Влияние крахмалистости сырья и схемы переработки на выход спирта на РУП "Климовичский ЛВЗ" Костюковичском Спиртзаводе

     В среднем зерно злаковых культур содержит 86% сухих веществ. Содержание крахмала  в здоровых зрелых зернах злаковых культур составляет в среднем, %: у пшеницы – 48-57, ржи – 46-53, ячменя – 43-55, кукурузы – 58-71. В дефектном зерне количество крахмала снижается [9].

     По химическому составу все  зерновые культуры делят на  три группы. К первой группе  относится зерно, богатое крахмалом.  Эта группа представлена хлебными (пшеница, рожь, ячмень, овес) и ложными (кукуруза, рис, просо и семейство гречишных) злаками. Во вторую группу входят культуры, богатые белком. К этой группе относится семейство бобовых. Третья группа объединяет масличные культуры, семена которых богаты жиром. Для производства спирта используются зерновые культуры, относящиеся к первой группе [22].

     Химический состав зерна сильно  зависит от культуры и сорта,  почвенно-климатических условий,  приемов агротехники, условий  хранения и других факторов. В  среднем зерно состоит из влаги  (14%) и сухих веществ (86%).

     В зерне и семенах всегда присутствует какое-то количество воды. В зерне содержание воды меньше, чем в клубнях картофеля, что придает зерну более прочную структуру. Влажность зерна зависит не только от его гигроскопических свойств, но и от зрелости и других условий [26].

     Различают четыре состояния товарного  зерна: сухое, средней сухости,  влажное и сырое. Например, для  ржи, пшеницы и ячменя эти  состояния характеризуются следующими показателями содержания влаги (%) : сухое до 14, средней сухости от 14 до 15,5, влажное от 15,5 до 17 и сырое более17. В дефектном и подмоченном зерне влажность может достигать 30 % и выше.

     В зерне в среднем 84% органических  и 2% минеральных веществ, в  том числе (%): крахмала 52, сахара 3, клетчатки 6, пентозанов и пектиновых веществ 9, азотистых веществ 11, жира 3 [13].

    Сахара в здоровом зерне обычно от 0,6 до 7,0%. Он состоит в основном из сахарозы и небольших количеств три- и тетрасахаридов. В недозрелом, морозобойном и проросшем зерне сахара больше, Он состоит из редуцирующих сахаров.

     Целлюлозы в зерне, свободном от цветочных пленок, немного – 1,5-2,5%. В зерне с неотделенными пленками содержание целлюлозы повышается.

     Общее количество пентозанов  в зерне 7-15%. Пентозаны – доминирующая  составная часть слизей. Особенно  много слизей в зерне ржи,  что вызывает высокую вязкость  разваренной массы, полученной  из нее.

     Азотистые вещества в здоровом  зрелом зерне составляют главным  образом белки. В зерне найдены альбумины – белки, растворимые в воде; глобулины – белки, растворимые в слабых (3-10%-ных) растворах нейтральных солей, а некоторые из них – в слабых (0,2%-ных) растворах кислот; проламины – белки, растворимые в 60-80%-ных растворах спиртов; глютелины – растворимые в слабых (0,2%-ных) растворах щелочей.

     Жиры – триглицериды жирных  кислот. Приблизительно 85% жира находится в зародыше, 12% - в алейроновом слое и 3% - в мучнистой части эндосперма.

     Витамины зерна представлены  жирорастворимыми витаминами –  токоферолами и водорастворимыми – рибофлавин, никотиновая кислота, пиридоксин, биотин.

     Минеральные вещества и кислоты  составляют 1,5-3,0% от массы зерна.  Они находятся в оболочках  и цветочных пленках, в зародыше.

     Кислоты зерна представлены фосфорной,  щавелевой, яблочной и молочной. Общая кислотность зерна 1,5-2,5мл 1н. раствора гидроксида натрия на 100 г зерна [9].

     Пшеница. В Республике Беларусь возделывают в основном два вида пшениц – мягкие и твердые. По срокам посева она может быть яровой и озимой.

     У мягкой пшеницы зерно округлое, с хорошо заметной бородкой, с  ярко выраженной глубокой бороздкой,  проходящей вдоль зерновки. Цвет зерна мягкой краснозерной пшеницы красновато-коричневый, у белозерной – светло-желтый. Мягкую пшеницу по технологическим достоинствам делят на три группы – сильную, среднюю и слабую. Сильной называется пшеница определенных сортов, имеющая зерно с высоким содержанием белка (не менее 14%), со стекловидностью не ниже 60%. Слабой называется доброкачественная пшеница, отличающаяся малым содержанием белка (менее 11%), стекловидность – менее 40%. Средняя пшеница – наиболее распространенная пшеница, по своим свойствам занимает промежуточное положение между сильной и слабой [3, 26].

     Твердая пшеница значительно  отличается от мягкой: она гораздо лучше противостоит осыпанию, меньше полегает под действием ветров и дождей. Зерно твердой пшеницы более крупное, чем у мягкой, бородка развита слабо. Цвет зерновки желтый, стекловидность высокая (до 90-100%). Наиболее распространены яровые формы пшеницы.

     Из всех злаковых культур пшеница  отличается наиболее высоким содержанием белка (9,2-16,8%). Крахмала пшеница содержит 48-57%, крахмал труднее извлекается, чем из зерна ржи. Клейстеризуется при более высоких температурах - 65ºС. Содержание белка в яровой пшенице выше, а доля крахмала ниже, чем в озимой [6].

     Рожь. Рожь является второй по значению зерновой культурой после пшеницы. Это в основном озимая культура, обладает ценными качествами: нетребовательна к почвенно-климатическим условиям, отличается высокой урожайностью и зимостойкостью. Крахмал ржи отличается более низкой температурой клейстерезации, поэтому крахмал ржи легче гидролизуется. Узкое и длинное зерно ржи отличается меньшей массой и большей удельной поверхностью, чем зерно пшеницы, поэтому доля оболочек, алейронового слоя, зародыша у него больше, а доля эндосперма меньше. Цвет зерна ржи чаще серо-зеленый, эндосперм мучнистый, реже стекловидный, общая стекловидность 30-40%. По сравнению с пшеницей, содержит меньше белка (в среднем 9-14,0%). В зерне ржи содержится в 2 раза больше сахаров, чем у пшеницы. Содержание крахмала – 46-54%. Крахмал клейстеризуется при сравнительно низкой температуре и легко осахаривается [28].

     Ячмень. Ячмень может быть озимым и яровым, однако в основном выращивают яровые сорта, отличающиеся коротким вегетационным периодом. Зерно ячменя пленчатое, на долю пленок приходится 9-14% массы зерна. Под цветочными пленками находятся тонкие плодовые и семенные оболочки. Алейроновый слой состоит из 2-3 рядов крупных толстостенных клеток, что значительно повышает прочность зерна. Эндосперм зерна ячменя может быть мучнистым, полустекловидным и стекловидным. По содержанию белка (7-15%) и сахаров ячмень занимает промежуточное положение между пшеницей и рожью. Ячмень содержит 43-55% крахмала [9].

     Овес. Овес отличается скороспелостью. Его зерно узкое и длинное, пленчатое, белого или желтого цвета, имеет опушение, покрывающее всю его поверхность. Цветочные пленки толстые. В состав овса входят клетчатка, пентозаны и минеральные вещества, содержание которых составляет 25-43% массы зерна. Эндосперм овса белого цвета, мучнистый, содержит много клетчатки. Очень мелкие крахмальные зерна овса соединены в более крупные образования. Содержание крахмала в зерне невелико (25-40%). Овес отличается высоким содержанием минеральных веществ, в основном соединений фосфора и жира (до 10%) [6].

     Тритикале. Зерно этой культуры объединяет в себе достоинства пшеницы и ржи – высокую продуктивность, повышенное содержание белка, стойкость к низким температурам. По содержанию белка зерно тритикале превосходит не только зерно ржи, но и зерно пшеницы (16-18%). Содержание крахмала – 48-53% [7].

     На все злаковые культуры утверждены  соответствующие стандарты. На  пшеницу установлен один ГОСТ 9353 «Пшеница. Технические условия», на рожь и ячмень – несколько стандартов в зависимости от требований, предъявляемых к зерну в соответствии с его назначением, на тритикале – ТУ РБ 00959441.155-94. Стандарт содержит правила приемки, транспортирования, хранения зерна и методы определения его качества.

     При оценке качества зерна  определяют органолептические (цвет, запах и вкус) и физико-химические (влажность, засоренность, количество  испорченных и поврежденных зерен, стекловидность, натура, количество и качество клейковины) показатели [19, 27].

     Для приготовления спирта используют  высококачественные ячмень, рожь, овес, пшеницу, тритикале, которые должны удовлетворять требованиям, согласно ГОСТам. Цвет ячменя светло-желтый, допускается потемневший; овса – белый или желтый; ржи и тритикале – желтый и зеленый, разных оттенков; пшеницы – коричневый, с красным оттенком. Запах должен быть свойственный зерну, не допускается затхлый, солодовый, плесенный и другие посторонние запахи [12].

     Зерно, идущее на разваривание, должно быть здоровое, в негреющемся состоянии, обладать высокой крахмалистостью (46-57%), влажностью (14-17%) взависимости от культуры. Натура зерна – от 420 до 700 г/л. Сорная примесь – не более 2,0%, в том числе минеральной примеси должно быть не более 0,2% Зерновая примесь – не более 3,0%. Содержание мелких зерен для ячменя – не более 5,0%, для ржи, овса и пшеницы этот показатель не нормируется. Зараженность вредителями хлебных запасов не допускается, кроме зараженности клещом, не выше первой ступени [3].

     Вода – является средой, необходимой для разваривания и замачивания зерна. К воде для технологических целей предъявляют те же требования, что и к питьевой воде. Жесткость ее не должна превышать 7 мг экв/л. С большей жесткостью вода не желательна. При чрезмерно высокой временной жесткости воды, употребляемой для замачивания солодового зерна, задерживается его прорастание, а также снижается активность солодового молока. Используемая вода должна отвечать гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Она должна быть прозрачной, бесцветной, не иметь запаха и постороннего привкуса, а кроме того, мягкой, с малым содержанием солей магния и кальция [20].

     К вспомогательным материалам относятся источники дополнительного питания для дрожжей, биостимуляторы, ферментные препараты, кислоты для подкисления сусла, моющие и антимикробные средства, пеногасители.

     С целью создания оптимальных условий для питания дрожжей в сусло добавляют фитофосфорную кислоту, сульфат аммония, карбамид, диаммоний фосфат. 

     Биостимуляторы (гиббереллин) в спиртовой  промышленности применяют для  ускорения проращивания зерна  и повышения ферментативной активности солода.

     Ферментные препараты – применяют  для осахаривания крахмала разваренного сырья. Для этого используют такие ферменты, как Глюканол ГКс-60, Аминол АКС-50, Аминол АКс-70, Аминол АКс-100, Амилосубтилин ГЗх, Глюкавамарин ГЗх, Глюкавамарин Г18х.

     Данные ферментные препараты  поставляют в виде порощков или сиропов. Препараты хорошо растворимы в воде, легко дозируются, имеют высоую степень микробиологической чистоты. Оптимальное действие при рН=4,0-5,2; температуре 30-70ºС. Цвет препаратов: от светло-бежевого до коричневого. Амилосубтилин ГЗх применяют в качестве разжижающего препарата. Ферментные препараты Глюкавамарин ГЗх и Глюкавамарин Г18х предназначены для осахаривания частично расщепленных полимерных молекул крахмала и задают их на стадии осахаривания. Глюканол ГКс-60 используют как источник глюкоамилазы. Аминол АКс-60 применяют в качестве источника грибной амилазы, а Аминол АКс-70 – в качестве бактериальной амилазы. Каждый ферментный препарат разводят питьевой  водой. Расход ферментов, необходимых для гидролиза рассчитывают согласно норме расхода ферментных препаратов в дм³ на одну тонну условного крахмала.

     Серная кислота – используется для подкисления сусла, также для этой цели используют и соляную кислоту.

     Формалин и антиформин – применяют как антимикробные средства.

     Моющие и антимикробные средства  используются для мойки оборудования и подавления микрофлоры.

     Пеногасители применяются для  гашения пены. К ним относятся,  главным образом, жиры, масла и  продукты их гидролитического  расщепления [21]. 

1.2. Технологический процесс производства спирта 

     Подготовка сырья к переработке. Спирт получают из крахмалистого сырья – ячмень, рожь, тритикале, пшеница, кукуруза, овес. Подготовка сырья заключается в очистке зерна от примесей, измельчении сырья и разбавлении измельченной массы водой до заданного содержания сухих веществ. Чем выше степень измельчения сырья, тем оно быстрее разваривается при более мягком режиме. Все виды зерна, поступающего в производство, сначала очищают от посторонних примесей (пыли, земли, камней), в том числе сорных, на воздушно-ситовом сепараторе, а затем от металлических примесей на магнитном сепараторе. После очистки зерно измельчают. Степень измельчения контролируют ситовым анализом. При переработке зернового сырья по непрерывной схеме для снижения температуры и длительности разваривания, использовать тонкий или сверхтонкий помол. В первом случае помол через сито с размером отверстий 1 мм должен быть не менее 85-95%. Температура разваривания при этом понижается на 5-6ºС, а продолжительность варки уменьшается на 15-20 минут. В связи с тем, что специальных машин для тонкого измельчения зерна в промышленности фактически нет, зерно пропускают через две последовательно установленные измельчающие машины (молотковые, вальцовые). Между машинами устанавливают рассев для отбора фракций с размером частиц более 1 мм. Именно эти фракции и направляют на повторное измельчение [8].