7. 3. Основы технологического процесса производства спирта

Производство спирта из крахмалосодержащего сырья состоит из следующих основных технологических стадий: подготовка сырья к переработке, водно-тепловая обработка (разваривание), осахаривание разваренной муки, культивирование производственных дрожжей, сбраживание осахаренного сусла, выделение спирта из бражки и его очистка (рис.11).

Подготовка картофеля к переработке состоит в доставке сырья на завод, отделении примесей, измельчении и приготовлении замеса. Картофель в производство из накопительных закромов подаётся гидротранспортёром. Лёгкие, грубые и тяжёлые примеси отделяют в соломо- и камнеловушках. При гидравлическом транспортировании картофеля отмывается только часть земли. Оставшаяся часть земли, а также встречающиеся примеси отделяются при мойке. Вымытый картофель взвешивается на ковшовых автоматических весах.

Подготовка зерна к переработке включает очистку от пыли, земли, камней, металломагнитных и других примесей. Зерно для приготовления солода освобождают также от щуплых и дроблёных зёрен, семян сорняков. Очищается зерно в воздушно-ситовом и магнитном сепараторах. Примеси, отличающиеся от основной культуры длиной, выделяются на триерах.

Основная цель водно-тепловой обработки сырья – подготовка к осахариванию крахмала амилолитическими ферментами солода или микробных препаратов. Осахаривание наиболее полно и быстро проходит тогда, когда крахмал доступен для их действия (не защищён клеточными стенками), оклейстеризован и растворён, что можно достичь следующими способами: развариванием (тепловой обработкой цельного сырья при повышенном давлении), сверхтонким механическим измельчением сырья на специальных машинах, механическим измельчением сырья до определённых размеров частиц с последующим развариванием (комбинированный способ).

Широкое распространение получил комбинированный способ. Такой способ тепловой обработки в сочетании с непрерывностью процесса считается наиболее прогрессивным, так как при относительно

П одготовка сырья

Картофель: отделение примесей, Зерно: воздушно-ситовое и

мойка, взвешивание магнитное сепарирование

Измельчение сырья

(молотковые дробилки,

картофелетерки)

Влаго-тепловая обработка

Охлаждение

Солодовое мо-

Осахаривание локо или фер-

ментные

препараты

Брожение сусла Дрожжи

Бражка

Получение спирта-сырца Барда

Спирт-сырец

Сивушное масло

Сивушный спирт

Эфироальдегид-

Очистка спирта-сырца ный концентрат

Лютерная вода

Спирт-ректификат

Рис. 11. Технологическая схема получения спирта-ректификата.

небольших затратах электроэнергии на измельчение сырья и теплоты на разваривание, благодаря «мягкости» режима разваривания, обеспечивающего минимальные потери сбраживающих веществ, позволяет хорошо подготовить сырьё к осахариванию.

Картофель перед тепловой обработкой измельчается в кашку на молотковых дробилках или картофелетёрках до крупности не более 3 мм. При этом большая часть клеток вскрывается и вместе с клеточным соком освобождается около 70 % крахмала. Картофельную кашицу предварительно подогревают до температуры 40⁰С.

Для разрушения целого зерна необходимы значительные механические усилия. Продукты дробления зерна должны иметь такие размеры, чтобы 50…60 % их проходило через сито с отверстием 1 мм. Перед подвариванием крупку смешивают с водой температурой 40…50⁰С в соотношении от 1:2,5 до 1:3,5 с таким расчётом, чтобы после осахаривания концентрация сусла была 16 – 18 %. Подваривание производится при температуре 85…95⁰С. После подваривания сырьё поступает в разварники, где подвергается воздействию более высоких температур (140…170⁰С при давлении 0,27…0,71 МПа).

Большая часть сухих веществ картофеля и зерна представлена крахмалом, из которого в процессе производства получают спирт, поэтому физико-химические превращения крахмала имеют наибольшее значение. Размер крахмальных гранул колеблется в широком пределе – от 10…15 мкм (гранулы крахмала злаков) до 40…70 мкм (картофельный крахмал). При производстве спирта из крахмалосодержащего сырья первостепенное значение имеют такие свойства, как набухание, кристаллизация и растворение. При нагревании в воде крахмал набухает и превращается в гель. Крахмальная гранула поглощает воды в 25…30 раз больше своего объёма. В определённом температурном интервале при значительном увеличении объёма крахмальных гранул нарушается их целостность. При этом возрастает вязкость раствора – происходит клейстеризация крахмала. Температура клейстеризации пшеничного крахмала составляет 54…62⁰С, ржаного – 50…55, ячменного – 60…80, кукурузного – 65…75, картофельного – 59…64⁰С. Наряду с физико-химическими изменениями крахмала, происходят и химические. Ферментативному гидролизу крахмал подвергается при подваривании сырья благодаря содержащимся в нём амилазам (самоосахаривание), кислотному гидролизу – при разваривании в слабокислой среде.

Осахаривание заключается в обработке охлаждённой разваренной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидролиза полисахаридов, белков и других веществ. Основным и наиболее важным процессом при этом является ферментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, потому процесс и называется осахариванием. В результате осахаривания разваренной массы получают полупродукт – сусло спиртового производства. Осахаривание, как правило, осуществляют непрерывным способом, и оно включает следующие операции: охлаждение разваренной массы до определённой температуры, смешивание охлаждённой массы с солодовым молоком (микробной культурой), осахаривание крахмала, охлаждение сусла до начальной температуры брожения, перекачивание сусла в бродильное отделение завода.

Охлаждение разваренной массы под вакуумом предотвращает тепловую инактивацию ферментов осахаривающих средств и обеспечивает более полное осахаривание крахмала, что позволяет увеличить выход спирта. Одновременно с охлаждением из сусла вместе с неконденсирующими газами удаляются такие летучие примеси, как метанол, фурфурол, летучие кислоты, что облегчает ректификацию спирта.

Растворённый крахмал гидролизуют (осахаривают) амилолитическими ферментами зернового солода или культур микроорганизмов, преимущественно плесневых грибов и бактерий. Наиболее богато амилолитическими ферментами пророщенное и высушенное зерно злаков, называемое солодом. Культуры микроскопических грибов имеют ряд преимуществ по сравнению с солодом. Их выращивают на пшеничных отрубях, тогда как для приготовления солода расходуется 14…20 % кондиционного зёрна в расчёте на массу крахмала сырья. Культуры микроскопических грибов содержат комплекс амилолитических ферментов, отличающихся от ферментов солода и позволяющих глубже и полнее гидролизовать крахмал.

Для интенсификации солодаращения и повышения ферментативной активности в спиртовой промышленности применяют биостимуляторы (гибберелловую кислоту и др.).

Из полученного солода готовят солодовое молоко. Для этого тонкоизмельчённый солод смешивают с водой в соотношении 1:2…2,5 и добавляют для дезинфекции 37 %-ный раствор формалина из расчета 25…28 мл на 1м³ солодового молока. Раствор выдерживают в течение 25…30 мин и разбавляют чистой водой из расчета 4…5 л на 1 кг солода.

Расход солода на осахаривание определяется с учетом его осахаривающей способности (ОС_п). На 1 кг крахмала сырья, поступившего на разваривание и содержащегося в зерне, идущего на приготовление солода, требуется 0,6…0,7 ОС_п. Запрещается применять солод, полученный из зерна той же культуры, которая используется для переработки на спирт.

Наиболее часто в качестве продуктов амилолитических ферментов в спиртовом производстве используются микроскопические грибы родов Aspergillus, Rhizopus, дрожжеподобные организмы родов Saceharomyces, Candida, Endomycopsis, Endomyces, споровые бактерии (Bac. Subtilis, Bac. diastaticus, Bac. mesentericus и др.). Для нормальной работы завода чистую культуру дрожжей выводят примерно 1 раз в год, обычно одновременно с пуском завода. В течение всего периода на заводе организовано непрерывное или периодическое культивирование производственных дрожжей. Расход глубинной культуры микроорганизмов, а также концентрированных препаратов на осахаривание рассчитывают по их активности. Расход поверхностной культуры, удовлетворяющей требованиям стандарта, определяется по массе крахмала и картофеля, включая крахмал в культуре препарата, и составляет 5…7 %.

С момента введения производственных дрожжей в охлажденное сусло начинается брожение. Бродящее сусло называют бражкой. В настоящее время на заводах применяют непрерывно-поточный, поточно-рециркуляционный и циклический способ брожения. Периодическое сбраживание проводят только на малых заводах. Процесс брожения можно разделить на три периода: взбраживание (продолжается размножение дрожжей), главное брожение (происходит сбраживание основного количества сахара), дображивание (оканчивается доосахаривание декстринов и крахмала амилолитическими ферментами с последующим их дображиванием дрожжами).

При периодическом брожении все его стадии протекают в одном аппарате. Продолжительность брожения составляет 72 ч.

Для непрерывно-поточного, поточно-рециркуляционного и циклического способов брожения требуются отдельные емкости (дрожжанки, дрожжегенераторы, батарея бродильных аппаратов). Продолжительность брожения сусла по этим методам составляет 60…62 ч. Для данных способов брожения необходимо периодически освобождать оборудование от бражки и проводить профилактическую стерилизацию всей системы.

Технологические показатели зрелой бражки: содержание спирта – 8…9,5 %, сбраживаемых углеводов – 0,25…0,45, крахмала – 0,003…0,2 %. Нарастание кислотности в процессе брожения не должно превышать 0,2 %. Увеличение кислотности на 0,1⁰ сверх допустимой величины снижает выход спирта на 0,2 дал на 1 т крахмала.

Бражка представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из воды (82…90 мас.%), сухих веществ (4…10 мас.%), этанола с сопутствующими летучими примесями (7…9 мас.%, или 8…11об.%).

Летучие примеси, сопутствующие спирту, можно разделить на четыре группы: спирты, альдегиды, кислоты и эфиры. Кроме того, выделяют группу азотистых, серосодержащих и других веществ. Больше всего примесей (0,35…0,45 % от количества этанола) приходится на долю спиртов – метилового, пропилового, изобутилового, изоамилового. Последние три составляют основу сивушного масла (обычно 0,3…0,35 % от количества этанола в бражке). Содержание метанола (метилового спирта) в бражке не более 0,2 % от количества этанола. Из альдегидов в спирте больше всего уксусного. Летучих кислот (уксусная, масляная, пропионовая, валериановая и др.) немного – около 0,005…0,1 % от количества этанола. В бражке также содержится около 0,05 % эфиров от количества этанола.

Спирт из бражки выделяют с помощью ректификации на сырцовых ректификационных установках. При этом вместе с ним отгоняется и значительная часть сопутствующих летучих примесей. Получаемый продукт называется спиртом-сырцом.

Ректификация – процесс разделения жидких летучих примесей на компоненты или группы компонентов (фракции) путем многократного двухстороннего массо- и теплообмена между противоточно движущимися паровым и жидкостными потоками. Необходимое условие процесса ректификации – различная летучесть отдельных компонентов.

Спирт-сырец получают на одно- (рис.12) и двухколонных ректификационных установках. Бражка нагревается в дефлегматоре 1 и поступает в среднюю часть колонны 2. В нижней части колонны 3 спирт извлекается из бражки паром. В верхней части колонны устанавливают 9…10 сетчатых или многоколпачковых тарелок 4, на которых происходит концентрация спирта в поднимающемся потоке пара. Спиртовой пар концентрацией около 88 об.% из колонны поступает в дефлегматор, где значительная часть конденсируется, отдавая теплоту бражке и воде.

1 Вода

В ода

Б ражка

Спиртовой Спиртовой

пар пар

Вода

4

5

Спирт-сырец

2

Б арда 3 Пар

Рис. 12. Схема одноколонной сырцовой установки.

Оставшаяся часть (около 1/3) спиртового пара поступает в холодильник 5, где конденсируется. Спирт-сырец при этом охлаждается.

Потери спирта при производстве обычно не превышают 0,3 % от содержащегося в бражке.

Ректификованный спирт может быть получен из спирта-сырца или непосредственно из бражки. Из спирта-сырца ректификованный спирт получают на периодически или непрерывнодействующих ректификационных установках. Получение ректификованного спирта непосредственно из бражки осуществляется на непрерывнодействующих брагоректификационных установках. Этот способ считается экономически более целесообразным.

При разделении летучих примесей на фракции важно знать влияние их на органолептические и аналитические показатели спирта. Кроме того, надо охарактеризовать примеси по их токсичности, так как некоторые из них являются сильными ядами.

Метиловый и пропиловый спирты при небольшом содержании не влияют на органолептическую оценку, однако они обладают высокой токсичностью: метанол токсичнее этанола в 80 раз, пропанол – в 4 раза. Метиловый спирт вызывает тяжелые отравления, сопровождающиеся потерей зрения.

Фурфурол в малых концентрациях придает приятный аромат ржаного хлеба, но он, как и метанол, токсичен, поэтому наличие этих примесей в ректификованном спирте недопустимо.

Присутствие спиртов, содержащих четыре и более атомов углерода, ухудшает вкус и запах этилового спирта. Бутиловый и амиловый спирты имеют сивушный запах и жгучий вкус, гексиловый – запах и привкус прогорклого масла. Все они ядовиты.

Альдегиды придают спирту резкие привкус и горечь. Особенно неприятный запах и жгучий вкус обусловливают кротоновый альдегид и апролеин. Напротив, энантовый альдегид способствует появлению приятного аромата.

Из кислот только уксусная в небольших количествах придает спирту приятный привкус, угольная смягчает вкус. Другие органические кислоты, как правило, ухудшают органолептическую оценку спирта: муравьиная придает резкий привкус, пропионовая – горечь, масляная и валериановая – неприятный запах пота и горечь.

Диэтиловый эфир в небольших количествах усиливает запах спирта, муравьиноэтиловый и уксусноэтиловый эфиры смягчают вкус спирта. Эфиры с большим числом атомов углерода сообщают спирту несвойственный ему фруктовый или цветочный запах. Диоксид серы, сернистый водород, миркантаны вызывают неприятный вкус и запах.

Характерный жгучий вкус спирту придают терпены и терпенгидраты.

Цель процесса очистки спирта – освободить его от большинства сопутствующих примесей и получить спирт стандартной концентрации.

Летучая часть бражки обусловлена пятью основными компонентами: этиловым спиртом, головными примесями, промежуточными примесями, концевыми и хвостовыми примесями.

К головным примесям относятся те, которые обладают большей летучестью, т. е. большим коэффициентом испарения, чем этанол. Для них всегда К>1. К основным представителям относятся уксусный и масляный альдегиды, акролеин, муравьино-этиловый, уксусно-метиловый, уксусно-этиловый, диэтиловый эфиры и др.

Летучесть хвостовых примесей всегда меньше летучести спирта (К<1), поэтому они будут уходить в остаток. Типичными представителями хвостовых примесей является уксусная кислота и фурфурол.

Промежуточные примеси (изоамиловый, изобутиловый, пропиловый спирты; изовалерианово-изоамиловый, уксусно-изоамиловый, изовалерианово-этиловый эфиры) обладают двоякими свойствами: при высоких концентрациях этанола они проявляют характер хвостовых примесей (К<1), при низких – характер головных (К>1). Промежуточные примеси в полной ректификационной колонне отбирают, как правило, в средней части, где они максимально накапливаются. В нижней части колонны промежуточные примеси ведут себя как головные и стремятся двигаться вверх, а в верхней – как хвостовые и оттесняются вниз более летучим компонентом – этанолом.

Концевые примеси (метанол) по сравнению с промежуточными не накапливаются в середине, а в зависимости от концентрации этанола идут или вверх по колонне (головная примесь), или вниз (как хвостовая).

На рис.13 приведена примерная шкала зон максимальной концентрации отдельных примесей по высоте полной ректификационной колонны и показано направление движения отдельных групп примесей в зависимости от концентрации этанола. Значение коэффициентов испарения спирта и его примесей дает возможность обоснованно подойти к созданию ректификационных установок для выделения спирта из бражки и его очистки от примесей путем ректификации.

Головные и концевые примеси (К>1)

К 90 Изомасляно-этиловый эфир

о Изовалерианово-этиловый эфир

н 80

ц 70

е Уксусно-изоамиловый эфир

н 6 0 Изовалерианово-изоамиловый эфир Промежуточные

т примеси (К=1)

р 50 Пропиловый эфир

а

ц 40 Изобутиловый спирт

и

я 30

с 20

п

и 10

р

т 0

а , Хвостовые и концевые примеси (К<1)

о

б.

%

Рис. 13. Примерные эпюры концентраций примесей в зависимости

от концентрации этанола.