Производство спирта из зерна. Характеристика зернового сырья. Охлаждение разваренной массы и её осахаривание. Отгонка спирта из бражки и его ректификация. Технология переработки послеспиртовой барды. Переработка сахаротростниковой и рафинадной меласс.
Так, например, в книге Кропоткина по винокурению за 1868г. читаем: «Для большего выхода спирта и для получения более чистого по вкусу и запаху продукта хлебные зерна перед размельчением должны быть самым тщательным образом очищены, так как нечистоты, примешанные к хлебу, оказывают вредное влияние при приготовлении сусла и при его брожении, причем получаются вещества, придающие спирту весьма противные вкус и запах, сам выход спирта в значительной степени уменьшается». При этом часть токсичных веществ, адсорбированных зерном, не разрушается в процессе водно-тепловой обработки, а переходит в сусло, что приводит к замедлению процесса брожения, ингибированию роста и развития дрожжей, накоплению в бражке несвойственных для спиртового брожения примесей, которые трудно отделяются при ректификации и ухудшают органолептические показатели спирта. Технология производства спирта относится к биотехнологии, так как производство связано с использованием катализаторов (ферментов), имеющих биологическое происхождение. При должном подходе производство спирта является безопасным и безотходным: в производстве кроме спирта получают диоксид углерода, барду, эфироальдегидную фракцию, сивушные масла. Технология спирта включает в себя следующие процессы: подготовка сырья к развариванию, разваривание зерна водой для разрушения клеточной структуры и растворения крахмала, охлаждение разваренной массы и осахаривание крахмала ферментами солода или культур плесневых грибов, сбраживания сахаров дрожжами в спирт, отгонку спирта из бражки и его ректификацию.Технология производства спирта состоит из различных по характеру и происхождения операциям от механических (подготовка сырья) до тепло-массообменных (ректификация), а также использование ферментов микробиологического и биологического происхождения вместе с дрожжами.
Введение
К середине XIX века спиртовое производство в России достигло своего расцвета, а русская водка, благодаря своим высоким органолептическим качествам, завоевала всемирную славу и известность наравне с французским коньяком и шотландским виски.
Особенности технологии, такие, как состав затора, условия подготовки сырья, соотношение зерна, воды, солода и дрожжей, а также режимы водно-тепловой обработки, осахаривания, брожения и перегонки, всегда были предметом поисков и непрерывного совершенствования со стороны русских винокуров.
Анализ литературных данных XVIII-XIX веков по винокурению позволил определить основные особенности этой технологии.
Основой классической технологии спирта в первую очередь являлись: использование качественного зерна ржи с небольшим добавлением (до 15%) других зерновых культур, глубокая очистка сырья, низкотемпературная (не выше 60...70 °С) водно-тепловая обработка замеса, регламентированное брожение, обеспечивающее определенные состав и количество естественных примесей.
В связи с отсутствием «жестких» способов разваривания сырья особое внимание уделялось качеству зерна и способам его очистки.
Проводилась как сухая очистка от сорных, зерновых и минеральных примесей (на оборудовании мукомольных заводов), так и более глубокая очистка, в том числе и мойка. Зерно с признаками дефектности к переработке не допускалось, так как способов борьбы с инфицированием не существовало.
Так, например, в книге Кропоткина по винокурению за 1868г. читаем: «Для большего выхода спирта и для получения более чистого по вкусу и запаху продукта хлебные зерна перед размельчением должны быть самым тщательным образом очищены, так как нечистоты, примешанные к хлебу, оказывают вредное влияние при приготовлении сусла и при его брожении, причем получаются вещества, придающие спирту весьма противные вкус и запах, сам выход спирта в значительной степени уменьшается».
Но сегодня в условиях жесткой конкуренции для снижения себестоимости продукции спиртовые заводы зачастую перерабатывают низкокачественное фуражное зерно, непригодное для переработки в других отраслях пищевой промышленности.В отдельные периоды допускается переработка дефектного зерна.
При этом часть токсичных веществ, адсорбированных зерном, не разрушается в процессе водно-тепловой обработки, а переходит в сусло, что приводит к замедлению процесса брожения, ингибированию роста и развития дрожжей, накоплению в бражке несвойственных для спиртового брожения примесей, которые трудно отделяются при ректификации и ухудшают органолептические показатели спирта.
Другой особенностью современного производства спирта является разваривание сырья под давлением при высоких температурах, под действием которых активизируются процессы окисления, меланоидинообразования и гидролиза, что приводит к образованию различных токсических примесей и потере Сахаров.
Все эти факторы привели к тенденции, когда, используя сложные многоколонные бра-горектификационные установки, из бражек практически любого качества в процессе перегонки удаляют все примеси и получают высокоочищенный спирт.
Алкогольные напитки из такого спирта по своему качеству далеко не всегда удовлетворяют требования потребителей.
Но самое главное - такая технология в корне отличается от традиционных классических основ получения спирта для русской водки.
Все это может привести к тому, что современный алкоголь, производимый в России, может потерять связь с историческим брэндом «русская водка», влияние которого по инерции еще сохраняется.
Показатель Классическая технология XIX века Современная технология
Сырье и его качество Кондиционная рожь с небольшим (5-15%) добавлением других зерновых культур. Без признаков дефектности Низкокачественное фуражное зерно (пшеница, рожь, ячмень, кукуруза и др.). В отдельные периоды допускается переработка зерна с различными степенями дефектности
Очистка сырья Сухая очистка на оборудовании мукомольных заводов, мойка зерна Сухая очистка от сорных (магнитных минеральных и др.) и зерновых примесей (битых, проросших, морозобойных, давленых зерен)
Водно-тепловая обработка «Мягкая», при температуре 60...80 °С с предварительным замачиванием зерна «Жесткая» при температуре 120...140 °С и давлении 0,4-0,6 МПА
Ферментные препараты Солод, собственная ферментная система зерна Ферментные препараты микробного происхождения, различной степени очистки и концентрирования
Сбражвание Периодическое сбраживание с помощью чистой культуры дрожжей, начальная температура брожения 20...22 °С, концентрация сусла до 22 % СВ, продолжительность брожения 3-5 сут Периодическое или непрерывное сбраживание с помощью специальных спиртовых рас дрожжей (XII, Y-717 и др.). Температура брожения 30...35 °С, продолжительность 48-72 ч
Перегонка Простая 2- и 3-кратная перегонка. Получаемый спирт характеризуется наличием естественных для спиртового брожения примесей Осуществляется на 5-6 колонных брагоректификационных установках с получением высокоочищенного спирта
Отечественная спиртовая промышленность до 1917 г. была представлена мелкими заводами мощностью около 22 тыс. дал спирта в год. Советский период характеризуется появлением крупных предприятий с мощностью 6000 - 12000 дал в сутки. В 1980 г. в СССР действовало около 400 крупных заводов, а производство спирта составило 200 млн. дал. Далее производство спирта неуклонно снижалось, особенно в периоды перестройки и экономических кризисов. Также снижение производство обуславливалось ужесточением отраслевого законодательства, увеличением стоимости лицензий, установлением минимальных порогов по уставному капиталу для производителей спирта, введением требования о полной переработке отходов спиртового производства. Но главной причиной снижения является большой теневой оборот спирта, делающий легальное производство менее рентабельным.
Технология производства спирта относится к биотехнологии, так как производство связано с использованием катализаторов (ферментов), имеющих биологическое происхождение. При должном подходе производство спирта является безопасным и безотходным: в производстве кроме спирта получают диоксид углерода, барду, эфироальдегидную фракцию, сивушные масла.
Этанол (этиловый спирт) представляет собой прозрачную бесцветную жидкость со жгучим и характерным запахом с относительной плотностью 0,79067. Температура кипения этанола при нормальном давлении 78,35° С, температура вспышки 12° С, температура замерзания - 117° С. Химически чистый этанол имеет нейтральную реакцию; ректификованный спирт содержит небольшое количество карбоновых кислот, поэтому реакция его слабокислая. Этанол очень гигроскопичен; он жадно поглощает воду из воздуха, растительных и животных тканей, в следствии чего они разрушаются.
В зависимости от степени очистки этиловый ректификованный спирт подразделяют на: · 1-го сорта (для производства алкогольных напитков не используется);
· высшей очистки;
· "Базис";
· "Экстра";
· "Люкс";
· "Альфа"
Этиловый спирт - основной продукт - находит широкое применение. Пищевая промышленность - главный потребитель этилового спирта. который используется для изготовления ликеро-водочных изделий, виноградных и плодово-ягодных вин, уксусов и пищевых ароматизаторов. Спирт этиловый также используется в медицинской. фармацевтической, парфюмерной и других отраслях промышленности.[1]
Переработка зерна и картофеля на спирт осуществляется по однотипной технологии и состоит из следующих стадий (рис. 1): · подготовка сырья (очистка, механическая обработка);
· водно-тепловая и ферментативная обработка (1 и 2 стадии);
· осахаривание;
· дрожжегенерация;
· сбраживание зернового сусла;
· брагоректификация;
· утилизация отходов.
Производство спирта из зерна
Сырье и дополнительные материалы
Характеристика зернового сырья. На спирт перерабатывают любое зерно, в том числе и непригодное для пищевых и кормовых целей. Ежегодный объем переработки составляет (%): пшеницы 50 (преимущественно дефектной), ячменя 20, ржи 12, кукурузы 8, проса 5, овса 2 и прочих культур (гречиху вики, гороха, риса и др.) 3. Для приготовления солода употребляют кондиционное высококачественное зерно.
Кукуруза. Из зерновых культур лучшим сырьем для производства спирта является кукуруза (Zea mays). В ней содержится относительно больше крахмала, меньше клетчатки, больше жира (что повышает кормовое достоинство барды). Урожайность кукурузы в 2...3 раза выше урожайности других зерновых культур.
В России кукурузу возделывают на Северном Кавказе, Нижней Волге, в Воронежской и Курской областях.
В зависимости от формы зерна и степени развитости роговидной части эндосперма кукурузу подразделяют на 7 ботанических групп: кремнистая, зубовидная, крахмалистая, восковидная, лопающаяся, сахарная, чешуйчатая. Для производства спирта предпочтительнее легко развариваемая крахмалистая и зубовидная кукуруза.
Рожь, пшеница, ячмень и овес. Рожь (Secale), пшеница (Triticum), ячмень (Hordeum) и овес (Avena) широко возделываются в России: рожь (преимущественно озимая) - в северных, северо-западных и центральных районах, во многих районах Сибири и Урала; пшеница - в Западной и Восточной Сибири, Поволжье; ячмень (преимущественно яровой) и овес - повсеместно - от субтропиков до Заполярья.
В небольших количествах перерабатывают крупяные культуры - просо, гречиху и рис, некоторые продовольственные (горох) и кормовые (вику).
Солод и ферментные препараты. Для осахаривания крахмала па спиртовых заводах используется солод и ферментные препараты.
Солодом называют зерно, которое проросло в определенных условиях. При прорастании в зерне образуются амилолитические, протеолитические и другие ферменты. Солод па спиртовых заводах получают из ячменя, ржи, пшеницы, овса и проса по следующей схеме: 1) очистка зерна;
2) замачивание;
3) проращивание;
4) измельчение;
5) смешивание с водой.
Для осахаривания крахмала в спиртовом производстве кроме солода используются ферментные препараты, получаемые из культур мицелиальных грибов и бактерий. Выпускаемые специальными заводами или специализированными цехами спиртовых заводов ферментные препараты представляют собой либо жидкости с содержанием сухого вещества не менее 50%, либо порошки с определенной стандартной ферментативной активностью. Ферментные препараты, используемые в спиртовой промышленности, получают из мицелиальных грибов рода Aspergillus, бактерий Вас. mesentericus, Вас. subtilis и других. Эти микроорганизмы образуют а-амилазу, а некоторые глюкоамилазу (фермент, расщепляющий крахмал до глюкозы). Применение ферментных препаратов микробного происхождения в спиртовой промышленности взамен солода позволяет существенно снизить расход высококачественного зерна на получение солода и способствует повышению выхода спирта.
Дрожжи. В спиртовом производстве в качестве возбудителей брожения используются дрожжи семейства сахаромицетов. Они продуцируют комплекс ферментов, под действием которого сахара сусла превращаются в этиловый спирт и диоксид углерода. В спиртовом производстве применяют расы (разновидности, отличающиеся несколькими особенностями) дрожжей верхового брожения, обладающие высокой энергией брожения. Они образуют максимальное количество спирта, сбраживают моно- и дисахариды и часть декстринов. Дрожжи, используемые в производстве спирта из мелассы, должны быстро сбраживать субстрат в среде с высоким осмотическим давлением (осмофильные дрожжи).
Вначале дрожжи размножают по методу чистой культуры из одной дрожжевой клетки в стерильных условиях. Спиртовые заводы получают чистую культуру дрожжей и размножают их по определенной схеме. Далее их культивируют по методу естественно чистой культуры, при котором создаются оптимальные условия для развития дрожжей (температура, РН, аэрация и др.) и неблагоприятные для посторонних микроорганизмов, в первую очередь бактерий.
В качестве питательной среды для размножения дрожжей служит сусло, содержащее вещества, необходимые для их питания. Иногда в сусло добавляют дробленый зеленый солод в качестве источника дополнительного питания. Для подавления развития посторонних микроорганизмов сусло подкисляют серной или молочной кислотой до РН 3,8 - 4,0. Температуру поддерживают на уровне 28 - 30 °С. Размножение дрожжей осуществляют в аппаратах - дрожжанках. Аппарат представляет собой вертикальный цилиндр с коническим днищем, снабженный двумя змеевиками для нагрева и охлаждения сусла. Процесс-размножения дрожжей ведут периодическим или полунепрерывным способами. При периодическом сусло из осахаривателя перекачивают в дрожжанку, нагревают до 70 °С и выдерживают при этой температуре 20 мин с целью пастеризации. Затем охлаждают до 50 °С, подкисляют серной кислотой, перемешивают, охлаждают до 30°С и вносят 10% дрожжей от объема сусла. При размножении дрожжей поддерживают температуру на уровне 30°С, регулируя ее путем подачи в змеевики дрожжанки холодной воды. При снижении концентрации сусла на 1/3 от первоначальной производят отбор дрожжей. Длительность размножения дрожжей около 20 ч.
Полунепрерывный способ размножения дрожжей проводят в установке из двух дрожжанок и пастеризатора, в котором пастеризуют, подкисляют и охлаждают сусло. Подготовленное сусло подают в одну из дрожжанок, вводят в нее дрожжи и оставляют на 6 - 8 ч при 28 °С. Затем половину объема дрожжей переводят во вторую дрожжанку и обе доливают суслом из пастеризатора. Через 6 - 8 ч зрелые дрожжи из одной дрожжанки спускают в бродильный аппарат. Свободную дрожжанку моют и стерилизуют, после чего половину дрожжей из второй дрожжанки переводят в свободную, доливают оба аппарата суслом из пастеризатора и процесс повторяется.
Технология производства спирта
Технология спирта включает в себя следующие процессы: подготовка сырья к развариванию, разваривание зерна водой для разрушения клеточной структуры и растворения крахмала, охлаждение разваренной массы и осахаривание крахмала ферментами солода или культур плесневых грибов, сбраживания сахаров дрожжами в спирт, отгонку спирта из бражки и его ректификацию.
Прием зерна. Для приготовления солода используют высококачественные ячмень, рожь, овес и просо, которые должны удовлетворять требованиям, приведенным в таблице №1. Цвет ячменя светло-желтый, допускается потемневший; овса белый или желтый; проса желтый, красный, серый, белый; ржи желтый и зеленый разных оттенков; запах, свойственный зерну; не допускается затхлый, плесенный и другие посторонние запахи.
Долго хранить зерно без существенного снижения его качества целесообразно только в складах, технологические возможности которых не позволяют развиваться и массово распространяться микроорганизмам (плесневым грибам, бактериям и дрожжам), вредителям (насекомым и клещам), а также снижают активность ферментов зерновок до такого уровня, когда они не проявляют биологического действия. Такие преимущества имеют хранилища с активным вентилированием межзернового пространства насыпи сырья наружным или охлажденным воздухом (по сравнению со складами без вентиляционных устройств). Опыт работы спиртовых заводов показывает, что продолжительность хранения зависит от качества поступившего зерна и технологических особенностей хранилищ. Во время хранения сырья в отдельных зерновках происходят физико-химические изменения, зависящие от условий хранения и состояния насыпи зерна. Устойчивое при хранении и имеющее сорную примесь сырье теряет незначительное количество влаги гидрофильных веществ зерновок в условиях аэробного дыхания. У свежеубранного происходит снижение влажности («потение» зерновок). Завершается образование высокомолекулярных соединений (углеводов, белков, жиров, витаминов), уменьшается активность ферментов. Высокая влажность и температура насыпи активизируют все ферменты зерновок. Имеющиеся в растворимой форме углеводы, расщепленные а-амилазой, служат для создания нового вещества (корней и побегов), а при дальнейшем расщеплении В-амилазой используются зерновкой для анаэробного дыхания. Ферментативное расщепление белка происходит ступенчато (как и углеводов) протеазами, в результате чего образуются аминокислоты. Липазы расщепляют жиры на глицерин и жирные кислоты (повышающие кислотность зерна). Оксидазы активируют дыхание зерновок, отчего в межзерновое пространство насыпи выделяются вода, двуокись углерода, этиловый спирт и тепло. Даже при низкой влажности и температуре засоренное (поврежденными, щуплыми, семенами сорняков) сырье отличается высокой активностью амилаз, приводящей к интенсивному протеканию обменных процессов (расщеплению) в растворимых углеводах зерновок, увеличивающих влажность насыпи сырья. Потери сухих веществ зерновок, обсемененных микроорганизмами и засоренных вредителями, происходят в результате размножения живых существ, приводящих к повышению влажности насыпи сырья.
Таблица №1. Характеристика качества зерна
Показатели Рожь Ячмень Овес Просо
Влажность,%, не более 15,5 15,5 16,0 15,0
Засоренность общая,%, не более 5,0 5,0 5,0 5,0
Засоренность сорная,%, не более 2,0 2,0 2,0 3,0
Засоренность зерновая,%, не более --- 3,0 3,0 4,0
Всхожесть на 5-е сутки,%, не менее --- 92 92 92
Энергия прорастания на 3-и сутки, %, не менее 85* 85 85 85
. * на 4-е сутки
Качество зерна, идущего на разваривание, не регламентируется. Желательно, чтобы зерно было здоровое, высокой крахмалистости, влажностью 14 - 17% в зависимости от культуры и с небольшой засоренностью. Предварительно здоровое зерно оценивают органолептически.
Подготовка зерна. Все виды зерна, поступающего в производство, очищают от пыли, земли, камней, металлических и других примесей. Зерно, предназначенное для приготовления солода, освобождают также от щуплых зерен, половинок и семян сорных растений.
Воздушно-ситовое сепарирование. Примеси, отличающиеся от зерна данной культуры толщиной (шириной) и аэродинамическими свойствами (парусностью), отделяют на воздушно-ситовом сепараторе. При очистке ячменя, овса и проса производительность сепаратора снижается на 20...30%. В очищенном зерне содержание примесей не должно превышать 1%.
Магнитное сепарирование. Мелкие металлические примеси, содержащиеся в зерне после очистки в воздушно-ситовых сепараторах, удаляют с помощью магнитных сепараторов.
Отделение семян сорных растений. С помощью сит зерно можно разделить только по толщине и ширине. Примеси, отличающиеся от основной культуры длиной зерна, выделяют на машинах, называемых триерами. Рабочий орган триера - цилиндр или диск с ячейками, выбирающими из зерновой массы короткие частицы. В зависимости от назначения различают два вида триеров: куколеотборники - выделяющие из основной культуры половинки зерен и шаровидные примеси, например семена куколя; овсюгоотборники - выделяющие зерно основной культуры, например ячменя, ржи, из смеси его с длинными зернами овса и овсюга.
Разваривание сырья. Разваривание осуществляют для разрушения клеточных стенок, освобождения крахмала из клеток и перевода его в растворимую форму, в которой он быстрее и легче осахаривается ферментами. Разваривание крахмалсодержащего сырья проводят путем обработки его паром с избыточным давлением 400 - 500 КПА.
При разваривании происходит ряд сложных физических, физико-химических и химических изменений. При тепловой обработке в процессе разваривания идет интенсивное набухание крахмала, его кластеризация и переход в растворимую форму, обусловленные интенсивным поглощением воды. При выходе разваренной массы из варочного аппарата давление снижается до атмосферного, что вызывает превращение содержащейся в клетках воды в пар, объем которого в несколько раз превышает объем воды. Такое резкое увеличение объема приводит к разрыву клеточных стенок сырья и превращению его в однородную массу. Процесс разваривания сопровождается увеличением содержания сахаров и декстринов за счет частичного гидролиза крахмала под действием собственных ферментов сырья и естественной кислотности. Высокая температура па стадии разваривания вызывает протекание процессов меланоидинобразования (взаимодействие сахаров с аминокислотами), термического разложения сахаров (карамелизапня) и других, что приводит к снижению количества сбраживаемых сахаров.
В настоящее время разваривание крахмалсодержащего сырья производят тремя способами: периодическим, полунепрерывным и непрерывным. Наибольшее распространение получило непрерывное разваривание по двум схемам. По первой схеме разваривание осуществляют при пониженной температуре (130 - 140°С), но длительное (50 - 60 мни). По второй схеме температура разваривания 165 - 172 °С и продолжительность варки 2 - 4 мин. При непрерывном разваривании сырье постоянным потоком движется через варочный аппарат.д.ля обеспечения равномерности потока сырье измельчают.
Непрерывное разваривание измельченного сырья включает операции: дозирование сырья и воды, приготовление замеса и разваривание в две стадии (нагрев замеса до температуры варки и выдержка замеса при этой температуре). Процесс непрерывного разваривания осуществляется следующим образом. Измельченное зерно смешивают с водой в количестве 2,0 - 3,5 л на 1 кг зерна. Воду добавляют с таким расчетом, чтобы концентрация зернового замеса составляла 16 - 17% сухого вещества. Зерновой замес нагревают вторичным паром до 70 - 75°С и подают насосом в контактную головку, где происходит мгновенный нагрев замеса (кашки) паром до 100 110°С. Затем подогретый замес подают в варочный аппарат, состоящий из 2 - 4 ступеней (колонн).
Охлаждение разваренной массы и ее осахаривание
Осахаривание заключается в обработке охлажденной разваренной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидролиза полисахаридов, белков и других сложных веществ. Основным и наиболее важным процессом при этом является ферментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, поэтому процесс и называется осахариванием. В результате осахаривания разваренной массы получают продукт - сусло спиртового производства.[4]
В производстве спирта воздействие ферментов на составные вещества сырья осуществляется на нескольких технологических стадиях
При осахаривании разваренной массы солодовым молоком: крахмал гидролизуется на 70 - 75% до мальтозы и глюкозы и на 25 - 30% до предельных декстринов, которые расщепляются: до Сахаров на стадии брожения. При использовании солодового молока получается сусло, содержащее 71 - 78% мальтозы и 22 - 29% глюкозы от суммы всех сбраживаемых сахаров. Сусло, полученное при осахаривании ферментными препаратами микробного происхождения, содержит 14 - 21% мальтозы и 79 - 81% глюкозы.
Такое различие в продуктах гидролиза крахмала при использовании разных осахаривающих материалов связано с тем, что в солодовом молоке содержатся A - и (B-амилаза и декстриназа, а ферментные препараты микробного происхождения содержат А-амилазу и глюкоамилазу. Все эти ферменты отличаются по характеру действия на крахмал и по отношению к температуре и кислотности среды. В зависимости от происхождения А-амилазы могут расщеплять крахмал только до декстринов (А-амилазы бактериального происхождения) или образуют и декстрины, и сахара (большинство А-амилаз грибного происхождения и ферменты солода). Поэтому осахаривание разваренной массы осуществляют при определенных температуре, кислотности, концентрации субстрата и осахаривающего материала.
Наиболее прогрессивным способом осахаривания является непрерывное осахаривание с вакуум-охлаждением. Сущность его заключается в снижении давления, что приводит к мгновенному охлаждению разваренной массы вследствие затрат тепла на испарение воды. Охлаждение под вакуумом предотвращает тепловую инактивацию ферментов осахаривающих материалов. К охлажденной массе добавляют осахариваюшие материалы. Оптимальная температура действия амилолитических ферментов 57 - 58 °С. Непрерывное осахаривание разваренной массы производят по одно или двухпоточному способу. При однопоточном способе в осахариватель (цилиндрический аппарат с коническим днищем и мешалкой) подают разваренную массу, все расчетное количество осахаривающих материалов и выдерживают в течение 10 - 15 мин. При двухпоточном способе разваренную массу разделяют на два равных потока и направляют в два осахаривателя. В первый осахариватель подают 2/3 осахаривающих материалов, во второй частично осахаренное сусло охлаждают и подают на брожение в первый и второй головные аппараты бродильной батареи.
Готовое сусло должно содержать 16 - 18% сухого сахара, в том числе 13 - 15% сбраживаемых сахаров; кислотность 0,2 - 0,3 град. При пробе на йод окраска сусла не должна изменяться.
Сбраживание. Сбраживание осахаренной массы (сусла) начинается с момента введения в нее производственных дрожжей. Под действием ферментов дрожжей идет расщепление мальтозы до глюкозы, которая затем сбраживается в спирт и диоксид углерода - основных продуктов брожения. Наряду с этим образуются вторичные и побочные продукты брожения: высшие спирты, кислоты и эфиры. По мере сбраживания моно - и дисахаридов под действием амилолитических ферментов происходит доосахаривание декстринов и крахмала, содержащихся в сусле. От скорости этого процесса зависит длительность брожения.
В процессе брожения сусла можно выделить три периода: взбраживание, главное брожение и дображивание. В первом периоде происходит интенсивное размножение дрожжей и сбраживание Сахаров. Второй период характеризуется энергичным сбраживанием Сахаров и сопровождается бурным выделением диоксида углерода. В третьем периоде идет медленное дображивание Сахаров, образующихся в результате доосахаривания декстринов сусла.
Процесс брожения проводят в закрытых бродильных аппаратах для предотвращения потерь спирта и выделения диоксида углерода в производственное помещение. Герметически закрытый бродильный аппарат представляет собой вертикальный цилиндр со сферическим или коническим днищем, внутри него установлен змеевик для охлаждения бродящего сусла.
Брожение сусла проводят периодическим, циклическим и непрерывнопоточным способами. Наиболее совершенным и эффективным является непрерывнопоточный метод, осуществляемый па установке, состоящей из двух дрожжанок, взбраживателя и 8 - 10 бродильных аппаратов, последовательно соединенных переточными трубами. Дрожжанки и взбраживатель предназначены для приготовления необходимого количества производственных дрожжей. Процесс происходит следующим образом. Дрожжанку заполняют суслом, пастеризуют его при 80°С в течение 30 мин, охлаждают до 30°С, доводят РН до 3,6 - 3,8 серной кислотой и вводят из второй дрожжанки засевные дрожжи в количестве 25 - 30% от объема. Размножение дрожжей идет до достижения содержания сухого вещества в сусле 5 - 6% - Затем 70 - 75% дрожжей переводится во взбраживатель, куда одновременно подается охлажденное сусло, производится подкисление всей массы до требуемой кислотности. Массу в таком виде оставляют для брожения и размножения дрожжей. Оставшаяся часть дрожжей (25%) подается во вторую дрожжанку для размножения.
Когда содержание сухого вещества достигнет 5 - 6%, массу подают в первый головной бродильный аппарат, в который одновременно подается охлажденное сусло. При заполнении первого головного бродильного аппарата сбраживаемое сусло на него перетекает, во второй головной аппарат, из него - в третий и т.д. Длительность брожения составляет 60 ч. Из последней, аппарата зрелая бражка подается на перегонку. При брожении в аппаратах поддерживается определенная температура: в первом - 26 - 27 °С, во втором - 27, в третьем - 29 - 30, в последующих - 27 28 °С.
Выделяющийся при брожении диоксид углерода вместе с парами спирта из бродильных аппаратов поступает в специальные ловушки, и которых происходит растворение спирта и отделение диоксида углерода. Водно-спиртовая жидкость из ловушки направляется вместе с бражкой на перегонку, а диоксид углерода - в специальный цех для получения сухого льда или жидкого диоксида углерода.
Зрелая бражка должна соответствовать установленным нормам. Крепость бражки (содержание этилового спирта в объемных процентах) должна находиться в пределах 8,0 - 9,5 об.%: содержание несброженных Сахаров не должно превышать 0,4 - 0,5%; кислотность зрелой бражки не должна превышать 0,5-0,6 град.
Отгонка спирта из бражки и его ректификация. Получаемая в результате брожения зрелая бражка имеет сложный состав. Кроме воды и спирта она содержит различные органические и неорганические соединения: сахара, декстрины, минеральные вещества, летучие соединения (эфиры, спирты, альдегиды, кислоты) и др. Состав и содержание примесей зависит от вида сырья, его качества, режимов его переработки в ходе технологического процесса.
Для выделения спирта из бражки и его очистки применяется ректификация. Ректификацией называется процесс разделения смеси, состоящей из двух или большего числа компонентов, кипящих при разных температурах. При кипении такой смеси компонент с более высокой упругостью пара (более летучий) переходит в паровую фазу в относительно больших количествах, а паровая фаза обогащается более летучим компонентом. Температура кипения этого компонента при постоянном давлении ниже. Поэтому при кипении смеси летучих компонентов паровая фаза обогащается компонентом, имеющим более низкую температуру кипения. В водно-спиртовом растворе упругость паров спирта при любой температуре значительно выше упругости паров воды. Вследствие этого содержание спирта в парах больше, чем в кипящем водно-спиртовом растворе.
Очистка спирта от примесей путем перегонки основана на различии коэффициентов их испарения. Коэффициентом испарения называется отношение концентрации данного вещества в паровой фазе к концентрации в жидкой фазе. Коэффициенты испарения отдельных примесей отличаются один от другого и изменяются в зависимости от содержания этилового спирта. Для определения возможности очистки этилового спирта от примесей необходимо сравнить коэффициент испарения примесей с коэффициентом испарения этилового спирта.
При коэффициенте ректификации, равном единице, перегонка неэффективна, так как дистиллят после нее остается без изменения. Если коэффициент ректификации больше единицы, то в дистилляте больше примесей, чем в первоначальной смеси. Если коэффициент ректификации меньше единицы, то в дистилляте меньше примесей, чем в перегоняемой смеси. Для головных примесей коэффициент ректификации больше единицы, для хвостовых - меньше.
Очистку спирта-сырца от примесей производят в настоящее время преимущественно на ректификационных установках непрерывного действия, в которых спирт-сырец освобождается от примесей в соответствии со значениями коэффициентов испарения. Такие установки используются на ликеро-водочных заводах, где основным сырьем является спирт-сырец.
Ректификованный спирт в настоящее время на спиртовых заводах получают непосредственно из бражки на брагоректификационных установках косвенного действия. В установку входят три колонны: бражная. эпюрациопная и ректификационная. В бражной колонне из бражки выделяют этиловый спирт и летучие примеси, в эпюрационной отделяют головные примеси, в ректификационной получают ректификованный спирт. В состав установки входят две дополнительные колонны - сивушная и окончательная. Сивушная колонна предназначена для выделения фракции высших спиртов (сивушное масло) и их концентрации, а окончательная колонна - для дополнительного освобождения этилового спирта от примесей.
На установке косвенного действия процесс ректификации осуществляется следующим образом. Бражку подогревают до 90°С в бражном подогревателе и подают на верхнюю тарелку бражной колонны, в которую снизу поступает греющий пар. Пары, поднимающиеся из бражной колонны, поступают в конденсатор через бражный подогреватель, где отдают тепло поступающей в бражную колонну зрелой бражке. В конденсаторе пар полностью конденсируется и полученный конденсат крепостью 45 - 55 об.% поступает в эпюрационную колонну.
Сусло из осахаривателя с концентрацией сухих веществ 20-22%, охлажденное до температуры складки 24...26 °С, перекачивается на центрифугу 1, где разделяется на две фракции. Жидкая фаза - осветленное сусло подается в бродильное отделение. Твердая фаза - дробина спиртовая с влажностью 70-75% поступает в сборник для промывки 2, который снабжен мешалкой. Сюда же подается техническая вода в соотношении 1:5 к массе дробины с температурой 50...55 °С. Смесь пребывает в сборнике 10-15 мин. Вымытый из дробины растворимый белок с промывными водами насосом 11 перекачивается на фильтр 3 для отделения от взвешенных частиц. Очищенный белковый раствор насосом перекачивается на ультрафильтрационную установку 4 с целью выделения и концентрирования белковых фракций до заданной концентрации. Отделенная промытая дробина может быть использована в качестве кормового продукта или компонента для производства комбикормов.
Пермеат из ультрафильтрационной установки направляется в сборник для пермеата 7, а белковый концентрат подается в вакуум-выпарной аппарат 5. Упаренный белковый концентрат стекает в сборник 6, откуда направляется на сушилку 8, где высушивается до влажности не более 10%. Высушенный белковый концентрат поступает в сборник 9, а затем к потребителю.
Жидкая фаза - осветленное сусло - подается в количестве 18-20% в час от полного объема в головной бродильный аппарат 10 и далее в бродильные аппараты 12. Диоксид углерода из бродильных аппаратов проходит через спиртоловушку (14).
Температура в первом аппарате 26...27 °С, во втором 28 °С, в третьем 29...30 °С, в последующих 27...28 °С. Продолжительность брожения 52-54 ч.
Зрелая бражка из последнего бродильного аппарата 12 насосом 11 перекачивается в передаточную емкость 13, откуда подается на БРУ. Бражка, предварительно подогретая в дефлегматоре 16, поступает в бражную колонну 15. В холодильнике 17 образуется бражной дистиллят.
Технология переработки послеспиртовой барды
Барда - основной отход производства этилового спирта. В настоящее время на большинстве спиртовых заводов мира барду тем или иным образом перерабатывают, в основном на корма. Перевозить непереработанную барду невыгодно: большое содержание жидкости и довольно низкое - ценных веществ делает транспортировку этих отходов нерентабельной.
Предлагаемые технологии переработки барды можно условно разделить на четыре основные технологические схемы: · Схемы с выпарными станциями.
· Схемы с аэробной микробиологической переработкой жидкой фазы с получением кормовых дрожжей;
· Схемы с метантанками с получением биогаза.
· Комбинированные схемы. В их основу положены известные и уже успешно зарекомендовавшие себя технологические приемы - разделение жидкой и твердой фазы на центрифугах, выращивание кормовых дрожжей на субстрате, сушка продукции.
Схемы с выпарными станциями
Технология «упаривания фугата» в выпарных станциях самая распространенная в мире. Привлекательная простота технического оформления не снимает, однако, проблем: стоимость выпарных станций и вспомогательного оборудования достаточно высока, процесс выпарки требует значительных энергетических затрат, а утилизация получаемого конденсата становится отдельной задачей.
В России полный цикл переработки барды реализован только на одном спиртовом заводе (ОАО «Татспиртпром» филиал «Буинский спиртзавод»). На ряде спиртовых заводов ФГУП «Росспиртпром» реализован усеченный цикл переработки барды в продукт. В этом случае перерабатывается только твердая фаза барды - «кек», а «фугат» сливается.
Схемы с получением кормовых дрожжей
Со второй половины XX века в качестве кормовой добавки в животнов
Вывод
Технология производства спирта - это многоэтапный технологический процесс.
В данной работе рассмотрены производство спирта из зерна и из мелассы.
Технология производства спирта состоит из различных по характеру и происхождения операциям от механических (подготовка сырья) до тепло-массообменных (ректификация), а также использование ферментов микробиологического и биологического происхождения вместе с дрожжами.
Список литературы
1. Процессы и аппараты пищевой промышленности. В 2-х книгах. - М.: "КОЛОСС", 2004.
2. Технология спирта / Яровенко В.Л., Маринченко В.А., Смирнов В.А. - М.: "Колос", "Колос - пресс", 2002.
3. Рынок спирта: история, перспективы, прогнозы // "Спиртные напитки и пиво" журнал/Степанец М., №7, июль 2006, стр.61
4. Ректификационные установки // "Спиртные напитки и пиво" журнал/ №10, октябрь 2008.
Размещено на
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
