3. Получение этанола
Стадии производства:
1.Подготовка сырья с получением сусла
2.Брожение сусла
3.Очистка и концентрирование спирта
Подготовка сырья в производстве пищевого и технического этанола различна.
Биохимия спиртового брожения
При спиртовом брожении происходят ферментативные превращения гексозных моносахаров в анаэробных условиях, при которых происходит неполное окисление, сопровождающее выделением энергии. Биохимические процессы протекают внутри дрожжевой клетки, куда через полунепроницаемую оболочку поступают моносахариды и необходимые неорганические питательные вещества. Продукты метаболизма – этанол, диоксид углерода и примеси выделятся из клетки в сбраживаемое сусло.
Суммарное уравнение спиртового брожения условно можно выразить:
С6Н12О6 → С2Н5ОН + СО2 + Q
Для обеспечение нормального протекания спиртового брожения необходимо наличие в субстрате источников калия, магния, кальция, марганца, цинка, кобальта.
В качестве продуцента этилового спирта используются дрожжи, относящиеся к аскомицетам (или сумчатым грибам). Наибольшее значение имеют Сахаромицеты (Saccharomyces) и Шизосахаромицеты (Schizosaccharomyces).
В анаэробных условиях одновременно с брожением происходит медленное размножение дрожжей. На это затрачивается часть питательных веществ субстрата, поэтому выход спирта на 3…5% ниже теоретически возможного.
При спиртовом брожении протекают побочные химические и биохимические процессы, продукты которых образуют примеси:
- глицерин, выход которого возрастает в присутствии бисульфитов натрия или калия или в щелочной среде;
- ацетальдегид, являющийся промежуточным продуктом биосинтеза этанола;
- высшие спирты (пропанол, изобутанол, пентанол, изопентанол), образующиеся в процессе обмена веществ при размножении дрожжей, при наличии аминокислот, которые попадают в субстрат из сырья и при автолизе дрожжей;
- простые и сложные эфиры.
3.1.Особенности получения технического этанола:
Сырье – древесина хвойных пород, при гидролизе которой достигается более высокий выход гексоз по сравнению с пентозансодержащим сырьем.
С целью получения высокой концентрации моносахаридов гидролиз проводят при более низком значении гидромодуля (около 12). Режим гидролиза – более жесткий с целью более полного расщеплению целлюлозы.
Технологическая схема спиртового брожения в производстве технического этанола
Подготовленное сусло с концентрацией РВ 3,2…3,5 % и рН 4,0…4,5 из сборника 1 направляется в дрожжанку 2 , где происходит смешение сусла с дрожжевой суспензией в соотношение по объему 10:1. При этом происходит активизация дрожжей при контакте со свежим субстратом. Смесь сусла с дрожжами поступает в головной ферментатор (бродильный аппарат) 4 , где происходит интенсивное главное брожение, при котором образуется 80…90 % этанола. В последовательно соединенном хвостовом ферментаторе 5 происходит дображивание, при котором усваивается в основном трудносбраживаемый углевод – галактоза. Обычно на 2…3 головных ферментатора приходится 1 дображивающий.
Образующийся в процессе брожения углекислый газ сорбируется в виде мелких пузырьков на поверхности дрожжевых клеток, увлекая их вверх. При достижении поверхности пузырька газа лопаются, а клетки под действием силы тяжести опускаются на дно, вступая в новый цикл брожения. В результате такого движения происходит интенсивное перемешивание.
Условия брожения: - анаэробные условия;
- температура 32…340С;
- продолжительность непрерывного процесса 5…7 ч;
- концентрация дрожжевых клеток в культуральной жидкости 20…30 г/л (по натуральным дрожжам влажностью 75%).
Бродильная активность дрожжей 0,2…0,3 кг сбраживаемых РВ/(кг дрожжей в час).
Концентрация спирта в бражке 1,0…1,5 % об.
Недоброд (концентрация несброженных гексоз) не более 0,1 %.
В настоящее время на предприятиях применяется сепарационный метод, по которому спиртовая бражка из хвостового ферментатора 5 или промежуточного сборника 6 направляется в сепаратор 7 для отделения дрожжевой суспензии, которая полностью возвращается в дрожжанку 2. Концентрация дрожжей в суспензии 90…100 г/л по нат.др.
В качестве ферментаторов (см.рисунок) применяются стальные сварные аппараты, внутренняя поверхность которых защищена кислотостойкими лаками. Аппараты герметически закрыты крышками, что обеспечивает сбор углекислого газа, который направляется в углекислотный цех.
В нижней части ферментатора расположена медленно вращающая мешалка со скребками для удаления осадка мертвых и малоактивных дрожжей и механических примесей. Осадок может использоваться для обогащения гидролизата биогенными веществами.
Выход этанола при спиртовом брожении составляет 56…59 л со 100 кг сбраживаемых РВ.
Рис. Бродильный
аппарат