Производство спирта

 

 

Содержание

	С.
Введение…………………………………………………………………………...	5
1 Литературный обзор ……………………………………………………………	8
1.1 Анализ способов водно-тепловой  обработки замесов……………………	8
1.2 Ферментные препараты, применяемые в процессе водно-тепловой обработки замесов………………………………………………………………...	13
1.3Применение ультразвука в отраслях пищевой промышленности ………	18
1.4 Принципиальная  схема  производства  спирта  из  крахмалистого   сырья	21
1.4.1 Характеристика сырья и осахаривающих материалов……………………	21
1.4.2 Приём, транспортирование, хранение  зерна, ферментного препарата  амилоглюкаваморина Гх и спиртосодержащих отходов ликероводочного производства……………………………………………………………………..	24
1.4.3 Спиртосодержащие отходы ликероводочного  производства…………….	26
1.4.4 Характеристика воды ……………………………………………………….	26
1.4.5 Характеристика вспомогательных  материалов …………………………...	28
1.4.6 Описание аппаратурно-технологической  схемы производства спирта…	29
1.5 Технологический процесс производства  спирта…………………………….	32
1.5.1 Подготовка сырья………………………………………………………….	32
1.5.2 Нагрев замеса в контактной  головке и непрерывное разваривание……...	34
1.5.3 Вакуум-охлаждение……………………………………………………….	35
1.5.4 Осахаривание разваренной массы и охлаждение сусла…………………..	35
1.5.5 Производственные дрожжи…………………………………………………	36
1.5.6 Сбраживание сусла………………………………………………………..	39
1.5.7 Качественные показатели зрелой  бражки………………………………….	40
1.5.8 Стерилизация, дезинфекция технологического  оборудования и производственных  помещений…………………………………………………	40
1.5.9 Дробильное отделение ……………………………………………………...	41
1.5.10 Варочное отделение ……………………………………………………..	41
1.5.11 Дрожжевое отделение……………………………………………………	42
1.5.12 Бродильное отделение…………………………………………………...	42
1.6 Нормы расхода сырья, осахаривающих и вспомогательных материалов, воды, тепла, электроэнергии……………………………………………………..	43
1.7 Расчет продуктов при производстве  спирта из зерна……………………….	47
1.8 Спецификация  основного  технологического  оборудования……………..	57
1.9 Энергетическая часть………………………………………………………….	59
2 Экспериментальная  часть……………………………………………………….	67
2.1 Объекты, материалы и методы  исследований……………………………….	67
2.2 Исследование влияния добавки  солей кальция  на активность  ферментов зерна при тепловой  обработке……………………………………………………	68
2.3 Исследование влияния добавки  солей кальция  на активность  ферментов зерна  при ультразвуковом  воздействии…………………………………………	70
2.4 Разработка способа интенсификации  процесса водно-тепловой обработки  пшеницы с использованием непрерывного  воздействия ультразвука на разваренную  массу и добавкой ионов кальция  в концентрации 0,1%...........................................................................................	73
2.5 Изучение влияния степени  помола пшеницы на физико-химические  показатели сусла при ультразвуковой  обработке разваренной массы  с добавкой ионов кальция………………………………………………………...	78
2.6 Исследование влияния ультразвуковой  обработки разваренной массы  и добавки ионов кальция на  контаминацию сусла……………….……………...	80
2.7 Сравнительная характеристика  зрелой бражки, полученной с использованием  ультразвука и добавкой ионов  кальция в процессе водно-тепловой  обработки пшеницы……………………………………………………	82
2.8 Разработка аппаратурно-технологической  схемы водно-тепловой обработки  пшеницы с использованием ультразвука…………………………...	85
Заключение………………………………………………………………………	88
Библиографический список…………………………………………………….	90

 

Введение

 

Среди приоритетных направлений  развития спиртовой отрасли на первое место в настоящее время выдвигаются  разработки, посвященные созданию энерго- и ресурсосберегающих технологий получения этанола из зерна. Для получения и сбраживания осахаренного зернового сусла необходимо крахмал и другие компоненты сырья перевести в растворённое состояние. Выбор режимов и технологических параметров получения осахаренного сусла при разработке новой технологии этанола базируется на экономических и аппаратурно-технологических аспектах производства и во многом определяется свойствами перерабатываемого сырья [1].

В существующих технологиях  спиртового производства все методы перевода крахмалсодержащего сырья  в растворимое состояние основаны на смешивании измельченного зерна  с водой и последующей многооперационной  водно-тепловой обработкой замеса под  избыточным давлением пара в агрегатах  непрерывного разваривания или по технологии низкотемпературного режима с использованием гидродинамической и ферментативной обработки с применением термостабильной α-амилазы.

Важным технологическим  показателем процесса приготовления  зернового замеса является степень  и однородность помола зерна, определяющая такие параметры, как гидромодуль, температура и продолжительность  водно-тепловой обработки. Чем большей  деструкции сырье было подвергнуто  перед обработкой, тем более экономичными могут быть эти режимы. В результате тонкого измельчения сырья увеличивается  реакционная поверхность контакта частичек зерна, все компоненты сырья  становятся более доступными воздействию  тепла, воды, ферментных препаратов [2].

 

Наиболее эффективным  и перспективным является способ с использованием электрофизической  обработки сырья. За последние годы в пищевой промышленности  разработаны  высокоинтенсивные технологии и  аппаратура, основанные на применении электрических методов обработки  зерна: электротермия, включая токи ВЧ и СВЧ, инфракрасный нагрев, электростатическое поле, ультразвук, импульсная техника. Ультразвуковая обработка сырья  в производстве спирта позволит интенсифицировать  процессы переработки крахмалсодержащего сырья, увеличить содержание сбраживаемых углеводов в сусле, увеличить выход спирта, сократить количества вносимых ферментных препаратов, снизить расход теплоэнергоресурсов и подавить развитие микроорганизмов – вредителей производства спирта [3].

В то же время для интенсификации технологии можно воздействовать на ферментную составляющую процесса, поэтому разработка способа интенсификации технологии спирта с использованием ультразвука в процессе водно-тепловой обработки пшеницы и воздействием на ферментный аппарат процесса является актуальной задачей.

Цель работы - разработка способа интенсификации производства спирта при воздействии ультразвука  и неорганических добавок на ферменты растительного и микробного происхождения  в процессе водно-тепловой обработки сырья и улучшения качества бражки за счет снижения летучих примесей спирта.

В связи с этим было исследовано  влияние добавки ионов двухвалентного металла – кальция – кофактора амилаз и протеаз на активность ферментов зерна при тепловой обработке и ультразвуковой обработке сырья и на основе полученных результатов разработать способ интенсификации процесса водно-тепловой обработки пшеницы с использованием воздействия ультразвука на разваренную массу при добавлении солей кальция.

Серия работ является продолжением способа интенсификации технологии спирта, защищенного патентом [4].

 

 

1 Литературный обзор

 

1.1 Анализ способов водно-тепловой обработки замесов

 

Основная цель водно-тепловой обработки сырья при получении  спирта – подготовка к осахариванию крахмала амилолитическими ферментами солода или микробными препаратами. Осахаривание наиболее полно и быстро происходит тогда, когда крахмал доступен для их действия (не защищён клеточными стенками), оклейстеризован и растворён, что возможно достичь следующими способами: развариванием – тепловой обработкой цельного зерна при повышенном давлении; сверхтонким механическим измельчением сырья на специализированных машинах; механическим измельчением сырья до определенных размеров частиц и последующим развариванием под давлением или без давления (комбинированный способ).

На спиртовых заводах  широко распространен один из комбинированных  способов - механико-ферментативная обработка  сырья. Сущность его заключается  в том, что измельченное сырьё (проход 80…90% через сито с отверстиями 1 мм) смешивается с водой и разжижающими ферментами, преимущественно α-амилазой, и нагревается до 60..100˚С для клейстеризации, растворения, частичного ферментативного гидролиза крахмала. Обработку проводят при постепенном или ступенчатом повышении температуры в течение нескольких часов [1]. Такая обработка сырья имеет значительные преимущества (экономическая выгодность, уменьшенные потери сбраживаемых веществ) по сравнению с развариванием целого зерна.

Все более существенное значение приобретает проведение процессов  ферментативной обработки в более «мягких условиях» при оптимальной продолжительности и пониженной температуре, способствующих снижению интенсивности химических реакций между основными компонентами среды, приводящих к образованию побочных, в том числе трудновыводимых в процессе брагоректификации вредных веществ.

При механико-ферментативной обработке основное воздействие  ферментных препаратов различного типа происходит в две стадии:

- на стадии ферментативной  обработки, направленной на декстринизацию водно-зерновой суспензии (стадия разжижения) посредством мезофильных и термостабильных α-амилаз, которая осуществляется в последовательно установленных аппаратах различных типа и конструкций;

- на стадии осахаривания, с помощью ферментов осахаривающего действия при гидролизе декстринов и олигосахаридов, полученных на первой стадии до сбраживаемых сахаров [1].

При такой комбинированной  обработке без разваривания под давлением сырьё хорошо подготавливается для дальнейшего осахаривания глюкоамилазой или солодом. Так как разваривание происходит при температуре ниже 100˚С, то это значительно снижает потери сбраживаемых веществ от перевара, существенно сокращает расход пара и повышает безопасность труда вследствие отсутствия аппаратов, работающих под давлением.

В соответствии с принятым на отечественных спиртовых заводах  типовым Регламентом процесс  получения осахаренного сусла по механико-ферментативному способу включает следующие стадии:

- смешивание измельченного  зерна с водой при гидромодуле  1:3-1:4 и внесение ферментного препарата  разжижающего действия;

- предварительная выдержка  замеса при температуре 45…50˚С в течение 20-30 мин;

- поднятие температуры  до 65…70˚С и выдержка в течение 1,5-2 ч;

- увеличение температуры  до 90…95˚С, пауза при указанной температуре в течение 1,5..2ч (дополнительная стерилизация массы при 102…105˚С предусматривается только для дефектного сырья).

Затем полученную разваренную  массу охлаждают до температуры 56…60˚С, вносят препараты осахаривающего действия и проводят осахаривание в течение 30 минут.

При «мягком» режиме разваривания, который осуществляется при температуре ниже 100 °С, процесс теплового растворения, безусловно, не является значимым, и должен быть восполнен любыми другими альтернативными способами деструкции веществ зерна, при этом очень важна степень механического и гидромеханического измельчения сырья, активность смешивания водно-зерновых масс, длительность гидротепловой и ферментативной обработки замеса, достаточность ассортимента ферментных препаратов и условия их оптимального функционирования.

Обработка сырья без использования  жестких условий его подготовки (повышенное давление, температура 120 - 140˚С) предъявляют высокие требования к качеству помола: он должен быть мелким и равномерным.

Существует еще один способ водно-тепловой обработки сырья, имеющий  принципиальные отличия от других способов как по аппаратурному оформлению, так и по виду и глубине физико-химических изменений, протекающих в обрабатываемом сырье – это экструзионно-гидролитический способ.

Экструзионная обработка крахмалсодержащего сырья – универсальный, экологически безопасный и ресурсосберегающий процесс, позволяющий получать легкоусвояемые стерилизованные продукты с улучшенными вкусовыми свойствами [5]. Однако этот процесс также нашел свое применение и в спиртовой промышленности. Этот способ переработки сырья, новый для спиртовой промышленности, а также техническое обеспечение, были предложены ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии. Они полностью исключают известные процессы разваривания крахмалсодержащего замеса при высоких температурах и охлаждение полученной массы до 60⁰С и соответственно заменяют крупногабаритную емкостную аппаратуру на специальную одностадийную установку – экструдер-гидролизатор [7].

Качественно проведенная  водно-тепловая обработка замеса может  стать предпосылкой для сокращения сроков сбраживания сусла и в  целом интенсификации всего производства.

Одним из способов интенсификации процессов осахаривания и сбраживания сусла является также повышение концентрации сухих веществ в сусле. Если повысить содержание сухих веществ в сусле на 1,5—2 %, то тем самым можно увеличить производительность бродильного отделения на 10—15 % без дополнительных капитальных затрат. Уменьшение гидромодуля замеса эффективно для спиртового производства, так как позволяет сократить расход электроэнергии, поскольку на нагрев 1 кг зерна необходимо лишь третья часть энергии, требуемой на нагрев 1 кг воды [1].

Однако известно, что замесы из помолов зерна с концентрацией  сухих веществ выше 18% при нагревании имеют повышенную вязкость и их трудно перекачивать. Если вязкость замесов  не превышает 3,0 Па·с, то замесы достаточно текучи и их транспортировка по коммуникациям  не вызывает затруднений.

В спиртовом производстве вязкость замесов играет первостепенную роль в процессе водно-тепловой обработки  замесов, поскольку подвижность  замеса определяет возможность использования  вторичного пара при подваривании замеса, величину расхода электроэнергии на перемешивание и транспортировку замеса. Также снижение вязкости дает множество других положительных эффектов, таких как улучшение условий для протекания ферментативных реакций гидролиза при водно-тепловой обработке замеса и его осахаривании, а также сокращение длительности брожения в результате положительного влияния менее вязкой среды на физиологию дрожжей.