Технологический процесс производства спирта из крахмалсодержащего сырья
Крахмал - сложный полисахарид, дрожжи не сбраживают его вследствие отсутствия у них ферментов, гидролизующих крахмал и превращающих его в более простые углеводы - сахара. Следовательно, крахмал сырья необходимо предварительно подвергнуть воздействию обсахаривающих ферментов. Но, крахмал, содержащийся в клетках зерна или картофеля, не доступен для гидролизующих ферментов. Чтобы разрушить или ослабить стенки клеток, сырье подвергают действию высокой температуры и давления путем разваривания, клейстеризации и разжижения крахмала. Процесс осуществляется в специальных аппаратах - разварщиках периодического или непрерывного действия.
В зависимости от типа аппарата способ подготовки сырья для разваривания несколько отличается. В разварник периодического действия большая часть очищенного сырья поступает в целом виде, зерновое сырье предварительно смешивают с водой. Для непрерывно работающих разварщиков сырье измельчают.
Во всех аппаратах как непрерывного, так и периодического Действия сырье нагревается паром под давлением до 135- 168 °С. Режимы разваривания в зависимости от вида сырья применяют различные.
В настоящее время периодическое разваривание сырья все больше вытесняется непрерывным.
Следующим этапом производства является осахаривание. Это процесс превращения оклейстеризованного крахмала сырья под влиянием осахаривающих ферментов и сахара, легко сбраживаемые дрожжами.
Процесс осахаривания
Источниками осахаривающих ферментов являются солод и препараты плесневых грибов.
Солод - это зерно, пророщенное в соответствующих условиях в специальных помещениях - солодовнях. За последние годы солод все больше вытесняется ферментными препаратами главным образом грибного происхождения. Используются различные виды двух родов: Мукор (Мисог) Аспергилл (Aspergillus), относящиеся, - первый к классу Phycomycetes, второй - к классу Ascomycetes. По литературным данным, в препаратах плесневых грибов содержится до 20 разных ферментов. Кроме амилазы, имеется декстрнназа в большем количестве, чем в зерновом солоде, и мальтаза - ферменты, дополняющие действие амилазы.
Среди ферментов обнаружена пектиназа и ферменты, способные гндролизовать целлюлозу и гемицеллюлозу, - вещества клеточных оболочек.
Протеолитические ферменты некоторых препаратов (из Asp. oryzae) более активны, чем ферменты солода, в результате при осахаривании сырья получается больше растворимых продуктов распада белков (аминокислот), увеличивается количество питательных веществ, используемых дрожжами.
Подготовка дрожжей. Для сбраживания подготовленного раствора Сахаров (сусла) применяют специальные расы дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae, хорошо сбраживающих концентрированный сахаристый раствор, приготовленный из крахмалистого сырья, и устойчивых к высоким концентрациям спирта в среде.
Для сбраживания большого количества осахаренного сусла необходимо располагать достаточным количеством активных дрожжей.
Дрожжи размножают в особом дрожжевом отделении завода с соблюдением всех необходимых условий для получения чистых и физиологически активных производственных дрожжей.
При пуске завода или при необходимости смены дрожжей постепенно накапливают их, начиная с пробирки чистой культуры.
Обычно производственные дрожжи поддерживают в активном состоянии по методу естественной чистой культуры, т. е. стремятся создать оптимальные условия для основной культуры дрожжей и подавить размножение посторонней микрофлоры.
Способы поддержания (культивирования) производственных дрожжей
Существуют три способа: периодический, полу непрерывный и способ Я. К. Орловского.
Периодический способ. При периодическом способе отъем из производственного осахаренного затора поступает в механизированную дрожжанку, и там дополнительно осахаривается 0,5-0,6% солода в течение 3 ч. Затем затор нагревают до 85°С и выдерживают 20 мин для уничтожения посторонних микроорганизмов, однако споры бактерий при этом остаются жизнеспособными. Затем сусло охлаждают и подкисляют серной кислотой или путем молочнокислого закисления. В последнем случае, после того как кислотность картофельного сусла достигнет 2-2,3°, а зернового-1,7-2° отбирают определенное количество сусла для заквашивания следующей порции (среды) сусла, а оставшееся сусло снова нагревают, но уже только до 70°С, чтобы уничтожить бесспоровых молочнокислых бактерий и прекратить дальнейшее повышение кислотности. После охлаждения до 30 °С в затор вносят зрелые дрожжи, отобранные из предыдущего цикла (дрожжевая матка), в количестве 8-10% по отношению к объему нового сусла. После засева дрожжей сусло бродит при температуре 28-29 °С в течение 18-24 ч, одновременно происходит и размножение дрожжей. Количество дрожжевых клеток должно достигнуть 120- 160 млн. клеток в 1 мл, а отброд должен быть не менее 7з от исходного.
В зрелых дрожжах почкующихся клеток должно быть не более 2-3%, а мертвых клеток не более 1%. По окончании брожения отбирают 10-12% зрелых дрожжей для засева следующего цикла, а оставшиеся дрожжи передают в бродильное отделение для засева очередного бродильного чана. Так можно вести процесс длительное время. Следует остерегаться перезревания дрожжей, т. е. более продолжительного, чем это необходимо, пребывания их в отбродившей бражке. Процент мертвых клеток при этом увеличивается и физиологическая активность дрожжей уменьшается. Такие дрожжи снижают выход спирта в производстве. Для предотвращения перезревания и порчи дрожжей, их охлаждают или подмолаживают, т. е. приливают к ним свежее сусло в таком количестве, чтобы содержание сухих веществ в этой среде увеличилось на 1-2%.
Полу-непрерывный способ изготовления дрожжей
Полу-непрерывный способ изготовления дрожжей разработан и предложен Е. П. Скалкиной (ЦНИИСП). Дрожжевые клетки при этом способе размножаются быстро, и производительность дрожжанок увеличивается в 1,5 раза. Способ заключается в том, что в двух механизированных дрожжанках непрерывно идет процесс брожения. Когда содержание сухих веществ бродящего сусла снижается до 5-6%, из обоих дрожжанок спускают по 7з содержимого и снова доливают их стерилизованным суслом из специального стерилизатора. Через 4-6 ч, когда содержание сухих веществ снова снизится до заданной величины, отбор повторяют и т. д. Дрожжи из дрожжанок поступают в бродильный чан или в осахариватель первой ступени.
На некоторых спиртовых заводах в качестве дрожжей (засевных) применяют отборы бражки с дрожжами из бродильных чанов по методу, предложенному инж. Я. К. Орловским. Отъем в количестве 20% берут при отброде 8-12% сухих веществ и при нормально идущем процессе брожения. Отобранную бражку с дрожжами перекачивают в специальный чан, где их подкисляют серной кислотой. При высокой кислотности 0,9-1,3° бражку с дрожжами выдерживают 1-2 ч и затем передают в следующий бродильный чан вместе с первой порцией осахаренного сусла. • Считается, что при работе по этому методу образуются активные производственные расы дрожжей, приспособившиеся к условиям брожения.
Дрожжевое отделение завода, где приготовляют дрожжи, должно находиться в отдельном помещении, изолированном от других помещений. В нем следует поддерживать чистоту и хорошо вентилировать. Дрожжевое отделение должно быть оборудовано соответствующими аппаратами: осахаривателем и дрожжанками или механизированными дрожжанками, в которых происходит, как осахаривание разваренной массы, так и брожение.
Способ Орловского
Сбраживание осахаренной массы дрожжами происходит в бродильном отделении завода. Брожение осуществляется в бродильных чанах, которые бывают трех видов: открытые, закрытые крышкой и герметически закрытые. В герметически закрытых чанах (рис. 41) современных конструкций имеются приспособления для отвода и улавливания углекислоты, вакуум-прерыватели и предохранительные клапаны для предотвращения образования вакуума после пропаривания и чрезмерного повышения давления при стерилизации. Кроме того, в бродильном отделении устанавливают спиртоловушки для улавливания паров спирта уходящего вместе с углекислотой.
Применяются несколько методов сбраживания крахмалсодержащего сырья: периодические, полу не прерывные и непрерывные.
Периодические методы отличаются тем, что процесс брожения происходит в одном сосуде. Осахаренную массу смешивают со зрелыми дрожжами из дрожжанки, после чего начинается спиртовое брожение, которое через определенный промежуток времени (взбраживание) достигает наибольшей интенсивности (главное брожение). Затем процесс брожения начинает затухать (дображивание) и прекращается, когда сбраживаемые сахара полностью сбраживаются. Чан, в котором происходил процесс, опоражнивают и подготовляют для нового процесса.
Каждая из трех основных фаз брожения характеризуется различной степенью активности брожения, которую можно определить путем почасового определения величины отброда или количества сброженных сахаров. Изменение этих величин называется динамикой брожения.
Динамику периодического брожения можно представить графически в виде кривой, С. В. Лебедев предложил называть ее кривой брожения. В первом периоде происходит слабое сбраживание сахара, но значительное размножение дрожжей, во втором наблюдается резкий подъем кривой интенсивности сбраживания сахара, а интенсивность накопления дрожжевой массы постепенно снижается. Во втором периоде сбраживается наибольшая часть Сахаров. В третьем периоде процесс брожения постепенно затухает вследствие уменьшения количества Сахаров в среде и накопления продуктов обмена дрожжей: этилового спирта, углекислоты и побочных продуктов брожения, главным образом сивушного масла.
Полу не прерывные технологические схемы брожения отличаются тем, что одна из стадий проводится непрерывным методом, а остальные - периодическим. Подробно эти схемы описаны в специальных руководствах.
Непрерывный метод брожения
Непрерывный метод брожения, вернее непрерывная технологическая схема, - это процесс, при котором все стадии осуществляются непрерывно. Непрерывный процесс брожения впервые был теоретически обоснован в 1915 г. С. В. Лебедевым. Процесс осуществляется в батарее, состоящей из нескольких бродильных чанов. Отдельные этапы брожения как бы расчленены и в каждом чане батареи осуществляется свой этап (период) брожения. В головной чан батареи поступают дрожжи, и непрерывным потоком подается среда, содержащая сахар. Таким образом, через батарею идет непрерывный поток бродящей среды. Из последнего чана выходит сброженная бражка, которая после отделения дрожжей или непосредственно поступает в брагоперегонное отделение.
Непрерывные процессы - методы проточных культур являются прогрессивными и более производительными. Работы С. А. Коновалова (1958-1961) показали, что при непрерывном методе сбраживания создаются более благоприятные условия для жизнедеятельности дрожжей - постоянное обновление среды, удаление вредных продуктов обмена и возможность сохранения всех благоприятных параметров на одном уровне. В головном аппарате батареи дрожжи находятся в состоянии высокой ферментативной активности: они одновременно и размножаются и активно сбраживают сахара среды. Они хорошо приспосабливаются (адаптируются) к сравнительно высокому содержанию спирта в среде. Так, при периодическом способе спирт в количестве 5% заметно снижает скорость брожения, а при непрерывном сбраживании 7% спирта в среде не оказывает заметного влияния на физиологическую активность дрожжей.
Преимущества непрерывного процесса брожения
Преимущества непрерывного процесса брожения - это возможность его механизации и автоматизации. Разработка непрерывных технологических схем ведется, однако в промышленности нашли применение непрерывные схемы сбраживания только сахаристых сред.
Непрерывное сбраживание крахмалсодержащего сырья представляет значительные трудности:
опасность раннего появления инфекции, так как при осахаривания вместе с солодом вносится значительное количество кислотообразующих бактерий, которые, размножаясь, подкисляют среду, снижают активность осахаривающих ферментов, используют сахара, вследствие чего, снижается выход спирта;
при прохождении через батарею бродильных аппаратов бродящей массы, содержащей иногда некоторое количество более крупных частиц зерна и картофеля, происходят задержки части массы, что также является причиной развития инфекции.
В последние годы группой сотрудников ЦНИИСП В. Л. Яровенко, Е. П. Скалкиной, С. А. Пыховой и другими разработан и успешно осуществлен на ряде спиртовых заводов поточный метод непрерывного брожения.
Брожение идет в батарее бродильных чанов (3-8), последовательно соединенных коммуникаций, по которой бражка перетекает из одного аппарата в другой. Главное брожение протекает в первых чанах (2 и 3), в следующих по потоку бродильных аппаратах происходит дображивание. Чтобы помешать развитию инфекции, применяется ряд технологических приемов и более усовершенствованная аппаратура. Например, применение большого количества дрожжей, герметические бродильные чаны, снабженные специальной запорной аппаратурой, при использовании которой не происходит задержки частиц старой бражки в бродильных чанах, профилактическая стерилизация всех чанов батареи, начиная от головного и дальше до последнего чана.
Установлено, что наилучшие результаты получаются при периодическом освобождении и стерилизации каждого чана батареи через 48-50 ч без остановки притока сусла в первый чан батареи и выхода зрелой бражки из последнего аппарата.
Для усиления процесса брожения применяют бражку, отобранную из первого или второго чана работающей батареи. Бражку, отбираемую в количестве 30% от объема головного чана, переводят в взбраживатель и в нем выдерживают 3-6 ч при повышенной кислотности (0,6-0,7°), которая создается добавлением соответствующего количества серной кислоты.
От: Поляков А.И.,
Скрыть комментарии (0)
| UP |
Похожие темы:
 | |
| « Сущность технологического процесса производства спирта | Технологический процесс производства спирта из свекловичной мелассы (патоки) » |
