Производство этилового спирта марки «Экстра» из крахмалистого сырья

Масса, выходящая из выдерживателя, должна быть равномерно разваренной, цвет массы темно-желтый со светло-коричневым оттенком.

Водно-тепловую обработку непрерывным способом проводят в аппаратах, рассчитанных на мягкий режим разваривания (давление пара до 0,4-0,5 МПа, температура 135-140°С), именно эта схема внедрена на Талицком спиртовом заводе, в трубчатых аппаратах скоростного разваривания (давление 0,8-1,0 МПа, температура 165-175°С). Наиболее современной и эффективной является внедряемая в настоящее время на многих предприятиях спиртовой промышленности схема низкотемпературного разваривания зерна. (Температура не более 100°С).

По схеме с умягченным режимом варки замес готовится , нагревается и выдерживается в смесителе-предразварнике. Длительность пребывания замеса в смесителе 5-6 мин. Соотношение зерно-вода 1:3. Для дозирования воды в смеситель при постоянной подаче зерна ставятся ротаметры. Температура замеса за счет подачи теплой воды поддерживается на уровне 40-45°С. В предразварнике замес выдерживается 6-7 минут и нагревается вторичным паром до температуры 60-85°С. Нагретый замес насосом перекачивается варочный аппарат, предварительно нагреваясь острым паром в контактной головке до температуры разваривания. Разваривание протекает в 2 ступени – собственно разваривание в колонне первой ступени и доваривание во второй колонне.

Скоростное разваривание осуществляется по типовой схеме, состоящей из смесителя, трубчатого подогревателя, контактора, прямоточного диафрагмированного трубчатого разварника и паросепаратора. Погретый замес прокачивается через подогреватель «труба в трубе», где вторичным паром нагревается до 85-90°С, и контактор, в котором окончательно нагревается острым паром до температуры разваривания – 165-170°С. Разваренная масса выдувается в выдерживатель-паросепаратор, где отделяется вторичный пар, а масса выдерживается 25 мин при температуре 104-108°С [2,3,4].

По аппаратурно-техническому оформлению низкотемпературное разваривание практически не отличается от представленное выше схемы варки в умягченном режиме.  Характерной чертой низкотемпературного разваривания является использование комплексных препаратов, например Дестамил®, обладающих свойствами деструктуратора молекул крахмала, способствует снижению эффективной температуры клейстеризации кукурузного, ржаного, пшеничного и картофельного крахмала и, тем самым, приводит к снижению температуры разваривания водно-зерновых замесов. Дестамил®, способствуя диффузии белковых молекул ферментов в пространственно-затрудненные клейстерные агрегаты крахмала, приводит к увеличению скорости и глубины осахаривания и ожижения низкотермически обработанного замеса.

Еще одной характерной особенностью является использование установок типа «s-эмульгатор», представляющих собой роторно-пульсационные аппараты. «S-эмульгатор» позволяет произвести очень эффективное диспергирование и значительно повысить экстракцию углеводов в раствор.  Внедрение низкотемпературного разваривания является одним из технологических улучшенией предлагаемых мной в данной работе [5].

1.3.3 Осахаривание крахмала. Ферментные препараты.

Традиционным источником ферментов при производстве спирта служил солод, образующийся в проросшем зерне. Однако при применении солода, из-за невозможности создания достаточно высокой концентрации ферментов, скорость осахаривания и протеолиза сырья остается низкой, что затрудняет интенсификацию процесса брожения. Другим недостатком использования солода является трудоемкость его получения, что делает его применение неэкономичным.

В настоящее время в мире все более быстрыми темпами развивается ферментная промышленность, продуктами которой являются ферменты микробного происхождения самого широкого спектра действия. Замена солода ферментами позволила значительно интенсифицировать и в то же время упростить производство спирта [6].

Первые исследования по производству и применению ферментов микробного происхождения в спиртовой промышленности для замены солодовых ферментов проводились с поверхностной культурой плесневых грибов и с глубинной культурой микромицетов. Эти исследования показали, что плесневые грибы синтезируют ферменты с более высоким уровнем ферментативных активностей, чем солод, и полученные ферменты впервые начали внедрять в производство. Разработку способов выращивания плесневых грибов с целью замены солода проводили в двух направлениях: при поверхностном и глубинном культивировании [7].

Временем ускоренного развития производства ферментных препаратов в СССР можно считать 60-е годы ХХ века. Однако в настоящее время Россия значительно отстает по общему выпуску ферментных препаратов от таких стран как Япония, Франция, Дания, США, на долю которых приходится основной объем промышленного производства микробных ферментов.

Ферментные препараты микробного происхождения получают из плесневых грибов, бактерий, актиномицетов и дрожжей. Наиболее часто используют микроскопические грибы, но в последнее время все более перспективными стали считать и бактерии.

Ферментные препараты, обычно применяемые в спиртовой промышленности, представляют собой либо, так называемые, нативные (неочищенные) высушенные культуры микроорганизмов, либо неочищенные концентрированные препараты. Возможность применения неочищенных препаратов объясняется тем, что в конечный продукт – спирт – все взвешенные высокомолекулярные и нелетучие примеси, имеющиеся в культурах микроорганизмов, не попадают.

Ферментные препараты, которые применяются в спиртовом производстве в неочищенном виде, очень часто являются комплексными, т.е. содержат в своем составе больше одного фермента [8, 9].

Все ферментные препараты, предназначенные для спиртовой промышленности, можно условно разделить на три основные группы по специфичности их воздействия на различные высокомолекулярные полимеры зернового сырья.

Первую группу представляют ферментные препараты амилолитического действия, способствующие гидролизу крахмала. Ко второй группе относятся ферменты протеолитического действия, гидролизующие белковые полимеры зерна. Третью группу ферментных препаратов составляют ферменты целлюлолитического действия, гидролизующие некрахмалистые полисахариды зернового сырья [10].

Главным критерием оценки любого амилолитического препарата, рекомендуемого для применения в технологии спиртового производства, служит способность комплекса быстро и полно гидролизовать крахмал до сбраживаемых углеводов.

Важная роль в этом процессе отводится таким основным амилолитическим ферментам, как α-амилаза и глюкоамилаза.

α-амилаза обладает способностью гидролизовать α-1,4-глюкозидные связи в молекуле крахмала без определенной последовательности, образуя большое количество декстринов.

Глюкоамилаза способна катализировать гидролиз как альфа-1,4 так и альфа 1,6-глюкановых связей, отщепляя остатки глюкозы (нередуцирующих концов цепей).

Бактериальная α-амилаза, образующая при гидролизе крахмала декстрины с различной степенью полимеризации. Источниками бактериальной альфаамилазы являются такие ферментные препараты, как Амилосубтилин, БАН, Ликвамил и др., с оптимумом действия при температуре 60-70 С° и рН 5,5-7,0, синтезируемые Bacillus subtilis. Наиболее интересными и перспективными ферментными препаратами последнего времени являются препараты термостабильной α-амилазы: Амилолихитерм, Термамил, Зимаджунт и др., получаемые глубинным культивированием бактерий Bacillus lichenifomis. Оптимальная температура действия этих ферментов 85-95 С°, оптимум рН 6,0-7,0.

Грибная альфаамилаза, обладающая эндоамилазной способностью к гидролизу крахмала с образованием растворимых декстринов, олигосахаридов и мальтозы, с оптимумом действия 45-55 С° и рН 4,8-5,5. Источники: Амилоризин, Амилопротооризин, Фунгамил, Диазим и др. – продуцент Asprgillus oryzae.

Глюкоамилаза, предназначенная для осахаривания частично расщепленных полимеров крахмала с образованием глюкозы. Источники: Глюкаваморин, САН Супер и Сан Ультра, Глюкозим, Конверзим и др. – продуценты: Aspergillus awamori или A.niger.

Пуллуназа, способная гидролизовать внутренние связи в амилопектине и предельных декстринах с образованием мальтоолигосахаридов [8, 9].

На активность ферментов в биохимических процессах влияют температура, рН среды, концентрация ферментов и субстрата, а также наличие активаторов и ингибиторов.

К активаторам ферментов относятся ионы некоторых металлов. Их действие заключается в том, что они входят в состав простетической группы, облегчают образование ферментно-субстратного комплекса, способствует присоединению кофермента к апоферменту. Известны работы по активации ферментов с помощью дикарбоновых кислот.

Все α-амилазы инактивируются ионами металлов – ртути, меди, серебра – и ионами галойдов – хлора, брома, фтора и йода [10].

1.3.4 Производственные дрожжи.

Для сбраживания крахмалсодержащего сырья в спиртовом производстве до сих пор широко применяют дрожжи Saccharomyces cerevisiae р.XII, а также расы М, которые были выделены в Германии в 1902-1905 гг.

Основными промышленными культурами являются Saccharomyces cerevisiae расы: XII, Y-717, K-81, 660, 86, 985 [3].

Перед пуском завода дрожжи готовят из чистой культуры, которая поставляется в пробирках, закрытых ватной пробкой и залитых сургучом.

Разведение чистой культуры дрожжей осуществляется путем их последовательного пересева с доведением объема среды до объема производственной дрожжанки.

Чаще всего готовятся сернокислые производственные дрожжи, значительно реже – молочнокислые.

Приготовление сернокислых производственных дрожжей осуществляется периодическим или полунепрерывным способом.

При периодическом способе сусло отбирается в дрожжанку из осахаривателя. Отобранное сусло имеет концентрацию 16-18% по сахарометру, пастеризуется при 70°С в течении 20 мин, охлаждается до 50°С и подкисляется серной кислотой до 0,7 - 0,8°. В это сусло после перемешивания и охлаждения до 30°С задают засевные дрожжи (10% от объема сусла), охлаждают до температуры складки (18-22°С) и оставляют на брожение. При концентрации сахара, составляющей 1/3 от первоначальной концентрации в сусле, дрожжи считаются зрелыми. Часть из них отбирается для следующего дрожжевого отъема, остальное количество передается в бродильные чаны. Именно эта схема реализована на Талицком спиртовом заводе [2].

При полунепрерывной схеме, сернокислые дрожжи готовят периодическим способом, а затем зрелые дрожжи в количестве 25-30% передают в предварительно продезинфицированную дрожжанку и при перемешивании доливают охлажденным стерилизованным суслом, после чего подкисляют серной кислотой до 0,7 - 0,8°. Зрелые дрожжи с концентрацией сбраживаемых веществ 4,0-4,5% по сахарометру, сливают в бродильный чан. Освободившуюся дрожжанку промывают, стерилизуют. Содержимое другой разливают на две и доливают охлажденным стерилизованным суслом. После созревания дрожжей операцию повторяют[2].

Наиболее перспективными можно считать штаммы 985Т и 987О, они позволяют сбраживать высококонцентрированное зерновое сусло с получением спирта в бражках 14-15 % объемных. Раса 985Т проявляет высокую кислото- и термоустойчивость, а также конкурентоспособность к посторонней микрофлоре. Также использование данных рас позитивно сказывается на качестве целевого продукта – суммарная концентрация основных примесей снижается практически в 1,5 раза по сравнению с XII расой [11].

В последние годы в спиртовой промышленности были испытаны некоторые новые расы дрожжей:

- Г-660, гибридная раса, выделенная  путем половой гибридизации S.cerevisiae и S.pombe, обладающая повышенной декстринолитической активностью;

- ВПУ-408, полученная методом автоселекции при росте дрожжей рXII в условиях повышенных температур;

- термотолерантные расы K-81 и XII T;

- гибридные расы дрожжей Y-717, 985 .

Эти расы спиртовых дрожжей обладали термотолерантными свойствами, но не отличались достаточной устойчивостью к полученным признакам, особенно при длительном культивировании их в производственных условиях. Кроме того, при хранении дрожжей установлено, что некоторые из них склонны к реверсии, диссоциируют и при рассевах дают колонии, обладающие различными физиологическими свойствами [12, 13].

Хорошо известно, что одним из важных факторов, определяющих эффективность спиртового производства, является физиологическая активность дрожжевых клеток. Плотность дрожжевой популяции, бродильная активность и продуктивность дрожжей оказывают существенное влияние на стабильное протекание процесса брожения, скорость сбраживания крахмалсодержащего сырья и выход целевого продукта. Однако в процессе жизнедеятельности дрожжей, их внутрипопуляционного регулирования роста возникают не зависящие для микроорганизмов факторы, негативно влияющие на физиологическое состояние дрожжевых клеток. К таким факторам можно отнести повышение температуры в процессах дрожжегенерации и спиртового брожения, которое негативно сказывается на развитии дрожжевых клеток и их жизнедеятельности, что приводит к замедлению брожения, неполному сбраживанию и снижению техноэкономических показателей производства. Кроме того, в результате создаваемых извне или возникающих в процессе жизнедеятельности дрожжей условий субстратного лимитирования, ингибирования продуктами метаболизма и другими физико-химическими показателями среды (температура, рН) происходят необратимые процессы, негативно сказывающиеся на качестве дрожжевых клеток. Продолжительная генерация промышленных рас дрожжей также ведет к ослаблению культур и утрате их технологических возможностей. Селекция и отбор физиологически активных клонов спиртовых дрожжей, технологически устойчивых к неблагоприятным факторам, обладающих повышенной продуктивностью, осмофильностью и термотолерантностью, позволяет значительно повысить эффективность спиртового производства [3, 10].