2 Современные способы интенсификации процесса получения этилового спирта

3 Цель и задачи исследования

Интенсификация процесса получения пищевого этилового спирта –проблема, над которой работают специалисты и ученые. В настоящее время разработан ряд технологических методов и приемов, позволяющих в значительной степени сократить сроки брожения, увеличить выход спирта, улучшить его органолептические и технологические параметры. Однако единой технологии, за счет которой был бы достигнут максимальный эффект, до сих пор нет. Каждое производство стремится с наименьшими затратами обеспечить наилучший результат.

В нашей научной работе проводятся исследования, направленные на изучение многофункциональности действия ультразвука на засевные дрожжи в производстве спирта.

Цель работы – разработка способа интенсификации дрожжегенерирования и брожения с использованием засевных дрожжей, активированных ультразвуком.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- исследовать влияние ультразвуковой обработки суспензии дрожжей на выживаемость дрожжевых клеток;

- изучить влияние ультразвука на морфологические признаки и физиологическое состояние дрожжей;

- исследовать возможность получения дрожжевого экстракта дезинтеграцией клеток дрожжей ультразвуком;

- подобрать дозу внесения дрожжевого экстракта для активации засевных дрожжей;

- разработать способ обработки спиртовых дрожжей на стадии дрожжегенерирования с использованием многофункциональности действия ультразвука;

- изучить показатели зрелой бражки, полученной при применении активированными ультразвуком и дрожжевым экстрактом дрожжей.

4 Экспериментальная часть

5 Материалы и методы исследования

5.1 Материалы исследований

Для исследования применяли следующее сырье:

– рожь (ГОСТ 16990-88) .

Ферментные препараты:

разжижающий – Термамил СЦ – ТУ 6856-123-64958144-2004;

осахаривающий – Глюкаваморин Г20Х – ТУ 9291-016-00479563-2001.

Вода – СТБ 1188-99.

В качестве сбраживающего материала использовали дрожжи расы 12, ЦД и КМ. Разводку дрожжей и спиртовое сусло готовили в лабораторных условиях.

5.2 Методы исследований

Определение видимой концентрации сухих веществ бражки (ГОСТ 12787-81) [19]

Видимую концентрацию сухих веществ определяют в фильтрате бражки сахаромером или рефрактометром.

Определение действительной концентрации сухих веществ ГОСТ 12787-81) [19]

Для определения действительной концентрации сухих веществ определенный объем фильтрата бражки (100 см³), отмеренный мерной колбой после перегонки переводят в цилиндр и доводят дистиллированной водой до объема 100 см³, перемешивают и при 20ºС определяют действительную концентрацию сухих веществ сахаромером или рефрактомеротром.

Определение концентрации спирта (ГОСТ12787-81) [19]

Концентрацию спирта в бражке определяют в дистилляте, полученном после отгонки его из бражки. Для отгонки в круглодонную колбу вместимостью 250-300 см³ наливают 100 см³ фильтрата бражки, предварительно нейтрализованной 1 моль/дм³ раствором NаОН. Колбу, которой отмеривали бражку, ополаскивают 50 см³ дистилированной воды, присоединяя ополоски к объему. Колбу закрывают пробкой и соединяют с прямоточным холодильником. Соединения должны быть плотными и не пропускать вводно-спиртовых паров.

Дистиллят собирают в мерную колбу вместимостью 100 см³ с предварительно налитыми в нее 15-20 см³ дистилированной воды.

100 см³ дистиллята вливают в стеклянный цилиндр, добавляют 100 см³ воды, перемешивают и при 20ºС ареометром измеряют содержание спирта.

Определение исследование содержания аминного азота [20]

В основу метода положена способность аминокислот образовывать растворимые соединения с медью, количество которой определяют йодометрическим титрованием. Сущность метода заключается в том, что к слабощелочному раствору аминокислот прибавляют избыток суспензии ортофосфата меди в обратном буферном растворе.

Для определения образовавшихся при этом растворимых медных соединений от нерастворимого ортофосфата меди смесь фильтруют. Затем к фильтрату прибавляют уксусную кислоту, которая отщепляет медь от комплексного соединения и превращается в ацетат меди.

Для определения количества меди, участвующей в реакциях, к раствору добавляют йодит калия:

2Cu(CH₃COOO)₂+4KJ=J₂+2CuJ+4CH₃COOK

В результате реакции выделяется йод в количестве. Эквивалентном количеству меди, а следовательно, и азоту аминокислот, который оттитровывают раствором тиосильфата натрия:

J₂+2Na₂S₂O₃=2NaJ+Na₂S₄O₆

1 см³ 0,01 моль/дм³ раствор тиосульфата натрия соответствует 0,28 мг аминного азота, так как один атом меди реагирует с двумя молекулами аминокислот, образуя соединения типа Cu(RCHNH₂COO)₂.

Для проведения опыта в мерную колбу на 50 см³ пипеткой вносят 5-10 см³ исследуемого раствора, добавляют 3-4 капли тимолфталеина и по каплям 1 моль/дм³ раствор гидроксида натрия до появления бледно-голубой окраски. К слабощелочному раствору из цилиндра при помешивании приливают 30 см³ суспензии фосфата меди, содержимое колбы доводят водой до метки, перемешивают и фильтруют через плотный фильтр. Фильтрат должен быть совершенно прозрачным.

10 см³ фильтрата пипеткой переносят в коническую колбу, добавляют 0,5 см³ уксусной кислоты и 10 см³ раствора йодита калия. После .перемешивания выделившийся йод титруют из микробюретки 0,01 моль/дм³ раствором тиосульфата натрия, прибавляя в конце титрования 1-2 капли раствора крахмала. Конец титрования определяют по исчезновению синей окраски.

При принятом разбавлении количество аминного азота рассчитывают по уравнению:

Х = а* 0,28 * 100 /2,

где а - количество 0,01 моль/дм³ раствор тиосульфата натрия, пошедшее на титрование, см³.

Колориметрическое определение общего количества растворимых несброженных углеводов [20]

Метод основан на расщеплении сложных углеводов до моносахаров в сильнокислой среде с последующей их дегидратацией и образованием оксиметилфурфурола, который, вступая в реакцию с антроном, образует комплексное соединение синевато-зеленого цвета.

Отобранную пробу бражки фильтруют сначала через полотняный фильтр, затем через бумажный. Первые 20 см³ фильтрата отбрасывают, а последующие используют для анализа. Фильтрат разбавляют дистиллированной водой с таким расчетом, чтобы в разбавленном растворе содержалось от 4 до 10 мг/100 см³ углеводов, т.е. примерно в 50-100 раз. В разбавленном растворе определяют содержание углеводов.

В пробирку с пришлифованной пробкой вместимостью 20 см³ наливают 5 см³ антронового реактива, осторожно по стенке приливают 2,5см³ разбавленного испытуемого раствора так, чтобы жидкости не смешивались, а образовывали два слоя.

Параллельно готовят контрольную пробу, добавляя к 5 cm³ реактива 2,5cm³ дистиллированной воды.

Пробирки плотно закрывают пробками, энергично встряхивают в течение 10 с и погружают в бурно кипящую водяную баню. Кипение воды в водяной бане должно возобновиться через 0,5 мин с момента погружения пробирки. Пробирки в кипящей бане выдерживают в течение 6 мин, затем помещают в баню с проточной холодной водой (t = 10÷12°С) и содержимое охлаждают до 20ºС. Раствор после реакции приобретает синевато-зеленую окраску, интенсивность которой измеряют на фотоэлектроколориметре при двух светофильтрах с длинами световых волн 610 и 413 нм в кювете с шириной рабочей грани 5 мм. В результате измерения получают две величины оптической плотности D₁ и D₂.Подставляя значения D₁ и D₂ в расчетные уравнения, получают массовую концентрацию растворимых сбраживаемых углеводов (С_ру, в г/100 см³).

С_ру = 19,53 (D₁- D₂) n /1000 дляКФК-2;

Ср.у = (36,47 D₁ - 29,4Ю₂) п /1000 для А1-ЕЦ2-С;

где 19,53, 36,47, 29,4 – постоянные коэффициенты, полученные экспериментально;

D₁ – оптическая плотность при светофильтре с длиной световой волны 610 нм;

D₂ – оптическая плотность при светофильтре с длиной световой волны 413 нм;

n – коэффициент разведения;

1000 – перевод миллиграммов в граммы.

Определение содержания сахаров по Бертрану [20]

Метод основан на окислении сахаров фелинговой жидкостью, которая представляет собой смесь двух растворов. Сущность метода в следующем. Смешивая оба раствора Фелинга, получают осадок гидрата окиси меди, который вступает во взаимодействие с сегнетовой солью с образованием комплексного соединения меди. При кипячении с редуцирующими сахарами комплексное соединение меди окисляет сахар, а медь при этом восстанавливается и выпадает в осадок в виде оксида меди красного цвета. Осадок отфильтровывают и растворяют в присутствии серной кислоты в растворе железоаммонийных квасцов. Количество образующего сульфата железа определяется титрованием перманганатом калия. Умножая количество миллилитров перманганата калия, пошедшего на титрование , на его титр, определенный по меди, рассчитывают число миллиграммов меди и по таблицам находят соответствующее содержание сахаров.

При содержании сухих веществ в сусле 12- 16 % его разводят водой в 25 раз. Для этого пипеткой отмеривают 10 см³ сусла в мерную колбу на 250 см³, объем доводят до метки дистиллированной водой и раствор тщательно перемешивают. В коническую колбу пипеткой отмеривают 20 см³ полученного раствора и мерными цилиндрами по 20 см³ растворов Фелинга 1 и 2. Смесь перемешивают, за 3-4 минуты нагревают до кипения и кипятят точно 3 минуты на открытом пламени газовой горелки. За момент закипания принимают появление пузырьков на всей поверхности жидкости. С начала кипения пламя под колбой уменьшают, добиваясь равномерного спокойного кипения. Через 3 минуты колбу снимают с огня, дают отстояться осадку (1 -2 минуты) и приступают к фильтрации.

При фильтрации возможны механические потери осадка и потери за счет его окисления кислородом воздуха, поэтому жидкость нужно сливать на фильтр осторожно, стараясь не переносить осадок на фильтр, так как на фильтре он труднее растворяется. Чтобы избежать окисления меди, осадок в колбе и на фильтре всегда держат под слоем жидкости.

Полностью слив синюю жидкость из колбы на фильтр, в колбу тотчас наливают 30-60 см³ горячей дистиллированной воды, осадку дают немного отстояться, затем промывную воду также декантацией переводят на фильтр. К этому моменту на фильтре не должно быть синей жидкости. Промывку осадка горячей водой повторяют 2-3 раза, а затем осадок в колбе растворяют 15-20 см³ раствора сульфата железа (III) или железоаммонийных квасцов, тщательно обмывают им стенки колбы, чтобы растворить прилипшие к ним крупицы осадка. Раствор в колбе приобретает ярко-зеленый цвет.

После отфильтровывания последней порции промывной воды приемную колбу под фильтром меняют на чистую и раствор сульфата железа из конической колбы осторожно, по палочке, переносят на фильтр.

Чтобы ускорить растворение осадка на фильтре, верхний слой фильтрующей массы слегка размешивают палочкой. Затем коническую колбу и фильтр 5-6 раз промывают холодной дистиллированной водой, для чего каждый раз в колбу наливают по 20-25 см³ воды, ополаскивают стенки колбы и ополоски выливают на фильтр. Закончив промывание, фильтрат сразу же титруют раствором перманганата калия до изменения зеленоватой окраски на розовую. Переход цвета совершается четко при добавлении одной избыточной капли раствора перманганата калия. Расхождение между двумя параллельными титрованиями при расходе 6-7 см³ перманганата калия не должно превышать 0,05 см³ (если идет 10-12 см³, то допускается расхождение на 0,1 см³).

Параллельно с основным анализом проводят определение поправки на реактивы. Определение ведут так же, как и основной анализ, но вместо сахарного раствора берут 20 см³ дистиллированной воды. Поправку выражают в см³ раствора перманганата калия и вычитают ее из количества перманганата калия, пошедшего на титрование основного опыта. Разность между этими числами умножают на титр перманганата калия и получают количество меди (в мг), восстановленной сахаром.

По принятым разведении содержание глюкозы Х в неразведенном сусле (в г на 100 см³) рассчитывают по уравнению:

Х= а *250 * 100 /(20 * 10* 1000),

где а – количество глюкозы в 20 см³ раствора сусла, мг;

250 — общий объем раствора сусла, см³;

100 – пересчет на 100 см³ исходного сусла;

20 — объем раствора сусла, взятого на анализ, см³

10 — объем исходного сусла, взятого на анализ, см³

1000-перевод миллиграммов в граммы.

Определение кислотности бражки (ГОСТ 12788-87) [21]

Кислотность бражки определяют титрованием и выражают в градусах. Один градус кислотности соответствует 10 см³ 0,1 моль/дм³ раствора гидроксида натрия, расходуемого на нейтрализацию кислот, содержащихся 20 см³ фильтрата сусла.

Проведение анализа. 20 см³ фильтрата бражки отбирают пипеткой, помещают в фарфоровую чашку и, помешивая стеклянной палочкой, титруют 0,1 моль/дм³ раствором NaOH. Периодически, после приливания раствора щелочи (2-4 капли), исследуемую жидко перемешивают и проверяют реакцию среды. Для этого каплю жидкости смешивают на белой фарфоровой пластинке с каплей 0,1 %-ного раствора метилового красного.

Титрование ведут до получения желтой окраски капли, указывающей на нейтральную реакцию. Оранжевая и розовая окраски указывают на кислую реакцию.

Для контроля одну каплю раствора индикатора смешивают с каплей дистиллированной воды. Если нейтрализация исследуемой жидкости достигнута, то цвет капель (исследуемой и контрольной) будет одинаков.

Кислотность бражки рассчитывают по разности уровней раствора гидроксида натрия в бюретке до и после титрования, которое делят на 10.

При нормальном процессе брожения нарастание кислотности в бражке не должно превышать 0,2º.

Определение общего числа дрожжевых клеток [22]

Для подсчета микроорганизмов используют камеру Горяева. Подсчет ведут после предварительного разбавления водой (1 мл суспензии и 9 мл Н₂О).

Заполенение камеры осуществляют в оределенном порядке: небольшую каплю суспензии наносят на поверхность счетной камеры и покрывают шлифованным покровным стеклом. Подсчет числа клеток проводят с объективом 40х.

Число клеток дрожжей подсчитывают в 5 больших квадратах сетки по диагонали.

Число клеток в 1 мл исходной суспензии:

М=(n₁+ n₂+ n₃+ n₄+ n₅)/5*25*10⁴

Определение количества мертвых дрожжевых клеток [22]

При нормальных условиях технологического процесса зрелые дрожжи могут содержать 0,5 - 1% мертвых клеток. При наличии большого их количества необходимо немедленно проверить температуру и кислотность дрожжей.

Для определения количества мертвых дрожжевых клеток на предметное стекло наносят по одной капле дрожжей и раствора метиленовой сини (1:5000), закрывают покровным стеклом, излишек жидкости отбирают листочком фильтровальной бумаги и через 2 мин микроскопируют. Если применять раствор метиленовой сини 1:10 000, соотношение дрожжей и раствора с краской должно быть 1:2.

В поле зрения микроскопа считают все дрожжевые клетки, затем только синие, после чего препарат передвигают и подсчет ведет в новом поле зрения, таким образом подсчитывают общее количество дрожжевых клеток в пяти полях зрения. После подсчета вычисляют количество мертвых клеток в процентах.