Производство этилового спирта марки «Экстра» из крахмалистого сырья

 

 

Для использования современных технологий обработки зерна дисперсность частиц после помола не должна превышать 1 мм. В последнее время все большее значение придается не только тонине, но и равномерности помола.

Для сокращения технологических потерь и снижения теплоэнергозатрат необходимо получение помола с высокой степенью дисперсности и однородности. Это особенно важно, для снижения гидромодуля замеса, т.е. соотношения зерна и воды, определяющего объем продуктового потока, концентрацию полупродуктов, включая содержание спирта в зрелой бражке, и технологические затраты как по стадиям, так и по процессу производства в целом [8, 10] .

 Таблица 1.3

Влияние гидромодуля замеса на показатели спиртового производства

 

Гидромодуль	1:2	1:2,5	1:3	1:3,5	1:4
Концентрация осахаренного  сусла, %	26,0	23,0	20,0	17,5	16,0
Содержание спирта в зрелой бражке, %	12,5	11,0	9,5	8,0	7,0
Количество барды, %	62	67	72	88	100
Технологические затраты, %	74	82	87	92	100
Выход спирта, %	92,9	91,2	91,0	88,3	86,7

 

Как видно из таблицы 1.3, снижение гидромодуля замеса позволяет одновременно уменьшить выход барды, сократить технологические затраты на нагрев, охлаждение, перекачку полупродуктов, включая отгонку спирта из зрелой бражки.

Однако, при снижении гидромодуля замеса из-за повышенных концентраций и клейстеризации крахмала происходит увеличение вязкости и снижение текучести, особенно в области температур 70-80°С.  Фактически это является лимитирующим фактором реализации технологии переработки зерна в режиме повышенных концентраций.  Для его устранения, помимо высокой дисперсности и однородности помола необходимо применение специальных разжижающих ферментных препаратов нового поколения [8].

 

1.4.2 Брожение.

Сусло, полученное после гидролиза и осахаривания сырья, содержащего полисахариды в производстве спирта, подлежит брожению. Блок брожения является главным блоком в системе производства спирта.

Все параметры стадии брожения в производстве спирта связаны с деятельностью живых организмов – дрожжей. Образование спирта при жизнедеятельности дрожжей сопровождается целым рядом сложных биохимических процессов.

Брожение – это процесс, необходимый для живого организма, как процесс получения энергии. Энергия высвобождается из углеводов в процессе их диссимиляции путем сложных превращений.

Наиболее типичными организмами, чаще всего используемыми для осуществления спиртового брожения являются дрожжи рода Saccharomyces.

Характерные признаки перечисленной культуры:

• способность сбраживать моносахара, дисахара и некоторые полисахариды (крахмал), но в случае дисахаров и крахмала необходим гидролиз этих соединений до моносхаров;
• потребность в дополнительном азотном питании (азот в восстановленной или окисленной форме), фосфор, калий, магний и кальций, микроэлементы (железо, цинк, молибден);
• протекание процесса брожения как правило при температуре 28-30°С

 

Известно несколько способов культивирования дрожжей:

• периодический;
• проточный или непрерывный;
• рециклирование клеток (эффективно при снижении концентрации сахара с 16 до 13%);
• проточная система с иммобилизованными клетками дрожжей;
• вакуумферментация (эффективна при переработке дефектного сырья);
• флеш-ферментация, т.е. частичное удаление этанола с возвратом частично истощенной бражки на ферментацию [3, 13].

 

Наиболее распространен в спиртовом производстве периодический процесс сбраживания углеводов с использованием  дрожжей Saccaromyces serevisiae .

Суммарно, спиртовое брожение описывается уравнением:

C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 56 ккал

Наряду с основным процессом при спиртовом брожении (кроме этилового спирта и углекислого газа) образуется в небольших количествах ряд побочных соединений: янтарная кислота, амиловый, изоамиловый, бутиловый спирты, ацетальдегид, эфиры и еще несколько десятков соединений, определяемых методом жидкостной хроматографии. Несмотря на то, что содержание их в бражке составляет иногда тысячные доли процента, именно они зачастую определяют органолептические показатели качества спирта, пива, вин, - так называемый «букет».

При расчетах выхода спирта, следует учесть расход углеводов на образование этих побочных соединений, являющихся составной частью процесса обмена веществ у продуцентов спирта, что, связано и с активностью ферментной системы продуцента.

Различные сахара сбраживаются с разной скоростью. Длительность процесса брожения для достижения максимальной концентрации спирта меняется, как правило, от 36 до 72 ч. Наиболее легко сбраживаются сахароза и мальтоза, медленнее манноза, еще медленнее галактоза.

Моносахариды в силу своего химического строения обладают, так называемой, кольчато-цепной таутомерией.

Моносахариды в зависимости от условий реакции и применяемых реагентов реагируют в одной из таутомерных форм: пиранозной, фуранозной или алициклической.

У дрожжей, растущих в анаэробных условиях, гликолиз является основным катаболитическим путем, предназначенным для извлечения энергии из углеводных субстратов; а дальнейшие превращения приводят к образованию конечного продукта метаболизма – этилового спирта.

В организме дрожжей идут сложные преобразования.

Начальные этапы гликолизы – это расщепление углеводов и образование ряда фосфорных эфиров гексоз. При этом молекула глюкозы под действием фермента гексокиназы воспринимает остаток фосфорной кислоты от аденозинтрифосфата (АТФ), что приводит к образованию аденозиндифосфата (АДФ) и глюкопиранозо-6-фосфата, которые под действием фермента глюкоизомеразы превращаются в фруктопиранозо-6-фосфат. Это соединение «принимает» еще один остаток фосфорной кислоты и под действием фермента фосфофруктокиназы превращается в фруктофуранозо-1,6-дифосфат (плюс молекула АДФ). Далее следует превращение фруктозо-1,6-дифосфата в триозофосфаты. Основная цель начального или пускового этапа – образование соединения, легко расщепляемого на фосорилированные трехуглеродные фрагменты. Из этих фрагментов на последующих этапах извлекается энергия.  Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется с образованием глицеральдегид-3фосфата и дигидроксиацетонфосфата; эту реакцию катализирует альдолаза. Равновесие в этой реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата: на 96% дигидроксиацетонфосфата приходится всего 4% глицеральдегид-3-фосфата, но именно последний участвует в дальнейших превращениях в процессе гликолиза.

Вторая стадия гликолиза начинается с окисления глицеральдегид-3-фосфата, сопряженного с генерированием энергии в форме АТФ. Глицеральдегид-3-фосфат в присутствии неорганического фосфата окисляется в 1,3 – дифосфоглицерат. Происходит генерирование высокоактивного фосфатного радикала. В следующей реакции 1, 3 – дифосфоглицерат используется для генерирования АТФ; фосфатная группа высокоэнергетического ацилфосфата  с участием фермента фосфоглицераткиназы переносится на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицерата.

В ходе последующих реакций происходит образование пирувата и второй молекулы АТФ. Превращение 3-фосфоглицерата начинается с переноса фосфатной группы от кислорода при С-3 на кислород при С-2 с образованием 2-фосфоглицерата; эта реакция катализируется фосфоглицератмутазой. Далее осуществляется реакция дегидратации 2-фосфоглицерата до фосфоенолпирувата. Реакция катализируется фосфопируватгидратазой и представляет собой α,β – элиминирование. Образовавшийся фосфоенолпируват отдает фосфатную группу АДФ под действием пируваткиназы. Оставшийся при этом енол самопроизвольно превращается в пируват. Схематически основные превращения можно представить следующим образом:

Превращение пирувата в этанол идет в 2-х последовательных реакциях. В первой происходит его декарбоксилирование. Эта реакция полностью необратима; она катализируется пируватдекарбоксилазой, которая содержт в качестве кофермента тиаминпирофосфат. Вторая реакция состоит в восстановлении ацетальдегида в этанол за счет НАДН. Эта окислительно-восстановительная реакция катализируется алкогольдегидрогеназой [17].

 

 

 

1.5 Цели и задачи проектирования. Изменения и усовершенствования, внесенные в проект при проектировании

 

Данный дипломный проект основан на базе производства спирта ОАО «Талицкий спиртовый завод». На данном предприятии действует классическая для советских спиртовых заводов схема производства спирта с непрерывной  водотепловой и ферментативной обработкой сырья, и периодической схемой бродильного отделения. Отделение ректификации работает по непрерывной схеме и в зависимости от необходимого заданного качества продукции использует 4 или 5 колонн.

В проект были внесены следующие изменения:

1.  Внедрение новой схемы низкотемпературного разваривания сырья в производстве спирта. Это позволяет значительно снизить температуру варки (конечная температура в трубчатом стерилизаторе-нормализаторе составляет не более 105°С) и улучшении органолептических и физико-химических показателей вырабатываемого спирта. В условиях сильной конкуренции среди производителей спирта основной тенденцией является постоянное улучшение именно чистоты и органолептических свойств получаемого этилового спирта. Производители ликероводочных напитков постоянно увеличивают собственные стандарты качества и требования предъявляемые к поставщикам продукции, которые в настоящее время значительно жестче, чем требования государственных стандартов. Ликвидность продукции спиртовых заводов на современном рынке полностью определяется чистой спирта, которую они могут обеспечить. Влияние температуры разваривания полисахаридного сырья при производстве спирта на качественный и количественный состав микропримесей показано в таблице 1.4

 

Таблица 1.4

 

Влияние температуры разваривания полисахаридного сырья при производстве спирта на качественный и количественный состав микропримесей в бражных отгонах

 

Микропримесь, мг/л	Режим 135-145°С	Режим 110-120°С	Режим 90-105°С	Режим 68-72°С	Режим 58-62°С
1	2	3	4	5	6
Метилпиразин	0,6	0,6	0,5	отсут.	отсут.
2,5 – диметилпиразин	0,6	0,6	отсут.	отсут.	отсут.
2,6 – диметилпиразин	0,2	0,2	отсут.	отсут.	отсут.
Гексанол	0,1	отсут.	отсут.	отсут.	отсут.
1-метоксипропанол-2	0,2	0,2	отсут.	отсут.	отсут.
2-циклопентен-1-он	0,7	отсут.	отсут.	отсут.	0,1
3-этоксипропанол-1	2,3	9,7	2,8	0,05	0,01
Бутоксиэтанол	1,2	отсут.	отсут.	отсут.	отсут.
Фурфурол	5,0	3,0	1,0	отсут.	отсут.
Этанон-2-фуранил	0,2	0,2	отсут.	отсут.	отсут.
2,3 – бутандиол	5,2	9,7	9,0	0,1	0,2
1,3 – бутандиол	1,0	2,0	2,9	отсут.	отсут.
Метилфурфурол	0,2	0,2	0,3	отсут.	отсут.
Фурфуриловый спирт	11,0	12,0	3,5	отсут.	отсут.
3-метиопропанол-1	6,3	5,2	3,3	1,2	0,09
2-метоксифенол	0,03	0,02	0,2	отсут.	отсут.
Бензиловый спирт	0,2	0,1	0,4	отсут.	0,12
Фенилэтанол	33	15	3,3	13,9	9,9
ИТОГО:	74,43	58,72	27,2	15,25	10,42
Дегустационное качество:	удовлетворительное	хорошее	хорошее	очень хорошее	очень хорошее