Нетрадиционные виды сырья, используемые в спиртовом производстве

1. Нетрадиционные виды сырья, используемые в спиртовом производстве.

В спиртовом производстве существуют технологии по переработке  на спирт различных нетрадиционных видов сырья. К таким сырьевым компонентам относят в первую очередь молочную сыворотку и  топинамбур.

Использование молочной сыворотки  с целью получения пищевого этилового  спирта объясняется тем, что в  процессе переработки молока на белково-жировые  концентраты получают около 90 % сыворотки. Ее используют для силосования кормов, в хлебопекарном производстве, для  получения кристаллической лактозы  и других веществ. Однако при этом около 50 % сыворотки  остается нереализованной. Средний химический состав молочной сыворотки представлен в таблице 1. 

 

Таблица 1 – Химический состав молочной сыворотки  

 

Наименование показателей	Значение
Сухие вещества, %	6,5
Лактоза, %	4,5
Белок, %	0,5–1,1
Минеральные вещества, %	0,3–0,8

 

 

Белковые вещества сыворотки  представлены, главным образом, альбуминами  и глобулинами, сумма которых  составляет 90 % от всего количества белка. Свободных аминокислот в  сыворотке очень мало и их содержание зависит от вида сыворотки. Минеральные  вещества представлены ионами калия, натрия, кальция, магния, железа, меди, цинка  и др.

Следует отметить, что обычные  спиртовые дрожжи лактозу не сбраживают. Существует два способа переработки молочной сыворотки на спирт. Первый способ предусматривает использование при сбраживании  нативной или концентрированной сыворотки обычных или иммобилизованных специальных лактозосбраживающих микроорганизмов, чаще всего рода Kluyveromyces fragilis и Kluyveromyces Lactis.

Второй способ предусматривает  использование предварительно гидролизованной лактозы ферментом β-галактозидазой до сахаров глюкозы и галактозы, с последующим сбраживанием их дрожжами рода Saccharomyces cerevisiae.

Однако переработка нативной сыворотки на спирт экономически невыгодна, так как содержание спирта в зрелой бражке составляет всего лишь 2–2,5 % об. и сопряжено со значительными затратами теплоты на выделение его из бражки.

Более перспективным сырьем для спиртового производства является топинамбур, переработка которого обеспечивает значительно более высокий выход  этанола (в 1,5–3,5 раза), чем из картофеля  и сахарной свёклы.

Топинамбур – это многолетнее  травянистое растение высотою около  полутора метров (иногда до четырёх) с  прямым опушенным стеблем, яйцевидными  листьями и желтыми соцветиями-корзинками. На его столонах (подземных побегах) образуется много клубней цилиндрической, грушевидной или округлой формы  с выпуклыми почками (глазками), мякоть нежная, сочная, с приятным сладковатым  вкусом. Средний химический состав топинамбура представлен в таблице 2.

Таблица 2 – Химический состав топинамбура 

 

Наименование показателей	Значение
Содержание влаги, %	80,8
Содержание инулина, %	6,0–18,0
Содержание клетчатки, %	0,8
Содержание безазотистых веществ, %	14,9
Содержание сахарозы, %	6,0
Содержание белка, %	2,2–3,0
Содержание жира, %	0,2
Содержание золы, %	1,1

 

 

Наиболее важным и ценным компонентом топинамбура является инулин. Это высокомолекулярное соединение, растворимое в воде и дающее при  кислотном и ферментативном гидролизе  фруктозу.

Технология переработки  топинамбура на спирт состоит  из нескольких стадий: мойка сырья, измельчение, приготовление сусла, проведение гидролиза инулина под  действием собственных ферментов  инулаз при температуре 50–55 °С в течение 2–3 часов; охлаждение сусла до температуры брожения 22–24 °С, внесение засевных дрожжи в количестве 10 % от объема сусла и сбраживание сусла.

Таким образом, использование  топинамбура в спиртовом производстве имеет ряд преимуществ:

– исключаются траты тепла  на разваривание сырья под давлением;

– отпадает потребность  в осахаривающих материалах;

– обеспечивается достаточно высокий выход получаемого этилового  спирта.

2. Способ производства этилового спирта из молочной сыворотки

Известен способ производства этилового спирта из молочной сыворотки, предусматривающий очистку сыворотки  от белков, сбраживание ее спиртовыми дрожжами, отгонку спирта и ректификацию. 
Наиболее близким к предлагаемому является способ производства этилового спирта из молочной сыворотки, предусматривающий очистку сыворотки от жиров и казеиновой пыли, выделение белка, сгущение сыворотки под вакуумом, разделение концентрированной сыворотки на два потока, один из которых направляют на дрожжегенерацию, а другой охлаждают до температуры брожения и вводят на стадию главного брожения в логарифмическую фазу роста дрожжей, перегонку бражки и ректификацию спирта с получением барды. 
Недостатком известного способа является то, что наряду с сывороткой используется крахмалсодержащее сырье, что делает технологию более сложной: удлиняется процесс брожения и требуется значительное количество дорогостоящего зернового сырья без утилизации отходов производства. 
Цель изобретения ускорение процесса брожения за счет ведения его в стерильных условиях, улучшение качества этанола, уменьшение количества сточных вод за счет использования барды и получение наряду с высококачественным спиртом обогащенного биологически активными веществами (жиром, белком, органическими кислотами) кормового продукта, а также упрощение и удешевление процесса за счет использования только вторичного сырья молочной промышленности. 
В способе производства этанола из молочной сыворотки, предусматривающем очистку сыворотки от жира, казеиновой пыли, доведение рН до 4,4-4,6 сгущение сыворотки, разделение концентрированной сыворотки на два потока, выделение белка, при этом один из потоков направляют на дрожжегенерирование, а другой охлаждают и вводят в бродящую массу на стадию главного брожения в логарифмической фазе роста дрожжей, перегонку с получением спирта и барды и ректификацию спирта, для достижения технического результата, заключающегося в ускорении процесса брожения, улучшении качества этанола, утилизации отходов производства и получении наряду со спиртом ценного кормового продукта; от общего потока барды отделяют часть, предпочтительно половину, вводят в сыворотку, отделенную от жира и казеиновой пыли, и в полученной смеси доводят рН до изоэлектрической точки, равной 4,4-4,6, а выделение белков проводят после концентрирования смеси сыворотки с бардой при данном значении рН и нагреве концентрата до температуры коагуляции белков, при этом оставшуюся часть барды смешивают с выделенными белками, жиром, казеиновой пылью с получением кормового продукта. Следует отметить, что при внесении барды в сыворотку устанавливается рН, равное 4,4-4,6, являющееся оптимальным не только для коагуляции белка, но и для размножения дрожжей и молочнокислых бактерий, а также для образования молочной кислоты и антибиотика низина, которые играют роль дезинфицирующих веществ и обеспечивают стерильность процесса брожения с одновременным обогащением среды биологически ценными веществами, содержащимися в барде, а именно: белками, витаминами, ферментами, аминокислотами. 
Таким образом, впервые барда используется по новому назначению для регулирования рН среды с одновременным обогащением ее питательными веществами, усвояемыми дрожжами в процессе спиртового брожения. Смешивание барды с жиром и казеином позволяет рационально использовать отходы производства и обогатить готовый продукт ценными биологическими активными веществами барды, в которую входят все питательные вещества исходного сырья, перечисленные выше, наряду с белком, жиром, казеином молочной сыворотки, а также лактат кальция и другие минеральные вещества, вследствие чего барда используется как ценный кормовой продукт. Таким образом, наряду с высококачественным спиртом получается обогащенный биологически активными веществами кормопродукт при утилизации барды отхода производства спирта, сокращаются количества сточных вод и создается безотходное производство. Этот результат усиливается еще и тем, что белки выделяются из концентрированной частично сквашенной сыворотки в смеси с бардой при рН 4,4-4,6, так как при этом усиливается процесс коагуляции, увеличивается количество выделенного белка и повышается питательная ценность полученного кормового продукта, в который вводят белки сыворотки. 
Таким образом, указанные существенные признаки влияют на технический результат ускорение процесса брожения, улучшение качества этанола, уменьшение количества сточных вод за счет утилизации отходов производства и получение наряду со спиртом ценного кормового продукта. 
Способ осуществляют следующим образом. 
Молочную сыворотку очищают от казеиновой пыли и жира, вводят часть послеспиртовой барды, предпочтительно половину, доводят рН до 4,4-4,6 и направляют на концентрирование одним из известных способов, например под вакуумом, обратным осмосом. Смесь концентрированной сыворотки с бардой нагревают до температуры коагуляции белков, равной 90-95^оС, выдерживают при этой температуре 40-90 мин и очищают от белков одним из известных способов, например сепарацией, ультрафильтрацией, декантацией. 
Очищенный от белков концентрат сыворотки с бардой охлаждают до 30-32^оС и делят на два потока (в соотношении 1:2), меньший из которых пастеризуют при 80-85^оС, охлаждают до 25-30^оС, засевают маточными дрожжами и осуществляют в нем размножение дрожжей. В конце логарифмической фазы роста дрожжей в бродящую сыворотку вводят больший поток и ведут процесс сбраживания до концентрации спирта 4,5-6,8% бражку направляют на перегонку, а спирт на ректификацию. По- лученную при перегонке барду разделяют на два равных потока, один из которых смешивают с жиром, белком и казеиновой пылью, получая кормовой продукт, другой поток барды добавляют к сыворотке перед ее сгущением, устанавливая рН 4,4-4,6. 
П р и м е р 1. 100 т молочной сыворотки, содержащей 0,5% казеиновой пыли и 0,4% молочного жира, нагревают до 40^оС и сепарированием выделяют казеиновую пыль и молочный жир. Затем устанавливают рН сыворотки 4,6. Для этого в 99,2 т оставшейся молочной сыворотки с рН 5,0, содержащей 6,0% СВ, 4,5% лактозы, 0,84% белков, 0,5% минеральных веществ, 0,1% молочного жира, вводят 17,0 т послеспиртовой барды, смесь пастеризуют при 70^оС в течение 15 мин, охлаждают до 28^оС и засевают 3% 12-часовой закваски Streptococcus lactis. Сквашивание осуществляют в течение 12 ч до достижения рН 4,6. Полученную смесь, обогащенную антисептиком низином и молочной кислотой, содержащую 5,54% СВ и 3,83% лактозы, в количестве 116 т направляют на концентрирование под вакуумом. После концентрирования до 15% СВ концентрат в количестве 38,6 т нагревают до 90^оС, выдерживают при этой температуре 40 мин, а затем отделяют белки декантацией, получая 4,6 т лактозно-белкового концентрата. Подготовленный концентрат в количестве 34 т охлаждают до 30^оС, вводят 0,01% формалина и делят на два потока в соотношении 1:2, из которых одну часть направляют на дрожжегенерацию, а две части на брожение. На стадии дрожжегенерации сыворотку пастеризуют при 85^оС, охлаждают до 30^оС, вводят диаммонийфосфат и олеиновую кислоту в количестве 0,05 кг, засевают маточными дрожжами вида Candida pseudotropicalis, гидролизующими лактозу, и осуществляют процесс дрожжегенерации. В конце логарифмической фазы роста дрожжей в бродящую массу вводят больший поток и ведут брожение при 30^оС в течение 40 ч до концентрации спирта 6,8% Бражку с концентрацией спирта 6,8% направляют на перегонку с получение барды, которую разделяют на две части: 50% возвращают в процесс, смешивают с сывороткой, отделенной от жира и казеиновой пыли, для доведения рН до изоэлектрической точки 4,4, а 50% смешивают с отделенными белками, казеиновой пылью и жиром, получая кормовой продукт, содержащий 8% СВ, 2,4% протеина, 0,5% лактозы, 0,2% жира и до 3% органических кислот. Выход спирта составляет 59,18 дал и 1 т лактозы. 
П р и м е р 2. Способ осуществляют по примеру 1, только в качестве исходного сырья берут 100 т казеиновой сыворотки с рН 4,3, рН доводят до 4,6 путем введения в смесь сыворотки с бардой раствора едкого натра до необходимого значения рН. 
П р и м е р 3. Способ осуществляют по примеру 1, только в качестве сырья берут 100 т творожной сыворотки с рН 4,8. рН устанавливают равным 4,4 путем кратковременной выдержки в смеси с бардой в течение 20 мин. 
П р и м е р 4. Способ осуществляют по примеру 1, только в качестве сырья используют подсырную сыворотку с рН 5,5. рН доводят до значения 4,6 путем выдержки ее в смеси с бардой в течение 24 ч, при этом происходит сквашивание и установление необходимого значения рН. Следует отметить, что наиболее оптимальным количеством барды, добавляемой к сыворотке для доведения рН до 4,4-4,6, является половина ее количества. Можно несколько увеличить это значение, например до 55% или уменьшить, например до 45% Однако, если вводить меньше, например 40% то сыворотка будет недостаточно обогащена биологически активными веществами барды и рН не достигнет изоэлектрической точки; если же вводить более 55% то никакого нового эффекта наблюдаться не будет. 
Таким образом, предпочтительным количеством вводимой на стадии доведения рН барды является половина ее потока. рН 4,4-4,6 совпадает с изоэлектрической точкой лактозо-альбуминовой фракции белков молочной сыворотки и обеспечивает их быструю коагуляцию. 
              Таким образом, введение барды позволяет наряду с оптимизацией рН, при которой происходит коагуляция белков сыворотки, обогатить среду биологически активными веществами барды, потребляемой дрожжами в процессе спиртового брожения, в результате чего ускоряется процесс брожения в 1,5 раза по сравнению с прототипом, так как процесс идет в стерильных условиях без нарастания кислотности; использовать в качестве сырья только молочную сыворотку вторичный продукт молочного производства, снизить количество сточных вод за счет утилизации барды и получить высококачественный кормовой продукт, содержащий сухие вещества, протеин, лактозу, органические кислоты, а также улучшить качество этанола за счет чистоты брожения и обогащения его биологически активными веществами молочной сыворотки.

3. Способ производства  этилового спирта из топинамбура

Известен способ производства этилового  спирта из топинамбура, предусматривающий  измельчение клубней, подогрев измельченной массы, выдержку, охлаждение до температуры  брожения, введение дрожжей и сбраживание.

Недостатком этого способа является длительность процесса сбраживания  и невысокий выход спирта. Так  как содержащаяся в сырье инулиназа нетермостабильна и значительно инактивируется в ходе технологического процесса, а спиртовые дрожжи S. cerevisiae не содержат данного фермента, что не позволяет полно и глубоко деполимеризовать полифруктозы топинамбура. 
Известен способ производства этилового спирта из топинамбура, включающий кислотный гидролиз измельченной массы минеральной кислотой и сбраживание дрожжами.

К недостаткам известного способа  относится то, что при производстве спирта по описываемой технологии процесс осахаривания ведут в жестких условиях (pH= 2,0; t=124^oC), что сопровождается деградацией образовавшейся фруктозы, ведет к снижению выхода спирта из единицы сырья при одновременном ухудшении качества бражки. 
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства этилового спирта из топинамбура, включающий измельчение клубней, кислотный гидролиз в мягких условиях (разбавленной серной кислотой при температуре 45^oC) при одновременном асептировании сусла. Далее сусло нагревают до температуры 75-85^oC, гомогенизируют в течение 3-4 часов, охлаждают и сбраживают.

К недостаткам известного способа  относятся его сложность и  пониженное качество бражки, т.к. процесс  деполимеризации полифруктозидов (гидролиз) топинамбура идет под действием минеральной кислоты и механического воздействия. 
Техническим результатом настоящего изобретения является значительное упрощение процесса, интенсификация отдельных технологических стадий, улучшение качества бражки за счет повышения в ней содержания этанола и снижения содержания летучих примесей. 
Для этого в способе производства спирта из топинамбура гидролиз измельченной массы идет под действием собственных инулиназ сырья при оптимальных параметрах процесса (pH=5,6-6,0, что соответствует естественному значению кислотности сока из топинамбура и температуре 50-55^oC) в течение 2-3 часов. 
Для дополнительной активации ферментов в среду вводят ионы Ca⁺² в виде сульфата. При этом степень гидролиза полифруктозидов достигает 70-80%. Сбраживание сусла ведут спиртовыми дрожжами S. cerevisiae поэтапно адаптированными при пересевах к нетрадиционному для них инулинсодержащему сырью. При сбраживании идет одновременно дальнейшее образование фруктозы из инулина под действием инулиназ топинамбура (pH среды не меняется, вместо подкисления сусла для поддержания асептических условий процесса проводят его обработку формалином) и превращение ее под действием ферментов спиртовых дрожжей в этанол. В бражке накапливается максимальное количество спирта при минимальном содержании летучих примесей. Последние образуются при жестких режимах обработки топинамбура и снижении кислотности сусла. 
Способ осуществляют следующим образом. Топинамбур моют, измельчают, измельченное сырье смешивают с водой, добавляют соль сульфата кальция. Измельченную массу гидролизуют под действием собственных инулиназ при естественном pH среды самого топинамбура, температура 50-55^oC в течение 2-3 часов. 
Далее производственные дрожжи готовят путем поэтапного пересева на среды со снижением в них доли традиционного крахмалосодержащего компонента. 
На первом этапе готовят солодовое сусло с концентрацией 11% с. в., вводят засевные дрожжи. 
Выращивание проводят при 28-30^oC в течение 20-24 часов. Дальнейшее размножение дрожжей ведут на средах с постепенной увеличивающейся долей замены солодового сусла на фильтрат гидролизата топинамбура, полученный на стадии гидролиза. 
Последний этап выращивания дрожжей ведут на чистом фильтрате гидролизата топинамбура. После гидролиза сусло из топинамбура охлаждают до 22-24^oC, вносят для асептирования формалин, задают 10% от объема сусла промышленных дрожжей и направляют на брожение. 
Пример 1. Для приготовления 1000 дал в сутки этилового спирта 77430 кг топинамбура с содержанием сбраживаемых углеводов 21% и влаги 70% измельчают на дробилке до частиц размером не более 3 мм, затем смешивают с водой в соотношении 1:0,5, задают 0,01% CaSO₄ от массы топинамбура. Проводят ферментативный гидролиз в течение 2 часов при 55^oC. 
Для приготовления производственных дрожжей отбирают 10% гидролизата, отделяют его от твердых частиц, стерилизуют в течение 20 минут при 0,05 МПа. Первый этап выращивания производственных дрожжей ведут на стерильном солодовом сусле, второй - 70% солодового сусла и 30% гидролизата топинамбура, третий - 30% солодового сусла и 70% гидролизата топинамбура, четвертый - на гидролизате топинамбура. 
Концентрация полученного сусла на всех стадиях составляет 11% с.в. Температура размножения - 28^oC, продолжительность 24 часа. 
Приготовленные производственные дрожжи вносят в сусло из топинамбура, охлажденное до 22^oC и асептированное формалином (из расчета 0,75% к объему сусла 4% раствора формалина). Засев дрожжей составляет 10% от объема сусла. Процесс брожения осуществляют при 28^oC, выход спирта 61,5 дал из 1 т условного инулина топинамбура, продолжительность процесса брожения 48 часов. 
Пример 2. Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но с тем отличием, что гидромодуль сырье : вода составляет 1:0,25, ферментативный гидролиз ведут в течение 3 часов при 50^oC. 
Выход спирта 59,5 дал из 1 т условного инулина топинамбура, продолжительность процесса брожения 48 часов. 
Пример 3. Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но с тем отличием, что выращивание производственных дрожжей ведут в три стадии. Вторая и третья стадии заменены одной, состав среды - 50% солодового сусла и 50% гидролизата топинамбура. 
Выход спирта 61,0 дал из 1 т условного инулина. 
Следует отметить, что в известном способе (прототипе) гидролиз инулина происходит в две стадии: обработка кислотой в течение 2 часов и гомогенизация на протяжении 3-4 часов. Такая технология предусматривает использование оборудования, выдерживающего соприкосновения с агрессивной средой, связана с большими энергозатратами. Одновременно бражка содержит меньше этанола (гидромодуль сырье : кислота составляет 1:0,75) и больше летучих примесей за счет снижения кислотности сусла. Предлагаемая технология значительно упрощает процесс, интенсифицирует стадию гидролиза путем использования активаторов (ионов Ca⁺²) инулиназ сырья и создания для них оптимальных параметров. Поддержание pH среды на уровне 5,6-6,0 не позволяет усилить действие пектолических ферментов топинамбура, а следовательно, создать условия для накопления в бражке летучих примесей, в частности метанола. Гидромодуль сырье : вода составляет 1 : 0,25 - 1 : 0,5, что увеличивает содержание этанола в бражке.