Контрольні питання і завдання

1. Характеристика оцукрюючих матеріалів.

2. Механізм дії ферментів.

3. Кінетика ферментативних реакцій.

4. Класифікація і номенклатура ферментів.

5. Які умови замочування і пророщування зерна.

6. Технологія солоду з механоактивацією ферментів.

7. Глибинний спосіб культивування мікроорганізмів - продуцентів ферментів.

97

РОЗДІЛ 5

ПРИГОТУВАННЯ СУСЛА З КРОХМАЛЕВМІСНОЇ СИРОВИНИ

Підготовка крохмалевмісної сировини до зброджування в етиловий спирт скла­дається із таких технологічних стадій: подрібнення сировини, змішування помелу з водою (приготування замісу), попередній підігрів замісу, водно-теплова обробка сировини, оцукрювання розвареної маси.

СТРУКТУРНО-МЕХАНІЧНІ ТА ХІМІЧНІ ЗМІНИ СИРОВИНИ

Мета водно-теплової обробки зерна та картоплі полягає в зруйнуванні клі­тинної структури сировини і переведенні крохмалю в розчинний стан. Це необхід­но для забезпечення оптимальних умов оцукрювання крохмалю амілолітичними ферментами і гідролізу білкових речовин.

Порушення клітинної структури сировини досягають подрібненням її на дро­барках і спеціальних машинах з наступною водно-тепловою обробкою замісів із помелу сировини. Високодисперсні помоли зерна, одержані з використанням дизин-теграторів, шарових дробарок, корундових, струменевих та інших машин, мають не тільки порушену структуру зерна, клітин і крохмальних зерен, а і механодестру-ктуровані полімери - крохмаль, білки та ін., що дозволяє проводити їх водно-теп­лову обробку при температурах не вище 100° С. У результаті використання ВД помелів зерна зменшуються втрати зброджуваних речовин при розварюванні і зме­ншуються витрати теплової енергії.

Одним із нових наукових напрямів на стику двох наук - механіки і хімії є механохімія. Механохімія вивчає хімічні перетворення речовин, що проходять під дією механічних сил та перехід механічної енергії в різні форми хімічної. Такі пе­ретворення відкривають перспективи створення нових оригінальних способів пе­реробки зерна в спирт.

Саме тому перспективним для спиртової промисловості є створення про­гресивних технологій спирту з використанням дезінтеграторних, вібраційних, електромагнітних та інших подрібнювачів з метою більш ефективного викорис­тання сировини й оцукрюючих матеріалів, а також зменшення витрат теплової енергії.

На всіх спиртових заводах України, що переробляють крохмалевмісну сиро­вину, встановлені безперервно діючі апарати для подрібнення, водно-теплової об­робки й оцукрювання розвареної маси. Усі безперервні способи переробки сирови­ни в спирт потребують попереднього його подрібнення.

98

Приготування сусла з крохмалевмІсної сировини

Зернові культури подрібнюють механічним способом з використанням молот­кових дробарок різних конструкцій або валкових станків. Найбільш поширені моло­ткові дробарки типу ДМ, ДДМ, А1- або валкові станки типу ЗМ, ЕМ-200-100. При використанні таких подрібнювачів дисперсність помелів характеризуєть­ся такими показниками: прохід помелу зерна через сито з діаметром отворів 1 мм складає 60-90 %. Такий помел неоднорідний за розміром частинок, тому мілкі час­тинки підлягають надмірній тепловій обробці, утворюється значна кількість про­дуктів оксиметилфурфурольного розкладу цукрів і меланоїдинової реакції, а крох­маль великих частинок не повністю переходить у розчинний стан, внаслідок цього збільшуються втрати зброджуваних речовин.

На деяких заводах для одержання більш високодисперсного і рівномірного помелу використовують спосіб подрібнення зерна в дві стадії. На першій стадії зерно подрібнюють на молотковій дробарці, одержаний помел пневмотранспортом або системою механічних транспортерів спрямовують на розділювач з ситами для одержання двох фракцій помелу з різними розмірами частинок, наприклад, більше 1 мм і менше 1 мм. На другій стадії крупну фракцію помелу подають на повторне подрібнення на валкових станках.

Використання двохступеневого способу подрібнення зерна дозволяє зменши­ти температуру і тривалість розварювання замісів сировини і зменшити втрати збро­джуваних речовин. Але використання такого способу ускладнює технологічну схе­му, потребує додаткового обладнання і виробничих площ, збільшує витрати елект­роенергії на подрібнення зерна та транспортування помелу.

Витрати пари на розварювання досить значні - біля 15 кг на 1 дал вироблено­го спирту (приблизно 50 % по масі сировини). Використання високодисперсного помелу дозволяє проводити теплову обробку замісів сировини при температурі не вище 100 ° С, зменшити витрати пари на розварювання замісів на 50-70 % у порі­внянні з розварюванням замісів із крупного помелу зерна і збільшити вихід спирту на 2,5-3 %.

Особливості механохімічної деструкції (МХД) зерна. Механічна міцність зерна залежить від його виду, сорту і вологості. Різні частини одного і того ж зерна мають також різні структурно-механічні і фізико-хімічні властивості. Ендосперм і зародок мають порівняно велику крихкість, а оболонка - велику еластичність.

Ендосперм має зернисту будову і складається головним чином з крупних тон­костінних клітин з крохмальними зернами, проміжки між якими заповнені білком. Ендосперм скловидної пшениці - це монолітна система крохмаль-білка, в якій про­міжний білок міцно з'єднаний із зернами крохмалю. Консистенція ендосперму впли­ває на його міцність. При подрібненні пшениці з мучнистою будовою проміжний білок відділяється значно легше, звільнюючи крохмальні зерна. Проміжний білок скловидного ендосперму руйнується при подрібненні разом з міцно приєднаними до нього зернами крохмалю. Руйнівна сила при стисненні мучнистого ендосперму пшениці складає 1,7 МПа, скловидного ендосперму - 3,3 МПа. Значно менший опір ендосперму силам сколювання (в 3-5 разів) і найменший - різанню. Зародок більш пластичний у порівнянні з іншими частинами зерна, бо в ньому міститься

99

значна кількість жиру (до 12-14 % до маси.). Ця його властивість погіршує умови руйнування, особливо у випадку переважаючих зусиль стиснення і при незначних сколюючих зусиллях.

Алейроновий шар складається з дрібних клітин, які містять білкові, мінеральні речовини і жир. Клітини алейронового шару міцні і нелегко піддаються подрібненню.

Величина руйнівних зусиль для оболонок зерна залежить від культури зерна, його сорту, вологості і напряму цих зусиль (по довжині чи ширині зерна) і колива­ється у різних сортів від 9,4 до 31,6 МПа. Наприклад, руйнівне зусилля для оболо­нки твердої пшениці вологістю 18 % досягає величини 31,6 МПа (для порівняння -руйнівне зусилля деревини липи - біля 30 МПа).

У здерев'янілих клітинних стінках роль цементуючої речовини виконує ліг­нін, який скріплює поліцукридні структури і заповнює пустоти між фібрилами це­люлози і геміцелюлоз. Лігнін має високу міцність на стиснення, а целюлозні мікро-фібрили надають клітинним стінкам міцність на розтягнення.

Ціле зерно злакових культур можна розглядати як монолітну конструкцію або як "комплексну споруду", в якій стінки клітин є каркасом, а крохмальні зерна разом з білком - наповнювачем. і цей наповнювач за аналогією із залізобетоном працює головним чином на стиснення, а стінки клітин ендосперму і, головним чином, обо­лонок підлягають більш складним зусиллям зрізу.

Механічні властивості зерна в значній мірі залежать від його вологості. Сухе зерно - крихке, вологе - більш пластичне. Це пов'язано зі зміною колоїдних влас­тивостей крохмалю і білків. Питомі витрати енергії руйнування зерна з підвищен­ням його вологості збільшуються.

Ці особливості механохімічної деструкції зерна враховують при його переро­бці в спирт і виборі подрібнюючих машин.

Утворення нової поверхні при диспергуванні пов'язано з утворенням на пове­рхні й у всьому об'ємі частинок дефектів. Для тонкого диспергування характерне створення великої кількості дефектів, у результаті чого суттєво порушується стру-

ктура твердого тіла. Це спричиняє зміни фізичних властивостей і хімічної активно­сті речовин.

У результаті механохімічної деструкції високомолекулярних речовин зміню­ються їх механічні властивості, зменшується молекулярна маса, змінюються роз­чинність, прискорюються хімічні реакції за участю всіх речовин їх складових, збільшується біохімічна активність.

Механічне диспергування супроводжується зміною розмірів і форм частинок, молекулярної маси, мікроструктури, розвитком поверхні, зміною її властивостей.

Збільшення в сотні разів величини поверхні частинок подрібнювального ма­теріалу при його механічному диспергуванні сприяє прискоренню швидкості тех­нологічних процесів. Так, високодисперсні помели зерна не потребує розварюван­ня під тиском, вищим від атмосферного, збільшується коефіцієнт використання скла­дових речовин сировини. Тому умови інтенсифікації процесів, які призводять до збільшення питомої поверхні сировини, мають велике практичне значення в спир­товій промисловості.

100

Властивості високодисперсних матеріалів залежать не тільки від їх питомої поверхні, а й від типу диспергатора. Для одержання високої активації матеріалу, який подрібнюють, необхідне здійснення швидкодіючих послідовних зустрічних ударів при зростаючій відносній швидкості. Машини ударної дії активують матері­али більш інтенсивного, ніж шарові та вібраційні.

Наприклад, у дезінтеграторах подрібнення речовин відбувається в результаті ударів їх частинок з ударними елементами роторів, які обертаються в протилежний бік. Швидкість співударів частинок досягає 270 м/с, тривалість подрібнення - с і залежить від швидкості обертання і розмірів роторів. За цей час розміри части­нок можуть зменшуватися від 1-0,5 мм до 1 мкм, тобто одна частина подрібнюєть­ся більш ніж на 10⁶ частинок.

МАШИНИ Й АПАРАТИ ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ ВИСОКОДИСПЕРСНОГО ПОМЕЛУ ТА СУСПЕНЗІЙ ЗЕРНА

При виборі машин і апаратів для одержання ВД помелів зерна необхідно вра­ховувати такі фактори: розмір і вид зерна; допустиму забрудненість помелу зерна продуктами зносу помольного агрегату; економічність і тривалість процесу; допу­стиму температуру нагріву помелу зерна; простоту конструкції і надійність роботи подрібнювачів.

У зв'язку з різноманітністю вимог до подрібнюючих машин і апаратів створе­но значну кількість їх конструкцій, які відрізняються принципом дії і будовою.

Для диспергування сухих матеріалів використовують такі подрібнювачі: ша­рові, вібраційні, струменеві, корундові, роликово-маятникові, дезінтегратори, пла­нетарні та ін. Більшість із них випробувані для подрібнення зерна для спиртового виробництва і тому заслуговують на те, щоб провести їх коротку характеристику а в подальших розділах і результати подрібнення зерна.

Шарові дробарки прості за конструкцією, надійні в експлуатації, їх широко використовують в гірно-збагачувальній та хімічній промисловості. Але вони дуже громіздкі й енергомісткі, тривалість тонкого подрібнення матеріалів у них складає декілька годин. Тому, наприклад, результати досліджень М.С.Шульмана з тонкого подрібнення зерна в спиртовій промисловості не знайшли промислового викорис­тання, хоча була доведена доцільність використання у виробництві спирту ВД по­мелів зерна.

Вібраційні дробарки значно ефективніші шарових, але також енергомісткі.

Шарові дробарки подвійної дії реактивні значно ефективніші інших типів шарових машин: мають менші габаритні розміри і питомі витрати енергії, невели­ку тривалість подрібнення. Такі млини досліджені для подрібнення зерна в спирто­вому виробництві і доведена їх висока ефективність.

Дезінтегратори і дисмембратори належать до подрібнювачів ударної дії. За їх допомогою одержують високодисперсні помели будівельних матеріалів. Однією з важливих особливостей роботи дезінтеграторів є те, що оброблений у них матеріал

101

підлягає механічній активізації. Активізація речовин під дією великої механічної енергії є новим прогресивним видом удосконалення технологічних процесів. У подальшому будемо називати це явище механохімічною активізацією (МХА) сиро­вини і напівпродуктів спиртового виробництва.

Під керівництвом В.О.Маринченка розроблено конструкцію дезинтегратора-активатора для одержання високодисперсного помелу зерна в спиртовому вироб­ництві. Налагоджено їх виготовлення на Вузлівському спиртовому заводі (Львівсь­ка область). Дезинтегратори впроваджені на багатьох спиртових заводах України, Білорусі, Росії, Казахстану та ін.

Ролико-маятникові млини з сепаратором типу СМ-493 випробувані в проми­слових умовах з позитивними результатами. Проте вони забезпечують помелом зерна потребу спиртового заводу потужністю біля 1000 дал спирту на добу, громіздкі за конструкцією. Тому можуть бути широко використані тільки після виготовлення таких млинів більшої продуктивності.

Високодисперсні суспензії одержують за допомогою ультразвукових прохід­них хімічних апаратів типу УПХА- РЗ, УПХА-Р18 та ін., створені на основі цилі­ндричних магнітострикційних або п'єзокерамічних випромінювачів різних діамет­рів (від 76 до 260 мм). Суспензія безперервно проходить в апараті через ультразву­кове поле високої інтенсивності. Вони працюють при заданих регулюючих тисках і температурах на різних частотах: 4,8; 8,0; 16,0; 18,0 кГц. Такі апарати випробувані в лабораторних умовах НУХТ, і розроблено спосіб одержання ВД суспензій зерна для спиртового виробництва.

Перспективними для спиртової промисловості є апарати з вихровим шаром типу ABC, в яких на суспензію зерна діє вихровий шар феромагнітних частинок, який створюється дією на них обертаючого електромагнітного поля. Інтенсифіка­ція технологічних процесів у таких апаратах проходить внаслідок спільної дії інте­нсивного перемішування, диспергування, тертя, високих локальних тисків, акус­тичної й електромагнітної обробки. Ці апарати випробувані в промислових умовах і можуть у подальшому використовуватися в спиртовій промисловості.

ОДЕРЖАННЯ ВИСОКОДИСПЕРСНОГО ПОМЕЛУ ЗЕРНА

Для одержання високодисперсного (ВД) помелу зерна сконструйовано дезин­тегратор (В.О.Маринченко, Р.І.Чіпчар), який складається з корпуса, всередині яко­го розміщені два ротори, виконані у вигляді дисків з мелючими елементами, що обертаються в протилежні боки. Ротори встановлені безпосередньо на валах еле­ктродвигунів. На найбільшому за діаметром роторі встановлені вентиляційні лопат­ки. Продуктивність дезинтегратора до 5 т за годину помелу зерна з розміром части­нок менше 250 мкм. Більші за розміром частинки помелу відділяються в сепарацій­ній камері і повертаються на повторне подрібнення в дезінтегратор. Витрати елек­троенергії на одержання 1 т ВД помелу складають 18-20 кВт-год.

Сконструйована і впроваджена на спиртових заводах установка для одержан­ня високодисперсного помелу зерна і приготування замісів (рис. 5.1). Зерно із роз-

102

Рис. 5.1 Апаратно-технологічна схема установки для одержання

високодисперсного помелу зерна: 1 - сепараційна камера; 2 - вентилятор;

З - дезинтегратор; 4 - циклон; 5 - шлюзовий затвор; 6 - дисмембратор-змішувач;

7 - збірник замісів; 8 - плунжерний насос; 9 - уловлювач; 10 - механоактиватор

хідного бункера дозуючим шнеком подають у дезинтегратор 3. Помел зерна під дією відцентрової сили та повітряного потоку від вентилятора 2 по трубопроводу надходить у середню частину сепараційної камери 1.

Повітря, що подається вентилятором 2 в нижню частину сепараційної камери 1, виносить з собою помел зерна з розміром частинок менше 250 мкм в циклон 4, з якого помел шлюзовим затвором подається в змішувач 6 для змішування з водою. Заміс надходить у збірник 7.

Повітря, яке виходить з циклону 4, спрямовується в вентилятор 2 для повтор­ного використання. Для забезпечення обміну повітря в системі установки частина повітря всмоктується в дезінтегратор з атмосфери.

Кількість повітря, яке подає вентилятор 2 в сепараційну камеру 1 регулюють таким чином, щоб на ситі сепараційної камери створився і постійно підтримувався рівномірно по всій площині псевдозріджений прошарок грубих частинок помелу і не утворились "завали" в окремих його місцях. Частинки помелу розміром більше 250 мкм із сита повертаються в дезинтегратор для повторного подрібнення.

Пуск установки здійснюють у такій послідовності: вмикають двигуни змішу­вача 6, шлюзового затвору 5, вентилятора 2, однорядного ротора, двохрядного і шнекового дозатора зерна в дезинтегратор. Навантаження на двигун дезинтеграто­ра регулюють за величиною показників відповідних амперметрів.

Для забезпечення доподрібнення найбільш крупних частинок замісу, а головне, механодеструкції помелу зерна біля збірника замісу встановлено механоактиватор типу ротаційно-пульсаційного апарата. Він працює постійно в режимі "на себе".

Продуктивність установки регулюють зміною кількості подачі зерна в дезин­тегратор шнековим дозатором, яка забезпечує необхідну для заводу кількість замі­су. Його концентрація повинна бути такою, щоб у суслі спиртового виробництва вміст сухих речовин знаходився в межах 18-20 %, а концентрація спирту в дозрілій бражці- 10-11 об.%.

ГРАНУЛОМЕТРИЧНИЙ І ХІМІЧНИЙ СКЛАД ВИСОКОДИСПЕРСНИХ ПОМЕЛІВ ЗЕРНА

Високодисперсні помели різних видів зерна, одержані на дезинтеграторній установці, зручно характеризувати інтегральними кривими (рис. 5.2), по яких можна визначити середній вміст кожної фракції. Так, ВД помоли пшениці міс­тять 98% фракції з розміром частинок менше 250 мкм, кукурудзи - 90 %, сорго — 88%. У ВД помелі пшениці містилось 60% фракції з розміром частинок 100 мкм і менше.

У помелі пшениці, одержаному на молотковій дробарці, містилося 30-40% частинок з розміром менше 250 мкм.

Унаслідок деструкції поліцукридів у високодисперсних помелах зерна міститься майже в 10 разів більше розчинних вуглеводів, ніж у грубих. Наприклад, в 1%-ній суспензії грубого помелу пшениці концентрація розчинних вуглеводів складала 0,027 %, високодисперсного помелу - 0,265 %.

104

Вміст змінного азоту в ВД помелу збільшувався на 30-50 % в порівнянні з їх вмістом в грубих помелах. Так, у грубому помолі зерна пшениці амінного азоту було 0,24 %, у високодисперсному - 0,36 %; у помолі кукурудзи відповідно 0,16 і 0,31 %. Таким чином, ВД помел зерна містить більше амінного азоту, що забезпе­чує додаткове азотне живлення для дріжджів і звільняє вуглеводи для збільшення утворення спирту.

Початкова температура клейстеризації суспензій із ВД помелів зерна на 18-20 ° С менша, ніж суспензій із грубих помелів млива зерна. Це підтверджує наявність у крохмальних зернах ВД помелів поверхневих і глибинних дефектів, що підтверджено мікроскопічними дослідженнями.

ПРИГОТУВАННЯ ЗАМІСУ

Помел зерна змішують з водою у співвідношенні 2,5-3,0 л на 1 кг помелу. Кількість води змінюють у залежності від крохмалистості і вологості зерна з ураху­ванням того, щоб концентрація сусла була 18-20 % за цукроміром.

Температуру замісу регулюють у залежності від дисперсності помелу зерна. Для замісів із грубого помелу вона повинна бути 40-45° С.

Оптимальні температури для приготування замісів із ВД помелів зерна пшени­ці, ячменю і жита - 60° С, сорго - 70° С, кукурудзи - 80° С. Найбільша кількість розчинних вуглеводів накопичується в замісах, приготовлених при температурі 60-65 °С. Для приготування замісу використовують воду від дефлегматорів брагоректи-фікаційної установки. Підігрівають заміс вторинною парою.

105

Для зменшення в'язкості замісу використовують бактеріальні препарати а-амілази - Амілосубтилін ГЗх, Аміломезентерин Гх-467, Термаміл-120 L та ін. Дози препаратів складають 0,3-0,4 од. амілолітичної здатності на 1 г крохмалю, або 0,2-0,3 кг Термамілу 120 L на 1 т крохмалю. Використання цих ферментних препаратів приводить до розрідження замісів, не викликає значного накопичення цукрів і не впливає на втрати зброджуваних речовин при розварюванні.

При переробці картоплі в заміс додають 0,2-0,5 л води на 1 кг сировини.

Для забезпечення гомогенності замісу його перемішують пропелерною міша­лкою і роторно-пульсаційним апаратом.

БЕЗПЕРЕРВНЕ РОЗВАРЮВАННЯ ЗАМІСІВ

Мета розварювання замісів сировини - вивільнити крохмаль з рослинних клі­тин та перевести крохмаль у розчинний стан.

У процесі розварювання проходить також стерилізація замісів, що важливо в подальших технологічних процесах оцукрювання і зброджування.

На вітчизняних спиртових заводах використовують безперервно діючі установ­ки для розварювання замісів. Основними вимогами до них є підготовка крохмалевмі-сної сировини для оцукрювання при мінімальних витратах теплової і електричної енергії. Установки повинні бути зручні в обслуговуванні і безпечні в експлуатації.

Типовими схемами установок для розварювання є: ємкісна(Мічурінська), тру­бчаста (Мироцька) або комбінована (Немирівська).