8.1.3. Производство этилового спирта

Для получения этилового спирта используют щелок сульфитной варки хвойных пород древесины, в котором не менее 2/3 моносахаридов представлено гексозами.

Брожение осуществляется в анаэробных условиях культурами дрожжей Saccharomyces и Schizosaccharomyces. Непрерывный процесс брожения (рис. 46) разделен на две стадии: главное брожение в головном бродильном аппарате и дображивание в хвостовом. На первой стадии утилизируются легкосбраживаемые глюкоза и манноза, на второй – дображивается галактоза. Оптимальные условия брожения: температура 30–32С, значение рН 4,0–4,5, концентрация дрожжей в бродильных аппаратах 20–25 г/дм³.

Рис. 46. Технологическая схема производства этанола

на сульфитном щелоке:

1 – сборник подготовленного сульфитного щелока; 2 – дрожжанка; 3 – головной бродильный аппарат; 4 – хвостовой бродильный аппарат; 5 – сборник бражки; 6 – сепаратор; 7 – сборник отсепарированной бражки

Суммарно процесс брожения описывается уравнением

С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂,

согласно которому из 100 кг сброженного сахара можно получить 64,79 л (51,14 кг) этанола.

Катаболизм сахаров осуществляется по пути Эмбдена – Мейергофа – Парнаса с образованием из одной молекулы сахара двух молекул пировиноградной кислоты. Последние под действием пируватдекарбоксилазы превращаются в ацетальдегид, который восстанавливается до этанола. Этот процесс катализируется алкогольдегидрогеназой. В качестве побочного продукта в небольшом количестве образуется глицерол.

В результате реакций дезаминирования и декарбоксилирования аминокислот образуется комплекс спиртов (бутиловый, изобутиловый, пропиловый, изоамиловый, амиловый), который называют «сивушный спирт». Его количество составляет около 0,5% от массы этанола. В качестве примеси также присутствует метанол (0,05%), который накапливается в щелоке еще во время сульфитной варки.

Таким образом, при брожении протекает ряд побочных процессов, выход спирта снижается, а в бражке накапливаются примеси. На конструктивный метаболизм дрожжей и побочные реакции расходуется около 5% сахаров. Практический выход спирта из 100 кг сброженного сахара составляет при использовании дрожжей Saccharomyces cerevisiae 55–57 л, Schizosaccharomyces pombe – 57–59 л. При содержании в щелоке редуцирующих веществ (РВ) 2,8% массовая доля этанола в бражке составляет около 1,1%.

Дрожжевая масса отделяется от бражки сепарацией и возвращается в бродильный аппарат в виде концентрата с содержанием дрожжей 120–150 г/дм³, а спиртовая бражка направляется на ректификационную установку для выделения этанола и очистки его от примесей. После выделения этанола и летучих примесей остается сульфитно-спиртовая барда, которая содержит остаточные сахара (пентозы), уксусную кислоту и может быть использована для получения кормовых дрожжей.

Для улавливания диоксида углерода бродильные аппараты герметизированы, СО₂ после очистки и компримирования направляют на получение жидкой углекислоты.

Спиртовому брожению можно подвергать частично упаренный под вакуумом (до значения РВ 3,5–4,0%) сульфитный щелок. При более значительном концентрировании возрастающее осмотическое давление на дрожжевые клетки приводит к снижению их спиртообразующей способности. При сбраживании упаренного щелока снижаются эксплуатационные затраты, расход пара на ректификацию, и уменьшается количество образующейся после ректификации сульфитно-спиртовой барды.