Разработка технологии раздельной утилизации фракций осахаренного затора при производстве спирта Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

663.55.011

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАЗДЕЛЬНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ФРАКЦИЙ ОСАХАРЕННОГО ЗАТОРА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СПИРТА

С.В, ВОСТРИКОВ, Г.П. ШУВАЕВА, Г.Г. ГУБРИЙ, М.В. БОДНАРЬ

Воронежская государственная технологическая академия

При существующих схемах осахаривания и сбраживания сусла на этиловый спирт барда — основной загрязнитель спиртового производства, требующий высокой степени очистки. Утилизация ее как отхода производства с удорожанием энергоносителей стала экономически невыгодной. Нами исследована возможность раздельной утилизации твердой и жидкой фракций осахаренного затора, что позволит снизить расход энергоносителей на сушку барды, получить высококачественный кормовой концентрат, улучшить работу брагоректификационного отделения, повысить качество спирта, частично решить вопрос охраны окружающей среды.

В эксперименте использовали пшеницу крахмалистостью 59,32% и влажностью 11,64%. Одновременно в разных двухлитровых емкостях разваривали опытную и контрольную крахмалистые массы, приготовленные из 0,3 кг пшеничного помола со степенью измельчения 90-95% (проход через сито 1 мм). Количество условного крахмала, вводимого с пшеницей, рассчитывали по формуле

G№ = G Кр/100,

(1)

где

Сг — количество условного крахмала, кг; и — количество зерна, кг;

Кр — крахмалистость зерна, %.

Для осахаривания разваренной массы использовали ферментные препараты: амилосубтилин ГЗх с амилолитической активностью 1000 ед/г и глю-каваморин ГЗх с глюкоамилазной активностью 375 ед/г. Перед применением ферментные препараты разводили дистиллированной водой в соотношении 1:10, перемешивали 15 мин, выдерживали в ультратермостате 30 мин при температуре 30°С.

Измельченное зерно смешивали с теплой дистиллированной водой в соотношении 1:3,2 ... 3,5. Для сбраживания использовали производственную культуру спиртовых дрожжей расы XII. Дрожжи задавали в количестве 12-15% к объему сусла. Замес нагревали до 65~70°С и выдерживали в течение 3 ч. Далее подваренную массу нагревали до кипения при постоянном помешивании и авто-клавировали. При подборе режима автоклавирова-ния были проведены пробные варки. Давление при этом варьировали от 0,1 до 0,3 МПа, время — от 30 мин до 1 ч. Оптимальными признаны следующие параметры автоклавирования: давление 0,2 МПа, температура 125-127°С, время выдержки 30 мин.

После охлаждения разведенной массы до 70°С задавали 50% от рассчитанного количества амило-

субтилина ГЗх. Глюкаваморин ГЗх задавали при температуре 50-55°С в количестве б ед. ГлА на 1 г крахмала. Время осахаривания 30-35 мин. Объем полученного сусла в каждой емкости составил 900-930 см3.

Осахаренное сусло разделяли на твердую и жидкую фракции на центрифуге JI3-301. Режим центрифугирования: время 10 мин, скорость вращения 3000 об/мин. Получали осветленное сусло с количеством сухих веществ СВ по сахарометру 21,0-22,2%. Объем его составил 58,0-58,5% от объема осахаренного неосветленного сусла. Выход дробины с влажностью 74-75% увеличился до 120-130% к массе введенного зернового сырья.

В целях нахождения оптимальных технологических параметров фракционирования дробину промывали дистиллированной водой с температурой 80°С и центрифугировали.

Для более полного использования крахмала, введенного с сырьем, дробину промывали дважды. Объем второй промывной воды соответствовал ее количеству, идущему на затирание следующей партии зернового помола. Опытным путем подобрали гидромодуль 1:4, т. е. 278 г дробины промывали водой с температурой 80°С в количестве 1,11 дм3. После центрифугирования получали 930-970 см3 второй промывной воды СВ по сахарометру 1,6-2,2% и сбраживаемых углеводов 1,1-1,8 г/100 см3. Эта вода направлялась на следующую варку, при этом концентрация СВ в осветленном сусле следующей варки повышается на величину, соответствующую количеству условного крахмала, поступающему со второй промывной водой при том же расходе зернового сырья.

Дважды промытая дробина по массе составила 105-109% к массе введенного зернового сырья, ее влажность не превышала 85%. Дробина содержит до 1,9 г/100 см3 сбраживаемых углеводов и является качественным кормовым продуктом. Физикохимические показатели промежуточных продуктов при фракционировании осахаренных зерновых заторов представлены в таблице.

Динамику накопления этанола в процессе брожения осахаренных заторов и отфильтрованного сусла исследовали по модифицированной нами методике ВНИИПрБ. Отличие состоит в разделении сусла на жидкую и твердую фракции и проведении процесса брожения на осветленном сусле. В качестве контроля использовали традиционное неосветленное сусло, прошедшее водно-тепловую обработку и осахаривание по режимам, применяемым для получения осветленного сусла. При этом количество СВ по сахарометру сусла осветленного и неосветленного было одинаковым. Однако после

5.011

I при I на 1 , Объ-тавил

,ую и 'ежим ь вра-сусло (метру \% от Выход [СЯ до рья. огиче-у про-турой

шала, ажды. вал ее тощей подо-

ГООМЫ-

е 1,11 Ь-970 шетру (1-1,8 ющую енном 1ЧИНУ,

шала,

зитом

■авила )ья, ее ержит ;явля-ззико-(уктов ых за-

е бровного нами зделе-и просусле, онное яовую [меня-

5 ЭТОМ

иного

после

центрифугирования и отделения дробины осветленное сусло как бы концентрируется, содержание сбраживаемых углеводов в нем повышается по сравнению с неосветленным примерно на 1 г/100 см3.

Таблица

Сбраживаемые Содер-

углеводы жание

Полупро- Влаж- Концен- раство-

дукт- ность, трация общие римого

/о СВ, % раство- римые крахмала, о/ /0

Сусло осветленное нераз-бзВЛбН'*

ное — 21,0-22,2 15,0-17,0 15,6-17,9 0,5-1,0

Дробина непромытая 74-75 — — — 11,0-13,0

Первая промывная вода

(1:1-2) — 8,0-9,5 6,0-8,2 6,1—8,4 0,-05-0,19

Дробина, ; .

промытая один

раз 75-79 — — — 5,0-6,0

Сусло осветленное

разбавленное — 16,0-17,0 12,0-14,0 12,4-14,5 0,3-0,5

Вторая -

промывная вода

(1:3-4) — 1,6-2,2 1,1-1,8 1,2-1,9 0,05-0,09

Дробина,

промы-

тая

два

раза 80-85 — — — 1,1-1,9

В емкостях на 1,5 дм3 ставили на брожение равные объемы осветленного и контрольного су-сел. Дрожжи задавали в равных объемах в количестве 12% к объему сусла. Для обеспечения стерильности добавляли в емкости формалин из расчета 0,02% от количества сбраживаемой массы, взвешивали их, закрывали пробками с гидрозатвором и ставили на брожение в термостат при температуре 30°С. Через б ч после начала брожения и через каждые последующие 4 ч осветленное сусло перемешивали в течение 5 с для предотвращения агломерации и оседания дрожжей. При этом интенсивно удалялся углекислый газ, что улучшало условия сбраживания сахаров до этилового спирта. С целью выравнивания условий брожения контрольную пробу перемешивали в том же режиме. Сбраживание осветленного сусла проходило более спокойно, чем неосветленного, не на-

блюдалось ’’кипения” в период экспоненциальной фазы брожения.

Чтобы проследить динамику накопления этанола в процессе брожения неосветленного затора и отфильтрованного сусла, периодически проводили перегонку бражки с последующим определением объемной доли спирта интерферометрическим методом. По данным экспериментов составлен график динамики накопления спирта в традиционном осахаренном заторе и осветленном сусле (рис. 1, кривые / и 2 соответственно).

Рис. 1

Параллельно с описанной на брожение ставили другую пару опытного и контрольного сусел. Осветленное сусло получали по указанной выше технологии фракционирования с добавлением первой промывной воды. Для выравнивания концентрации СВ в осветленном и неосветленном суслах в последнее доливали дистиллированную воду в объеме, равном первой промывной воде, добавляемой к осветленному суслу. В итоге получали разные объемы опытной и контрольной проб с приблизительно одинаковым содержанием сбраживаемых углеводов. Полученная зависимость накопления этилового спирта от продолжительности брожения при равном содержании сбраживаемых углеводов в неосветленном и осветленном суслах представлена на рис. 1 (кривые /' и 2' соответственно).

По данным четырех экспериментов отмечено, что при прочих равных условиях время сбраживания осветленного сусла по сравнению с контрольной пробой сокращается на 10-15 ч. При этом физико-химические показатели зрелой бражки соответствуют регламенту. Эффект сокращения времени сбраживания, на наш взгляд, объясняется следующими причинами:

в осветленном сусле поверхность контакта между активными центрами ферментов и деструктури-руемыми углеводами увеличивается, вследствие чего катализ расщепления высокомолекулярных углеводов до сбраживаемых сахаров проходит более эффективно;

при центрифугировании осахаренных заторов амилазы ферментов практически полностью переходят в осветленный раствор и продолжают дооса-харивание углеводов в процессе брожения;

в осветленном сусле дрожжи находятся в более диспергированном состоянии и имеют больший доступ к сбраживаемым сахарам;

отсутствие дробины в осветленном сусле способствует более полному удалению из бражки углекислого газа, значительно снижая его ингибирующее воздействие на дрожжи.

При получении осветленного сусла объем его по сравнению с традиционной осахаренной массой с соответствующим содержанием сбраживаемых углеводов составляет 72-75%, что создает возможность сокращения расхода засевных дрожжей при сбраживании осветленного сусла на 8,6-9,0%.

Известно, что в процессе брожения в бражке помимо этанола накапливаются различные примеси. Для их идентификации через каждые 12 ч брожения при одинаковых условиях отбирали по 100 см3 экспериментальной и контрольной бражки и перегоняли с помощью прямого холодильника. В дистилляте с помощью газового хроматографа определяли содержание примесей. Результаты исследований отражены на графиках содержания аце-тальдегида — кривые /, 2, метанола — Г, 2' (рис. 2), изобутанола — /, 2, изоамилола — /', 2' (рис. 3), «-пропанола — 1,2 (рис. 4) при сбраживании традиционного осахаренного затора и осветленного сусла (кривые / и 2 соответственно).

X

го

І5

■з

II

Й *3 і $>

I * їй §

в\

I

I

и;

|

§

м 33 § 'ч § 5 н

2

1 о*

а

гч зб 68 во х,ц

Рис. 2

о й гч зб м во

Рис. 4

При сравнительном анализе кривых явно прослеживается общая тенденция более значительного накопления примесей в традиционных осахаренных заторах, однако существуют и отличительные особенности для каждой из примесей.

Кривая зависимости накопления ацетальдегида от времени сбраживания имеет экспоненциальный характер. Максимальное накопление примеси в неосветленной бражке наступает через 48 ч (при 72-часовом брожении) и составляет 39-10~4%об., в осветленном сусле — через 36 ч и составляет 13* 10‘1%об. Снижение концентрации в бражке

ацета ем ег скорй скорс дегщ конд

35-1С

К?

такж

конц

ступ<

29,5-

нола

сни»

18-1С

Сд

макс

при»

быст

Грі

из об; ния нако неос; но: бро» конт и ра: и 10,4-

Та браж 5,7 р

А.П.

Кубаь

Север

инсті

ЗИКО

ки с поне лепт] уско] ного лучш Мі телы зкст{ Сві рази тах: і анТ і В0Д01 ния коми яния Кл| тепл подв

ацетальдегида к 72 ч брожения является следствием его высокой летучести, т. е. к концу брожения скорость десорбции молекул ацетальдегида выше скорости его накопления. Концентрации ацетальдегида в неосветленной и осветленной бражках к концу брожения составляют соответственно 35-КГ4 и 10- 10-4%об.

Кривая динамики накопления метанола имеет также экспоненциальный характер. Максимальная концентрация спирта в неосветленной бражке наступает к 48 ч брожения и составляет 29,5-10~4%об. К 72 ч брожения содержание метанола в осветленной и неосветленной бражках снижается и составляет соответственно 27-10 и 18-10~4%об.

Сдвиг по времени (приблизительно на 12 ч) максимальной концентрации накопления данных примесей может также свидетельствовать о более быстром сбраживании осветленного сусла.

Графики зависимостей накопления изоамилола, изобутанола и н-пропанола от времени сбраживания почти линейные (рис. 3, 4). Максимальное накопление к концу брожения в осветленной и неосветленной бражках составляет соответственно: н-пропанола 6,6-10-3 и 4,3-10 3%об. (к 36 ч брожения концентрация н-пропанола в опытном и контрольном растворах приблизительно одинакова и равна 2,6*10-3% об.); изобутанола 18,5-10 3 и 6,9-10 3%об.; изоамилола 43,2-10 и 10,4- 10”3%об.

Таким образом, содержание ацетальдегида в бражке при сбраживании осветленного затора в 5,7 раза ниже, чем при сбраживании традицион-

ного затора. Концентрация метанола, н-пропанола, изоамилола и изобутанола снижается соответственно в 1,2; 1,5; 3,0; 2,7 раза.

Эффект снижения накопления побочных продуктов при сбраживании осветленного сусла на этанол связан, очевидно, с более полной утилизацией сахаров дрожжами, что в свою очередь объяснимо более глубоким и полным распадом полисахаридов, удалением с дробиной белка, целлюлозы и других сложных соединений, а также относительно гомогенным составом сбраживаемого сусла.

ВЫВОД

Предложена принципиально новая технология производства спирта, позволяющая уменьшить энергозатраты и повысить степень использования сырья, не снижая качества готового продукта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Непрерывное разваривание крахмалистого сырья в измельченном виде / З.К. Ашкинузи, Н.Н. Кузнецов и др. / Тр. Киевского филиала ВНИИСП. — 1955. — 89 с.

2. Артюхов В.Г., Нагурная Н.А, Влияние летучих примесей на качество пищевого спирта — М.: ЦНИШЭИпищепром, 1983. — 18 с.

3. Столяров Б.В., Стабников Н.М., Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. — Л.: Химия, 1988. — 335 с.

4. Технологический регламент для производства спирта из зерен (до брагоректификации) производительностью 6000 дал/сут. — М., 1993. — 100 с.

Кафедра биотехнологии

Поступила 12.03.97

663.253.3.001.5

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СТЕПЕНЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ДРЕВЕСИНЫ ДУБА

А.П. ТЫЧИНА, Ю.Ф. ЯКУБА

Кубанский государственный технологический университет Северо-Кавказский зональный научно-исследовательский институт садоводства и виноградарства

В последнее время предложены различные физико-химические методы обработки дубовой клепки с целью наиболее полного извлечения ее компонентов, участвующих в формировании органолептических свойств вин и крепких напитков и ускоряющих процессы их созревания. Однако единого мнения о том, какой из режимов является лучшим, нет [1-3].

Мы исследовали влияние режимов предварительной тепловой обработки дубовой клепки и экстракцию ее химических компонентов.

Свежую дубовую древесину разрезали на бруски размером 1 х 1 >«3 см и исследовали в двух вариантах: необработанная свежая дубовая клепка (вариант 1) и предварительно обработанная горячей водой при гидромодуле 1/4-1/5 до самоостыва-ния в течение 12 ч и затем просушенная при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния (вариант 2).

Клепку обоих вариантов затем обрабатывали теплом от 50 до 140° С в течение 24 ч, после чего подвергали экстракции водно-спиртовым раство-

ром крепостью 40%об. при температуре кипения в течение 30 мин на специальной установке, снабженной обратным холодильником.

Для анализа спиртовых экстрактов дубовой древесины применяли модифицированный нами метод газожидкостной хроматографии с капиллярной колонкой длиной 50 м и внутренним диаметром 0,35 мм, что позволило использовать метод прямого ввода образцов в колонку. Чувствительность анализа возросла за счет меньшего коэффициента деления потока — 1:12 вместо 1:30 для колонок с внутренним диаметром 0,25 мм, Анализ спектров выполняли на хроматографе ”Хром-5” на капиллярной колонке, заполненной ПЭГ-600+ЦЭП+по-липропиленгликольадапинатом в соотношении 3:2:1. Температура анализа составляла 40°С при входном давлении 0,35 атм. После выхода н-пенто-нала (внутренний стандарт) температуру повысили до 90°С и выходное давление установили 0,55 атм. В качестве газа-носителя использован азот, детектор — пламенно-ионизационный. Время анализа составило 120 мин. Для количественных расчетов содержания компонентов применяли метод внутреннего стандарта, коэффициенты чувствительности вычисляли на основе модельной смеси.