Основные стадии производства этилового спирта

Этиловый спирт является одним из важнейших технических продуктов и видов сырья. Он используется во многих отраслях промышленности: химической,

электротехнической, парфюмерной, фармацевтической и др. Более 150 различных производств используют спирт как сырье или как вспомогательный материал [1].

Подготовка сырья

Все виды зерна, поступающего в производство, очищают от пыли, земли, камней, металлических и других примесей при помощи воздушно-ситовых и магнитных сепараторов и триеров. Зерно, предназначенное для приготовления солода, освобождают также от щуплых зерен, половинок и семян сорных растений. В очищенном зерне содержание примесей не должно превышать 1 % [1].

Измельчение зерна

Измельчение зерна осуществляется сухим или влажным способом [96]. При влажном помоле зерно, погруженное в воду обрабатывают SO2 при 52 °C в течение 20 40 ч [96].

В нашей стране применяется только сухой помол. Измельчение проводят на специальных установках, оборудованных дезинтегратором и сепарирующим устройством, молотковых дробилках или вальцовых станках [1].

Измельченное зерно поступает в смеситель, в котором смешивают измельченную массу с водой при соотношении 1 кг зерна на 2,5-3,5 л воды; после чего зерновой замес подогревают и направляют в аппараты для разваривания [1].

Гидротермическая обработка

Основная цель водно-тепловой обработки сырья - это разрушение клеточной структуры зерна и подготовка крахмала к осахариванию амилолитическими ферментами солода или микроорганизмов. Осахаривание наиболее полно и быстро происходит тогда, когда крахмал доступен для действия ферментов (не защищен клеточными стенками), оклейстеризован и растворен. Растворения крахмала можно достичь следующими способами: развариванием - тепловой обработкой цельного сырья при повышенном давлении; сверхтонким механическим измельчением сырья на специальных машинах; механическим измельчением сырья до определенных размеров частиц и последующим развариванием под давлением или без давления (комбинированный способ) [1].

При тепловой обработке происходят сложные структурно-механические, физико-химические изменения сырья. При нагревании с водой белки набухают и денатурируют, крахмал клейстеризуется и переходит в коллоидный раствор. Набухание и клейстеризация обусловлены поглощением воды высокомолекулярными соединениями. В зависимости от происхождения клейстеризация крахмала начинается в диапазоне температур 55-65 °C и сопровождается увеличением вязкости среды. С постепенным возрастанием температуры клейстеризованный крахмал разрушается, и вязкость среды резко снижается. Химические изменения, происходящие при разваривании, связаны с увеличением содержания сахаров и декстринов в связи с частичным кислотным и ферментативным гидролизом крахмала, с образованием пептидов и аминокислот при гидролитическом расщеплении белков, а также с дегидратацией гексоз и пентоз до фурфуролсодержащих веществ [1]. Пектиновые вещества при разваривании гидролизуются с образованием метанола [1, 28]. Данный процесс протекает тем интенсивнее, чем выше температура и жестче режим разваривания [1].

Меланоидинообразование - второй по значимости после дегидратации процесс, приводящий к снижению содержания сбраживаемых углеводов [1, 28]. Это взаимодействие низкомолекулярных углеводов и аминокислот наиболее интенсивно протекает при нагревании [29]. Меланоидины отрицательно влияют на жизнедеятельность дрожжей, подавляют активность их ферментов инвертазы и каталазы. Благодаря наличию положительного электрокинетического С,-потенциала меланоидины адсорбируются на поверхности дрожжевых клеток, имеющих отрицательный ^-потенциал, затрудняя тем самым поступление в них питательных веществ [45]. С понижением pH среды степень адсорбции меланоидинов возрастает [1, 45].

Суммарные потери сбраживаемых веществ (в том числе от неполноты растворения крахмала) в ходе разваривания составляют от 2,5 до 4 % [1].

В последнее время на стадии приготовления замеса для более полного и глубокого гидролиза крахмала и снижения вязкости среды применяют а-амилазу, ксиланазу, [3-глюканазу и целлюлазу. Таким образом, облегчается доступ к крахмалу осахаривающих ферментов [1].

При периодическом способе водно-тепловой обработки зерно разваривают в целом виде, при непрерывных схемах сырье предварительно измельчают. Степень дробления влияет на температуру и продолжительность разваривания [97].

На спиртовых заводах страны применяют в основном непрерывные способы разваривания измельченного крахмалистого сырья под повышенным давлением в аппаратах колонного и трубчатого типов. Широко распространен способ механико-ферментативной обработки крахмалистого сырья, предусматривающий совмещение водно-тепловой и ферментативной обработки измельченного сырья в непрерывном процессе при температуре не выше 100 °C в горизонтальных и вертикальных цилиндрических аппаратах с мешалками [1].

С технологической точки зрения основными недостатками способа обработки зерна под давлением являются высокая температура разваривания, длительность процесса сбраживания, высокие тепло- и энергозатраты на нагрев зернового замеса [98]; кроме того, эксплуатация варочных аппаратов, работающих под давлением, требует высокой квалификации рабочих и особого внимания с точки зрения техники безопасности [99]. Решающим отрицательным фактором служит низкий выход спирта, который обусловливается потерями сбраживаемых сахаров за счет протекания на стадии разваривания высокотемпературных процессов с образованием продуктов оксиметифурфурольного разложения и меланоидинов [100]. Кроме низкого выхода этиловый спирт, полученный по данной технологии, характеризуется плохим качеством из-за наличия большого количества примесей (альдегиды и т.д.). Они образуются в результате химических превращений веществ сырья под влиянием высокой температуры [98].

В основу технологии низкотемпературного разваривания положен метод гидроферментативного растворения веществ зерна, где технологический фактор растворения этих веществ -не температура обработки сырья, при которой протекают процессы термогидратации и термогидролиза крахмала, а фактор времени протекания ферментативных и гидродинамических процессов [2]. В результате внедрения такого способа уменьшаются расход пара на разваривание (на 40 %) и потери сбраживаемых веществ при снижении температуры разваривания до 100 °C. Данный технологический процесс успешно осуществляется при степени измельчения зерна, характеризуемой проходом через сито с отверстиями диаметром 1 мм, не менее 75-85 %. Остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм не должен превышать 0,2 % [1].

Практика работы многих спиртовых заводов показывает, что снижение температуры тепловой обработки зернового замеса ниже 100 °C (использование гидродинамической обработки зернового замеса) приводит к повышению вкусовых и ароматических свойств спирта. В этом случае в 1,5-2 раза уменьшается содержание в нем метилового спирта и других примесей [12]. Так, исследования, проведенные на ГУП «Тюрнясевский спиртовой завод», показали, что по мере снижения температуры разваривания сырья в ряду 145, 135, 110 и 70 °C происходит уменьшение количества микропримесей в спирте, причем наименьшее их число обнаружено в конечном продукте процесса, проведенного при 70 °C [2].

Однако у способа низкотемпературного разваривания имеется и ряд существенных недостатков:

  • • повышенный расход дорогостоящих ферментных препаратов;
  • • низкие значения выхода спирта с 1 т условного крахмала при переработке ржи, наличие в составе которой большого количества слизей и пентозанов приводит к образованию высоковязких заторов и сусла, с трудом подвергающихся гидроферментативной обработке и сбраживанию [2].

Низкий выход спирта (не превышающий 65,5 дал с 1 т условного крахмала сырья) связан с наличием больших количеств несброженных сахаров в зрелой бражке, что в свою очередь обусловлено недораствореиием крахмала в режиме тепловой гидроферментативной обработки из-за высокой вязкости перерабатываемых водно-зерновых масс [101].

Устранение этих недостатков является одной из основных задач, стоящих перед спиртовой промышленностью. В настоящее время наметилось несколько перспективных направлений усовершенствования данной технологии. Это создание новых, более эффективных и устойчивых ферментных препаратов [102, 103]; сочетание ферментативной обработки сырья с механической (использование роторно-пульсационных аппаратов [2] и вибро-кавитационных мельниц [104-106]), которые обеспечивают получение сверхтонкого помола сырья [107]; применение хелатирующих агентов (солей полифосфорных кислот), которые интенсифицируют процессы гидратации и набухания крахмальных гранул и ускоряют тем самым их клейстеризацию [108]; электрофизическая обработка сырья [60, 61, 99, 109].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >