Лекция №4 Производство этилового спирта

Цель и основные принципы сушки солода

Проращивание ячменя в барабанной солодовне

На некоторых заводах эксплуатируют пневматические барабанные солодовни. Такая солодовня состоит из из группы солодовенных барабанов и установки конд-вания воздуха. Ворошение зерна достигается вращением самих барабанов.

технология ращения в барабанных солодовнях практически одна и та же. После загрузки солода барабан приводят во вращение для выравнивания слоя зерна.

Ращение зерна происходит в неподвижном барабане. Воздух температурой14С нагнетается в барабан, где проходя через слой зерна выносит углекислый газ и далее выходит по воздушным каналам из барабана.

Для перемешивания зерна барабан приводится во вращение через 3ч в первые-четвертые сутки, и через 4-6ч на пятые и шестые стуки. Во время вращения барабана воздух не подается.

В последний день проращивания солод подвяливают продувкой неувлажненным воздухом. Режим работы барабана выбирается в соответствии с качеством ячменя.

Качество солода, выращенного в барабанных солодовнях хорошее. Он достаточно растворен, имеет свежий вид и запах солода. Плесневение в барабанных солодовнях происходит крайне редко.

Свежепроросший солод для производства пива непригоден, так как он не имеет нужного вкуса и запаха, в нем отсутствуют ароматические и красящие вещества, и много водорастворимых белков, образующих стойкую муть, что не позволяет получить прозрачное сусло и пиво. Из-за высокой влажности свежепроросший солод непригоден для хранения. Чтобы получить качественное пиво солод подвергают сушке.

Сухой солод с необходимым ароматом, цветом и биохимическим составом готовят из свежепроросшего солода в специальных сушилках, в которых температура постепенно повышается до 80-85С для светлого солода и до 105С для тёмного. При этом ростки солода подсыхают, становятся хрупкими и легко отламываются. Из солода ростки удаляют, так как они содержат оксифенилдиметиламин, который придает пиву неприятную горечь. При сушке солода влажность снижается до 3,5% в светлом и 2% в темном солоде.

Длительность сушки солода определяется скоростью удаления влаги и степенью биохимических и физико-химических изменений. В зависимости от характера протекающих в солоде процессов различают три фазы сушки: физиологическую, ферментативную и химическую.

Физиологическая фаза - это время нагревания солода от 20С до 45С. При этом продолжается рост зародыша и корешков, протекают ферментативные процессы, влажность солода уменьшается до 30%.

Ферментативная фаза происходит в интервале температур 45-70С, когда рост и дыхание зародыша прекращаются, а ферментативные процессы, в частности гидролитические, усиливаются, так как оптимум деиствия данных ферментов лежит в интервале температур 45-60С.

Химическая фаза - это пребывание солода при температуре 70-105С. С повышением температуры более 75С все ферментативные реакции прекращаются, так как ферменты частично инактивируются, а оставшиеся не проявляют своего действия из-за низкой влажности

План

1. Переработка зерна и картофеля

2. Спирт из мелассы

3. Получение спирта из древесины и сульфитного щелока

1. Прием зерна и картофеля ведут по массе без примесей и по крахмалистости. Картофель перед подачей в производство освобождают от примесей и моют. Окончательная мойка картофеля производится в картофеле­мойках различной конструкции. Все зерно, поступающее в производство, освобождают от сорных примесей, земли, пыли, от металличе­ских примесей. После очистки зерна, идущего на варку, не должно содер­жаться металлических примесей, сорных минеральных примесей не более 1%. При периодическом и полунепрерывном разваривании зерно перерабатывают в целом виде. При непрерывном разваривании все виды зерна дробят на молотковых дробилках или вальцовых станках.

Основная цель водно-тепловой обработки крахмалсодержа­щего сырья - перевод крахмала в растворимое состояние, дос­тупное для действия амилолитических ферментов осахаривающих материалов.

Водно-тепловая обработка зернового сырья проводится при высоких температурах (130-170 °С). При этом основные вещест­ва зерна претерпевают различные химические и структурные из­менения.

Для облегчения перехода крахмала в раствор клетки разрушают меха­нически путем дробления, однако, таким образом удается разру­шить только часть клеток даже при тонком помоле. После сме­шивания с водой и подогревании измельченного зерна крахмал последовательно проходит несколько стадий деградации: набуха­ние, клейстеризацию, растворение.

Крахмал разных злаков представляет собой гранулы разного размера и формы.

Гранулы сгруппированы в эндосперме зерна в крахмальные клетки, которые окружены клеточными оболочками. Крахмал становится доступным для действия ферментов после разруше­ния клеток и крахмальных гранул до отдельных молекул. Для облегчения перехода крахмала в раствор клетки разрушают меха­нически путем дробления, однако, таким образом удается разру­шить только часть клеток даже при тонком помоле. После сме­шивания с водой и подогревании измельченного зерна крахмал последовательно проходит несколько стадий деградации: набуха­ние, клейстеризацию, растворение.

В состав крахмала входят два полисахарида: амилоза и амилопектин. Амилоза растворяется в горячей воде, образуя гель. Амилопектин только набухает, в крахмальной грануле он играет роль полупроницаемой мембраны. Соотношение амилозы и амилопектина в разных злаках составляет 25...30: 70...75.

В крахмальных гранулах молекулы амилопектина образуют трехмерную структуру, дополнительную прочность этой струк­туре придают вторичные водородные связи. При набухании они ослабевают, но сохраняют прочность даже при высоких темпера­турах.

Крахмал разных злаков поглощает разное количество воды. Степень поглощения воды зависит от температуры. При темпера­туре до 60 °С зерна крахмала поглощают до 300% воды, а при температуре близкой к клейстеризации - до 2500%. В результате этого ослабевают связи между клетками, структура зерна стано­вится более мягкой, растворяются другие межклеточные вещест­ва: пентозаны, гумми-вещества, минеральные соли. Набухание ускоряется при повышении температуры, нарушении целостно­сти зерна.

В определенном температурном интервале, значение кото­рого зависит от природы крахмала, размера крахмальных гранул и других факторов, нарушается целостность гранул. При этом резко возрастает вязкость раствора, происходит клейстеризация крахмала. Температура, при которой вязкость крахмального рас­твора максимальна, называется температурой клейстеризации, у крахмалов различного происхождения она находится в разных интервалах, например для пшеничного крахмала - 54...62 °С, яч­менного - 60...80 °С, картофельного - 59...64 °С, кукурузного - 65...75 °С. В крахмальном клейстере молекулы расположены беспорядочно, нарушается кристаллическая структура крахмала. Оклейстеризованный крахмал представляет собой трехмерную сетку из набухших молекул амилопектина, ячейки которой заполнены раствором амилозы. Механизм гидролиза крахмала до настоящего времени не достаточно изучен, несмотря на большое количество работ, посвященных этому вопросу.

При 90 °С клейстеризация практически заканчивается, вяз­кость больше не возрастает, а при дальнейшем нагревании уменьшается за счет деструкции трехмерной сетки клейстера. Происходит растворение амилопектина, температурный интервал растворения его также различен для крахмала разных злаков: пшеничного - 136...141 °С, ржаного - 121...127 °С, кукурузного - 146...151 °С, картофельного 132 °С.

Скорость гидролиза растворенного крахмала возрастает многократно. Поэтому в спиртовом производстве стадия развари­вания имеет большое значение.

Температура клейстеризации и растворения крахмала уменьшается при тонком измельчении зерна, при воздействии амилолитических ферментов. На этих свойствах крахмала осно­ваны современные способы водно-тепловой обработки зерна, по­зволяющие проводить эту стадию при атмосферном давлении и температуре до 100 °С, в частности

Процесс разваривания можно разделить на несколько по­следовательных стадий:

- приготовление замеса и его подваривание;

- нагрев замеса до температуры разваривания;

- выдержка замеса;

- отделение пара (паросепарация).

Зерно дробят на молотковых или вальцовых дробилках. Измельченное зерно смешивают с водой при температуре не более 50°С (ниже температуры клейстеризации) в соотношении 1:2,5...3,5 в зависимости от содержания крахмала, чтобы впо­следствии получить осахаренное сусло с содержанием сухих ве­ществ 16-18%. Замес готовят в смесителях с мешалкой.

Рекомендуется для экономии тепла нагревать замес в смеси­теле или контактной головке вторичным паром до температуры не более 55...65 °С, чтобы не допустить полной клейстеризации для сохранения его транспортабельности, кроме того, не допус­кается накопление сахаров за счет воздействия на крахмал собст­венных амилолитических ферментов зерна. Такая обработка за­меса называется подвариванием.

На стадии подваривания эффективно использовать бактери­альную α-амилазу, которую вносят в смеситель при температуре 75...80 °С.

Картофель измельчают на молотковых или дисковых дро­билках и через промежуточный сборник направляют на контакт­ную головку для нагрева до температуры разваривания. Можно подогревать замес вторичным паром, но не выше 45...50 °С, так как при более высокой температуре начинается клейстеризация крахмала, и замес теряет подвижность.

Подогрев замеса до температуры разваривания проводится в контактных головках острым паром до температуры 138-170 °С в зависимости от способа разваривания.

Способы разваривания в зависимости от организации про­цесса различают:

- периодические,

- непрерывные.

Периодические способы проводятся в установках, состоя­щих из нескольких аппаратов, в каждом из которых протекает одна из стадий разваривания. Непрерывные способы разваривания более эффективны, они характеризуются тем, что подготовленный замес непрерывно проходит ряд аппаратов установки при определенных режимах и выводится в готовом виде.

Основной целью осахаривания разваренной массы является получение осахаренного сусла оптимального состава для сбражи­вания и культивирования дрожжей.

Основной процесс на стадии осахаривания - гидролиз крахмала амилолитическими ферментами солода или микробных ферментных препаратов.

Независимо от способа процесс осахаривания можно раз­бить на стадии:

1. Охлаждение разваренной массы до температуры осахари­вания.

2. Смешивание с осахаривающим материалом.

3. Осахаривание разваренной массы.

4. Охлаждение до температуры брожения.

Осахаривание может проводиться в одну или две ступени.

Основной целью процесса брожения является максимальное сбраживание сахаров и накопление спирта.

При сбраживании осахаренного сусла одновременно идут два основных процесса:

- сбраживание сахаров с образованием спирта, диоксида углерода, побочных и вторичных продуктов брожения; процесс брожения сопровождается выделением тепла;

- доосахаривание декстринов ферментами, внесенными на стадии осахаривания.

Первая стадия - возбраживание, в течение этого периода практически нет убыли сахаров. Эта стадия соответствует лаг-фазе размножения дрожжей, которая характеризуется тем, что происходит адаптация дрожжей к среде, синтез необходимых ферментов для их жизнедеятельности.

Вторая стадия - главное брожение, в процессе которого на­блюдается максимальная скорость сбраживания сахаров, так как сусло содержит достаточно питательных и ростовых веществ.

Третья стадия - дображивание. Скорость сбраживания сахаров уменьшается за счет 2-х основных лимитирующих факто­ров:

1. Недостаток сахаров и других веществ, необходимых дрожжам, дрожжи сбраживают сахара, образующиеся при доосахаривании декстринов за счет гидролитической активности глюкоамилазы.

2. Накопление спирта в значительных концентрациях, кото­рый тормозит процесс брожения.

В зависимости от организации проведения всех этих стадий используются 3 основных способа брожения:

- периодический;

- циклический;

- непрерывно-поточный.

- В зрелой бражке кроме видимой концентрации сухих ве­ществ контролируется крепость: 8-9%, нарастание кислотности: не более 0,15-0,20 °; содержание несброженных сахаров: 0,25% - при отличной работе; 0,35 - при хорошей, 0,45 - при удовлетво­рительной.

- Бражка может быть представлена как смесь легколетучего компонента (спирта с летучими примесями) и труднолетучего компонента (вода и труднолетучие примеси).

Выделение спирта из бражки и его освобождение от приме­сей осуществляются путем перегонки и ректификации.

Под перегонкой понимается разделение смеси из двух ком­понентов (или фракций), обладающих различной летучестью или температурой кипения, на отдельные компоненты (или фракции) путем частичного испарения и последующей конденсации пара.

В процессе ректификации происходит разделение много­компонентной смеси (бражки) на компоненты или группы ком­понентов (фракции), различающихся летучестью (упругостью па­ров), путем многократного массо- и теплообмена между противоточно движущимися паровым и жидкостным потоками.

Теоретический выход, вычисленный по уравнению спирто­вого брожения, составляет 71,98 дал из 1 т условного крахмала.

Практический выход колеблется от 81,5 до 93% от теорети­ческого и нормируется для различных видов сырья.