Физическая модель осахаривания в производстве спирта. Сахаристые гидролизаты крахмала

Злаковые культуры - это основное сырье для производства спирта и получения дистиллята. Прежде всего, это ячмень, овес, рис, кукуруза, пшеница и т.д. Используют их по нескольким причинам:

• Относительно небольшая стоимость
• Приятный органолептический профиль получаемого продукта
• Высокий выход спирта

Традиционная брага делается из сахара и дрожжей. Дрожжи нужны, чтобы расщепить сахар, в результате чего образуется спирт. Однако в зерне сахара как такового нет, зато много крахмала. Чтобы получить брагу из зерна, крахмал нужно разрушить ферментами. Это белковые вещества, которые делают возможными или ускоряют химические реакции, нужные для образования спирта. Ферменты содержатся в пророщенном зерне (солоде) и продаются как препараты в чистом виде.

Следовательно, есть три способа сделать зерновую брагу:

1. Использовать солод, чтобы осахарить крахмал в зерне. Так можно осахарить до 40% от засыпи не соложенного зерна.
2. Прорастить зерно, чтобы ферменты накопились в нем естественным образом. То есть сделать солод.
3. Использовать фермент в виде препарата и несоложеное сырье.

Второй способ дешевле и позволяет получить результат быстрее.

Строение зерна

Чтобы понять, как именно перерабатывается зерно при затирании, необходимо разобраться в его строении. Рассмотрим на примере ячменя.

Внутреннее строение зерна ячменя

1-зародыш стебля, 2-зародыш листа, 3-зародыш корня, 4-щиток, 5-слой эпителия, 6-эндосперм, 7-пустые израсходованные клетки, 8-алейроновый слой, 9-семенная оболочка, 10-плодовая оболочка, 11-мякинная оболочка

Зерно ячменя представляет собой зерновку, оболочка которой состоит из нескольких клеточных слоев.

Оболочки объединяются в мякинную (или цветочную) - наружная оболочка, плодовую (или перикарп) и семенную (или теста).

Мякинная оболочка у большинства ячменей срастается с зерновкой. Мякинная оболочка очень прочная, именно она предохраняет зерно от механических повреждений. В основном состоит из целлюлозы, небольшого содержания кремниевой кислоты, липидов и полифенольных соединений.

Под мякинной оболочкой находятся сросшиеся плодовая и семенная оболочки . Семенная оболочка полупроницаема, она хорошо пропускает воду, но задерживает растворенные в воде вещества. Это свойство семенной оболочки позволяет обрабатывать зерно водой с различными химическими веществами, которые не проникают в зерно и не повреждают зародыш.

Эндосперм (мучнистое тело) покрыт алейроновым слоем. Он состоит из многочисленных клеток, богатых белками. В прорастающем ячмене алейроновый слой является местом образования ферментов.

Основными компонентами клеточных стенок алейронового слоя являются некрахмалистые полисахариды - пентозаны (70%) и β-глюкан (30%).

Мучнистое тело (эндосперм) занимает всю внутреннюю часть зерна, состоит из крахмальных зерен разного размера. Около 98 % сухого вещества зерен приходится на крахмал.

Химический состав

Белковых веществ в ячмене в среднем содержится 10,5-11%.

В ячмене белки содержатся:

1. алейроновом слое - в виде ферментативного белка (альбумины и глобулины);
2. На наружной стороне эндосперма - резервный белок (проламины);
3. эндосперме - тканевый белок (глютелины).

По своему аминокислотному составу белки ячменя относятся к достаточно полноценным (в зерно ячменя входит более 20 аминокислот).

Углеводы представлены моно- и полисахаридами, главным образом крахмалом, содержание которого колеблется от 50 до 64%. Клетчатки содержится 5–6%, сахаров и декстринов до 6% (в том числе до 2% сахарозы и 0,4% непосредственно редуцирующих сахаров), жира - 2,1–2,6%, минеральных веществ - 2,5–3,5%. Большая часть клетчатки и минеральных веществ сосредоточена в пленке и оболочках зерна.

Зерно в производстве спирта: теория

Зерно ячменя обладает высокой активностью ферментов (амилазы, протеазы и пероксидазы), поэтому является хорошим материалом для приготовления солода.

Богатый химический состав предопределяет использование злаков в качестве исходного сырья для производства спирта. Эти вещества являются питательными компонентами для дрожжей, а следовательно брожение в данной среде будет проходит гораздо лучше и конечный продукт будет обладать отличной вкусоароматикой.

Основным источником спирта при брожении являются углеводы. В зерне они представлены крахмалом. Дрожжи перерабатывают на спирт только моно, дисахариды и некоторые декстрины. Крахмал является полисахаридом, состоящим из амилозы и амилопектина. Дрожжи перерабатывают крахмал только при условии разрушения молекулы на простые углеводы (моно и дисахариды). Именно для этого процесса необходимы ферменты.

Температура клейстеризации крахмала – температура при которой происходит набухание и разрушение структуры крахмальных зерен, этот процесс позволяет ферментам произвести полное осахаривание крахмала.

Соответственно если температура клейстеризации выше рабочей температуры фермента, то сначала проводят отварку (нагрев затора до 90-100 градусов) для набухания и разрушения структуры крахмальных зерен, затем производят охлаждения до рабочей температуры и вносят фермент.

Что такое фермент

Ферменты - это биологические катализаторы белковой природы, способные активизировать различные химические реакции в живом организме.

Проще говоря это белковые молекулы, которые ускоряют химические реакции, если поместить их соответствующие условия (температура и рН). У каждого фермента эти условия индивидуальны.

По специфичности воздействия на различные высокомолекулярные полимеры зерна ферментные препараты можно поделить на 3 группы.

1. Амилолитического действия - способствуют гидролизу крахмала. К ним относятся ферменты разжижающего, декстринирующего и осахаривающего воздействия.
2. Протеолитического действия - разрушают (гидролизуют) белковые молекулы.
3. Целлюлолитического действия - гидролизуют некрахмалистые полисахариды, например целлюлозу.

По происхождению

1. Нативного происхождения - образуются в зерне при проращивании;
2. Микробиального происхождения - полученные с помощью плесневых грибов;
3. Бактериального происхождения - культивированы бактериями

Так же ферменты делятся на жидкие и сухие.

Если использовать микробиальные и бактериальные ферменты, отпадает необходимость в соложении зерна. К тому же данные ферменты обладают более широким температурным диапазоном действия по сравнению с нативными.

Есть два способа переработать зерновые культуры, чтобы расщепить крахмал на сахара:

1. Затирание с помощью нативных ферментов содержащихся в пророщенном зерне. Этот процесс является классической технологией производства заторов. Но он является довольно трудоемким, включающим в себя проращивание зерна, передерживание температурных границ при затирании, так же пророщенное зерно на порядок выше в цене обычного зерна.
2. Затирание с помощью ферментов полученных бактериально. Данный метод является прогрессирующим и набирающим все большую популярность. Его основным преимуществом является относительная дешевизна и простота в использовании. Бактериальные ферменты позволяют использовать непророщенное зерно, что снижает конечную стоимость готовой продукции а так же экономит время и силы. Так же бактериальные ферменты имеют более широкий температурной диапазон действия что позволяет расширить область его применения в технологическом процессе.

Ферменты в магазинах «Доктор Губер»

Чтобы переработать зерно в домашних условиях в первую очередь необходимы ферменты амилолитического действия. У нас они представлены следующими ферментами:

1. Амилосубтилин - ферментный препарат мезофильной бактериальной α-амилазы. Гидролизует внутренние α-1,4-гликозидные связи крахмала (амилозы и амилопектина) и продуктов их последовательного расщепления, что приводит к быстрому снижению вязкости клейстеризованных растворов крахмала на стадии разжижения, тем самым, обеспечивая подготовку сусла к действию глюкоамилазы. Активность составляет 1500 ед.Ас/г. Температурный оптимум действия 30-60°С
2. Глюкаваморин - получают путем глубинного культивирования штамма плесневого гриба Aspergillus awamori. Гидролизует α −1,4 и альфа-1,6-гликозидные связи крахмала, декстринов, олигосахаридов, последовательно отщепляя глюкозу от нередуцирующих концов цепей. Применяется для осахаривания крахмала. Активность составляет 1500 ед.Гс/г. Температурный оптимум действия 30-60 °С

Препараты представлены в сухом виде в фасовке по 20 грамм.

Для работы с непророщенным зерном этих ферментов будет достаточно.

Ферменты в производстве спирта: практика

В первую очередь готовится водный раствор. Для этого сухой препарат растворяют водой в соотношении 1:10, температура воды 25-30 градусов и тщательно перемешивают, в таком состоянии препарат хранится не более 24 часов. Далее рассчитывается необходимое количество фермента.

Активность ферментов выражается в ед./г. вещества.

• Амилосубтилин - 2-4 ед. на грамм крахмала.
• Глюкаваморин - 2-4 ед. на грамм крахмала.

Пример расчета:

При затирании в аппарате объёмом 60 литров при гидромодуле 1:3 используем примерно 15 кг зерна (предположим, что зерном в данном случае является пшеница).

В зерне пшеницы в среднем содержится от 55 до 65% крахмала (табличные данные). Возьмем среднее значение 60%.

Это значит, что в 15 кг зерна содержится: 15*0.6= 9кг крахмала.

Дана дозировка ферментов и их активность на грамм крахмала:

• 1 грамм Амилосубтилина содержит 1500 ед.Гс, дозировка 2-4ед. (среднее 3)
• 1 грамм Глюкаваморина содержит 1500 ед.Ас, дозировка 2-4 ед (среднее 3)

На 9000 грамм крахмала нам необходимо:

• 9000*3= 27000 ед.АС для снижения вязкости
• 9000*3= 27000 ед.Гс для осахаривания крахмала

Что соответствует:

• 27000/1500= 18 грамм Амилосубтилина
• 27000/1500= 18 грамм Глюкаваморина

1 пакетика 20 грамм достаточно для осахаривания 15 кг пшеницы.

Расчеты были сделаны для затирания при Т=60°С. При температурах ниже 60°С желательно увеличить дозировку фермента на 20-30%.

После расчета и подготовки препарата его вносят вместе с измельченным зерном в воду и проводят затирание.

Во многих пищевых производствах имеет место гидролиз пищевых гликозидов, олигосахаридов и полисахаридов. Гидролиз зависит от многих факторов: рН, температуры, аномерной конфигурации, комплекса ферментов. Он важен не только для процессов получения пищевых продуктов, но также и для процессов их хранения. В последнем случае реакции гидролиза могут приводить к нежелательным изменениям цвета или, в случае полисахаридов, могут приводить к неспособности их образовывать гели.

Большое внимание сейчас уделяется получению различных зерновых сахарных сиропов из дешевого крахмалсодержащего сырья и крахмала (рожь, кукуруза, сорго и др.). Их получение сводится к использованию разных комбинаций амилолитических ферментных препаратов (б-амилазы, глюкоамилазы, в-амилазы). Возможности ферментативного способа получения разных сахаристых продуктов видны на диаграммах (см. рис. 1.1). Получение глюкозы (с помощью глюкоамилазы), а затем действие глюкозоизомеразы дает возможность получения глюкозофруктозных и высокофруктозных сиропов, применение которых позволяет заменять во многих производствах сахарозу. В табл. 1.1. представлены данные по "сладости" различных сиропов.

Известно, что б-D-(1,4)-связи в крахмале легче гидролизуются, чем в-D-(1,4)-связи в целлюлозе. Кроме того, медленная реакция гидролиза целлюлозы связана с ее строением.

Рис. 1.1. Возможность получения различных сахарных сиропов из кукурузного крахмала (кислотный, кислотно-ферментативный и ферментативный способы) : а-б - кислотный гидролиз; в-г - действие грибной амилазы на кислотный гидролизат (ГЭ = 50); д-е - действие в-амилазы на кислотный гидролизат (ГЭ = 20); ж-з - действие в-амилазы на разжиженный а-амилазой (ГЭ =20) субстрат; и-к - дальнейшее действие грибной амилазы или в смеси с в-амилазой и глюкоамилазой

При получении сахарных сиропов из крахмала степень конверсии крахмала в D-глюкозу измеряют в единицах глюкозного эквивалента (ГЭ) - это содержание (в %) образующихся редуцирующих сахаров, выраженное в глюкозе на сухие вещества (СВ) сиропа.

Таблица 1.1. Состав и сладость типичных высокофруктозных сиропов

Гидролиз крахмала

1. При гидролизе крахмала под действием кислот сначала имеет место ослабление и разрыв ассоциативных связей между макромолекулами амилозы и амилопектина. Это сопровождается нарушением структуры крахмальных зерен и образованием гомогенной массы. Далее идет разрыв б-D-(l,4)- и б-D-(1,6)-связей с присоединением по месту разрыва молекулы воды. В процессе гидролиза нарастает число свободных альдегидных групп, уменьшается степень полимеризации. По мере гидролиза и нарастания редуцирующих (восстанавливающих) веществ содержание декстринов уменьшается, глюкозы - увеличивается, концентрация мальтозы, три- и тетрасахаров сначала увеличивается, затем их количество снижается (см. рис. 1.2). Конечным продуктом гидролиза является глюкоза. На промежуточных стадиях образуются декстрины, три- и тетрасахара, мальтоза. Определенному значению глюкозного эквивалента соответствует определенное соотношение этих продуктов, и, варьируя длительностью гидролиза и условиями его проведения, можно получать различные соотношения отдельных продуктов гидролиза при той или иной величине глюкозного эквивалента.

Рис. 1.2.

Кислотный гидролиз долгое время был главным при получении глюкозы из крахмала. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, которые связаны с использованием высоких концентраций кислот и высокой температуры, что приводит к образованию продуктов термической деградации и дегидратации углеводов и реакции трансгликозилирования.

2. Крахмал гидролизуется также и под действием амилолитических ферментов. К группе амилолитических ферментов относятся б- и в-амилаза, глюкоамилаза, пуллуланаза и некоторые другие ферменты. Амилазы бывают двух типов: эндо- и экзоамилазы. Четко выраженной эндоамилазой является б-амилаза, способная к разрыву внутримолекулярных связей в высокополимерных цепях субстрата. Глюкоамилаза и в-амилаза являются экзоамилазами, т. е. ферментами, атакующими субстрат с нередуцирующего конца.

б-Амилаза, действуя на целое крахмальное зерно, атакует его, разрыхляя поверхность и образуя каналы и бороздки, то есть как бы раскалывает зерно на части (см. рис. 1.3). Клейстеризованный крахмал гидролизуется ею с образованием не окрашиваемых иодом продуктов - в основном низкомолекулярных декстринов. Процесс гидролиза крахмала многостадийный. В результате воздействия б-амилазы на первых стадиях процесса в гидролизате накапливаются декстрины, затем появляются неокрашиваемые иодом тетра- и тримальтоза, которые очень медленно гидролизуются б-амилазой до ди- и моносахаридов.

Рис. 1.3.

Схему гидролиза крахмала (гликогена) а-амилазой можно представить так:

в-Амилаза (б-1,4-глюканмальтогидролаза) является экзоамилазой, проявляющей сродство к предпоследней б-(1,4)-связи с нередуцирующего конца линейного участка амилозы или амилопектина (см. рис. 1.4). В отличие от б-амилазы, в-амилаза практически не гидролизует нативный крахмал; клейстеризованный крахмал гидролизуется до мальтозы в в-конфигурации. Схему можно записать следующим образом:

пища гидролиз крахмал полисахарид

Рис. 1.4.

Глюкоамилаза б-(1,4)-глюканглюкогидролаза является экзоферментом, катализирующим последовательно отщепление концевых остатков б-D-глюкозы с нередуцирующего конца крахмальной цепи. Многие глюкоамилазы обладают способностью так же быстро, как и б-1,4-связь, гидролизовать б-1,6-глюкозидные связи. Но это происходит только в том случае, когда за б-1,6-связью следует б-1,4-связь, поэтому декстран ими не гидролизуется. Отличительной особенностью глюкоамилаз является способность в десятки раз быстрее гидролизовать высокополимеризованный субстрат, чем олиго- и дисахариды.

Рис. 1.5.

Схематически механизм действия глюкоамилазы на крахмал представлен на рис. 1.5.

Ферментативный гидролиз крахмала присутствует во многих пищевых технологиях как один из необходимых процессов, обеспечивающих качество конечного продукта - в хлебопечении (процесс тестоприготовления и выпечки хлеба), производстве пива (получение пивного сусла, сушка солода), кваса (получение квасных хлебцев), спирта (подготовка сырья для брожения), различных сахаристых крахмалопродуктов (глюкозы, патоки, сахарных сиропов). На рис. 1.6 представлен состав различных сахарных сиропов, полученных кислотно-ферментативным способом - предварительная обработка кислотой, а затем действием ферментов б-, в- и (или) глюкоамилазы. Использование такого комбинированного способа гидролиза крахмала открывает широкие возможности для получения сиропов заданного состава.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МУЛЬТИЭНЗИМНОГО КОМПЛЕКСА ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ ООО «РУСФЕРМЕНТ» НА РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНОГО СЫРЬЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СПИРТА

Компания ООО «РУСФЕРМЕНТ» располагает большим ассортиментом ферментных препаратов широкого спектра действия. Имея такой ассортимент, удается подобрать мультиэнзимный комплекс препаратов, который позволяет гидролизовать как крахмалистую часть зерна, так и некрахмалистые полисахариды и белок.

Основной составляющей зерновых культур, используемых для производства спирта, является крахмал. Этот полисахарид (α-1,4-глюкан) имеет высокую молекулярную массу и состоит из 10000-100000 глюкозных остатков, связанных химическими α-глюкозидными связями в длинные цепи. Крахмал состоит из линейной амилозы (чистый α-1,4-глюкан) и разветвленного амилопектина (α-1,4-глюкан, содержащий 5-6 % α-1,6-связей), причем соотношение между ними варьируется в зависимости от вида зерна. В растительной клетке крахмал находится в виде крахмальных зерен, которые окружены оболочкой из трудногидролизуемых некрахмальных полисахаридов – целлюлозы, ксиланов (пентозанов) и бета-глюканов.

В процессе водно-тепловой обработки зерна основная часть крахмала переходит в раствор, и как следствие, на несколько порядков, возрастает вязкость (эффект клейстеризации).При этом часть крахмала остается в исходном состоянии, поскольку некрахмальные полисахариды (НПС), образуют пространственную сетку вокруг зерен крахмала и препятствуют его выходу в раствор.

Расщепление крахмала до глюкозы под действием ферментов можно разделить на 3 этапа. На первом происходит набухание зерен крахмала и растворение полимерной молекулы.

На втором этапе крахмал расщепляется под действием фермента альфа-амилазы с образованием декстринов (олигосахаридов, имеющих молекулярную массу меньше, чем исходный крахмал).

На третьем этапе декстрины под действием фермента глюкоамилазы превращаются в глюкозу и мальтозу, которые затем сбраживаются дрожжами в спирт.

Альфа-амилазы по механизму своего действия на субстрат (крахмал) относятся к классу эндополимераз, они осуществляют хаотический гидролиз внутренних связей в полимерной молекуле крахмала.

Глюкоамилазы, напротив, относятся к классу экзополимераз, они атакуют субстрат с конца, последовательно отщепляя глюкозные (и мальтозные) остатки от более крупных молекул.

Глюкоамилазы проявляют наибольшую активность по отношению к небольшим молекулам мальтодекстринов, содержащих 5-50 глюкозных остатков, и очень незначительную активность по отношению к исходному крахмалу.Именно поэтому глюкоамилазы применяются после частичного разрушения крахмала под действием альфа-амилаз.

В различных видах зерна содержание и состав крахмальной части и некрахмалистых полисахаридов (НПС) может различаться (таблица 1). НПС, несмотря на сходство с крахмалом, не могут гидролизоваться под действием амилаз. Поэтому, для повышения степени утилизации крахмала и, естественно, увеличения выхода спирта, целесообразно применять ферментные препараты, гидролизующие НПС.

Для гидролиза пентозанов применяются препараты, содержащие фермент ксиланазу, для гидролиза бета-глюканов – β-глюконазу, для гидролиза целлюлозы – целлюлазу. Наиболее целесообразно применять ферментные препараты, содержащие в своем составе комплекс ферментов, гидролизующих НПС.

Таблица 1 Содержание основных компонентов углеводов в зерновом сырье (%).

Зерно	Крахмал	Пентозаны	β-глюкан	Целлюлоза	Сахара	Белок	Жир
Пшеница	55-65	6,0-6,6	0,7-0,8	2,5-3,0		9-15(до25)	1,7-2,3
Рожь	52-60	8,7-10,0	2,2-2,8		2,2-2,8	10-12
Ячмень	53-57		5,7-7,0
Кукуруза	60-65					8-12	4,0-8,0

Также известно, что при водно-тепловой обработке зернового сырья часть белка переходит в раствор, а его большая часть образует стойкие гели с некрахмалистыми полисахаридами. В последнее время возросла доля белка в зерне - в пшенице доходит до 25% , а во ржи до 15%. Нерастворенный белок является источником инфекции, откладывается на оборудовании и в виде нагара на БРУ. Поэтому, гидролиз зернового белка – производственная необходимость, позволяющая:

Сохранить аминокислоты
- снизить пенообразование
- облегчить мойку оборудования
- увеличить доступ амилолитических ферментов к субстрату
- повысить выход спирта

На сегодня производственниками все чаще используются протеолитические ферменты и эффект от их применения очевиден.

Таким образом, на основании приведенных данных по составу зерна и используемых ферментных препаратов с широким диапазоном действия нашей компании, нами разработаны таблицы оптимизации внесения ферментных препаратов для различных схем водно-тепловой обработки.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Этиловый спирт находит широкое применение в народном хозяйстве в качестве растворителя, также применяется в производстве дивинила, в пищевой и медицинской промышленности, в качестве горючего для ракетных двигателей, антифриза и т.д., является важным промежуточным продуктом органического синтеза (в производстве сложных эфиров, целлулоида, искусственного шелка, ацетальдегида, уксусной кислоты, хлороформа, хлораля, диэтилового эфира и других продуктов).

Таким образом, этиловый спирт относится к числу многотоннажных продуктов основного органического синтеза, мировое производство этилового спирта составляет свыше 2,5 млн. т/г (по объему производства занимает первое место в мире среди всех органических продуктов).

Суть биохимической технологии приготовления спирта состоит в следующем: вначале крахмалосодержащее сырье измельчают и разваривают до полного разрушения структуры клеток и растворения крахмала, содержащегося в них. Затем растворенный крахмал «осахаривают», то есть подвергают гидролизу под действием ферментов солода или микробных ферментных препаратов. Потом полученное «осахаренное» сусло сбраживают спиртовыми расами дрожжей. При этом происходит расщепление глюкозы под действием ферментов дрожжей. Основными продуктами брожения являются этиловый спирт и углекислый газ. Зрелая бражка содержит также побочные вторичные продукты брожения» альдегиды, кетоны, спирты сивушного масла, глицерин, карбоновые кислоты и др.

Для выведения и очистки спирта из бражки специалисты завода пользуются методами брагоректификации, обладая при этом уникальной брагоректификационной установкой, оснащенной автоматизированной системой управления, что позволяет исключить влияние человеческого фактора и, тем самым, значительно повысить качество спирта.

Брагоректификационные процессы проходят в несколько стадий, во время которых спирт концентрируется и освобождается от определенной части примесей. В результате получается ректификованный (очищенный) спирт соответствующий ГОСТу Р 51652 - 2000. Сегодня технология ректификации, разработанная специально для завода ведущими учеными России, позволяет получать спирты, которые содержат примесей на порядок меньше, чем предусмотрено ГОСТом.

1. Производство спирта

До недавнего времени производство этилового спирта основывалось на пищевом сырье - сбраживание крахмала из некоторых зерновых культур и картофеля с помощью ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками. Этот способ сохранился и до сих пор, но он связан с большими затратами пищевого сырья и не может удовлетворить промышленность. Другой метод, также основанный на переработке растительного сырья, заключается в переработке древесины (гидролизный спирт). Древесина содержит до 50% целлюлозы, и при ее гидролизе водой в присутствии серной кислоты образуется глюкоза, которую подвергают затем спиртовому брожению:

(C 6 H 10 O 5) x + xH 2 O xC 6 H 12 O 6 ,

C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 .

Синтетический этиловый спирт получают гидратацией этилена.

Гидратация этилена осуществляется двумя методами: при помощи серной кислоты (сернокислая гидратация) и непосредственным взаимодействием этилена с водяным паром в присутствии катализатора.

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.

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.

Таблица 1. Характеристика качества зерна

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 для 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).

2. Охлаждение разв аренной массы и её осахаривание

При осахаривании охлажденную разваренную массу обрабатывают солодовым молоком или ферментными препаратами для расщепления крахмала и белков. При этом основным процессом является гидролиз крахмала до сбраживаемых дрожжами Сахаров.

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 A-амилазу и глюкоамилазу. Все эти ферменты отличаются по характеру действия на крахмал и по отношению к температуре и кислотности среды. В зависимости от происхождения A-амилазы могут расщеплять крахмал только до декстринов (A-амилазы бактериального происхождения) или образуют и декстрины, и сахара (большинство A-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.

3 . 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.

4 . Отгонка спир та 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. операционная и ректификационная. В бражной колонне из бражки выделяют этиловый спирт и летучие примеси, в операционной 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 операционную колонну.

Заключение

спирт этиловый гидролиз ректификация

Производство качественного пищевого спирта в нужных объемах нуждается в постоянном наличии сырья, будь то зерно или картофель.

Технология производства спирта - это многоэтапный технологический процесс.

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.

Не смотря на давность становления технологии производства, существует множество способов усовершенствования производства и увеличения выхода и качества продукции: модернизации старого оборудования, разработка новых аппаратов, улучшение штаммов микроорганизмов и дрожжей, ведение селекционной работы по получению высококачественного сырья.

Литература

Общая химическая технология: Учебник для химико-технологических специальностей. Т. 2.

Важнейшие химические производства. / Мухленов И.П., Авербух А.Я., Кузнецов Д.А. и др. Под редакцией И.П. Мухленова. - М.: Высш. шк., 1984.

Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: Химия, 1992.

Кононова Г.Н., Сафонов В.В. Учебно-методическое пособие «Производство этилового спирта прямой гидратацией этилена».

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Получение этилового спирта сбраживанием пищевого сырья. Гидролиз древесины и последующее брожение. Получение этилового спирта из сульфитных щёлоков. Сернокислотный способ гидратации этилена. Физико-химические основы процесса. Отделение гидратации этилена.

дипломная работа , добавлен 16.11.2010


Исходное сырье для производства этилового спирта и способы его получения. Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилового спирта. Описание технологической схемы процесса производства, расчет основных технологических показателей.

курсовая работа , добавлен 04.01.2009


Технологические особенности и этапы, сырьевая и материальная база для изготовления этилового спирта в химической промышленности, его главные физические и химические свойства, направления практического использования. Гидратация этилена и ее схема.

курсовая работа , добавлен 16.10.2011


Определение спиртов, общая формула, классификация, номенклатура, изомерия, физические свойства. Способы получения спиртов, их химические свойства и применение. Получение этилового спирта путем каталитической гидратации этилена и брожения глюкозы.

презентация , добавлен 16.03.2011


Описание процесса производства изопропилового спирта методом сернокислой гидратации пропилена. Характеристика сырья и готовой продукции. Расчет холодильника, материального и теплового баланса колонны. Технико-экономические показатели работы установки.

дипломная работа , добавлен 27.11.2014


Методы получения целевого продукта. Термодинамический анализ реакции. Восстановление карбоновых кислот. Реакция глицерина с щавелевой кислотой. Гидрирование пропаргилового спирта. Селективное гидрирование акролеина или пропаргилового спирта над палладием.

дипломная работа , добавлен 18.05.2011


Основные химические свойства ацетона и изопропилового спирта, области применение и влияние на человека. Получение изопропилового спирта из ацетона. Тепловой и материальный баланс адиабатического РИВ и РПС. Программы расчёта и результаты, выбор реактора.

курсовая работа , добавлен 20.11.2012


Производство ацетона брожением крахмала. Производство ацетона из изопропилового спирта. Обоснование создания эффективной ХТС. Определение технологической топологии ХТС. Построение математической модели ХТС. Свойства и эффективность функционирования.

курсовая работа , добавлен 12.02.2009


Физические и химические свойства спиртов, их взаимодействие с щелочными металлами. Замещение гидроксильной группы спирта галогеном, дегидратация, образование сложных эфиров. Производство этилового, метилового и других видов спиртов, области их применения.

презентация , добавлен 07.04.2014


Промышленное производство бутадиена из этилового спирта в присутствии бифункционального катализатора. Характеристика бутадиена и область его применения. Подготовка алюмохромового катализатора к работе. Продукт термохимической активации гидраргиллита.

Подготовка ферментных препаратов: глубинную культуру плесневых грибов или бактерий дезинфицируют формалином; сухую поверхностную культуру смешивают с водой температурой 28-30 єС в соотношении 1:1. Затем ее тщательно измельчают на дробилках, добавляют воду в количестве 3-4 дм 3 на 1 кг препарата, дезинфицируют раствором формалина, выдерживают 25-30 мин и направляют на осахаривание.

Расход поверхностной культуры - 5 % к массе крахмала разваренной массы. Можно использовать смесь сухой культуры ферментных препаратов и солода. Их вместе измельчают и готовят суспензию наподобие солодового молока. При осахаривании крахмала в спиртовом производстве необходимо достичь полного его гидролиза до сбраживаемых сахаров. На практике осахаривание протекает на нескольких технологических стадиях:

• - при разваривании сырья;
• - при осахаривании при оптимальной температуре для действия ферментов;
• - при брожении (температура благоприятная для жизнедеятельности дрожжей, но не ферментов).

При разваривании под действием бактериальной б-амилазы гидролиз крахмала незначителен, образуются, главным образом, декстрины.

На стадии осахаривания образуется максимальное количество сбраживаемых сахаров. Крахмал гидролизуется на 70-75 % до глюкозы и мальтозы и 25-30 % предельных декстринов. Причем если используется в качестве осахаривающего материала солод, то образуется 71-76 % мальтозы и 24-29 % глюкозы от суммы сбраживаемых сахаров; если применяют ферментные препараты, то 14-21 % мальтозы и 79-80 % глюкозы.

Некрахмальные полисахариды под действием ферментов солода почти не гидролизуются, ферментными препаратами гидролизуются в незначительной степени, что является положительным, так как возрастает количество сбраживаемых сахаров.

При осахаривании гидролизуются также белки под действием протеолитических ферментов до пептонов, полипептидов аминокислот (необходимы для питания дрожжей). Причем солод при гидролизе дает больше аминокислот, чем ферментные препараты.

Предельные декстрины доосахариваются до мальтозы в процессе брожения декстриназой солода или глюкоамилазой ферментных препаратов.

На скорость осахаривания крахмала влияют температура и рН среды. Оптимальная температура для действия амилазы солода на 2 %-й раствор картофельного крахмала составляет 53-58 єС. Однако для клейстеризации нерастворенного крахмала, вносимого с солодом, и стерилизации замеса необходима более высокая температура. При таких температурах (свыше 56 єС) амилаза инактивируется, но медленно. Поэтому осахаривание проводят при температуре 60-62 єС. Эта температура хотя и выше оптимальной, но присутствующие в заторе защитные вещества (сахара, декстрины, пептиды) предохраняют амилазу от инактивации. рН затора 4,9-5,6.

Осахаренное сусло должно иметь следующие показатели:

Полнота осахаривания определяется по йодной пробе. При использовании в качестве осахаривающего материала солодового молока цвет раствора йода с каплей фильтрата не должен изменяться. Красный цвет свидетельствует о наличии в сусле декстринов, сине-фиолетовый - о присутствии неосахаренного крахмала. Применение ферментных препаратов для осахаривания может оставлять окраску фильтрата с йодом светло-коричневой.

Доброкачественность - отношение общего количества содержащихся в сусле сбраживаемых углеводов к общей сумме растворимых сухих веществ, выраженное в процентах. Доброкачественность должна быть в пределах 76-78 %.

Кислотность выражают в градусах кислотности. 1є кислотности соответствует 1 см 3 раствора NаОН концентрацией 1 моль/дм 3 , израсходованного на нейтрализацию 20 см 3 раствора (сусла, бражки). Кислотность должна быть в пределе 0,2-0,3є, что соответствует рН 4,9-5,6. Кислотность сусла меньше 0,2є может привести к развитию посторонней микрофлоры, выше 0,4є - к инактивации ферментов.