3.4 Опис технологічної схеми виробництва

При виробництві спирту з комбінованої рослинної сировини процесу зброджування передують стадії підготовки рослинного матеріалу та дріжджів

Гідроліз деревини комбінованої рослинної сировини розбавленою сірчаною кислотою. Під впливом кислоти і високої температури відбувається гідроліз полісахаридів сировини з утворенням моносахаридів за такою схемою:

(С₆Н₁₀О₅) n + n Н₂O = n(С₆Н₁₂О₆)

Гексозани Гексози

(С₅Н₈О₄) n + n Н₂О = n (С₅Н₁₀О₅).

Пентозами Пентози

Цей складний процес протікає в дійсності в кілька стадій і через проміжні продукти. Спочатку утворюються водорозчинні полісахариди, а потім найпростіші цукру - монози, які з більшою чи меншою швидкістю перетворюються на інші продукти. Пентози спочатку дегідратуються до відносно стійкого фурфуролу:

С₅Н₁₀О₅ = С₅Н₄О₂ + 3Н₂О,

а фурфурол в свою чергу розкладається до мурашиної кислоти і гумінових речовин. Пектинові речовини розщеплюються на галактуронову кислоту, метиловий спирт, оцтову кислоту, арабіноза і галактозу.

Гідроліз рослинних матеріалів розведеної сірчаної кислотою ведеться в гідролізних апаратах, що представляють собою сталеві вертикальні циліндричні резервуари з конічною верхньої та нижньої частинами, що закінчуються горловинами. Внутрішня поверхня апарату від нижньої до верхньої горловин захищена шаром кислототривкої футеровки. Зовнішня стінка апарату покрита теплоізоляцією.

Гідролізні апарати виготовляються робочим об'ємом 18, 30, 36, 50, 70 і 160 м³ і ставленням діаметра до висоти від 1:2,3 до 1:4,5.

Гідроліз рослинної сировини проводять перколяційні методом, при якому гаряча розбавлена сірчана кислота безперервно протікає через сировину. В апарат подають через верхню горловину подрібнену сировину. Концентровану сірчану кислоту змішують з попередньо підігрітою до 180-190 ° С водою. Вода повинна мати жорсткість не більше 0,7 мг-екв / л, більш жорстку воду пом'якшують. Співвідношення потоків концентрованої сірчаної кислоти і води регулюють відповідно до заданої концентрацією розведеної кислоти, що надходить в апарат. Масу рослинної сировини і рідини в апараті контролюють за допомогою вагоміра.

У випарниках отримують близько 10% конденсату від охолоджуваного гідролізату. Склад конденсату залежить від типу сировини і режиму його гідролізу. При переробці хвойної деревини в ньому міститься близько 0,3% фурфуролу, 0,1% метанолу і 0,12% оцтової кислоти. З конденсатів отримують чистий фурфурол.

Перколяційний гідролізат, що виходить з гідролізних апаратів, містить деяку кількість не повністю гідролізовані, розчинних у воді полісахаридів (олігосахаридів і декстринів 0,18-0,30%). Вони не засвоюються дріжджами, тому їх потрібно гідролізувати. Цей процес називають інверсією. Для здійснення інверсії гідролізат з випарників направляють в спеціальні апарати - інвертори (місткістю від 500 до 1000 м³), в яких його витримують при температурі близько 100^оС протягом 8 годин. При цьому близько 80% всіх декстринів гідролізуються до моносахаридів, кількість яких збільшується на 7 -8%.

В процесі інверсії з гідролізату виділяється осад затверділої смоли, а лігнін спливає на поверхню. Осад періодично видаляють з інвертора.

На деяких заводах інверсію проводять йод надлишковим тиском в випарниках низького тиску при температурі 130° С протягом 35 хв.

Підготовка гідролізату до зброджування. Для перетворення гідролізату в сусло, придатний для вирощування дріжджів і зброджування, необхідно нейтралізувати мінеральні і частково органічні кислоти, відокремити осад, охолодити середу до 30-37 ° С, видалити шкідливі леткі домішки, збагатити середу фосфор- і азотовмісних харчуванням.

Гарячий кислий гідролізат зі збірки після інверсії подають в нейтралізатор, куди з мірника надходять вапняне молоко і розчин живильних солей в потрібному співвідношенні. Кислотність суміші доводять аміачною водою до рН 5-6. Нейтралізатори мають об'єм 34, 40, 60 і 100 м³. Температуру середовища в нейтралізаторах підтримують на рівні не нижче 82^оС, так як при температурі нейтралізації 80°С утворюються кристали гіпсу, найбільш повільно розчиняються при наступному охолодженні. Якщо ж нейтралізацію і відділення осаду вести при низькій температурі, то в розчині буде міститися підвищена кількість гіпсу, який при перегонці бражки виділяється у вигляді кристалів, які порушують нормальну роботу контактних пристроїв брагоректифікаційних апаратах.

Нейтралізований і збагачений поживними солями гідролізат подають у відстійник, з якого освітлений гідролізат надходить до збірки нейтралізата, а осад направляють в збірник, де його промивають, відводячи шлам в каналізацію.

Гарячий нейтралізат зі збірки подають в безперервно діючу вакуум-охолоджувальну установку, де він охолоджується з 85-95 до 30-35 ° С. Утворені при цьому пари конденсуються в конденсаторах. Конденсат, що містить фурфурол, насосом перекачують в фурфурольних цех, де з нього виокремлюють товарний фурфурол. Охолоджений нейтралізат (сусло) надходить в бродильне відділення спиртового цеху.

Приготування промислових дріжджів. На початку виробничого сезону й при сильному інфікуванні дріжджі розмножують по методу чистому культури за схемою: пробірка - колба на 500 мл - сулію на 5 л - апарат чистої культури (АЧК) па 5 дав -дріжджанка. Дріжджанка являє собою циліндричну ємність із конічним днищем, постачену поверхнею охолодження й мішалкою.

Для розмноження засівних дріжджів у колбі, сулії й АЧК використовують стерильне сусло концентрацією відповідно 10, 14 і 16% по цукрометру. У кожній стадії дріжджі розмножуються протягом 20—24 год. при температурі 30°С. Отримані дріжджі використовують для подальшого розмноження в дріжджанках.

У ході виробництва засівні дріжджі відбирають від виробничих у кількості 10%. Очищення засівних дріжджів від сторонніх мікроорганізмів проводять підкисленням сірчаною кислотою до рН 2 (2,7—3,0)° і витримують протягом 30 — 40 хв.

Виробничі дріжджі. Для культивування виробничих дріжджів спочатку готовлять дріжджове сусло, у яке вносять засівні дріжджі. Залежно від способу готування дріжджового сусла розрізняють сірчанокислі й молочнокислі дріжджі.

Для готування сірчанокислих дріжджів сусло концентрацією 17—18% по цукрометру подають із оцукрювача в дріжджанку, пастеризують при температурі 70° С у плин 20 хв., потім прохолоджують до 50° С и підкисляють сірчаною кислотою до титруємої кислотності 0,7—0,8°. Потім сусло розмішують і прохолоджують до 30° С, задають у нього засівне дріжджі в кількості 10% від об'єму дріжджового сусла, прохолоджують до температури складки 18-22°С і залишають на бродіння.

При оцукрюванні розвареної маси глибинною культурою цвілевих грибів у дріжджове сусло додатково вносять грибну культуру в кількості 3—4% по об'єму й оцукрюють його при температурі 58°С на протязі 2—3 години.

Якщо зброджування сусла здійснюють безперервним способом, то дріжджове сусло протягом 30 хв. пастеризують при температурі 80° С и після охолодження до 50° С підкисляють сірчаною кислотою.

Підкислення сусла молочною кислотою не робить шкідливого впливу на дріжджі, а висока температура розмноження молочнокислих бактерій не дозволяє розвиватися іншим бактеріям, шкідливим для виробництва. Тому що в молочнокислих бактерій немає суперечка, то сусло можна стерилізувати при температурі 75° С.

У суслі, підкисленому молочнокислими бактеріями, збільшується зміст розчинних азотистих речовин за рахунок пептонізації глобулярних білкових речовин, що сприятливо позначається на розмноженні дріжджів. На розмноження молочнокислих бактерій витрачається близько 0,8% цукру дріжджового сусла, або 0,04-0,05% цукрів, що втримуються в суслі спиртового виробництва. Незначна витрата цукру компенсується гарною якістю дріжджів, більш енергійно зброджуючих сусло. Розмноження виробничих дріжджів проводять періодичним або напівбезперервним способом; безперервний спосіб поки не застосовується. У якості виробничих можуть служити також і окремі дріжджі, приготовлені на відпрацьованій із бродильного апарата частини зброджуємого сусла в період головного шумування.

Періодичний спосіб починають із введення в дріжджове сусло при температурі 30°С засівних дріжджів у кількості 10% від об'єму сусла. Потім сусло прохолоджують до 18—22°С, спостерігаючи за тим, щоб температура не піднімалася вище 30°С. .Розмноження дріжджів ведуть до видимої концентрації сусла, рівної 1/3 від первісної; концентрація дріжджів при цьому становить 120-160 млн. в 1 мл. Наприкінці розмноження кліток, що брунькуються, повинне бути не більше 2-3%, а мертвих - не більше 1%. Від готових виробничих дріжджів відбирають 10% засівних дріжджів для наступного циклу, а основну їхню масу подають у бродильний апарат. Тривалість розмноження виробничих дріжджів 18-20 годин.

Іноді необхідно затримати передачу виробничих дріжджів у бродильні апарати. У цьому випадку варто заздалегідь знизити температуру бродіння або здійснити підмолодку виробничих дріжджів, тобто додати до них сусло спиртового виробництва, щоб підвищити концентрацію на 1-2% і відновити розмноження дріжджів. Якщо виробничі дріжджі перебродять, то в них збільшується зміст мертвих клітин, вони гірше зброджують сусло.

Зброджування. Зброджування оцукреної маси (сусла) починається з моменту введення в неї виробничих дріжджів; Під дією ферментів дріжджів йде розщеплення мальтози до глюкози, яка потім зброджується на спирт і діоксид вуглецю - основних продуктів бродіння. Поряд із утворюються вторинні та побічні продукти бродіння: вищі спирти, кислоти та ефіри. У міру зброджування моно - і дисахаридів під дією амілолітичних ферментів відбувається дооцукрування декстринів і крохмалю, що містяться в суслі. Від швидкості цього процесу залежить тривалість бродіння.

У процесі бродіння сусла можна виділити три періоди: збродування, головне бродіння і доброджування. У першому періоді відбувається інтенсивне розмноження дріжджів і зброджування цукрів. Другий період характеризується енергійним зброджуванням цукрів і супроводжується бурхливим виділенням діоксиду вуглецю. У третьому періоді йде повільне доброджування цукрів, що утворюються в результаті дооцукрювання декстринів сусла.

Процес бродіння проводять в закритих бродильних апаратах для запобігання втрат спирту і виділення діоксиду вуглецю у виробниче приміщення. Герметично закритий бродильний апарат являє собою вертикальний циліндр з сферичним або конічним днищем, всередині нього встановлений змійовик для охолодження бродячого сусла.

Бродіння сусла проводять періодичним, циклічним і нбузперервнопоточним способами. Найбільш досконалим і ефективним є непреривнопоточний метод, здійснюваний па установці, що складається з двох дріжджанок, збуроджувачах і 8 – 12 бродильних апаратів, послідовно з'єднаних перетічними трубами.

Коли вміст сухої речовини досягне 5 - 6%, масу подають в перший головний бродильний апарат, в який одночасно подається охолоджене сусло. При заповненні першого головного бродильного апарату зброджуєме сусло на нього перетікає, у другій головний апарат, з нього - в третій і т.д. Тривалість бродіння становить 60 годин. З останньої, апарату зріла бражка подається на перегонку. При бродінні в апаратах підтримується певна температура: у першому - 26 - 27 ° С, у другому - 27, в третьому - 29 - 30, у наступних - 27 28 ° С.

Виділяється при бродінні діоксид вуглецю разом з парами спирту з бродильних апаратів надходить у спеціальні пастки, і яких відбувається розчинення спирту і відділення діоксиду вуглецю. Водно-спиртова рідина з пастки надсилається разом з бражкою на перегонку, а діоксид вуглецю - в спеціальний цех для отримання сухого льоду або рідкого діоксиду вуглецю.

Зріла бражка повинна відповідати встановленим нормам. Міцність бражки (вміст етилового спирту в об'ємних відсотках) повинна знаходитися в межах 8,0 - 9,5 об.%: Вміст незброджених цукрів не повинно перевищувати 0,4 - 0,5%; кислотність зрілої бражки не повинна перевищувати 0,5 - 0,6 град.

Зріла бражка відцентровим насосом подається в додатковий підігрівач, в якому підігрівається на 10-12 ⁰С. потім бражка подається в бражний підігрівач, в якому підігрівається до температури 80-90 ⁰С теплом водно-спиртових парів з бражної колони.

Підігріта бражка подається в сепаратор СО₂ для видалення з неї вуглекислоти. Гази з сепаратора відводяться в конденсатор, а потім у спиртоуловлювач. Неконденсовані пари відводяться через зрошувальний вловлювач в атмосферу.

Сепарована бражка поступає на живильну тарілку бражної колони. Бражка виварюється від алкоголю і через гідрозатвор барда виводиться в збірник барди.

Бражна колона може обігріватися як безпосередньо введенням пари з колектора на барботер у виварній камері колони, так і при допомозі кип’ятильників. В останньому випадку гріючий пар підводиться в його між трубний простір, конденсат граючої пари відводиться в збірник.

В нижню частину кип’ятильника підводиться барда. В трубах кип’ятильника проходить кип’ятіння барди, утворена з неї пара вводиться у виварну камеру колони.

Неконденсовані пари в підігрівачах конденсуються в конденсаторі. Конденсат також направляється на тарілку елюраційної колони. На виварних тарілках елюрується бражний дистилят водно-спиртовими парами, що підіймаються з кип’ятильника і виварної камери. Головні домішки підіймаються в концентраційну камеру колони.

Концентрування отриманого етилового спирту проводять на молекулярних ситах