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

     В настоящее время получило распространение сверхтонкое измельчение сырья, позволяющее получать высокодисперсные помолы, содержащие 80-95% частиц размером менее 250 мкм. Сырье измельчают с помощью специальных установок, оборудованных измельчающей машиной-дезинтегратором и сепарирующим устройством. В основе использования данного способа лежат механические превращения полимеров сырья. Этот процесс сложный, многостадийный, и начинается он с механического деформирования сырья. Крахмал при данном способе измельчения превращается в сбраживаемые сахара (30-50% от исходного крахмала). Такие помолы содержат большое количество легко усвояемых дрожжами питательных веществ. Разваривание сырья, приготовленного из высокодисперсных помолов, проводят при пониженных температурах (95-110ºС), что обусловливает уменьшение потерь крахмала [1]. 

     Измельченное зерно поступает в смеситель, в котором смешивают измельченную массу с водой. На 1 кг зерна добавляют 2,5-3,5 л воды. После перемешивания и подогрева зерновой замес направляют в аппараты для разваривания.

    Разваривание крахмалосодержащего сырья. Основная цель водно-тепловой обработки – подготовка к осахариванию крахмала амилатическими ферментами солода или микробных препаратов. В процессе разваривания подваренный замес смешивается с паром в контактных устройствах и выдерживается в непрерывном потоке при определенной температуре.[6]

     Основная цель разваривания –  разрушение клеточной структуры  и растворение крахмала сырья. В растворимом состоянии крахмал легко осахаривается ферментами. Зерно разваривают паром при избыточном давлении. При тепловой обработке происходят сложные структурно-механические, физико-химические и химические изменения сырья. При нагревании с водой белки набухают и денатурируют, крахмал клейстеризуется и переходит в коллоидный раствор. Набухание и клейстеризация обусловлены поглощением воды высокополимерными соединениями. Клейстеризация крахмала зерна начинается при температуре 55-60ºС и сопровождается вязкостью среды. С постепенным нарастанием температуры клейстеризованный крахмал разжижается и вязкость среды резко уменьшается. При выходе разваренной массы из варочного аппарата вследствие перепада давления от избыточного к атмосферному клеточная структура сырья разрушается, и оно превращается в однородную массу [12].

     Наибольшее распространение получило  непрерывное разваривание. Оно характеризуется  стабильностью, процесс поддается  оптимизации и автоматизации, отличается высокой удельной производительностью оборудования. Выход спирта из 1 т крахмала сырья увеличивается на 0,7-1,2 дал по сравнению с выходом при полунепрерывном методе разваривания. Уменьшаются расход пара и потери крахмала.

     В качестве непрерывного разваривания  применяют 2 типовые схемы: разваривание сырья при пониженной температуре (130-140ºС) и продолжительной выдержкой (50-60 мин); при повышенной температуре (165-172ºС) и прохождении массы через варочный аппарат за 2-4 мин.

    Непрерывное разваривание сырья при пониженной температуре. Зерно, очищенное на сепараторах, элеватором подается в приемный бункер, оттуда поступает в молотковые дробилки. Дробленое зерно направляется в смеситель и смешивается с водой температурой 40-50ºС.

     Далее зерно подогревают до 80-85ºС вторичным паром, поступающим из сепаратора. Хорошо разжиженный замес легко перекачивается насосом в контактную головку вторичного пара. Масса подогревается до температуры 80-85ºС в течение 15 мин и поступает в промежуточный сборник, а затем в контактную головку. Замес подогревают до температуры 132-134ºС острым паром.

     Нагретая масса из контактной  головки поступает в трубчатый  разварник, обеспечивающий полную  конденсацию пара, где выдерживается  в течении 1-1,5 мин. Для окончательного доваривания массу направляют на охлаждение и последующее осахаривание [21].

     Периодическое разваривание сырья. Разваривание осуществляется следующим образом: очищенное и взвешенное зерно поступает в предразварник. Перед этим в него из бака набирают необходимое количество горячей воды. Зерно подогревают 30-45 мин. Для подогревания используют пар, поступающий из выдерживателя по трубопроводу.

     Сырье, подогретое до 50-90ºС, самотеком перегружается в разварники, где оно разваривается острым паром под давлением.

     Для равномерного и быстрого  разваривания массу в разварнике  систематически перемешивают циркуляцией, путем сброса из него некоторого количества пара в выдерживатель.

     К концу разваривания, когда отобранная из разварника проба имеет цвет, приближающийся к цвету готовой массы, ее выдувают из разварника в выдерживатель, где она доваривается в течение 40-45 мин при температуре 102-106ºС. Скорость выдувания массы из разварников должна быть такой, чтобы давление пара в выдерживателе не превышало 0,05 МПа и вторичный пар полностью использовался в предразварниках или на подогрев воды.

     Готовая масса, выходящая из  выдерживателя, должна быть темно-желтого  цвета со светло-коричневым оттенком  и не должна содержать несваренных  частиц или целых зерен. Не  допускается перевара массы, при которым она приобретает более темный цвет и специфический запах меланоидов [33].

     Охлаждение разваренной массы. Разваренная масса поступает в паросепаратор-выдерживатель, откуда через конденсатор после охлаждения до температуры 58-60ºС благодаря создания вакуума направляется в осахариватель.

     Осахаривание заключается в обработке охлажденной разваренной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидролиза полисахаридов, белков и других веществ.

      Осахаривание разваренной массы осуществляют непрерывным способом и лишь на некоторых заводах малой мощности – периодическим.

     Любой процесс осахаривания складывается  из следующих операций:

 - охлаждение разваренной массы до определенной температуры, которая после смешивания массы с солодовым молоком понизится до заданной для осахаривания;

- смешивание  разваренной массы с солодовым  молоком (микробной культурой);

- осахаривание  крахмала;

- охлаждение  сусла до температуры «складки»  - начальной температуры брожения  сусла;

- перекачивание  сусла в бродильное отделение и дрожжевое отделение завода.

     Осахаривание разваренной массы  непрерывным способом осуществляется  при определенных условиях: температуре,  кислотности среды, концентрации  субстрата и осахаривающего материала.  В ходе осахаривания около 67% крахмала превращается в мальтозу и 33% - в декстрины, которые при брожении доосахариваются ферментами среды в сбраживаемые сахара. Осахаренную массу называют суслом.

     При осахаривании в одну ступень  разваренная масса непрерывно  поступает в осахариватель, где охлаждается до 57-58ºС в течение не менее 10 мин. Одновременно с охлаждением в аппарат задают 16-18% солодового молока от объема разваренной массы. Осахаренная масса непрерывно отводится из осахаривателя через теплообменник, в котором охлаждается до 20-24ºС, в бродильное отделение [12].

     Двухступенчатое осахаривание от одноступенчатого отличается тем, что процесс ведут последовательно в двух аппаратах с различным количеством солодового молока и при разных температурах.

     В. Л. Яровенко предложил для непрерывно-проточного способа брожения проводить двухступенчатое осахаривание. Сущность его заключается в том, что разваренную массу делят на два потока, в одном из них в осахаривателе гидролизуется 2/3 всего количества солодового молока, в другом – 1/3. Сусло из первого осахаривателя направляется в первый головной бак бродильной батареи, из второго – во второй головной бак батареи [33].

     Периодическое осахаривание ведут в следующем порядке. В заторный аппарат набирают 5% общего количества солодового молока и столько холодной воды, чтобы покрылись лопасти мешалки. Затем при работающей мешалке быстро выдувают массу из разварников. Когда температура выдуваемой массы достигнет 75-80ºС, пускают в змеевики воду, продолжая выдувание и охлаждение. По окончании выдувания массу охлаждают до 62-63ºС, добавляют остальное количество молока, перемешивают 5 мин и в течение 15-20 мин осахаривают массу без перемешивания.

     Сусло охлаждают до 30ºС, пропуская через змеевики воду и сливают в бродильный бак. Концентрация сусла, как и при непрерывном, должна находиться в пределах 16-18% по сахариметру [20].

     Сбраживание массы. В качестве возбудителей спиртового брожения используют культурные дрожжи из семейства сахаромицетов. Такие дрожжи должны обладать высокой бродильной активностью, иметь и сохранять анаэробный тип обмена, обладать стойкостью к продуктам обмена, посторонним микроорганизмам и к изменениям основного питательного субстрата [11].

     Дрожжи должны быть устойчивыми  к изменению состава среды,  переносить большую концентрацию солей и сухих веществ, содержащихся в сусле [7].

     В начале производственного сезона  дрожжи получают из чистой  культуры. Далее их культивируют по методу естественно-чистой культуры, при котором подбором температуры и кислотности среды создают условия, благоприятные для размножения дрожжей и неблагоприятные для жизнедеятельности бактерий. Дрожжи размножают в дрожжевых аппаратах, оборудованных мешалкой и змеевиком, на сусле концентрацией 17-18 мас. %. Сусло вначале пастеризуют при 70ºС в течение 20 мин, а затем охлаждают и подкисляют. В сусло задают 10% засевных дрожжей. Для размножения дрожжей экономически выгодно использовать часть бродящей массы, взятой из бродильного аппарата взятой из бродильного аппарата через 16-18 часов после начала брожения.

     Количество примесей в зрелой бражке, и, следовательно количество спирта, в значительной степени зависит от условий сбраживания (температуры, степени аэрации, кислотности, концентрации сусла). Для получения спирта с высокими аналитическими и дегустационными показателями рекомендуется следующий режим сбраживания: температура30-31ºС, расход воздуха на дрожжегенерирование (аэрацию) 4,0 м³/м³×час, кислотность сусла 0,7º при концентрации 22-24% сухих веществ.

     Для сокращения накопления примесей  спирта заслуживает внимания  опыт сбраживания по двухпоточной  схеме с дробным внесением мелассной рассиропки [14].

     Широкий способ распространения  получил метод непрерывно-поточного  брожения, предложенный В. Л. Яровенко. Процесс протекает в двух дрожжевых аппаратах, взбраживателе и батарее бродильных аппаратов, соединенных между собой переточными трубами. Применение этого метода позволяет увеличить пропускную способность бродильного отделения на20%, автоматизировать процесс и увеличить выход спирта на 0,3 дал из 1 т условного крахмала [33].

     Извлечение спирта из бражки и его очистка. Зрелая бражка – полупродукт спиртового производства. Для получения 1 м³ спирта требуется около 12 м³ бражки.

     Бражка – сложная многокомпонентная  система, состоящая из трех  фаз: жидкой, газообразной и твердой.  Жидкая фаза представлена водой  (82-90 мас.%) и этиловым спиртом 4,8-8,8 мас % (или 6-11 об. %) с легколетучими примесями [14].

     Твердая фаза бражки представлена  нерастворимыми частицами исходного  сырья – шелухой и дробиной.

     Газообразная фаза бражки представлена  диоксидом углерода, который образуется при сбраживании сахаров.

     Извлечение этилового спирта  из бражки и его очистка  осуществляется ректификацией. Ректификация  – процесс разделения бинарной  или многокомпонентной жидкой смеси на фракции, различающиеся между собой летучестью.

     Получение ректификованного спирта непосредственно из бражки осуществляется на непрерывно-действующих  брагоректификационных установках. Этот способ считается экономически более целесообразным.

  Перегонка жидкостей основана на их летучести или способности переходить при нагревании в парообразное состояние, причем выделившиеся пары при охлаждении вновь сгущаются в жидкость, которая может быть собрана в особом приемнике [5].

     В лабораторной практике для  разделения летучих компонентов  смеси прибегают к сложной  повторной или дробной перегонке.  Сущность ее заключается в том, что из жидкости отбирают ту часть фракции, которая наиболее богата нужным компонентом, и, подвергая ее новой перегонке, отбирают опять фракцию, наиболее им обогащенную. Остаток от второй перегонки соединяют с остатками первой фракции и подвергают их новой отгонке, обогащенные нужным веществом фракции соединяют вместе. Такую последовательную разгонку ведут до тех пор, пока перегоняемая жидкость по своим компонентам не покажет, что она представляет собой, безусловно, химически чистый продукт с присущей ему температурой кипения [25].