Безперервно-проточний спосіб

і

Розвиток техніки бродильних виробництв ще наприкінці XIX сторіччя поста­вив на чергу вирішення проблеми безперервного спиртового бродіння. У 1899 році був запропонований спосіб безперервного оцукрювання і зброджування сусла з до­помогою мукорових грибів (спосіб Аміло), у 1903 р. французькі фірми Гільом, Егро і Гранже пропонують безперервний спосіб зброджування дифузійних соків цукро­вого буряка. У 1909 р. професор Томського технологічного інституту С.В. Лебедев

160

висунув проблему безперервного спиртового бродіння і у наступних працях у 1915 р. дав теоретичне обгрунтування способу безперервного бродіння. Продовжили ці до­слідження по безперервному зброджуванню мелясного сусла Д.М. Климовський, І.Ф. Гладких.

Неодноразові спроби ряду авторів здійснити безперервне спиртове бродіння у виробництві спирту з крохмалевмісної сировини закінчувалися невдачами. Аналіз причин цих невдач показав, що вирішальне значення при цьому має наростання кислотності, яке викликане тим, що із свІжопророслим солодом заноситься велика кількість кислототворних бактерій, які швидко адаптуються до умов середовища. Підвищення кислотності бражки супроводжується частковим інактивуванням фер­ментів, погіршенням зброджуванням цукрів і відповідним зниженням виходу спирту з тонни переробленого крохмалю. Успішне вирішення проблеми безперервного збро­джування крохмалевмісної сировини може бути лише за умови пригнічення біоло­гічної інфекції, яка виникає у бродильній батареї. Використання як засобу захисту проти сторонньої мікрофлори сірчаної і соляної кислот (у випадку переробки буря­кової меляси і дифузійних соків) непринятие, тому що із збільшенням кислотності бражки ферменти частково інактивуються і вихід спирту знижується. Тому безпе­рервні способи зброджування сусла не знайшли розповсюдження у виробництві спирту з крохмалевмісної сировини.

Суть цього способу полягає у безперервному притоці сусла і додаванні дріж­джів у головний бродильний аппарат бродильної батареї з декількох поступово з'єднаних апаратів і відтоку зрілої бражки з останнього бродильного апарата на перегонку.

У 1953 році В.Л.Яровенко провів досліди з вивчення характеру переміщення рідини у безперервному потоці, які показали нерівномірність переміщення сусла у батареї бродильних апаратів. Так, за один оберт головного апарата, тобто за одну зміну об'єму сусла, у ньому залишається біля 36% первинного (старого) сусла і така ж кількість доданого (нового) сусла виноситься з апарата. із збільшенням чи­сла обертів кількість затриманого сусла зменшується.

Із збільшенням числа обертів і порядкового номера апарата у батареї зростає тривалість затримки "старого" сусла, а разом з цим і розвиток сторонніх мікроорга­нізмів, головним чином молочнокислих бактерій.

Повне випорожнення першого бродильного апарата від залишків "старого" сусла настає через 6-7 обертів (один оберт займає 6-7 год) і шостий апарат батареї повністю звільнюється від "старої" бражки лише через 14 обертів. Поступово ство­рюється осередок інфекції, який неминуче веде спочатку до понаднормативного наростання кислотності, а потім до повного припинення бродіння. Це поглиблю­ється ще дуже обмеженою кількістю виробничих дріжджів (8-15%), яку використо­вують при періодичному способі зброджування. При русі бражки з одного апарата в інший виникає нерівномірний розподіл швидкостей, внаслідок чого бражка за­тримується біля стінок труб і апаратів, що сприяє розмноженню інфекції.

В.Л.Яровенко довів, що розмноження сторонньої мікрофлори починається у бражці у головному бродильному апараті і розповсюджується за потоком у наступ-

161

ні апарати батареї. Внаслідок розвитку інфекції особливо сильно підвищується кислотність бражки в останніх апаратах, тому що у них відбувається найбільша затримка бражки. Потоком свіжого сусла мікрофлора вимивається лише частково, значна кількість залишається в останніх апаратах.

Показано переваги батареї у порівнянні з одинарним апаратом. Після пропус­ку через батарею апаратів об'єму нової рідини, який дорівнює об'єму батареї, у ній затримується 17,55% "старої" рідини, у одинарному - 36,79%. Однак повного усу­нення затримок і проскоків рідини за рахунок збільшення кількості бродильних апаратів на спиртових заводах, досягнути не вдалося.

При ламінарному русі процес переміщення рідини йде більш організовано, ніж при турбулентному. Форма апаратів бродильної батареї і швидкість розведення середовища не впливають на розміри затримок і проскоків.

Періодичне зброджування сусла має ту перевагу, що воно суворо обмежене у часі і від початку до кінця проводиться в одному апараті, який після завершення циклу стерилізують парою. При безперервно-проточному бродінні у кожному з апа­ратів відбувається лише частина загального процесу, тривалість якого теоретично не обмежена. Тому запропоновано проводити профілактичну стерилізацію броди­льних апаратів послідовно - від головного до останнього через певні проміжки часу. При цьому велике значення має тривалість перебування бражки у апаратах, кількість дріжджових клітин, швидкість притоку середовища, рН, температура.

Удосконалена апаратурно-технологічна схема безперервного зброджування сусла розроблена ВНДІПрБ (рис.9.1.). Схема складається з двох дріжджогенера-торів 1, двох розброджувачів 2, двох головних бродильних апаратів 3 і 6-8 добро-джувачів 4.

Засівні дріжджі розмножують у дріжджогенераторі. У нього подають з оцук-рювача сусло з температурою 55-58° С, нагрівають його через поверхню теплооб­міну до 75-80° С, 2 год пастеризують, а потім охолоджують водою, яку подають у охолоджуючу сорочку, до 30° С. В охолоджене середовище засівають чисту культу­ру дріжджів, перемішують їх, охолоджують до 22° С і залишають на бродіння. Че­рез 20-24 год дріжджі передають у розброджувач. Об'єм дріжджів у дріжджогене­раторі повинен становити 1-1,5% від об'єму середовища у головному бродильному апараті. Процес ведуть, минаючи стадію розмноження дріжджів у дріжджанках, тому вони схемою не передбачені. Маточні дріжджі спускають у розброджувач при видимому вмісті сухих речовин 5-6%.

Одночасно з надходженням дріжджів у розброджувач подають охолоджене у теплообміннику сусло. Після заповнення розброджувача середовище у ньому під­кислюють сірчаною кислотою до 0,4-0,5 град, і залишають на бродіння на 22-24 год. При видимому вмісті сухих речовин 5-6% і накопиченні дріжджових клітин 90-100 млн/мл дріжджі спрямовують у головний бродильний апарат, куди одночасно подають охолоджене сусло. Робочий об'єм розброджувача приймають рівним 40% від об'єму головного бродильного апарата.

У головному бродильному апараті відбувається головне бродіння, концентра­ція у ньому дріжджових клітин підтримується на рівні 90-120 млн/мл, що досяга-

162

Рис. 9.1 Апаратурно-технологічна схема безперервного зброджування сусла

ється підвищеною кількістю засівних виробничих дріжджів до об'єму головного бродильного апарата і підтриманням у ньому рівних значень швидкості розведення середовища і питомої швидкості росту дріжджів. Бражка послідовно заповнює всі бродильні апарати батареї, переміщуючись між ними зверху донизу, а в апаратах -знизу догори. Завдяки цьому напрями осадження дріжджів, дробини і руху бражки убродильних апаратах зустрічні, що запобігає осадженню дріжджів і дробини. Бро­діння здійснюється дріжджами, які розмножуються по всій масі бражки, яка пере­мішується діоксидом вуглецю, що виділяється. Процес відбувається під тиском 0,01 МПа. Головні апарати на 1 м вищі доброджувачів.

[63

Для забезпечення безперервності бродіння сусло надходить у два головні бродильні апарати, під час стерилізації першого батарея живиться через другий. Якщо приплив сусла здійснювати паралельно у два бродильні апарати, зменшу­ється винесення дріжджів і збільшується кількість їх у головних бродильних апа­ратах (D=0,06-0,08 D збільшується у два рази при надходженні сусла в один апарат.

Процес бродіння у головних апаратах і перших двох доброджувачах ведуть при температурі 26-27° С. Охолодження бражки відбувається у виносних кожухот-' рубних теплообмінниках 9. Біля кожного апарата передбачені насоси 8, які здійс­нюють циркуляцію бражки за замкнутим контуром. Чотири останніх доброджувачі не мають теплообмінників, температура бражки у них 27-28° С.

З останнього доброджувача зрілу бражку перекачують насосом у брагоректи-фікаційне відділення.

Загальна тривалість процесу бродіння складає 62-65 год. В останніх чотирьох доброджувачах змонтовані барботери, через які періодично компресором подають стиснений діоксид вуглецю, що запобігає осадженню дріжджів і дробини на дно апаратів. ДІоксид вуглецю, який виділяється в процесі бродіння, поступає у спир-товловлювач 5. Звільнений від парів спирту газ частково поступає у компресор 6, решта - у цех рідкого діоксиду вуглецю. Водно - спиртовий розчин із спиртовлов-лювача надходить у збірник зрілої бражки, а відтіля з бражкою - у брагоректифіка-ційне відділення.

Дріжджогенератор, розброджувач і головний бродильний апарат дублюють­ся, щоб забезпечити безперервність процесу при проведенні стерилізації одного з апаратів.

Для прискорення перетоку бражки з апарата в апарат переливні труби кожного наступного апарата розташовані нижче попередніх.

Чистота бродіння, головним чином, підтримується такими технологічними прийомами: засівом і підкисленням бражки у головному бродильному апараті сір­чаною кислотою до рН 4,2...4,5 і профілактичними стерилізаціями бродильної ба­тареї, трубопроводів і насосів.

Суть профілактичної полягає у тому, що через певні проміж-

ки часу (3 доби) безперервний приплив сусла переключають на другий голо­вний бродильний апарат і у нього стерилізаційним насосом 8 перекачують вміст першого головного апарата, який потім миють, стерилізують 40 хв при 95-100° С парою, охолоджують, знов заповнюють дріжджами і суслом та відновлюють приплив у нього сусла. Поки йде заповнення суслом першого головного броди­льного апарата, вміст другого тим же насосом перекачують у третій апарат. Дру­гий апарат також миють, стерилізують, охолоджують і підключають до перето­ку. За таким принципом здійснюють наповнення, звільнення і стерилізацію ре­шти апаратів з їх трубопроводами й арматурою. Коли на стерилізацію буде по­ставлений останній бродильний апарат, потік бражки дійде до передостаннього апарата батареї, таким чином зріла бражка безперервно подається у брагорек-тифікацїйне відділення.

164

Зброджування сусла

У залежності від ступеня інфікованості солоду, стану перероблюваної сирови­ни І чистоти дріжджів, час до чергової профілактичної стерилізації батареї може збільшуватися до 3-5 або зменшуватися до 1,5-2 діб.

При використанні безперервного зброджування сусла із крохмалевмісної си­ровини вихід спирту збільшується на 0,33 дал/т умовного крохмалю у порівнянні з періодичним способом бродіння (тут і далі дані авторів розробки). Збільшується спиртозйом з 1 м³ бродильних апаратів - 2,3 дал/м³-добу у порівнянні з 2,0 дал/ м³-добу при періодичному бродінні, тобто збільшується продуктивність бродиль­ного відділення.

ПРОТОЧНО - РЕЦИРКУЛЯЦІЙНИЙ СПОСІБ

Досконалим, гнучким і мобільним шляхом інтенсифікації безперервного бро­діння є рециркуляція біомаси дріжджів. Збільшення дріжджової популяції з самого початку процесу виключає пусковий момент, який збільшує небезпеку розвитку інфекції і закисання бражки. Але при рециркуляції відсепарованої біомаси дріж­джів продукти бродіння інфікуються сторонніми мікроорганізмами. Тому співробі­тниками ВНДІПрБ і працівниками Мічурінського спиртового заводу розроблений спосіб безперервного зброджування сусла із крохмалевмісної сировини з рецирку­ляцією бражки з другого або третього апаратів у перший апарат батареї, тобто ре­циркуляція дріжджів без попереднього концентрування у центрифузі. Таким чином із перших бродильних апаратів утворюється рециркуляцІйний контур, у якому мо­жна збільшити швидкість розведення середовища у 1,5-2 рази і відповідно підви­щити питому швидкість розмноження дріжджів при стабілізації цих показників у решті батареї. Об'єм рецилькульованого середовища становить 100% від припли­ву сусла у батарею, що дає можливість додатково включити приплив сусла у кіль­кості 40% від основного. При цьому відбувається не тільки рециркуляція дріжджів, а і ферментів, що містяться у бражці, які багаторазово беруть участь у розщепленні вуглеводів і білків, на стадіях головного бродіння і доброджування зменшуються втрати цукру на біосинтез дріжджів, що супроводжується підвищенням виходу спир­ту на 0,1 дал/т крохмалю.

Підвищення швидкості розведення бражки у першому бродильному апараті сприяє мікробіологічній чистоті бродіння, внаслідок чого міжстерилізаційний пе­ріод збільшується до трьох діб. Завдяки меншому наростанню кислотності у про­цесі бродіння вихід спирту збільшується при тривалості бродіння 60 год на 0,8 дал/ т крохмалю, а при 48 год - на 1,2 дал/т.

Хіміко-технологічні показники зрілих бражок наведені у табл. 9.1. Але крім дріжджів і ферментів разом з бражкою у головний бродильний апа­рат повертаються сторонні мікроорганізми, кількість яких зростає із збільшенням порядкового номера бродильного апарата у контурі рециркуляції.

165

Табл. 9.1 Характеристика зрілої бражки

Показники	Способи бродіння
	Безперервно-проточний	Проточно-рециркуляційний
Вміст спирту (міцність), об.%	8,9	8,96
Вміст зброджуваних вуглеводів, г/ 100 мл	0,24	0,19
Концентрація дріжджових клітин у головному апараті, млн/мл	58,0	71,0
Наростання кислотності, град	0,03	0,01
Тривалість бродіння, год	62-65	60-62