовність споживання різноманітних джерел вуглецю. При періодичному культивуванні в першу чергу споживаються глюкоза та фруктоза. Послідовність засвоювання жирних кислот залежить від раси дріжджів, що використовуються, та складу цих кислот. Наприклад, оцтова кислота перешкоджає споживанню молочної, а молочна - гліколевий. Оцтова кислота і глюкоза засвоюються одночасно. Як правило, в першу чергу засвоюється з суміші те джерело вуглецю, яке забезпечує найбільшу швидкість росту дріжджів.

При безперервному культивуванні дріжджів зі збільшенням швидкості розбавлення середовища в ньому залишається більше вуглецевого компоненту, який засвоюється останнім.

Дісахариди, з яких спиртові дріжджі використовують мальтозу та сахарозу, попередньо підпадають під вплив гідролізу відповідними ферментами дріжджів до моносахаридів. При переході від анаеробних умов до аеробних послаблюється можливість дріжджів зброджувати глюкозу та мальтозу, а сахарозна активність їх підвищується в 2,5 рази. Дріжджі споживають мальтозу тільки при відсутності в середовищі фруктози та глюкози. Мальтоза зброджується майже повністю під час стаціонарної фази росту дріжджів.

Органічні кислоти мають важливе значення при метаболізмі вуглецю, енергетичному обміні мікроорганізмів, синтетичних та дисиміляційних процесах. Використання кислот жирного ряду в якості джерела вуглецю залежить від виду та раси дріжджів, концентрації кислоти, довжини її вуглецевого ланцюга та ступеня електролітичної дисоціації. Непоганими субстратами служать кислоти з довжиною вуглецевого ланцюга від С₂ до С₄ при порівняно низькій концентрації. Калійні солі кислот, що містять у молекулі від 2 до 5 атомів вуглецю, стимулюють ріст дріжджів в 1,4 - 3,3 рази сильніше порівняно з відповідними кислотами.

Жирні кислоти з середньою довжиною вуглецевого ланцюга (від С₆ до С₁₀) в значно меншій мірі споживаються дріжджами і тільки в умовах дуже низької концентрації (0,02 - 0,05%). При більш високій концентрації розвиток дріжджів пригнічується. Жирні кислоти з 12 - 17 атомами вуглецю в молекулі засвоюються вибірково в залежності від роду та виду дріжджів.

Будь-який з проміжних продуктів циклу Кребса (піровиноградна, лимонна, янтарна, фумарола, яблучна кислоти) можуть бути єдиними джерелами вуглецю для життєдіяльності дріжджів.

Азотне харчування. Дріжджі мають можливість синтезувати всі амінокислоти, що входять до складу їх білка, безпосередньо з неорганічних азотистих сполук при використанні в якості джерела вуглецю органічних сполук - проміжні продукти розпаду вуглеводів, які утворюються при диханні та бродінні.

Дріжджі Saccharomyces сerevisiae засвоюють лишень дві форми азоту: аміачний та органічних речовин. Ці мікроорганізми ефективно використовують азот сульфату і фосфату амонію, мочевини, аміачних солей оцтової, молочної, яблучної та янтарної кислот. В присутності цукрів, що зброджуються. Аміачні солі є для дріжджів джерелом лише азоту; однак при використанні його звільнюються кислоти, що змінюють рН середовища. Аміачний азот використовується дріжджами краще, ніж азот багатьох амінокислот.

Амінокислоти - одночасно джерело азоту та вуглецю, при цьому останній засвоюється з кетокислот, що утворюються в результаті відщеплення аміногруп. Можлива і безпосередня асиміляція амінокислот з поживного середовища, яке містить їх повний набір та будь-який цукор, що зброджується. Як наслідок знижуються витрати цукру середовища на харчування дріжджів та дещо збільшується вихід спирту при бродінні.

Завдяки асиміляції амінокислот забезпечується синтез білка, в тому ж числі і ферментів, активуються деякі ферменти, що вже є в клітині, прискорюється процес брунькування дріжджових клітин.

Для споживання органічного азоту (амінокислот, амідов) багатьом дріжджам необхідні вітаміни (біотин, пантотеновая кислота, тіамін, пірідоксін та ін.). дріжджі не засвоюють такі азотисті сполуки, як білки, бетаїн, холін, пурини та аміни у вигляді етіламіна, пропіл- та бутіламіна. Пептиди займають середнє положення між амінокислотами та білками. Споживання дріжджами пептидів знижується з підвищенням їх складності. Деяка кількість пептидів в середовищі поряд з іншими формами азоту сприяють використанню амінокислот.

На утворення 10 млрд. дріжджових клітин витрати азоту в умовах анаеробіозу складають 66 - 77 мг, в умовах аеробіозу 37 -53 мг. Про умови культивування та фізіологічний стан дріжджів говорять по вмісту азоту в них, який залежить від складу середовища, кількості додатково вводимих поживних речовин та від раси дріжджів. В дріжджах, що отримують на спиртових заводах, загального азоту 7 - 10% (іноді до 12) на суху речовину.

Фосфорне харчування. В анаеробних умовах дріжджі засвоюють фосфор головним чином у початковому періоді бродіння - 80-90% від максимальної кількості в дріжджах. Молоді дріжджові клітини, що енергійно розмножуються багатші на фосфор у порівнянні зі старими, що не брунькуються. Наприклад, після 6 годин бродіння дріжджі містять 2,15% фосфору на суху речовину, до кінця бродіння - лише 1%.

Інші фактори. Швидкість росту дріжджів залежить від різниці осмотичного тиску в клітині та в суслі: чим вона більша, тим швидше розмножуються дріжджі. В наслідок цього більш активний фізіологічний стан дріжджів спостерігається при зброджуванні меляси за двох поточною схемою.

При обробці спиртових дріжджів ультразвуком в декілька разів підвищується активність інвертази, в деяких випадках стимулюється їх ріст.

Спирти, ефіри та слабкі розчини луг розчиняють липоїдниї речовини клітин дріжджів. спирти навіть у невеликих концентраціях (3 - 4%) гальмують брунькування дріжджів. однак в безперервному потоці середовища, що зброджується, дріжджі могуть розмножуватися при відносно високій концентрації спирту (7 - 8 об. %) та продовжувати зброджування цукрів до концентрації 10 - 12 об. %. розмноження дріжджів при безперервному зброджуванні залежить головним чином від вмісту поживних речовин та менше від кількості спирту в середовищі.

Формалін, кислоти та солі важких металів відносяться до плазматичних отрут. Невелика кількість формаліна (0,09%) порушує нормальну життєдіяльність дріжджів, а доза 0,001% гальмує їх брунькування. Зазвичай дози речовин, знижують бродильну енергію дріжджів, значно вище доз, затримуючих брунькування.

Сірчаниста, азотиста та фтористоводородна кислоти й їх солі в дуже малих концентраціях перешкоджають нормальному росту дріжджів.

Вільні органічні кислоти оказують більш інгібіруючу дію на дріжджі, ніж їх солі. Летючі органічні кислоти навіть в незначних концентраціях пригнічують їх розмноження та прискорюють їх відмирання. Найбільш сильні інгібітори - мелясна та капронова кислоти. Особливо чуттєві дріжджі до летючих органічних кислот при зниженні рН середовища до 4. в цих умовах через добу в дріжджовій популяції спостерігається велика кількість плазмолізованних клітин та бруньок.

Мурашина кислота знижує коефіцієнт розмноження дріжджів, не викликаючи при цьому відмирання клітин. Оцтова кислота - порівняно слабкий інгібітор.

Деякі важкі метали в дуже малих концентраціях вбивають дріжджові клітини (срібло - 0,000001%, мідь - 0,005%), а в концентраціях, що не піддаються визначенню хімічним аналізом, гальмують ріст дріжджів. Бактерицидна дія важких металів залежить від складу середовища, її кислотності, температури та густини дріжджової популяції.

В разі присутності фурфуролу в середовищі, що зброджується, зменшується кількість клітин, що брунькуються, та їх розмір. Навіть при незначному вмісті фурфуролу знижується мальтозна і зимазна активність дріжджів, що були виділені з мелясної бражки.

Сульфонал у невеликих концентраціях (70 - 100 г на 1 т меляси) не впливає на життєдіяльність дріжджів і пригнічує молочнокислу мікрофлору. Хлор, хлорне вапно, манганокислий калій, сильно окислюючи органічні сполуки, руйнують їх.

В бражках з підвищеним вмістом йонів Са, Мg, Fe у дріжджових клітин втрачається водна оболонка, через що зменшується йонна сфера й електричний заряд на поверхні клітин і створюються умови для аглютинації дріжджів.

Спиртові раси дріжджів мають негативний електрокінетичний потенціал: від -7 до -13 мВ, через що вони адсорбують на своїй поверхні меланоїдини з позитивним потенціалом. Зі зниженням рН середовища електрокінетичний потенціал меланоїдинів зростає, у зв'язку з чим збільшується ступінь адсорбції їх на дріжджових клітинах. Меланоїдини присвоюють дріжджам темний колір, сприяють відмиранню дріжджових клітин, і, як наслідок, приводять до зниження їх ферментативної активності, а саме активності інвертази та каталази.

Десорбція фарбуючи речовин з поверхні дріжджової клітини проходить інтенсивно при рН промивної води вище 9. При рН близько 3 фарбуючи речовини не десорбуються.

Багато ферментів дріжджів активуються в присутності сульфгідрильних сполук, що містять SH-групи, таких, як цистеїн, глютатіон. Ці сполуки легко перетворюються одне в друге, мають важливе значення в активуванні та шелюгуванні дії багатьох окислювально-відновлювальних і гідролітичних ферментів, що визначають життєдіяльність та обмінні процеси мікроорганізмів.

SH-групи грають важливу роль в ланцюгу окислювально-відновлювальних реакцій, і являються необхідною ланкою в передаванні електрона від сукцината до кисню повітря через цитохром. Активність багатьох дегідрогеназ, флавонових та пірідоксалевих ферментів пов'язана з наявністю в молекулі вільних SH-груп.

Відновлений глютатіон та цистеїн прискорюють спиртове зброджування внаслідок відновлення SH-групи толових ферментів, що беруть участь в анаеробному та аеробному окислюванні цукрів. Однак використання цих речовин дуже дорого коштує та економічно недоцільне; в якості їх аналогів може бути використаний дріжджовий автолізат.

2.3 Мікроорганізми - супутники дріжджів

При зброджуванні сула дріжджами необхідно захищати їх від сторонніх мікроорганізмів бактерій та диких дріжджів, що заносяться з сировиною, водою та повітрям. Потрапивши в дріжджові та бродильні апарати, вони можуть накопичуватися в значній кількості і навіть витісняти виробничу культуру дріжджів. Контамінуючи мікроорганізми споживають з сусла частину поживних речовин, тому вихід спирту знижується. Крім того вони утворюють органічні кислоти та інші продукти, що інактивують ферменти оцукрюючи матеріалів і знижують бродильну енергію дріжджів, в результаті чого в дозрілій бражці підвищується кількість незброджених цукрів та крохмалю. Хлібопекарські дріжджі, що були виділені з інфікованої мелясно - спиртової бражки, мають низку ферментативну активність та стійкість.

Молочнокислі бактерії. Молочнокислі бактерії бувають циліндричні чи паличковидні, а також сферичні чи кулевидні (кокки), грам позитивні, нерухомі, неспороутворюючі. Гетеро ферментні молочнокислі бактерії наряду з молочною кислотою утворюють летючі кислоти, спирт, діоксид вуглецю та водень.

Оптимальна температура для росту більшості молочнокислих бактерій 20 - 30 ⁰С. Термофільні види їх краще розвиваються при температурі 49 - 51 ⁰С. Молочнокислі, як і інші без спорові бактерії гинуть при 70 - 75 ⁰С.

Оцтовокислі бактерії. Оцтовокислі бактерії - грам негативні, палочковидні без спорові суворо аеробні організми, що розвиваються в тих самих умовах, що і дріжджі. Бактерії могуть окислювати етиловий спирт в оцтову кислоту. Деякі види бактерій могуть окислювати також глюкозу в глюконову кислоту, ксилолу та арабінозу - в ксилонову та араба нову кислоти. Етиловий спирт - головне джерело життєдіяльності оцтовокислих бактерій.

При накопиченні в суслі, що зброджується 0,01% оцтової кислоти, затримується, а при 0,2% пригнічується життєдіяльність дріжджів.

Маслянокислі бактерії. Маслянокислі бактерії - сурово анаероби, що мають рухомі великі спороутворюючі палички довжиною 10 мкм. Поряд з масляною кислотою вони можуть утворювати (в меншій кількості) оцтову, молочну, капронову, каприлову та інші кислоти, а також етиловий та бутило вий спирти. Збудники цього зброджування розвиваються головним чином у трубопроводах, насосах та інших прихованих місцях. Оптимальна температура для росту бактерій 30 - 40 ⁰С, при рН нижче 4,9 вони не розвиваються. Маслянокислі бактерії становлять велику загрозу для спиртового виробництва, тому що масляна кислота, яку вони виробляють, навіть в дуже малих концентраціях (0,0005%) пригнічує розвиток дріжджів.

Гнилісні бактерії. Гнилісні бактерії викликають розпад білкових речовин. В аеробних умовах відбувається повна мінералізація білку аж до діоксиду вуглецю, аміаку, сірководню, води та мінеральних солей. В анаеробних умовах накопичуються різноманітні органічні речовини з різким запахом та отрутні.

Дикі дріжджі. Ці дріжджі становлять значну загрозу для спиртового виробництва. Вони споживають багато цукру та утворюють малу кількість спирту. у великій кількості дикі дріжджі негативно впливають на хлібопекарські якості чистих культур дріжджів. Багато з них перетворюють цукор в органічні кислоти і окислюють спирт.

2.4 Природно чиста культура дріжджів

Для засівання сусла в бродильних апаратах використовують дріжджі природно чистої культури, які відрізняються від чистої культури тим, що їх вирощують в умовах обмеженого потрапляння сторонніх мікроорганізмів, розвиток яких пригнічують.

Температура росту сторонніх мікроорганізмів майже не відрізняється від оптимальної температури росту дріжджів та спиртового бродіння, тому бактеріостатичні умови для них створюють зниженням активної кислотності сусла до рН 3,8 - 4,0 за допомогою сірчаної чи молочної кислоти. Хоча ці умови менш сприятливі для розмноження дріжджів, ніж при рН 4,7 - 5,0, вони забезпечують отримання мікробіологічно достатньо чистих культур.

2.5 Розпад вуглеводів

Анаеробний розпад вуглеводів. Ферментативна дисиміляція вуглеводів в анаеробних умовах, що відбувається з виділенням енергії та приводить к утворенню продуктів неповного окислення, називається бродінням. В цьому процесі акцептором водню слугують органічні сполуки, які утворюються в реакціях окислення (наприклад, оцтовий альдегід при спиртовому бродінні); кисень у цих реакціях не бере участі.

Схема хімічних перетворень при спиртовому бродінні описується такими послідовностями:

- утворюються фосфорні етери цукрів. Під впливом ферменту гексокинази та аденілових кислот, що є донорами та акцепторами фосфорної кислоти, глюкоза перетворюється в глюкопіранозо-6-фосфат. Аденілові кислоти в дріжджах містяться у вигляді аденозинмонофосфату (АТФ), адинозиндифосфату (АДФ) та аденозинтрифосфату (АТФ). Гексокиназа каталізує перенос однієї фосфорної групи з АТФ на глюкозу. При цьому АДФ перетворюється в АДФ, а залишок фосфорної кислоти приєднується по місцю розташування шостого вуглецевого атома. Дія ферменту активується йонами мангану. Подібно до цього йде перетворення D-фруктози та D-манози. Глюкокіназна реакція визначає швидкість процесу бродіння.

- глюкозо-6-фосфат під дією ферменту глюкозофосфатизомерази підпадає під вплив ізомеризації - перетворенню в глюкозо-6-фосфат. Реакція зворотна та здвигнута у бік фруктозо-6-фосфату.

- фруктозо-6-фосфат під дією ферменту фосфофруктокинази приєднує по місцю першого вуглецевого атому другий залишок фосфорної кислоти за рахунок АТФ та перетворюється в фруктозо-1,6-дифосфат. Ця реакція практично не зворотна. Молекула цукру переходить до оксоформи та стає лабільною, що має можливість до подальшого перетворення, тому що послаблюється зв'язок між третім та четвертим атомами вуглецю.

- під дією ферменту альдолази (що активується йонами Со²⁺, Са²⁺, Zn²⁺) фруктозо-1,6-дифосфат розпадається на дві фосфотриози - 3-фосфогліцериновий альдегід та фосфодиоксіацетон. Ця реакція зворотня.

- між фосфотриозами відбувається реакція ізомеризації, що каталізується ферментом триозофосфатізомеразою. Рівновага встановлюється при 95% 3-фосфогліцеринового альдегіду та 5% фосфодіоксиацетону.

- в індукційний період, поки що в якості проміжного продукту не утворюється оцтовий альдегід, між двома молекулами 3-фосфогліцеринового альдегіду під впливом ферменту альдегідмутази при участі молекули води проходить реакція дисмутації. При цьому одна молекула фосфогліцеринового альдегіду відновлюється, та утворюється фосфогліцерин, друга окислюється в 3-фосфогліцеринову кислоту. Фосфогліцерин у подальших реакціях не бере участі та після відщеплення фосфорної кислоти являється побічним продуктом спиртового бродіння.

При встановленому процесі окислення 3-фосфогліцеринового альдегіду в 3-фосфогліцеринову кислоту проходить складним шляхом. Спочатку він перетворюється в 1,3-дифосфогліцериновий альдегід, приєднуючи залишок неорганічної фосфорної кислоти, після цього під дією ферменту триозофосфатдегідрогенази у присутності НАД (нікотинамідаденіндинуклеотиду) окислюється в 1,3-дифосфогліцеринову кислоту. НАД, коли вступає в реакцію зі специфічним білком, утворює анаеробну дегідрогеназу, яка має властивість віднімати водень безпосередньо від фосфогліцеринового альдегіду та інших органічних сполук.

- при участі ферменту фосфотрансферази залишок фосфорної кислоти, що містить макроенергетичний зв'язок, передається з 1,3-дифосфогліцеринової кислоти на АДФ з утворенням АТФ та 3-фосфогліцеринової кислоти. Енергія, що звільнюється при окисленні фосфогліцеринового альдегіду, резервирується в АТФ.

- під дією ферменту фосфогліцеромутази 3-фосфогліцеринова кислота ізоиерується в 2-фосфогліцеринову кислоту.

- в результаті віддавання води, що викликано перерозподілом внутрішньої енергії, 2-фосфогліцеринова кислота перетворюється у фосфоенолпіровіноградну кислоту, яка містить макроенергетичний зв'язок. Реакцію каталізує енолаза, що активується йонами Mn²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺.

Максимальна дія енолази виявляється в інтервалі рН 5,2 -5,5. При рН 4,2 молекули енолази агрегуються, при рН 3 - 4 денатурується не зворотно.

- під дією ферменту фосфотрансферази у присутності йонів К⁺ залишок фосфорної кислоти передається від фосфоенолпіровіноградної кислоти на АДФ, резервуя енергію в АТФ.

- енолпіровіноградна кислота, що утворилася, перетворюється у більш стабільну форму.

- під дією ферменту карбоксилази від піровіноградної кислоти відщеплюється діоксид вуглецю та утворюється оцтовий альдегід.

- фермент алкогольдегідрогеназа переносить водень з відновленого НАД^. Н₂ на оцтовий альдегід, в результаті чого утворюється етиловий спирт та регенерується НАД.

Загальна схема спиртового бродіння наведена на рисунку 2.2



Рисунок 2.2 - Біохімічна схема спиртового бродіння

Аеробний розпад вуглеводів.

В умовах аеробіозу розпад вуглеводів до утворення піровіноградної кислоти відбувається так само, як і при анаеробіозі, але на відміну від його піровіноградна кислота повністю окисляється до діоксиду вуглецю й води в циклі трикарбонових кислот ЦТК (циклі Кребса). У цьому циклі послідовно протікають окислювально-відновні реакції, у яких під дією специфічних дегідрогеназ відбувається переніс водню на молекулярний кисень (кінцевий його акцептор). Однак перенос здійснюється не безпосередньо, а через молекули переносники, що утворять так званий дихальний ланцюг.

Схема хімічних перетворень при аеробному розпаді представлена на рисунку 2.3

При катаболізмі глюкози утворяться дві молекули піровіноградної кислоти. Спочатку одна з них піддається реакціям окисного декарбоксилірування, у результаті яких утвориться ацетил-КоА (активована оцтова кислота):

СН_З - СООН + КоАSН + НАД = СН₃ - СО - КоAS + НАД - Н₂ + СO₂.



Рисунок 2.3. Цикл трикарбонових кислот:

1- цитратконденсуючий фермент; 2- аконітаза;

3 - ізоцитратдегідрогеназа; 4 - кетоглутаратдегідрогеназа;

5 - сукцинатілокіназа; 6 - сукцинатдегідрогеназа; 7 - фумараза;

8 - малатдегідогеназа.

Друга молекула піровіноградной кислоти під дією ферменту піруваткарбоксілази конденсується з молекулою діоксиду вуглецю з утворенням щавлево-оцетової кислоти:

СН_З - СООН + СО₂+ АТФ=НООС - СН₂ - СО - СООН + АДФ + Ф.

При сталому циклі щавлево-оцтова кислота утвориться з яблучної (малату).

Властиво ЦТК починається з конденсації ацетіл-КоА з молекулою щавлево-оцтової кислоти (оксалоацетату), каталізується ферментом цитратсинтазой. Продуктами реакції є лимонна кислота (цитрат) і вільний кофермент А.

За один оборот молекули пировиноградной кислоти приєднується 3 молекули Н₂О, виділяється 5 молекул Н₂ і утвориться 3 молекули О₂:

СН₃ - СО- СООН + 3Н₂О = 3О₂ +10Н⁺.

У ЦТК «спалюються» не тільки вуглеводи, але й жирні кислоти (після попередньої деградації до ацетіл-КоА), а також багато амінокислот (після видалення аміногрупи в реакціях дезамінування або переамінування).

У результаті аеробного й анаеробного розпаду вуглеводів дріжджам доставляється енергія, яка забезпечує процеси синтезу біомаси різними попередниками. Із щавлево-оцтової і б-кетоглутарової кислот у результаті відбудовного амінування і переамінування утворяться відповідно аспарагінова і глютамінова кислоти. Аспарагінова кислота може утворюватися також з фумарової кислоти. Синтез цих двох амінокислот - головне в синтезі білків з вуглеводів. При конденсації фосфодіоксіацетону з альдегідами можуть утворюватися пентози, гексози й різні полісахариди. Для синтезу біомаси дріжджі використовують і анаплеротичні шляхи, наприклад, пентозофосфатний шлях. Пентозофосфати - попередники нуклеотиїдів і нуклеїнових кислот.

Тому що при повнім окислюванні цукру енергії звільняється значно більше і утвориться достатня кількість реакцій метаболітів для синтетичних процесів, то зростає швидкість розмноження й збільшується біомаса дріжджів.

Розклад петоз.

Деградація молекул ксилози здійснюється за допомогою ксилози-5-фосфату. Схема біологічної трансформації кислоти наведено на рисунку 2.4.



Рисунок 2.4 - Розклад ксилози.

Ізомеризація пентоз веде до ксилоза-5-фосфату, розрив молекули якої дає ацетил - фосфат і глицеринальдегід-3- фосфат. Останній знову піддається гліколізу, що утворилася ж піровиноградна кислота відновлюється в молочну кислоту. Інший механізм забезпечує перехід глицеринальдегида-3-фосфату в гліцерин, оскільки відновлення можливо завдяки НАДH₂. Зі свого боку ацетилфосфат відновлюється в етиловий спирт. Це відновлення необхідно для забезпечення вторинного окислення НАД₂ у форму НАД.

Розкладання пентоз відбувається завжди з утворенням оцтової кислоти, яка утворюється з ацетальдегіду під дією ацетаткінази.

3. ТЕХНОЛОГІЧНА СХЕМА ВИРОБНИЦТВА БІОЕТАНОЛУ

3.1 Характеристика готового продукту

Згідно ДСТУ 7166:2010 Біоетанол. Технічні умови. Біоетанол - прозора рідина, безбарвна або жовтувата, без нерозчинних або зважених домішок і частинок. У таблиці 3.1 наведена характеристика готового продукту.

Таблиця 3.1 - Характеристика біоетанолу

Найменування показників	Норма
Густина при 200С, кг/м3	не більше 791
Масова частка основних компонентів, % не менше	99,84
Концентрація біоетанолу для підвищення октанового числа ,% мас	4,32
Октанове число змішування, дослідницький метод	117
Октанове число змішування, моторний метод	106
Масова частка води, % не більше	0,324
Кислотність (в перерахунку на оцтову кислоту), мг/дм3 (% мас), не більше	56 (0,007)
Показник активності водневих іонів, рН, в межах	6,5 - 9,0
Масова концентрація хлор-іонів, мг /дм3, не більше	32
Масова частка міді, мг / кг, не більше	0,1
Масова частка сірки,%, не більше	0,003
У разі надлишкового введення в паливо води більше, % мас	0,5

Можливе помутніння палива. Відвантаження здійснюється вагонами / цистернами. Якість продукції має відповідати вимогам ТУ У 15.9-30219014-010:2007 № 1, технологічному регламенту - № 00375280-001-2010 -Ввиробництва біоетанолу (антидетонаційної кисневмісної присадки до бензинів).

3.2 Характеристика допоміжних матеріалів

До допоміжних матеріалів основного виробництва можна віднести формалін, соляна кислота, гашене вапно, карбамід, діамонійфосфат, фосфорна кислота, ії харарктеристика наведена у таблиці 3.2.

Тобто фосфору, а нерідко це азоту, що знаходиться в мелясі недосить для нормальної життєдіяльності дріжджів, тому в неї добавляють в якості першого джерела ортофосфорну кислоту, а в якості другого джерела - сульфат амонію, карбамід чи діафоній фосфат, який містить ці елементи.

Для підкислення дріжджового сусла в виробництві спирту з меляси використовують сірчану або соляну кислоту.

В виробництві спирту для мийки обладнання та пригнічення сторонньої мікрофлори використовують миючі та антимікробні речовини.

Таблиця 3.2 - Допоміжні матеріали.

№	Найменування матеріалу	Стандарти чи технічні умови	Вміст основного компоненту	Класифікація
1.	Вода питна	ГОСТ 2874-82		Питна умовно чиста
2.	Кислота соляна	ГОСТ 1625-89Е		Технічна
3.	Формалін	ГОСТ 1625-89Е	СНОН - 37%	Технічний
4.	Хлорне вапно	ГОСТ 1692-85	Clакт -32-35%	Технічне
5.	Карбамід	ГОСТ 2081-92	N - 46.3%	Технічний
6.	Кислота ортофосфорна: - технічна - термічна	ГОСТ 6582-80 ГОСТ 10678-76Е	Н3РО4 - не менше 70%
7.	Діамонійфосфат	ГОСТ 8515-75	Р2О5 - не менше 50% NH3 - 22.5%	Технічний

3.3 Гідропневматична схема виробництва біоетанолу.

На рисунку 3.1 наведена гідропневматична схема виробництва бір етанолу з рослинної сировини, основним апаратом у технологічному процесі є ферментер у якому проходить зброджування, його схема наведена на рисунку 3.2.

Рисунок 3.1 - Гідропневматична схема виробництва біоетанолу: 1 - циклон; 2 - гідролізатом; 3 - рухливий шарнір. 4 - звороний клапан та штуцер; 5 - транспортер; 6 - змішувач; 7 - струменевий підігрівач; 9 - насос, 10 - теплообмінник; 11 - випарник; 12 - збірник; 13 - інвертор; 14 - клапан; 15 - фільтр; 16 - ємність для зберігання сульфатної кислоти; 17 -вагомір; 18 - нейтралізатор; 19 - відстійник;% 20 - вакуум-охолоджувальна установка; 21 - аератор; 22 - фільтр - прес; 23 - варильно-бродильний апарат; 24 - інокулятор; 25 - насос-сепаратор; 26 - конденсатор бражної колони; 27 - спиртоуловлювач; 28 - бражна колонна; 29 - брагорегулятор; 30 - збірник бражної колони; 31 - молекулярні сита.



Рисунок 3.2 - Бродильний апарат:

1 - кришка; 2 - корпус; 3 - сорочка; 4 - механічна мішалка; 5 - привід, 6 - двигун, 7 - люки для завантажування та вивантажування.

3.4 Опис технологічної схеми виробництва

При виробництві спирту з комбінованої рослинної сировини процесу зброджування передують стадії підготовки рослинного матеріалу та дріжджів

Гідроліз деревини комбінованої рослинної сировини розбавленою сірчаною кислотою. Під впливом кислоти і високої температури відбувається гідроліз полісахаридів сировини з утворенням моносахаридів за такою схемою:

(С₆Н₁₀О₅) n + n Н₂O = n(С₆Н₁₂О₆)

Гексозани Гексози

(С₅Н₈О₄) n + n Н₂О = n (С₅Н₁₀О₅).

Пентозами Пентози

Цей складний процес протікає в дійсності в кілька стадій і через проміжні продукти. Спочатку утворюються водорозчинні полісахариди, а потім найпростіші цукру - монози, які з більшою чи меншою швидкістю перетворюються на інші продукти. Пентози спочатку дегідратуються до відносно стійкого фурфуролу:

С₅Н₁₀О₅ = С₅Н₄О₂ + 3Н₂О,

а фурфурол в свою чергу розкладається до мурашиної кислоти і гумінових речовин. Пектинові речовини розщеплюються на галактуронову кислоту, метиловий спирт, оцтову кислоту, арабіноза і галактозу.

Гідроліз рослинних матеріалів розведеної сірчаної кислотою ведеться в гідролізних апаратах, що представляють собою сталеві вертикальні циліндричні резервуари з конічною верхньої та нижньої частинами, що закінчуються горловинами. Внутрішня поверхня апарату від нижньої до верхньої горловин захищена шаром кислототривкої футеровки. Зовнішня стінка апарату покрита теплоізоляцією.

Гідролізні апарати виготовляються робочим об'ємом 18, 30, 36, 50, 70 і 160 м³ і ставленням діаметра до висоти від 1:2,3 до 1:4,5.

Гідроліз рослинної сировини проводять перколяційні методом, при якому гаряча розбавлена сірчана кислота безперервно протікає через сировину. В апарат подають через верхню горловину подрібнену сировину. Концентровану сірчану кислоту змішують з попередньо підігрітою до 180-190 ° С водою. Вода повинна мати жорсткість не більше 0,7 мг-екв / л, більш жорстку воду пом'якшують. Співвідношення потоків концентрованої сірчаної кислоти і води регулюють відповідно до заданої концентрацією розведеної кислоти, що надходить в апарат. Масу рослинної сировини і рідини в апараті контролюють за допомогою вагоміра.

У випарниках отримують близько 10% конденсату від охолоджуваного гідролізату. Склад конденсату залежить від типу сировини і режиму його гідролізу. При переробці хвойної деревини в ньому міститься близько 0,3% фурфуролу, 0,1% метанолу і 0,12% оцтової кислоти. З конденсатів отримують чистий фурфурол.

Перколяційний гідролізат, що виходить з гідролізних апаратів, містить деяку кількість не повністю гідролізовані, розчинних у воді полісахаридів (олігосахаридів і декстринів 0,18-0,30%). Вони не засвоюються дріжджами, тому їх потрібно гідролізувати. Цей процес називають інверсією. Для здійснення інверсії гідролізат з випарників направляють в спеціальні апарати - інвертори (місткістю від 500 до 1000 м³), в яких його витримують при температурі близько 100^оС протягом 8 годин. При цьому близько 80% всіх декстринів гідролізуються до моносахаридів, кількість яких збільшується на 7 -8%.

В процесі інверсії з гідролізату виділяється осад затверділої смоли, а лігнін спливає на поверхню. Осад періодично видаляють з інвертора.

На деяких заводах інверсію проводять йод надлишковим тиском в випарниках низького тиску при температурі 130° С протягом 35 хв.

Підготовка гідролізату до зброджування. Для перетворення гідролізату в сусло, придатний для вирощування дріжджів і зброджування, необхідно нейтралізувати мінеральні і частково органічні кислоти, відокремити осад, охолодити середу до 30-37 ° С, видалити шкідливі леткі домішки, збагатити середу фосфор- і азотовмісних харчуванням.

Гарячий кислий гідролізат зі збірки після інверсії подають в нейтралізатор, куди з мірника надходять вапняне молоко і розчин живильних солей в потрібному співвідношенні. Кислотність суміші доводять аміачною водою до рН 5-6. Нейтралізатори мають об'єм 34, 40, 60 і 100 м³. Температуру середовища в нейтралізаторах підтримують на рівні не нижче 82^оС, так як при температурі нейтралізації 80°С утворюються кристали гіпсу, найбільш повільно розчиняються при наступному охолодженні. Якщо ж нейтралізацію і відділення осаду вести при низькій температурі, то в розчині буде міститися підвищена кількість гіпсу, який при перегонці бражки виділяється у вигляді кристалів, які порушують нормальну роботу контактних пристроїв брагоректифікаційних апаратах.

Нейтралізований і збагачений поживними солями гідролізат подають у відстійник, з якого освітлений гідролізат надходить до збірки нейтралізата, а осад направляють в збірник, де його промивають, відводячи шлам в каналізацію.

Гарячий нейтралізат зі збірки подають в безперервно діючу вакуум-охолоджувальну установку, де він охолоджується з 85-95 до 30-35 ° С. Утворені при цьому пари конденсуються в конденсаторах. Конденсат, що містить фурфурол, насосом перекачують в фурфурольних цех, де з нього виокремлюють товарний фурфурол. Охолоджений нейтралізат (сусло) надходить в бродильне відділення спиртового цеху.

Приготування промислових дріжджів. На початку виробничого сезону й при сильному інфікуванні дріжджі розмножують по методу чистому культури за схемою: пробірка - колба на 500 мл - сулію на 5 л - апарат чистої культури (АЧК) па 5 дав -дріжджанка. Дріжджанка являє собою циліндричну ємність із конічним днищем, постачену поверхнею охолодження й мішалкою.

Для розмноження засівних дріжджів у колбі, сулії й АЧК використовують стерильне сусло концентрацією відповідно 10, 14 і 16% по цукрометру. У кожній стадії дріжджі розмножуються протягом 20--24 год. при температурі 30°С. Отримані дріжджі використовують для подальшого розмноження в дріжджанках.

У ході виробництва засівні дріжджі відбирають від виробничих у кількості 10%. Очищення засівних дріжджів від сторонніх мікроорганізмів проводять підкисленням сірчаною кислотою до рН 2 (2,7--3,0)° і витримують протягом 30 -- 40 хв.

Виробничі дріжджі. Для культивування виробничих дріжджів спочатку готовлять дріжджове сусло, у яке вносять засівні дріжджі. Залежно від способу готування дріжджового сусла розрізняють сірчанокислі й молочнокислі дріжджі.

Для готування сірчанокислих дріжджів сусло концентрацією 17--18% по цукрометру подають із оцукрювача в дріжджанку, пастеризують при температурі 70° С у плин 20 хв., потім прохолоджують до 50° С и підкисляють сірчаною кислотою до титруємої кислотності 0,7--0,8°. Потім сусло розмішують і прохолоджують до 30° С, задають у нього засівне дріжджі в кількості 10% від об'єму дріжджового сусла, прохолоджують до температури складки 18-22°С і залишають на бродіння.

При оцукрюванні розвареної маси глибинною культурою цвілевих грибів у дріжджове сусло додатково вносять грибну культуру в кількості 3--4% по об'єму й оцукрюють його при температурі 58°С на протязі 2--3 години.

Якщо зброджування сусла здійснюють безперервним способом, то дріжджове сусло протягом 30 хв. пастеризують при температурі 80° С и після охолодження до 50° С підкисляють сірчаною кислотою.

Підкислення сусла молочною кислотою не робить шкідливого впливу на дріжджі, а висока температура розмноження молочнокислих бактерій не дозволяє розвиватися іншим бактеріям, шкідливим для виробництва. Тому що в молочнокислих бактерій немає суперечка, то сусло можна стерилізувати при температурі 75° С.

У суслі, підкисленому молочнокислими бактеріями, збільшується зміст розчинних азотистих речовин за рахунок пептонізації глобулярних білкових речовин, що сприятливо позначається на розмноженні дріжджів. На розмноження молочнокислих бактерій витрачається близько 0,8% цукру дріжджового сусла, або 0,04-0,05% цукрів, що втримуються в суслі спиртового виробництва. Незначна витрата цукру компенсується гарною якістю дріжджів, більш енергійно зброджуючих сусло. Розмноження виробничих дріжджів проводять періодичним або напівбезперервним способом; безперервний спосіб поки не застосовується. У якості виробничих можуть служити також і окремі дріжджі, приготовлені на відпрацьованій із бродильного апарата частини зброджуємого сусла в період головного шумування.

Періодичний спосіб починають із введення в дріжджове сусло при температурі 30°С засівних дріжджів у кількості 10% від об'єму сусла. Потім сусло прохолоджують до 18--22°С, спостерігаючи за тим, щоб температура не піднімалася вище 30°С. .Розмноження дріжджів ведуть до видимої концентрації сусла, рівної 1/3 від первісної; концентрація дріжджів при цьому становить 120-160 млн. в 1 мл. Наприкінці розмноження кліток, що брунькуються, повинне бути не більше 2-3%, а мертвих - не більше 1%. Від готових виробничих дріжджів відбирають 10% засівних дріжджів для наступного циклу, а основну їхню масу подають у бродильний апарат. Тривалість розмноження виробничих дріжджів 18-20 годин.

Іноді необхідно затримати передачу виробничих дріжджів у бродильні апарати. У цьому випадку варто заздалегідь знизити температуру бродіння або здійснити підмолодку виробничих дріжджів, тобто додати до них сусло спиртового виробництва, щоб підвищити концентрацію на 1-2% і відновити розмноження дріжджів. Якщо виробничі дріжджі перебродять, то в них збільшується зміст мертвих клітин, вони гірше зброджують сусло.

Зброджування. Зброджування оцукреної маси (сусла) починається з моменту введення в неї виробничих дріжджів; Під дією ферментів дріжджів йде розщеплення мальтози до глюкози, яка потім зброджується на спирт і діоксид вуглецю - основних продуктів бродіння. Поряд із утворюються вторинні та побічні продукти бродіння: вищі спирти, кислоти та ефіри. У міру зброджування моно - і дисахаридів під дією амілолітичних ферментів відбувається дооцукрування декстринів і крохмалю, що містяться в суслі. Від швидкості цього процесу залежить тривалість бродіння.

У процесі бродіння сусла можна виділити три періоди: збродування, головне бродіння і доброджування. У першому періоді відбувається інтенсивне розмноження дріжджів і зброджування цукрів. Другий період характеризується енергійним зброджуванням цукрів і супроводжується бурхливим виділенням діоксиду вуглецю. У третьому періоді йде повільне доброджування цукрів, що утворюються в результаті дооцукрювання декстринів сусла.

Процес бродіння проводять в закритих бродильних апаратах для запобігання втрат спирту і виділення діоксиду вуглецю у виробниче приміщення. Герметично закритий бродильний апарат являє собою вертикальний циліндр з сферичним або конічним днищем, всередині нього встановлений змійовик для охолодження бродячого сусла.

Бродіння сусла проводять періодичним, циклічним і нбузперервнопоточним способами. Найбільш досконалим і ефективним є непреривнопоточний метод, здійснюваний па установці, що складається з двох дріжджанок, збуроджувачах і 8 - 12 бродильних апаратів, послідовно з'єднаних перетічними трубами.

Коли вміст сухої речовини досягне 5 - 6%, масу подають в перший головний бродильний апарат, в який одночасно подається охолоджене сусло. При заповненні першого головного бродильного апарату зброджуєме сусло на нього перетікає, у другій головний апарат, з нього - в третій і т.д. Тривалість бродіння становить 60 годин. З останньої, апарату зріла бражка подається на перегонку. При бродінні в апаратах підтримується певна температура: у першому - 26 - 27 ° С, у другому - 27, в третьому - 29 - 30, у наступних - 27 28 ° С.

Виділяється при бродінні діоксид вуглецю разом з парами спирту з бродильних апаратів надходить у спеціальні пастки, і яких відбувається розчинення спирту і відділення діоксиду вуглецю. Водно-спиртова рідина з пастки надсилається разом з бражкою на перегонку, а діоксид вуглецю - в спеціальний цех для отримання сухого льоду або рідкого діоксиду вуглецю.

Зріла бражка повинна відповідати встановленим нормам. Міцність бражки (вміст етилового спирту в об'ємних відсотках) повинна знаходитися в межах 8,0 - 9,5 об.%: Вміст незброджених цукрів не повинно перевищувати 0,4 - 0,5%; кислотність зрілої бражки не повинна перевищувати 0,5 - 0,6 град.

Зріла бражка відцентровим насосом подається в додатковий підігрівач, в якому підігрівається на 10-12 ⁰С. потім бражка подається в бражний підігрівач, в якому підігрівається до температури 80-90 ⁰С теплом водно-спиртових парів з бражної колони.

Підігріта бражка подається в сепаратор СО₂ для видалення з неї вуглекислоти. Гази з сепаратора відводяться в конденсатор, а потім у спиртоуловлювач. Неконденсовані пари відводяться через зрошувальний вловлювач в атмосферу.

Сепарована бражка поступає на живильну тарілку бражної колони. Бражка виварюється від алкоголю і через гідрозатвор барда виводиться в збірник барди.

Бражна колона може обігріватися як безпосередньо введенням пари з колектора на барботер у виварній камері колони, так і при допомозі кип'ятильників. В останньому випадку гріючий пар підводиться в його між трубний простір, конденсат граючої пари відводиться в збірник.

В нижню частину кип'ятильника підводиться барда. В трубах кип'ятильника проходить кип'ятіння барди, утворена з неї пара вводиться у виварну камеру колони.

Неконденсовані пари в підігрівачах конденсуються в конденсаторі. Конденсат також направляється на тарілку елюраційної колони. На виварних тарілках елюрується бражний дистилят водно-спиртовими парами, що підіймаються з кип'ятильника і виварної камери. Головні домішки підіймаються в концентраційну камеру колони.

Концентрування отриманого етилового спирту проводять на молекулярних ситах

3.5 Удосконалення технології виробництва біоетанолу

У дипломному проекті запропоновано удосконалити технологію виробництва наступним способом. Целюлозний матеріал підлягає кислотному гідролізу 1,0-3,0%-ної сірчаної кислотою при 100-120 ^o С протягом 2-4 год, після чого отримують гідролізат з високим вмістом пентозних цукрів 86% , з яких 57% складає ксилоза. Сусло нейтралізують вапном і аміаком до рН 4,5., додають сульфат амонію та суперфосфатну витяжку з метою досягнення оптимальної концентрації у суслі 200-300 мг/л азоту та 100-150 мг/л фосфору.

...