1.1.8Механико-ферментативная схема обработки крахмалсодержащего сырья

В последнее время отечественные производители спирта уделяют пристальное внимание энерго- и ресурсосберегающим технологиям получения этанола. Наибольший интерес представляют технологии подготовки крахмалистого сырья к сбраживанию без разваривания или в условиях низкотемпературного разваривания.

Впервые исследования процессов обработки сырья в отсутствие повышенного давления начали проводить во ВНИИ пищевой биотехнологии, КТИПП и ВТИ с конца 70-х и начала 80-х гг. Так, во ВНИИПБТ в 1986 г. Начали разрабатывать новый способ “мягкого” разваривания сырья. В основу этой технологии был положен метод гидроферментативного растворения веществ зерна, где технологический фактор растворения этих веществ – не температура разваривания сырья, при которой протекают процессы термогидратации и термогидролиза крахмала, а фактор времени протекания ферментативных и гидродинамических процессов.

Сегодня предприятия накопили большой опыт эксплуатации этой технологии, что позволяет оценить ее технико – экономическую эффективность. Положительная сторона работы “мягкой” схемы по сравнению с эксплуатацией традиционной схемы высокотемпературного разваривания сырья – снижение температуры варки и улучшение органолептических и физико-химических показателей вырабатываемого спирта.

Как показывает опыт, в ходе распространения “мягких” схем МФО в промышленности отмечаются некоторые особенности. Это связано с использованием на предприятиях габаритных аппаратов для ферментативного гидролиза сырья, не предусматривающих оптимального пребывания массы в них. Сложности также обусловлены реальной необходимостью переработки некачественного сырья низкосортного, дефектного зерна, что влияет на технологию, качество продукции и эффективность производства.

В отдельные периоды качество зернового сырья может сильно изменяться по разным причинам: из-за поступления недозрелого, не выдержавшего сроки хранения сырья; низкокрахмалистого, щуплого, с повышенным содержанием пленок ячменя (=10%); недостаточно очищенного и засоренного (более 2%), с повышенной влажностью (более 15%), а также плохо хранившегося, пораженного вредителями, морозобойного, заплесневелого, с разными запахами зерна различной степени дефектности, с содержанием аммиака от 5-22 до 40-100 мг%.

В этих условиях при эксплуатации энергосберегающих “мягких” схем, работающих при пониженных температурных параметрах, часто отмечаются отклонения в процессе проведения ферментативной обработки, обусловленные в первую очередь возможным инфицированием и закисанием производственной среды. В связи с этим при переработке по схемам МФО не очень качественного сырья необходимо осуществление ряда дополнительных мероприятий, направленных в основном на предотвращение микробиологического заражения полупродуктов, начиная с подачи сырья в производство и кончая получением бражки. Численность и видовой состав микрофлоры в большей степени зависят от погодно-климатических условий в процессе вегетации растений, а также от температуры и влажности среды при хранении зерна.

Отличительное свойство некоторых вредных в спиртовом производстве микроорганизмов – их способность превращать углеводы в органические кислоты, что приводит к снижению питательной ценности сусла, повышению кислотности среды, инактивации амилолитических ферментов, и, следовательно, снижению выхода спирта.

Поэтому, для избежания инфицирования необходимо обратить внимание на работу подработочного отделения, т.е. усилить очистку зерна от сора, пыли, земли, других посторонних примесей, как правило, обсемененных вредными для производства микроорганизмами. При работе зерноочистительных и магнитных сепараторов содержание сора в очищенном зерне не должно быть более 0,5-1,0% при полном отсутствии металлопримесей. Необходимо ежесменно тщательно контролировать работу дробилок, не допуская снижения качества помола менее 75-80% по проходу частиц через сито 1мм. Остаток частиц на сите 2,5 мм не должен превышать 0,6%. Необходимо полностью исключить наличие в тонком равномерном помоле крупных частиц – четвертинок, половинок и т.п. Для этого следует ликвидировать все неплотности, зазоры между ситами и корпусом, не допускать работу с пробитыми ситами, иметь запасные сита и т.д.

Следует также отметить, что большие размеры аппаратов АФО -1 и АФО – 2 должны быть скорректированы из-за сверхдлительного нахождения массы в них. При недостаточно эффективном измельчении, перемешивании, отсутствии мешалок, при их остановках возможно образование застойных, характеризуемых пониженной теплопроводностью и повышенной вязкостью малоподвижных зон на днищах, в нижних частях аппаратов, трубопроводах, насосах циркуляционного контура. Это способствует развитию инфекции и закисанию среды, прежде всего при низкой температуре обработки, которая необходима для действия собственных ферментов зернового сырья.

Длительная обработка массы также снижает производительность, увеличивая время стерилизации и освобождения аппаратов на стерилизацию, способствует задержкам необработанной под давлением, склонной к инфекции массы. При непрерывной работе аппаратов большой вместимости – 100 м³ и более полная замена старой массы новой происходит при пропуске 8-кратного количества среды через них.

Постоянная работа, особенно без принудительного полного периодического освобождения с перекачиванием массы в свободный аппарат, также приводит к усилению самозакисания, чему очень способствует переработка некачественного сырья с повышенным содержанием посторонней микрофлоры.

Для определения очага инфекции и предотвращения его распространения по производственной линии следует иметь возможность отбирать точечные пробы массы из малодоступных мест аппаратов схемы и ставить их на самозакисание. При возникновении предпосылок к закисанию массы в аппаратах, характеризуемому изменением кислотности, pH, цветности, запаха мелассы, необходимо оперативно принимать меры к определению и незамедлительному устранению очага инфекции.

Как показывает опыт, при переработке низкосортного сырья в этих условиях следует применять дифференцированные режимы тепловой стерилизации, ориентируясь на доброкачественность, засоренность, степень очистки сырья. Для этого на заводе необходимо иметь и своевременно вводить в действие узел тепловой дополнительной стерилизации, состоящий из отдельных, последовательно подключаемых секций для дополнительной выдержки гидролизованной массы. Наличие такого узла позволит путем повышения температуры стерилизации достичь чистоты сусла и процесса сбраживания за счет гибели вредных кислотообразующих бактерий и особенно термоустойчивых спор.

В производстве спирта из крахмалсодержащего сырья раньше использовали стандартный периодический или непрерывный процесс разваривания сырья под давлением при высокой температуре ( до 150˚С) для расщепления и клейстеризации крахмала, чтобы подготовить его для последующей стадии ферментативной обработки на сбраживаемые сахара.

При выборе ФП для механико –ферментативной обработки необходимо учесть различные свойства сырья и в соответствии с этим подобрать их оптимальные дозировки. Принятое в промышленности новое оборудование позволяет добиваться различных степеней помола сырья. Однако следует отметить, что при более тонком помоле существует возможность снижать энергозатраты на разваривание, уменьшать время ведения процесса и дозировки ФП.

Для каждого комплекса оборудования по производству спирта рекомендуются соответствующие ФП, учитывающие специфику ведения технологического процесса и возможности как отдельного аппарата, так и всей линии.

В таблице – указаны данные о ФП, используемых в спиртовой отрасли: показаны диапазоны работы ФП и их дозировки, при которых соблюдаются требования регламента производства спирта и нормативные выхода из 1 т сырья.

ФП рекомендуется добавлять, учитывая условия его применения и оптимумы действия. Выбор ФП в большей степени зависит от качества применяемой воды: состава солей (содержание Са++), pH, температуры. Смешивать измельченное сырье и теплую воду оптимальной температуры необходимо в соотношении 1:2,5-3,5.

При использовании схемы “мягкого разваривания” предлагается использовать термостабильную α-амилазу Термамил СЦ. Она отличается от остальных тем, что не требует поддержания условий по химическому составу замеса ( содержание ионов кальция). Поэтому, как правило дозировка препарата ниже, а эффект осахаривания крахмала выше при температуре обработки на 5…10˚С ниже, чем у аналогичных препаратов. При использовании Термамила СЦ нет необходимости регулировки содержания ионов Са++, а оптимальный диапазон pH составляет 5,2-5,8.

Таблица 1 – Ферментные препараты, используемые в спиртовой отрасли

Наименование ФП	Условия работы
	Температура ˚С	pH	Кальций ++	Дозировка мл/т условного крахмала
Для разжижения
Термамил СЦ	85-95	5-6	5	100-350
Термамил 120 Л	85-95	6-6,5	50	150-500
БАН 240Л	70-80	6-6,5	15	200-500
Фунгамил 800Л	60-65	5-6	0,5	100-150
Для осахаривания
САН Супер 240Л	50-60	4,5-6,8	-	300-1200
АН Ультра Л	50-60	4,5-6,8	-	500-800
Для расщепления белка

Продолжение таблицы 1 – Ферментные препараты, используемые в спиртовой отрасли
Нейтраза 0,8 Л	40-60	5-6	-	100-200
Наименование ФП	Условия работы
	Температура ˚С	pH	Кальций ++	Дозировка мл/т условного крахмала
Алкалаза 2,4Л	40-65	4-7,5	-	20-50
Для уменьшения вязкости
Вискозим Л	30-65	3,5-6	-	150-300
Шеарзим 500 Л	40-75	4-7,5	-	20-50

При мягком режиме и ведении процесса в две стадии (65 и 95 ˚С) можно добавлять термостабильную амилазу на стадии смешения, если условия процесса позволяют реализовать возможности фермента. На стадии осахаривания при 60-65 ˚С рекомендуется добавлять Фунгамил, в этом случае pH 5,0-5,3. При 70-75 ˚С необходимо использовать БАН.

Время обработки, а также вязкость можно сократить за счет облегчения доступа к крахмалу амилазы. Например, для ржаных заторов при проблемах с вязкостью можно добавить карбогидразу широкого спектра действия: Вискозим Л из расчета 100-200 г/т затора АО время охлаждения в условиях 55 ˚С при обработке высокотемпературным способом, а также и на стадии смешения с водой при мягком режиме.

Осахаривание необходимо вести при 55-60 ˚С не менее 30 мин, хотя доосахаривание продолжается и в бродильном аппарате.

Для уменьшения вязкости рекомендуется использовать Вискозим Л или Шеарзим 500Л в сочетании с БАН, Фунгамилом 800Л.

Для улучшения жизнедеятельности дрожжей в качестве протеолитических ферментов можно добавлять на стадии осахаривания или разжижения Алкалазу 2,4 Л из расчета 20-50 г/т крахмала. Алкалаза – бактериальная протеаза комплексного действия, работая при достаточно низких pH, она расщепляет белок сырья, в том числе до аминокислот, усваемых дрожжевой клеткой.

Проблемы с отложениями на поверхности нагрева оборудования обычно решают путем добавления Нейтразы 0,8Л из расчета 50-150 мл/т крахмала или Алкалазы 204 Л из расчета 25-75 г/т крахмала. Данная добавка также улучшает брожение.

Принимая во внимание все вышеперечисленное, для повышения эффективности и стабильности работы на всех типах сырья по “мягкой схеме” необходим следующий комплекс усовершенствований:

• использование эффективных установок по очистке и дроблению сырья, обеспечивающих помол сырья на уровне 100%-ного прохода через сито с диаметром отверстий 2 мм, и 80%-ного – через сито с диаметром отверстий 1 мм;

• использование форсмесителя;

• применение дозирующих устройств, стабилизирующих концентрацию замеса;

• использование двух аппаратов ГДФО, работающих при температурных режимах, обеспечивающих очередность прохождения процессов набухания и клейстеризации замесов, работу протеолитических, амилолитических и цитолитических ферментов, как содержащихся в сырье, так и вносимых извне;

• изменение места установки РПА. Агрегат устанавливается между аппаратами ГДФО-1 и ГДФО-2;

• подкисление замеса до уровня pH 4,2-4,8 путем использования фосфорной кислоты содержащейся в фитине зерна;

• разжижение замесов путем подкисления;

• удлинение межстерилизационного периода установок ГДФО до 1 месяца;

• применение длительной стерилизации замесов путем установки стерилизатора колонного типа (длительность стерилизации 20-40 мин);

• приведение в соответствие размера осахаривателя с производительностью установки исходя из длительности пребывания осахаренной массы не менее 1ч;

• проведение контроля качества осахаривания по чистоте сусла (видимая доброкачественность).

Следуя всем требованиям режим “мягкого разваривания” позволяет снизить:

1. температуру обработки сырья до 68-70 ˚С;

2. расход ферментов;

3. расход газа на вводно-тепловую обработку;

4. энергозатраты на ректификацию бражки до 30%;

5. затраты на освидетельствование котлнадзорного оборудования;

повысить:

4. концентрацию сухих веществ в сусле до 19-20%;

5. крепость бражки до 10-11%;

6. выход спирта на 0,5% из расчета на 1 тонну условного крахмала;

улучшить условия труда и повысить его безопасность, исключив использование котлнадзорного оборудования;

исключить чан замеса из технологической схемы;

освободить производственные площади.

Кроме того создание надежной теплоизоляционной системы аппаратов гидродинамической обработки зернового сырья позволяет сократить потери тепла в окружающую среду на 60-70%; применение стерилизатора в аппаратурно-технологической схеме получения этанола дает возможность не только проводить термическую обработку зерновой массы, но и изменять температурные режимы водно-тепловой обработки зерна с целью экономии энергоресурсов и ферментных препаратов. Смешивание помола с водой при температуре 50-55 ˚С, последовательный нагрев и выдержка массы при 72-75 ˚С и 80-83 ˚С, стерилизация при 105 ˚С – оптимальный режим переработки зерна с позиции технологических показателей, экономии теплоресурсов и эффективной работы термостабильных ферментных препаратов.

Таким образом, рациональная схема МФО, рассчитанная на оптимальные длительности ферментативной и ферментативно-тепловой обработки, позволяет завершить процесс подготовки гидролизованной альфа-амилазной массы к сбраживанию дифференцированным, тепловым, стерилизационным воздействием с учетом качества перерабатываемого сырья.