2.1. Виробництво етанолу із крохмальвмішуючої сировини — зерна та картоплі

Зерно та картоплю переробляють на спирт за однотипною схемою (рис. 1), що включає такі найважливіші стадії: очистка і подрібнення сировини, приготування замісу і підготовка його до розварювання зерна та картоплі для вивільнення із них крохмалю, оцукрювання крохмалю за допомогою солодового молочка чи ферментних препаратів, спиртове зброджування цукрів за допомогою дріжджів і отримання зрілої бражки, ректифікаційна перегонка бражки для вивільнення, очищення і концентрування (зміцнення) спирту при одночасному концентруванні і виділенні деяких домішок для їх використання як ВМР(вторинні матеріальні ресурси).

Підготовка до переробки зерна і картоплі полягає у їх очищенні від домішок, митті картоплі, її тонкому подрібненні, змішуванні подрібненої маси з водою (2,5—3,5 л на 1 кг зерна або 0,2—0,5 л на 1кг картоплі).

Основна мета розварювання крохмальвміщуючої сировини — руйнування клітинної структури і розчинення крохмалю, який у розчиненому стані легко оцукрюється ферментами. Подрібнені зерно та картоплю розварюють паром при підвищеному (до 0,8 МПа) тиску. При нагріванні з водою білки набухають і денатурують, крохмаль кристалізується і переходить у колоїдний розчин внаслідок поглинання води високополімерними сполуками.

Глибокі хімічні зміни при розварюванні приводять до збільшення вмісту цукрів і декстринів внаслідок часткових кислотних та ферментативних гідролізів крохмалю, утворення пептидів і амінокислот чи гідролітичного розщеплення білків, розкладання гексоз і пентоз до фурфуролвміщуючих речовин. Взаємодія цукрів і амінокислот веде до меланоїдоутворення. При термічному розкладі простих вуглеводів утворюються карамелі, що містять ангідриди цукрів та кольорові маловивчені сполуки.

Апаратурно-технологічна схема швидкісного розварювання наведена на рис. 2. Подрібнена сировина подається у підігрівач замісу 1, далі — в контактор-підігрівач 2 та прямоточний трубчатий розварник 3, обладнаний діафрагмами для інтенсивного перемішування, подальшого диспергування і гомогенізації. Потім через паросепаратор-витримувач 4 маса проходить в конденсатор 5, де її температура знижується до 58—62 °С і вона направляється в оцукрювач 6 для оцукрювання ферментним препаратом Φ або солодовим молочком. Через уловлювач 7 насосом 8 оцукрена маса подається у теплообмінник 9, а звідти — у бродильне відділення. Типові параметри процесу розварювання: тривалість 2—3 хв, витрати пару 66,8 % до маси сировини, витрати електроенергії 12, 25 кВт-год/т зерна.

Рис. 1. Технологічна блок-схема виробництва етанолу із зерна або картоплі

Рис. 2. Технологічна схема установки для швидкістного розварювання крохмалистої сировини (з вакуум-охолодженням):

1 — підігрівач замісу; 2 — контактор-підігрівач; 3 — трубчатий варочний апарат з діафрагмами; 4 — паросепаратор-витримувач; 5 — конденсатор; 6 — оцукрювач; 7— уловлювач; 8— плунжерний насос; 9— теплообмінювач (В— вторинна пара; О — оцукрена маса; С — подрібнена сировина; Φ — ферментний препарат або солодове молочко)

Зброджування оцукреної сировини — основний багатопараметричний процес спиртовиробництва, на хід якого, крім складу сусла та параметрів бродіння, визначально впливають також дозброджувальна підготовка сировини та ферментвміщуючих чи ферментпродукуючих препаратів.

Бродіння — це розклад складних речовин, переважно вуглеводів, на більш прості під дією біокаталізаторів-ферментів, що виділяються мікроорганізмами (дріжджами, бактеріями, плісеневими грибами). У спиртовиробництві застосовують раси дріжджів верхового бродіння виду S. cerevisiae. Вони мають високу енергію бродіння, утворюють максимальну кількість спирту, зброджують субстрат з високим осмотичним тиском.

Якісні високопродуктивні дріжджі можуть зброджувати високо-концентровані (до 60 %) розчини цукрів, зберігаючи активність при значних (14—16 %) концентраціях спирту, токсична дія якого зростає з підвищенням температури. В присутності кисню анаеробне спиртове бродіння припиняється (ефект Пастера), а дріжджі отримують енергію за рахунок кисневого дихання:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + 2824 кДж.

За цих умов припиняється набагато менш енергогенеруюче спиртове бродіння за схемою:

С₆Н₁₂0₆ = 2С₂Н₅ОН + 2С0₂ + 118 кДж.

Внаслідок цього дріжджі для свого живлення набагато економніше витрачають цукор. Цей процес відбувається на стадії підготовки дріжджової маси в дріжджанках.

Для накопичення достатньої кількості дріжджової маси її спочатку розмножують за методом чистої культури, яка поступає на спиртзавод. Потім дріжджі культивують за методом природно-чистої культури, створюючи оптимальні умови (температура, рН, аерація та ін.) для розвитку дріжджів та несприятливі для сторонніх мікроорганізмів, в першу чергу бактерій.

Живильним середовищем для розмноження дріжджів при 28— 30 °С є сусло з оптимальним співвідношенням необхідних для їх розвитку речовин та додатковим введенням подрібненого зеленого солоду. Для пригнічення розвитку сторонніх мікроорганізмів сусло підкислюють до рН = 3,8—4,0 сірчаною чи молочною кислотами. Дріжджі у дріжджанках розмножують періодичним або напівбезперервним способом.

Зброджування оцукреної маси (сусла) починається з моменту введення в неї робочої дріжджової суспензії— робочих дріжджів. Ферменти дріжджів розщеплюють мальтозу до глюкози, яка потім зброджується до основних продуктів — спирту та діоксиду вуглецю. Крім основних, утворюються побічні та вторинні продукти бродіння: вищі спирти (ізопропіловий, аміловий) кислоти (оцтова) альдегіди (ацетальдегід), естери (етилацетат). Внаслідок витрат зброджуваних моно- та дицукридів під дією амілолітичних ферментів у суслі продовжується дооцукрювання декстринів і крохмалю, від швидкості якого залежить тривалість бродіння.

В бродінні розрізняють три періоди: заброджування, головне бродіння та доброджування. При заброджуванні відбувається інтенсивне розмноження дріжджів та зброджування цукрів. Головне бродіння характеризується енергійним зброджуванням цукрів та бурхливим виділенням СО₂. У третьому періоді повільно доброджуються цукри, що утворюються внаслідок дооцукрювання декстринів сусла.

Для зниження витрат спирту та запобігання виділення СО₂ у виробничі приміщення бродіння проводять у герметичних бродильних апаратах — вертикальних циліндрах із сферичним чи конічним дном та змійовиками для охолодження зброджуваного сусла.

Способи зброджування сусла: періодичний, циклічний та безперервно-поточний. Найефективніше безперервнопоточне зброджування проводять в установці, що складається із двох дріжджанок, зброджувача та 8—10 бродильних апаратів, послідовно з'єднаних переточними трубами (рис. 3).

Рис. 3. Технологічна схема безперервно-поточного зброджування оцукреної маси:

1 — дріжджанка; 2 — зброджувач; 3 — зброджувальні апарати; 4 — перетічні труби; 5— спиртоуловлювач (Б — зріла бражка; В— вода; ВС— водно-спиртовий розчин; Д — дріжджі; О — оцукрена маса; Π — пара)

Дріжджанки та зброджувач необхідні для приготування потрібної кількості дріжджової суспензії технологічних дріжджів. Спочатку дріжджанку заповнюють суслом, його пастеризують З0 хв при 80 °С, охолоджують до 30 °С, потім сірчаною кислотою рН сусла доводять до 3,6—3,8, після чого із другої дріжджанки вводять засівні дріжджі в кількості 25—30 % об'єму. Розмноження дріжджів ведуть до вмісту сухої речовини в суслі ≈ 5—6 %. Потім 70—75 % дріжджів переводять у зброджувач, куди одночасно подається охолоджене сусло, з наступним підкисленням всієї маси до потрібного рівня рН, після чого масу залишають для бродіння і розмноження дріжджів. Залишок (≈ 25 %)дріжджів подають у другу дріжджанку для розмноження.

Коли вміст сухої речовини досягне 5—6 % масу дріжджової суспензії одночасно з охолодженим суслом подають у перший головний бродильний апарат, після заповнення якого зброджуване сусло послідовно перетікає в 2, 3, 4 і т. д. бродильні апарати (див. рис. 3), в яких підтримується температура в межах 26—30 °С. Вуглекислий газ, що виділяється при бродінні в суміші з парами спирту, із бродильних апаратів поступає в спеціальні пастки, де етанол розчиняється, а СО₂ — виділяється. Водно-спиртова суміш із пастки, разом із зрілою бражкою направляється на перегонку, а СО₂ — в спеціальний цех виробництва сухого льоду чи рідкого СО₂.

Загальна тривалість бродіння становить близько 60 год. Із останнього бродильного апарата зріла бражка разом із водно-спиртовою сумішшю з пастки, подається на ректифікаційну перегонку.