Производство спирта

ВВЕДЕНИЕ.

К середине XIX века спиртовое  производство в России достигло своего расцвета, а русская водка, благодаря  своим высоким органолептическим  качествам, завоевала всемирную  славу и известность наравне  с французским коньяком и шотландским виски. Особенности технологии, такие, как состав затора, условия подготовки сырья, соотношение зерна, воды, солода и дрожжей, а также режимы водно-тепловой обработки, осахаривания, брожения и перегонки, всегда были предметом поисков и непрерывного совершенствования со стороны русских винокуров.

Отечественная спиртовая  промышленность до 1917 г. была представлена мелкими заводами мощностью около 22 тыс. дал спирта в год. Советский  период характеризуется появлением крупных предприятий с мощностью 6000 - 12000 дал в сутки. В 1980 г. в СССР действовало около 400 крупных заводов, а производство спирта составило 200 млн. дал. Далее производство спирта неуклонно снижалось, особенно в  периоды перестройки и экономических  кризисов. Также снижение производство обуславливалось ужесточением отраслевого  законодательства, увеличением стоимости  лицензий, установлением минимальных  порогов по уставному капиталу для  производителей спирта, введением требования о полной переработке отходов  спиртового производства. Но главной  причиной снижения является большой  теневой оборот спирта, делающий легальное  производство менее рентабельным.

Технология производства спирта относится к биотехнологии, так как производство связано  с использованием катализаторов (ферментов), имеющих биологическое происхождение. При должном подходе производство спирта является безопасным и безотходным: в производстве кроме спирта получают диоксид углерода, барду, эфироальдегидную фракцию, сивушные масла.

ХАРАКТЕРИСТИКА  СПИРТА.

Этанол (этиловый спирт) представляет собой прозрачную бесцветную жидкость со жгучим и характерным запахом  с относительной плотностью 0,79067. Температура кипения этанола  при нормальном давлении 78,35° С, температура вспышки 12° С, температура замерзания - 117° С. Химически чистый этанол имеет нейтральную реакцию; ректификованный спирт содержит небольшое количество карбоновых кислот, поэтому реакция его слабокислая. Этанол очень гигроскопичен; он жадно поглощает воду из воздуха, растительных и животных тканей, вследствие чего они разрушаются.

В зависимости от степени  очистки этиловый ректификованный  спирт подразделяют на:

• 1-го сорта (для производства алкогольных напитков не используется);

• высшей очистки;

• "Базис";

• "Экстра";

• "Люкс";

• "Альфа"

 

Этиловый спирт - основной продукт - находит широкое применение. Пищевая промышленность - главный потребитель этилового спирта, который используется для изготовления ликеро-водочных изделий, виноградных и плодово-ягодных вин, уксусов и пищевых ароматизаторов. Спирт этиловый также используется в медицинской. фармацевтической, парфюмерной и других отраслях промышленности.

Переработка зерна и картофеля  на спирт осуществляется по однотипной технологии и состоит из следующих стадий:

• подготовка сырья (очистка,  механическая обработка);

• приготовление замеса с применением альфа-амилазы, шеарзим – 500Л,  ксиланаза, целлюлаза;

• водно-тепловая  и ферментативная обработка (1 и 2 стадии);

• осахаривание;

• дрожжегенерация;

• сбраживание зернового сусла;

• брагоректификация;

• утилизация отходов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОИЗВОДСТВО  СПИРТА ИЗ ЗЕРНА.

СЫРЬЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Характеристика  зернового сырья. На спирт перерабатывают любое зерно, в том числе и непригодное для пищевых и кормовых целей. Ежегодный объем переработки составляет (%): пшеницы 50 (преимущественно дефектной), ячменя 20, ржи 12, кукурузы 8, проса 5, овса 2 и прочих культур (гречиху вики, гороха, риса и др.) 3. Для приготовления солода употребляют кондиционное высококачественное зерно.

Кукуруза. Из зерновых культур лучшим сырьем для производства спирта является кукуруза. В ней содержится относительно больше крахмала, меньше клетчатки, больше жира (что повышает кормовое достоинство барды). Урожайность кукурузы в 2...3 раза выше урожайности других зерновых культур.

В России кукурузу возделывают  на Северном Кавказе, Нижней Волге, в  Воронежской и Курской областях.

В зависимости от формы  зерна и степени развитости роговидной части эндосперма кукурузу подразделяют на 7 ботанических групп: кремнистая, зубовидная, крахмалистая, восковидная, лопающаяся, сахарная, чешуйчатая. Для производства спирта предпочтительнее легко развариваемая  крахмалистая и зубовидная кукуруза.

Рожь, пшеница, ячмень и овес. Рожь , пшеница, ячмень и овес широко возделываются в России: рожь (преимущественно озимая) - в северных, северо-западных и центральных районах, во многих районах Сибири и Урала; пшеница - в Западной и Восточной Сибири, Поволжье; ячмень (преимущественно яровой) и овес - повсеместно - от субтропиков до Заполярья.

В небольших количествах  перерабатывают крупяные культуры - просо, гречиху и рис, некоторые продовольственные (горох) и кормовые (вику).

Солод и ферментные препараты. Для осахаривания крахмала па спиртовых заводах используется солод и ферментные препараты.

Солодом называют зерно, которое  проросло в определенных условиях. При прорастании в зерне образуются амилолитические, протеолитические и другие ферменты. Солод на спиртовых заводах получают из ячменя, ржи, пшеницы, овса и проса по следующей схеме:

1) очистка зерна;

2) замачивание;

3) проращивание;

4) измельчение;

5) смешивание с водой.

Для осахаривания крахмала в спиртовом производстве кроме солода используются ферментные препараты, получаемые из культур мицелиальных грибов и бактерий. Выпускаемые специальными заводами или специализированными цехами спиртовых заводов ферментные препараты представляют собой либо жидкости с содержанием сухого вещества не менее 50%, либо порошки с определенной стандартной ферментативной активностью. Ферментные препараты, используемые в спиртовой промышленности, получают из мицелиальных грибов рода Aspergillus, бактерий Вас. mesentericus, Вас. subtilis и других. Эти микроорганизмы образуют а-амилазу, а некоторые глюкоамилазу (фермент, расщепляющий крахмал до глюкозы). Применение ферментных препаратов микробного происхождения в спиртовой промышленности взамен солода позволяет существенно снизить расход высококачественного зерна на получение солода и способствует повышению выхода спирта.

Дрожжи. В спиртовом производстве в качестве возбудителей брожения используются дрожжи семейства сахаромицетов. Они продуцируют комплекс ферментов, под действием которого сахара сусла превращаются в этиловый спирт и диоксид углерода. В спиртовом производстве применяют расы (разновидности, отличающиеся несколькими особенностями) дрожжей верхового брожения, обладающие высокой энергией брожения. Они образуют максимальное количество спирта, сбраживают моно- и дисахариды и часть декстринов. Дрожжи, используемые в производстве спирта из мелассы, должны быстро сбраживать субстрат в среде с высоким осмотическим давлением (осмофильные дрожжи).

Вначале дрожжи размножают по методу чистой культуры из одной  дрожжевой клетки в стерильных условиях. Спиртовые заводы получают чистую культуру дрожжей и размножают их по определенной схеме. Далее их культивируют по методу естественно чистой культуры, при  котором создаются оптимальные  условия для развития дрожжей (температура, рН, аэрация и др.) и неблагоприятные  для посторонних микроорганизмов, в первую очередь бактерий.

В качестве питательной среды  для размножения дрожжей служит сусло, содержащее вещества, необходимые  для их питания. Иногда в сусло  добавляют дробленый зеленый  солод в качестве источника дополнительного  питания. Для подавления развития посторонних  микроорганизмов сусло подкисляют серной или молочной кислотой до рН 3,8 - 4,0. Температуру поддерживают на уровне 28 - 30 °С. Размножение дрожжей  осуществляют в аппаратах - дрожжанках. Аппарат представляет собой вертикальный цилиндр с коническим днищем, снабженный двумя змеевиками для нагрева и охлаждения сусла.

 

 

ТЕХНОЛОГИЯ  ПРОИЗВОДСТВА СПИРТА.

Технология спирта включает в себя следующие процессы: подготовка сырья к развариванию, разваривание зерна водой для разрушения клеточной структуры и растворения крахмала, охлаждение разваренной массы и осахаривание крахмала ферментами солода или культур плесневых грибов, сбраживания сахаров дрожжами в спирт, отгонку спирта из бражки и его ректификацию.

Прием зерна. Для приготовления солода используют высококачественные ячмень, рожь, овес и просо. Цвет ячменя светло-желтый, допускается потемневший; овса белый или желтый; проса желтый, красный, серый, белый; ржи желтый и зеленый разных оттенков; запах, свойственный зерну; не допускается затхлый, плесенный и другие посторонние запахи.

Долго хранить зерно без существенного снижения его качества целесообразно только в складах, технологические возможности которых не позволяют развиваться и массово распространяться микроорганизмам (плесневым грибам, бактериям и дрожжам), вредителям (насекомым и клещам), а также снижают активность ферментов зерновок до такого уровня, когда они не проявляют биологического действия. Такие преимущества имеют хранилища с активным вентилированием меж зернового пространства насыпи сырья наружным или охлажденным воздухом (по сравнению со складами без вентиляционных устройств). Опыт работы спиртовых заводов показывает, что продолжительность хранения зависит от качества поступившего зерна и технологических особенностей хранилищ. Во время хранения сырья в отдельных зерновках происходят физико-химические изменения, зависящие от условий хранения и состояния насыпи зерна. Устойчивое при хранении и имеющее сорную примесь сырье теряет незначительное количество влаги гидрофильных веществ зерновок в условиях аэробного дыхания. У свежеубранного происходит снижение влажности («потение» зерновок). Завершается образование высокомолекулярных соединений (углеводов, белков, жиров, витаминов), уменьшается активность ферментов. Высокая влажность и температура насыпи активизируют все ферменты зерновок. Имеющиеся в растворимой форме углеводы, расщепленные а-амилазой, служат для создания нового вещества (корней и побегов), а при дальнейшем расщеплении В-амилазой используются зерновкой для анаэробного дыхания.

Качество зерна, идущего  на разваривание, не регламентируется. Желательно, чтобы зерно было здоровое, высокой крахмалистости, влажностью 14 - 17% в зависимости от культуры и с небольшой засоренностью. Предварительно здоровое зерно оценивают органолептически.

Подготовка  зерна. Все виды зерна, поступающего в производство, очищают от пыли, земли, камней, металлических и других примесей. Зерно, предназначенное для приготовления солода, освобождают также от щуплых зерен, половинок и семян сорных растений.

Воздушно-ситовое  сепарирование. Примеси, отличающиеся от зерна данной культуры толщиной (шириной) и аэродинамическими свойствами (парусностью), отделяют на воздушно-ситовом сепараторе. При очистке ячменя, овса и проса производительность сепаратора снижается на 20...30%. В очищенном зерне содержание примесей не должно превышать 1%.

Магнитное сепарирование. Мелкие металлические примеси, содержащиеся в зерне после очистки в воздушно-ситовых сепараторах, удаляют с помощью магнитных сепараторов.

Отделение семян  сорных растений. С помощью сит зерно можно разделить только по толщине и ширине. Примеси, отличающиеся от основной культуры длиной зерна, выделяют на машинах, называемых триерами. Рабочий орган триера - цилиндр или диск с ячейками, выбирающими из зерновой массы короткие частицы. В зависимости от назначения различают два вида триеров: куколеотборники - выделяющие из основной культуры половинки зерен и шаровидные примеси, например семена куколя; овсюгоотборники - выделяющие зерно основной культуры, например ячменя, ржи, из смеси его с длинными зернами овса и овсюга.

Разваривание сырья. Разваривание осуществляют для разрушения клеточных стенок, освобождения крахмала из клеток и перевода его в растворимую форму, в которой он быстрее и легче осахаривается ферментами. Разваривание крахмалсодержащего сырья проводят путем обработки его паром с избыточным давлением 400 - 500 кПа.

При разваривании происходит ряд сложных физических, физико-химических и химических изменений. При тепловой обработке в процессе разваривания идет интенсивное набухание крахмала, его кластеризация и переход в растворимую форму, обусловленные интенсивным поглощением воды. При выходе разваренной массы из варочного аппарата давление снижается до атмосферного, что вызывает превращение содержащейся в клетках воды в пар, объем которого в несколько раз превышает объем воды. Такое резкое увеличение объема приводит к разрыву клеточных стенок сырья и превращению его в однородную массу. Процесс разваривания сопровождается увеличением содержания сахаров и декстринов за счет частичного гидролиза крахмала под действием собственных ферментов сырья и естественной кислотности. Высокая температура на стадии разваривания вызывает протекание процессов меланоидинобразования (взаимодействие сахаров с аминокислотами), термического разложения сахаров (карамелизапня) и других, что приводит к снижению количества сбраживаемых сахаров.