2.3 Водно-тепловая обработка крахмалсодержащего сырья с получением сусла

Различают следующие способы разваривания крахмалсодержащего сырья:

• периодическое разваривание при высоком давлении;

• непрерывное разваривание измельченного сырья при повышенном давлении;

• механико-ферментативная обработка сырья.

В настоящее время на предприятиях применяют в основном непрерывные методы разваривания сырья, которые в отличие от периодических процессов проводятся при более низких температурах (и давлении) и меньших энергетических затратах.

Периодическое разваривание сырья применяют при переработке цельного или грубодробленного зерна. На практике реализовано одно- и трехступенчатое разваривание.

Одноступенчатое разваривание зерна пшеницы осуществляют при температуре 155^oC, давлении 0,45 МПа и продолжительности процесса 85–90 мин. При разваривании зерна воду подают непосредственно в разварник до загрузки сырья. В процессе разваривания производят циркуляцию (сдувку пара продолжительностью 1–1,5 мин в выдерживатель или бак с водой) через каждые 7–10 мин для усреднения и равномерного разваривания сырья.

Трехступенчатое разваривание осуществляют по схеме: предразварник (температура 50–85^oC), разварник (температура 150–155^oC, продолжительность 60–65 мин), выдерживатель (температура 102–106^oC, выдержка 40–45 мин). В разварнике через каждые 5–7 мин проводят циркуляцию продолжительностью 1–1,5 мин. Разваренная масса зернового сырья имеет темно-желтый цвет.

Схема непрерывного разваривания сырья при повышенном давлении включает измельчение сырья; смешивание с водой; подваривание замеса; разваривание подваренного замеса; охлаждение разваренной массы.

Подваривание замеса обеспечивает использование вторичного пара, а также частичное набухание и клейстеризацию крахмала, что смягчает режим последующего разваривания.

Качество зерна идущего на разваривание не регламентируется. Различают 4 степени дефектности зерна:

1– с солодовым запахом (вышедшее из стадии биологического покоя);

2– с плесенно-затхлым запахом;

3 – с гнилостно-затхлым запахом;

4 – зерно, подвергшееся сильному саморазогреванию с оболочкой бурого или черного цвета.

Перерабатывается также морозобойное и перезимовавшее зерно.

Измельченное крахмалсодержащее сырье разваривают в варочных колоннах в одну или в две ступени при температуре 132–135°С (пшеница) или 150°С (картофель). Предварительное измельчение зерна увеличивает выход этанола. Обычно средний размер крупки, полученной при дроблении зерна, составляет 1,5–1,7 мм. Измельчение зерна до прохода 90–100% через сито с отверстиями диаметром 1 мм позволяет повысить выход спирта на 0,3–0,4 дал из 1 т крахмала, снизить температуру разваривания до 130°С и сократить продолжительность разваривания на 10–15 мин.

Зерно хранится в силосных башнях, из которых винтовым или ленточным конвейером и норией подается на очистку от примесей в зерноочистительной машине и магнитном сепараторе. Очищенное зерно хранится в силосных башнях, из которых передается конвейером и норией через надвесовой бункер и весы на измельчение в дезинтеграторе. Измельченное зерно поступает в смеситель-предразварник, где смешивается с горячей водой (80–85°С) в соотношении (2,5–2,8) : 1 при выдержке не более 5–7 мин ( при большей выдержке сильно возрастает вязкость замеса, что затрудняет передачу его насосом). Замес подогревается паром до 110°С и поступает в варочную колонну первой ступени, в которую противотоком (снизу вверх) подается острый пар, разогревающий замес до 130°С. Объем варочной колонны первой ступени обеспечивает время пребывания массы 25 мин. Вторая ступень разваривания включает три отдельных колонны. Время пребывания развариваемого замеса в каждой из колонн по 20 мин. Для выравнивания давления все колонны сообщаются между собой по паровой фазе через уравнительный коллектор. Уровень отбора замеса из колонн последовательно понижается для облегчения протока вязкой массы.

Через поплавковый регулятор уровня, установленный внутри последней колонны (или вне колонны), масса выводится в паросепаратор, вторичный пар из которого используется для подогрева развариваемого замеса. На выходе из паросепаратора разваренная масса имеет температуру около 100°С и охлаждается до температуры осахаривания (60–62°С) в испарителе первой ступени при остаточном давлении 20–22 кПа. Передача массы из паросепаратора в испаритель осуществляется за счет разрежения.

Разваренную массу сырья осахаривают при температуре 58–60°С с перемешиванием в течение 20 мин в присутствии осахаривающего агента (ферментного препарата или солодового молока). Осахаривание крахмала продолжается при сбраживании сусла в бродильных аппаратах. Часть осахаренной массы (10–12%) передается в дрожжанки для приготовления засевных дрожжей. Остальная масса охлаждается в испарителе второй ступени при остаточном давлении 2–2,2 кПа до температуры «складки» (20–22°С) с целью угнетения развития посторонних микроорганизмов, пока концентрация дрожжей в сусле невелика. Концентрация сусла должна быть на уровне 16–18% по сахарометру. Сусло поступает в буферную емкость, откуда передается в бродильное отделение (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. – Схема непрерывного разваривания сырья при повышенном давлении

1 – надвесовой бункер; 2 – весы; 3 – подвесовой бункер; 4 – дезинтегратор; 5 – смеситель-предразварник; 6 – подогреватель; 7 – варочная колонна I ступени; 8 – варочная колонна II ступени; 9 – уравнительный коллектор; 10 – паросепаратор; 11 – испаритель I ступени; 12 – барометрический конденсатор; 13 – барометрический ящик; 14 – осахариватель; 15 – испаритель II ступени; 16 – барометрический конденсатор; 17 – сборник сусла; 18 – бродильный аппарат; 19 – дрожжанки; 20 – сборник бражки; 21 – спиртоловушка

Механико-ферментативная обработка тонкоизмельченного зернового сырья производится в мягких температурных условиях при интенсивном механическом перемешивании.

Измельченное зерно поступает в смеситель, куда одновременно задают воду в соотношении (2,8–3) : 1 по массе сырья и α-амилазу (1,5–2 ед на 1 г крахмала). Температура в смесителе – 50–55^оС поддерживается за счет подачи горячей воды. Замес из смесителя через контактную головку подается насосом в аппарат гидродинамической и ферментативной обработки первой ступени ГДФО-1. В контактной головке замес нагревается до 65–70^оС и выдерживается в аппарате ГДФО-1 в течение 120–150 мин при перемешивании мешалкой и циркуляционным насосом. Аппарат ГДФО-1 имеет рубашку или змеевик для поддержания температуры. Контактная головка может быть включена в циркуляционный контур, тогда замес поступает в аппарат из смесителя самотеком.

Из аппарата ГДФО-1 замес передается в аппарат ГДФО-2, где нагревается до 90–95^оС и выдерживается при перемешивании и непрерывном протоке 30–40 мин. Разваренная масса поступает в паросепаратор.

При переработке дефектного сырья используют более жесткий тепловой режим. В этом случае замес из аппарата ГДФО-2 подается на контактную головку, где подогревается до 110–130^оС, а затем масса проходит через трубчатый выдерживатель в паросепаратор (рис. 2.2).

Такой механико-ферментативный процесс успешно осуществляется при условии обеспечения степени измельчения зерна с проходом через сито диаметром 1 мм не менее 75–85%.

Для разжижения замеса используют бактериальную (Bacillus subtilis) α-амилазу, образующую главным образом декстрины, чтобы исключить накопление и распад моносахаридов при повышенной температуре. Механико-ферментативная обработка сырья обеспечивает получение качественного сусла при низких энергетических затратах и отсутствии оборудования, работающего под давлением, что в значительной степени упрощает осуществление процесса.

Рис. 2.2. – Схема механико-ферментативной обработки зернового сырья

1 – смеситель; 2 – аппарат ГДФО-1; 3, 7 – контактная головка; 4 – аппарат ГДФО-2; 5 – паровый эжектор; 6 – паросепаратор; 8 – трубчатый выдерживатель; 9 – испаритель-осахариватель