ОТХВ (курс лекцій)2012

10.ТЕХНОЛОГІЯ СПИРТУ. СИРОВИНА ДЛЯ ВИРОБЛЕННЯ СПИРТУ ТА

ЇЇПІДГОТОВКА.

10.1. Характеристики та використання спирту

Етиловий спирт (етанол, алкоголь, винний спирт) – безбарвна рідина із слабким “алкогольним” запахом. Густина його 0,789 г/см3. Температура кипіння становить 78,3°С. Етиловий спирт змішується з водою в будь-яких пропорціях, є гарним розчинником для багатьох органічних, а також неорганічних речовин. Також це сильна психоактивна речовина, наркотик, протоплазматична отрута, головна діюча складова алкогольних напоїв.

Залежно від вмісту домішок, способу отримання та мети використання існує багато різних етаноловмісних продуктів. Найбільшого широкого вжитку набула суміш 95,6 мас. % етанолу та 4,4 мас. % води, такий вміст етилового спирту максимально можливий за звичайної фракційної перегонки, бо це співвідношення утворює азеотропну суміш з температурою кипіння 78,15°C. Вміст етанолу інакше називають міцністю і вимірюють у відсотках за об’ємом (% об.) Діючі в Україні стандарти передбачають декілька сортів спирту: технічний (96 % об.), ректифікат “Екстра” (96,3 % об.), ректифікат “Люкс” (96,3 % об.).

Спирт застосовують у лікерно-горілчаному виробництві, для зміцнення вин, у парфумерно-косметичній і кондитерській промисловості, для виготовлення оцту, а також у вітамінному виробництві. Крім харчових виробництв етиловий спирт у великій кількості споживається як пальне, розчинник та як сировина в різноманітних промислових процесах.. За законодавством США 40% річного врожаю зернових переробляється на біоетанол, що додають до автомобільного палива. Для промислових потреб етиловий спирт часто виробляють з нафтової та газової сировини каталітичною гідратацією етилену (гідролізний спирт).

Отримання вільного етанолу дистиляцією вперше було задокументовано арабськими алхіміками приблизно у Х сторіччі. У Європі почали виробляти спирт в Італії (ХІ ст.). Винний спирт вживали cпочатку як ліки (“aqua vitae” у перекладі з латини означає “життєва вода”), з ХІV ст. – як п'янкий напій. Відома українська назва горілки “оковита” є трансформованою латинською назвою спирту “aqua vitae”.

В Україні ґуральництво (винокуріння) відоме з XV ст. Поширилося виробництво горілки у першій половині XVI ст., коли горілка стала, разом з медом і пивом, головним алкогольним напоєм. Сировиною для ґуралень було переважно жито. У XVІІІ ст. техніка ґуралень покращилась, продуктивність зросла. З 1820-их pp. з'явилися в Україні перші парові ґуральні, одночасно старі (вогневі) закривались або реконструювалися. У ХХ ст. дрібні ґуральні закривалися, будувалися потужніші спиртзаводи, зросла якість спирту, зросло вироблення ректифікованого спирту. Спиртзаводи розташовують у селах та невеликих містах (ближче до сировини).

101

10.2. Сировина для вироблення спирту

Спирт виробляють шляхом зброжування вуглеводів дріжджами. Тому теоретично сировиною для спирту може бути будь-який вуглеводовмісний продукт: цукор, зерно, картопля, банани тощо. В умовах України найвигідніше виробляти спирт з коренеплодів (насамперед картоплі), зерна (кукурудза, пшениця), меляси.

Коренеплоди та зерно містять крохмаль. Його розкладають на прості цукри, що зброжуються. Сировина має різний вміст крохмалю. Проте слід звертати увагу і на врожайність культур – у картоплі вона приблизно у 10 разів вища ніж у зернових (див. табл. 5).

Таблиця 5. Сировина для вироблення спирту

Меляса є відходом цукрового виробництва (вихід близько 4,35% до маси буряків). Це густа в’язка рідина темно-коричневого кольору зі специфічним запахом карамелі і меланоїдінів. Хімічний склад тростинної і бурякової меляси різний. У буряковій мелясі міститься близько 50% сахаридів, 20% води, 30% інших органічних та мінеральних речовин. Перевагами використання меляси у виробництві спирту порівняно із зерновими культурами є:

-високий вміст сахаридів;

-наявні всі речовини, необхідні для нормальної життєдіяльності дріжджів;

-спрощується технологічна схема, бо не потрібні операції розварювання сировини і оцукрювання крохмалю;

-у мелясному суслі відсутні декстрин і неоцукрений крохмаль, тому сусло швидше зброджується, збільшується вихід спирту. При цьому знижується собівартість спирту і зростає продуктивність праці

-корисно утилізуються відходи цукрового виробництва.

10.3.Технологічні послідовності вироблення спирту

Виробництво спирту можна розділити на три етапи:

1.Підготовчий – очищення сировини від домішок, приготування солоду чи культур плісняви.

2.Основний – розварювання крохмалистої сировини, оцукрення крохмалю, зброжування оцукреної маси, перегонка бражки; отримання спирту-сирцю.

102

Зерно зберігають у металевих силосах. Перед подаванням у виробництво його очищають від домішок на повітряно-ситових сепараторах, що сполучає просіювання і провівання, тому дає змогу відділити і важчі домішки (пісок тощо), і легші (солома, полова). Крім того, зерно обробляють на магнітному сепараторі, де відділяються різноманітні ферродомішки (шматочки окалини тощо).

Подрібнення зерна буває тонке (85...95% проходу через сито 1 мм) на валкових млинах, або надтонке (80...95% проходу через сито 250 мкм) на дезінтеграторах. При надтонкому подрібненні руйнуються полімери (клітковина, білки, крохмаль), зростає вміст розчинних цукрів і амінокислот. До 50% крохмалю при надтонкому подрібненні перетворюється у розчинні цукри, які далі зброджують.

Одним з сучасних методів подрібнення зерна є мокре або кавітаційне подрібнення. При цьому способі за рахунок кавітаційного впливу порушуються крохмальні зерна, що дає змогу вести розварювання при температурі до 100ºС. При цьому вихід спирту зростає на 2...3 дал/т крохмалю, зменшуються потреби у тепловій та електричній енергії.

Для перетворення крохмалю на цукри використовують амілолітичні ферменти солоду або цвілевих грибів. Процес виготовлення солоду із зерна вже розглядався у лекції про вироблення пива. Цвіль культивують на поживному середовищі, виділяючи з неї потрібні ферменти.

Подальші технологічні операції є однаковими і для зерна, і для картоплі. Для приготування замісу подрібнену сировину змішують з водою у

співвідношенні 1 до 2,5...3,5 (так, щоб після оцукрення вміст сухих речовин становив 16...18%). Суміш підігрівають вторинною парою з варильних апаратів до 45ºС. При цьому слід запобігти утворенню цукрів, які при нагріванні розкладаються на незброжувані продукти, а також активувати ферменти, що вводяться для оцукрення крохмалю.

Розварювання замісу – основна теплова операція на етапі отримання спиртусирцю Його проводять у варильних апаратах при температурі 140...170ºС для тонкого подрібнення або 95...110ºС для надтонкого подрібнення. Нижча температура розварювання дає змогу скоротити втрати крохмалю. Для нагрівання використовують водяну пару відповідного тиску. Мета розварювання – зруйнувати клітинну структуру сировини та перевести крохмаль до розчинної форми, щоб він легко оцукрювався амілолітичними ферментами.

Під час розварювання у сировині відбуваються структурні зміни: проходять денатурація білків та клейстеризація крохмалю з утворенням колоїдного розчину. Причина клейстеризації – поглинання води полімерами. Клейстеризація починається при 55...60ºС, при цьому зростає в’язкість, максимум в’язкості настає при 75...85ºС, при нагріванні понад 90ºС в’язкість різко зменшується, клейстеризація закінчується. При подальшому нагріванні руйнується трьохвимірна сітка клейстера, при 120...130ºС клейстер стає легкорухомим.

105

У розвареній масі 90% – розчинений крохмаль, 10% – клейстер. При розварюванні через гідроліз крохмалю зростає вміст цукру, який значною мірою карамелізується. Розчиняється целюлоза, пектини та інші складові стінок клітин, утворюється метанол (СН3ОН). Під час розварювання сумарні втрати речовин, що могли б збродити у спирт становлять 2,5…4%.

Для прикладу розглянемо схему, розроблену фахівцями УкрНДІ спиртової промисловості, впроваджену на Мироцькому спиртзаводі (рис. 32).

Рис. 32. Мироцька схема розварювання крохмалевмісної сировини

Схемою передбачене подрібнення картоплі в молоткової дробарці або грубий помел зерна у валковій дробарці. Підготовлена для розварювання маса насосом 1 по трубі 2 прокачується через теплообмінник 3 типу “труба в трубі”. У внутрішній трубі рухається продукт, а у міжтрубному просторі – випар, що надходить по трубі 5 з сепаратора 4. Для покращення теплообміну продукт і випар рухаються у протитоці. Теплообмін через поверхню менш ефективний, ніж за безпосереднього контакту, тому пара з випара конденсується не повністю (50...55%). Але неконденсована вторинна пара виносить із собою леткі домішки, що випаровуються з продукту у сепараторі 4 і надалі негативно впливають на якість спирту. Підігріта до 75...85ºС маса може бути спрямована безпосередньо до контактної головки розварника 6, або її попередньо подають для додаткового нагріву у змійовик 7, розташований у сепараторі, а вже потім до розварника. Контактна головка розварника складається із зовнішнього циліндричного корпусу, до якого підведено патрубок для подачі пари, і внутрішньої труби, що має на поверхні отвори діаметром 5 мм, просвердлені під кутом 45º до

106

вертикальної осі. Для забезпечення рівномірного надходження заміс проходить через сопло. Тут протягом декількох секунд маса підігрівається парою тиском 7...8 атм, що надходить через вентиль 8, до 168...170ºС (зерно), 175...180ºС (кукурудза), 165...166ºС (картопля). Гарячий заміс надходить до трубчастої частини розварника.

При дроселюванні у трубах частина рідини перетворюється на пару і маса просувається з більшою швидкістю. При проходженні маси по апарату пара займає близько 80% всього обсягу, розварювана маса – не більше 20%. Внаслідок перепаду тиску температура зернового замісу на виході з трубчастого розварника становить 145...155ºС, картопляної кашки 145...152ºС. Тривалість перебування маси у розварнику складає 2...3 хвилини.

З розварника готова маса переходить до сепаратора 4. Там вона за рахунок випаровування води охолоджується і з температурою не вище 60ºС подається на оцукрення. Утворена вторинна пара частково спрямовується на підігрів замісу в теплообміннику 3. Застосуванням більш тонкого подрібнення сировини температуру розварювання можна знизити, наприклад, для двоступеневого подрібнення зерна – до 158...160ºС.

Існує багато інших способів та схем розварювання сировини, як періодичних, так і безперервних. Вони мають на меті отримання якомога вищого виходу спирту за якомога менших витрат енергії.

Таблиця 6. Показники основних схем розварювання

Частіше використовують Мироцьку та Мічурінську схеми безперервного розварювання.

Мета оцукрення – перетворити крохмаль, що міститься у розвареному замісі, на цукри. Для цього використовують ферменти та воду. Під дією ферментів проходить реакція оцукрення крохмалю(полімер) з утворенням глюкози:

107

Як джерело ферментів використовують солодове молоко (витрата зерна на приготування солоду становить близько 15%) чи цвілеві гриби. Оцукрення проводять безперервним способом при 57...58ºС протягом 10..15 хв (солод) або 5 хв (ферменти цвілі). Під впливом ферментів крохмаль розкладається на мальтозу (67%) та декстрини (33%), під час бродіння ці речовини зброджуються. Білки розкладаються на амінокислоти (засвоюються дріжджами).

Існує багато схем оцукрення. На рис. 33 наведена одноступенева схема з вакуум-охолодженням маси до 62ºС (з урахуванням розбавлення суслом – до

57ºС)

Рис. 33 Одноступенева схема оцукрення з вакуум-охолодженням 1 – сепаратор пари; 2 – вакуум-трубопровід; 3 – випарна камера (0,08 МПа); 4 –

барометричний конденсатор; 5 – вакуум-насос; 6 – барометрична труба; 7 – оцукрювач; 8 – повернення 10...15% сусла у вакуум-трубопровід для розбавлення; 9 – бачки солодового молока; 10 – дозатор; 11 – насос; 12 – теплообмінникохолоджувач; 13 – пісковловлювач

Оцукрену масу – сусло (СР=16..18%, рН=5..5,3) додатково охолоджують охолоджують до 20…25 ºС (у теплообміннику водою або у вакуум-камері за рахунок самоскипання). Метою цього є створення оптимальних умов життєдіяльності для дріжджів.

Оцукрене охолоджене сусло подають до бродильного відділення. Частина сусла відбирається до дріжджового відділення на розмноження дріжджів.

Запитання для самоперевірки

108

1.Опишіть властивості етанолу. У яких галузях і як його застосовують?

2.З якої сировини виготовляють етанол в Україні? Як зберігають сировину на спиртзаводах?

3.З яких етапів складається вироблення етанолу з меляси, зерна, картоплі?

4.Для чого розварюють крохмалевмісну сировину? Які схеми розварювання ви знаєте? Опишіть Мироцьку схему розварювання.

5.Навіщо і яким чином проводять оцукрення розвареного замісу?

109

11. ТЕХНОЛОГІЯ СПИРТУ. ЗБРОЖУВАННЯ. 11.1. Дріжджі та їх розмноження

Метою зброжування є перетворення цукрів, що містяться у суслі, на спирт. Для цього використовують дріжджі – мікроорганізми, що містяться у тому числі під шкіркою плодів та ягід і легко переносяться у повітрі. Дріжджі виділяють ензими, що провокують розкладення глюкози. Енергія, що виділяється під час розкладення, поглинається самими дріжджами і використовується ними для життєдіяльності. У спиртовій промисловості використовують винятково культурні дріжджі з родини Saccharomyces (Сахароміцетів) різних рас. Для них оптимальна температура становить 29..30ºС, а при температурах нижчих за –5ºС або вищих за 50ºС ці дріжджі гинуть.

У процесі життєдіяльності дріжджі споживають цукри (зокрема глюкозу), а виділяють етанол, вуглекислий газ та деякі інші сполуки. Як уже зазначалося

Таким чином, у розчині цукрів, де живуть дріжджі, постійно падає концентрація цукрів і зростає концентрація етанолу.

На початку сезону, або у разі сильного інфікування виробництва необхідно отримати культурні дріжджі. Для цього розмножують засівні дріжджі за багатостадійним методом чистої культури: пробірка → колба (500 мл, 10% цукрів) → бутиль (5 л, 14% цукрів) → апарат чистої культури (50 л, 16% цукрів) → дріжджогенератор. Тривалість кожної стадії розмноження – 20...24 год. На всіх стадіях температура має становити 30ºС, сусло у посудині перед внесенням дріжджів має бути стерильним.

Для культивування виробничих дріжджів під час виробництва відбирають сусло, пастеризують при 70ºС протягом 20 хв, охолоджують його до 50ºС, підкислюють сірчаною кислотою до pH=3,6 , охолоджують до 25ºС і вносять засівні дріжджі. Дріжджі накопичуються при 25...28ºС доки концентрація сусла не впаде до 1/3 від початкової. Це – виробничі дріжджі, що вже містять 2...3% спирту і 90...100 млн дріжджових клітин на 1 мл середовища.

Розмноження дріжджів періодичним способом проводять у дріжджогенераторі – циліндричній посудині з конічним денцем, що обладнана мішалкою та змійовиком, через який подають воду для охолодження сусла. На потужних спиртзаводах використовують безперервний спосіб розмноження виробничих дріжджів у батареї з декількох дріжджогенераторів.

11.2. Зброжування сусла

Виробничі дріжджі вносять до оцукреного і підготованого до бродіння сусла. Процес бродіння є безперервним і підходить до завершення приблизно

110