4.2.3. Способы разваривания зерна и картофеля

Крахмалсодержащее сырье разваривают непрерывным и пери­одическим способами. Наиболее распространены непрерывные способы. Установки непрерывного разваривания можно разделить на три группы: установки, работающие на паре с давлением до 0,5 МПа (установка ВНИИПрБ); установки, использующие пар высокого давления (установка УкрНИИСП); установки, произво­дящие водно-тепловую обработку при температуре не выше 100°С (установка механико-ферментативной обработки).

Необходимая подготовка крахмалсодержащего сырья к осаха- риванию при минимальных потерях нерастворенного крахмала и сбраживаемых углеводов достигается правильно выбранным соот­ношением температуры и продолжительности разваривания и равномерностью обработки массы. Если выразить зависимость между температурой и продолжительностью разваривания в полу­логарифмической системе координат, то она выглядит в виде пря-

мой, для которой справедливо уравнение

t = a/ic,

где / — температура разваривания, °С; а и с —коэффициенты, зависящие от со­стояния, вида и степени измельчения сырья; t— продолжительность развалива­ния, мин.

В уравнении зависимости продолжительности разваривания от температуры следует учитывать также конструктивные особеннос­ти аппарата, влияющие на организацию проведения процесса и степень смягчения режима разваривания. Это влияние отражается с помощью коэффициента К,названного коэффициентом смягче­ния режима.

t= а/(Кхс).

Чем сильнее диспергируется и равномернее проходит через аппарат масса, тем больше коэффициент К,мягче режим (ниже температура или меньше продолжительность разваривания). Для установки конструкции УкрНИИСП К— 1,088; конструкции ВНИИПрБ К=1,072.

В отечественной промышленности наиболее распространенной является установка ВНИИПрБ.

Способ непрерывного разваривания зерна и картофеля на установ­ке ВНИИПрБ(рис. 4.1). Зерно, очищенное на сепараторах, элева­тором подается в приемный бункер 1, а затем поступает в молот­ковые дробилки 14.

Продукт дробления должен иметь такие размеры, чтобы 50—

Рис. 4.1. Аппаратурно-технологическая схема непрерывного разваривания зерна и картофеля на установке ВНИИПрБ

60 % его проходило через сито с отверстиями диаметром 1 мм. Остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм не должен превы­шать 0,1 %. Дробленое зерно направляется в смеситель 13, пред­ставляющий собой цилиндрический сосуд с эллиптическим дни­щем и плоской крышкой, имеющий вертикальную рамную ме­шалку. Измельченное в молотковых дробилках зерно через пат­рубок поступает в приемник, который выполнен в виде перфорированной камеры. Через отверстия внутренней трубы этой камеры тонкими струями подается вода. Измельченная зер­новая крупка активно смешивается с водой уже в приемнике продукта. Замес выходит через переливную коробку, состоящую из двух камер, разделенных перегородкой, обеспечивающей оп­ределенный уровень в смесителе. Переливная коробка также снабжена смотровым патрубком, через который можно отбирать пробы.

Дробленое зерно смешивается с водой температурой 40—50 °С в заданном соотношении от 1 : 2,5 до 1 : 3,5 в зависимости от его крахмалистое™. Количество поступающего дробленого зерна и воды регулируется дозаторами, работающими синхронно. Приго­товленный замес с помощью насоса 12 перекачивается в контакт­ную головку 4 вторичного пара, который подводится через патру­бок в центре головки и движется из нижней ее части вверх. Встречное движение теплоносителя и замеса также способствует ускорению его нагрева.

Замес нагревается вторичным паром, выделившимся из паросе- паратора 9, до 85—95 °С в зависимости от температуры в смесителе и количества этого пара, которое определяется, в свою очередь, принятым режимом разваривания.

Нагретый замес поступает в буферную емкость 3, откуда плун­жерным насосом 11 перекачивается в контактную головку б остро­го пара, где нагревается до 138—149 °С, и подается в трубчатый разварник 10. В случае разваривания кукурузы замес нагревают до 144—150 °С.

При переработке картофеля клубни после мойки ковшовым элеватором поднимаются на весы, затем подаются в промежуточ­ный бункер и оттуда дозатором на молотковые дробилки 2. Карто­фельная кашка через промежуточный сборник поступает в плун­жерный насос 5 и оттуда в греющую контактную головку б острого пара. В ней кашка нагревается до 138—140 "С и направляется в ва­рочный аппарат, который состоит из трубчатого разварника 10, выдерживателей первой 7и второй 8 ступени.

Выдерживатель 7 первой ступени предназначен для доварива­ния сырья, нагретого до температуры разваривания в контактной головке острого пара и в трубчатом аппарате.

Масса из выдерживателя 7 первой ступени перемещается по переточным трубам за счет разницы уровней в колоннах при оди­наковом давлении в паровых пространствах колонн, что достига-

ется установкой уравнительной линии. Из выдерживателя 8вто­рой ступени масса выдувается в паросепаратор. Продолжитель­ность пребывания массы зерна в варочных колоннах обоих выдер- живателей 45—55 мин (кукурузы 60 мин). Пар из сепаратора ис­пользуется на подваривание замеса в контактной головке вторич­ного пара. В паросепараторе поддерживается постоянное избыточное давление около 0,05 МПа, что соответствует темпера­туре 105 °С. Разваренная масса находится в нем 15—20 мин.

Качество разваривания сырья на установке конструкции ВНИИПрБ, так же как и на любой другой установке, определяют по цвету сваренной массы, отобранной из пробников, установлен­ных на выдувной трубе варочного аппарата и трубе паросепарато- ра. Цвет массы из зерна должен быть темно-желтым со светло-ко- ричневым оттенком, из картофеля — светло-коричневым с зеле­новатым оттенком.

Механико-ферментативный способ обработки сырья.По ре­зультатам проведенных исследований сотрудниками ВНИИПрБ (Б. А. Устинниковым и др.) разработаны технологический режим и схема механико-ферментативной подготовки крахмалистого сы­рья к осахариванию (рис. 4.2).

По этой схеме все поступающее в переработку зерновое сырье обязательно очищается от металлопримесей на магнитном сепа­раторе, а от сорных — на зерновом сепараторе. Остаточное со­держание примесей не должно превышать 1 %. Основные требо­вания к измельчаемому зерну: проход через сито с диаметром от­верстий 1 мм должен быть не мене? 75—80 %, к зерну кукурузы — не менее 85—90 %, остаток на сите с ячейками 3 мм должен отсутствовать.

Измельченное зерно или картофель поступают в смеситель 1,

Рис. 4.2. Аппаратурно-технологическая схема механико-ферментативной подготовки

крахмалистого сырья

где смешивается теплой водой температурой 60—65 °С и бактери­альным ферментным препаратом — источником а-амилазы (ами- лосубтилин ГХ и ГЗХ и др.). Амилосубтилин дозируется из расче­та 1,5—2,0 ед. АС/г условного крахмала и поступает в смеситель из расходного сборника а-амилазы 2.

Соотношение зерна и воды, поступающих в смеситель, состав­ляет 1 : (3,0—3,2) и устанавливается в зависимости от крахмалис- тости зерна с учетом того, что концентрация сусла в осахаривателе должна быть 16—18 %. Температура замеса в смесителе поддержи­вается на уровне 50—55 °С. При необходимости подогрева замеса используют вторичный пар, который поступает из паросепаратора 9.Продолжительность пребывания замеса в смесителе 10—12 мин. В смесителе должно обеспечиваться равномерное перемешивание измельченного сырья, воды и раствора а-амилазы, а также подо­грев массы до 55 °С.

При переработке картофеля клубни тщательно моют и измель­чают. Амилосубтилин вводят из расчета 2,0—2,5 ед. АС/г условно­го крахмала картофеля.

В смесителе происходит начальная стадия разжижения крах­мала и растворения сухих веществ за счет действия бактериаль­ной а-амилазы, обеспечивается нормальная текучесть массы.

Затем замес насосом 3подается в контактную головку 4,где подогревается паром до температуры 70—72 °С (температура выше 75 °С недопустима из-за возможной инактивации а-амилазы) и направляется в аппарат 5гидродинамической и ферментативной обработки первой ступени ГДФО-1, где выдерживается не менее 2-2,5 ч.

После заполнения аппарата примерно на 1/3 включается цир­куляционный контур с центробежным насосом 6для перемешива­ния массы в аппарате. Коэффициент заполнения аппарата состав­ляет 0,75—0,80. Температура массы при обработке зернового заме­са должна поддерживаться в пределах 65—70 °С. На этой стадии ферментативной обработки происходят клейстеризация крахмала, разжижение замеса, декстринизация и частичный гидролиз угле­водов под действием введенной а-амилазы, а также собственных ферментов зерна, если они находятся в активном состоянии. Эти процессы сопровождаются интенсивным растворением сухих ве­ществ зерна.

При переработке кукурузы массу нагревают до 80—85 °С и вы­держивают в течение 4,5—5,0 ч, для чего подключают второй ап­парат ГДФО-1.

При переработке картофеля температуру гидродинамической обработки увеличивают до 70—75 °С.

Для лучшего сохранения активности а-амилазы ее вводят в две точки: 1 — 1,5 ед. АС/г в смеситель и 0,5 ед. АС/г в аппарат ГДФО-1.

Далее зерновой замес или картофельная кашка из аппарата ГДФО-1 самотеком или с помощью дозаторов отводятся в аппарат /гидродинамической и ферментативной обработки второй ступе­ни ГДФО-2. Этот аппарат, разделенный на три секции, может быть горизонтальной или вертикальной конструкции. В первой секции аппарата ГДФО-2 крахмалистая масса выдерживается при перемешивании в течение 15—16 мин при температуре 65—72 "С, после чего перетекает во вторую секцию, где нагревается острым паром до 72—75 °С и выдерживается также 15—16 мин. В зоне этих температур происходит более интенсивная клейстеризация крах­мала сырья с одновременным разжижающим действием на крах­мал бактериальной а-амилазы. В третьей секции температура мас­сы путем подачи острого пара поднимается до 85—95 °С. В этих условиях в течение 15—16 мин клейстеризуются наиболее трудно­доступные для воздействия воды и тепла крахмальные гранулы, причем разжижающее действие термофильной а-амилазы на крахмал хотя и ослабевает вследствие инактивации фермента, но еще продолжается.

При переработке кукурузы температура в ГДФО-2 поддержива­ется во всех секциях на уровне 90—95 "С.

Таким образом, в аппарате второй ступени осуществляются как дополнительный ферментативный гидролиз под действием сохра­нившейся а-амилазы, так и термообработка массы, т. е. стерили­зация ее паром под атмосферным давлением. При перемешивании происходит диспергирование сырья, сопровождающееся увеличе­нием содержания растворимых веществ до 90—95 % и более по от­ношению к концентрации сухих веществ в сусле. Такая масса дос­таточно подготовлена к осахариванию и с помощью насоса 8пере­качивается в паросепаратор 9,выполняющий роль накопителя. Затем масса идет на осахаривание.

При переработке недоброкачественного дефектного сырья не­обходима более жесткая тепловая обработка массы для ее стерили­зации перед приготовлением сусла. Для этого масса насосом 8по­дается в контактную головку 10,где подогревается паром до тем­пературы 110—115 °С, а для кукурузы до 125—130 °С. Далее масса проходит через трубчатый стерилизатор 11в течение 5—6 мин. Вводимый пар должен полностью конденсироваться. Этот эф­фект достигается установкой на выходе из трубчатого стерилиза­тора редуцирующего клапана, отрегулированного на давление 0,06—0,10 МПа. Это позволяет довести коэффициент заполне­ния трубчатого стерилизатора массой до 100 %. Затем масса отво­дится в паросепаратор 9.Качество ферментативно-тепловой об­работки определяют по пробе, отбираемой после паросепарато- ра. Обработанная масса должна быть от светло-коричневого до коричневого цвета с белесым оттенком и иметь запах неперева­ренной массы.

Для осахаривания стерилизованную массу смешивают с необ­ходимой дозой глюкаваморина ГХ или другим препаратом.

Так как предварительный гидролиз и растворение массы с по­мощью бактериальной а-амилазы практически на 90—100 % за­вершаются до стадии осахаривания, то а-амилазу в дальнейшем можно не вводить в осахариватель. Однако для успешной пере­работки дефектного и трудносбраживаемого сырья в осахарива­тель следует ввести до 30 % от общего расхода бактериальной а-амилазы.

Техноэкономический эффект при переходе на работу по схеме механико-ферментативной обработки сырья по сравнению со схе­мой разваривания и осахаривания с применением ферментных препаратов состоит в следующем:

расход пара снижается не менее чем на 40 %; расход электроэнергии на 1 т сырья увеличивается на 3,1 кВт ■ ч; выход спирта из 1 т условного крахмала увеличивается не ме­нее чем на 0,4 дал за счет снижения потерь сбраживаемых ве­ществ при разваривании, которые составляют 3—4 % от введен­ного крахмала.

Кроме того, из схемы исключаются варочные колонны, работа­ющие под давлением, обеспечиваются безопасные условия труда.

4.3. ОСАХАРИВАНИЕ РАЗВАРЕННОЙ МАССЫ

Осахаривание заключается в обработке охлажденной разварен­ной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидолиза полисахаридов, белков и других сложных веществ. Основным и наиболее важным процессом при этом является фер­ментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых Сахаров, поэто­му процесс и называют осахариванием. В результате осахаривания разваренной массы получают полупродукт — сусло спиртового производства.

В производстве спирта воздействие ферментов на составные вещества сырья осуществляется на нескольких технологических стадиях: стадии подваривания сырья; специальной стадии осаха­ривания крахмала, которая проводится при оптимальной темпера­туре для действия амилолитических сахарогенных ферментов; ста­дии брожения, где создаются условия, оптимальные для жизнеде­ятельности дрожжей, но которые не вполне благоприятны для действия амилолитических ферментов (более низкие температура и рН среды).

Сусло, полученное при осахаривании солодом, содержит 71 — 76 % мальтозы и 24—29 % глюкозы от суммы сбраживаемых Саха­ров, а осахаренное ферментными препаратами — соответственно 14-21 и 79-86 %.

В период осахаривания разваренной массы под действием про- теолитических ферментов происходит накопление аминокислот, пептонов и полипептидов. Содержание растворимого азота в раз

варенной массе увеличивается в несколько раз. Наибольшее коли­чество растворимого азота (до 75 % от общего азота сырья) образу­ется при осахаривании массы, разваренной при температуре 150 "С, а наименьшее (до 33 %) — при температуре 100 °С.

Целлюлоза, гемипеллюлоза и другие некрахмалистые полиса­хариды почти не гидролизуются ферментами солода и в большей степени, хотя и незначительно, гидролизуются ферментами мик­робного происхождения.

Процесс осахаривания осуществляется при 57—58 °С — опти­мальной температуре действия амилолитических ферментов. Раз­варенную массу охлаждают в осахаривателе со змеевым теплооб­менником или под вакуумом.

Осахаривание разваренной массы, как правило, осуществляют непрерывным способом и лишь на заводах малой мощности — пе­риодическим.

Независимо от способа процесс осахаривания состоит из следу­ющих операций:

охлаждения разваренной массы до определенной температуры, которую после смешивания массы с солодовым молоком (микроб­ной культурой) понижают до заданной для осахаривания:

смешивания разваренной массы с солодовым молоком (мик­робной культурой);

осахаривания крахмала;

охлаждения сусла до начальной температуры брожения сусла; перекачивания сусла в бродильное и дрожжевое отделения за­вода.

Один из распростра­ненных способов осахари­вания — непрерывное оса­харивание с одноступенча­тым вакуум-охлаждением разваренной массы, пред­ставленной на рис. 4.3.

Из паросепаратора 1 разваренная масса по тру­бе 2поступает в испари­тельную камеру 3, в кото­рой поддерживается раз­режение 0,08 МПа. В ре­зультате самоиспарения температура воды почти мгновенно понижается до 62 "С. Вакуум в камере со­здается в результате кон- „ . ,, „ денсации выделяющегося

Рис. 4.3. Схема непрерывного осахаривания с „

одноступенчатым вакуум-охлаждением разва- параВОДОЙ В конденсаторе ренной массы

и неконденсирующихся газов откачивается мокровоздушным на­сосом 5 типа РМК.

Охлажденная масса по барометрической трубке 11 стекает в осахариватель 8.Одновременно по трубе 7 в трубу 2из осахарива- теля засасывается 10—15 % сусла, вследствие чего снижается вяз­кость массы, облегчается отделение пара и уменьшается унос с ним крахмала. После добавления к разжиженной массе солодово­го молока из расходных бачков 9с помощью дозатора 10темпера­тура ее снижается до 57—58 "С и сохраняется на этом уровне все время. Продолжительность осахаривания не менее 10 мин.

Уровень массы в осахаривателе поддерживается автоматически посредством поплавкового регулятора, связанного рычагом с зас­лонкой на продуктовой трубе. Солодовое молоко дозируется в за­висимости от скорости откачивания сусла насосом 12в теплооб­менник 13.Для задержания песка перед насосом установлена ло­вушка 6.

Охлаждение разваренной массы под вакуумом предотвращает

тепловую инактивацию ферментов осахаривающих средств при поступлении разваренной массы в осахариватель и обеспечивает более полное осахаривание крахмала, что позволяет увеличить вы­ход спирта. При этом способе охлаждения из сусла вместе с не­конденсирующимися газами удаляются такие летучие примеси, как метанол, фурфурол, летучие кислоты, что облегчает ректифи­кацию спирта.

Полноту осахаривания проверяют по йодной пробе. Если ок­раска сусла с йодом не изменяется, осахаривание прошло нор­мально; красная окраска свидетельствует об избытке декстринов, сине-фиолетовая — о присутствии неосахаренного крахмала. Та­кое изменение окраски с йодом характерно только при получении сусла осахариванием разваренной массы солодом; при осахарива- нии ферментными препаратами микроскопических грибов окрас­ка может оставаться сине-фиолетовой и исчезает при брожении.

Расход солода на осахаривание определяется с учетом его оса- харивающей способности (ОСп). На 1 г крахмала сырья, посту­пившего на разваривание и содержащегося в зерне, идущего на приготовление солода, требуется 0,6—0,7 ед. ОСп. Необходимое количество ОСп обеспечивается двумя или тремя солодами. При­чем доля просяного или овсяного солодов составляет 25—30 % от общего расхода.

Средний расход зерна, идущего на приготовление солода, не должен превышать при переработке зерна 14,9%, картофеля 13,0 %, овса, сорго и риса 18,5 % массы сырья.

В настоящее время на спиртовых заводах применяют отече­ственные жидкие и сухие ферментные препараты — амилосубти- лин ГХ, ГЗХ, глюкаваморин ГХ, ГЗХ, глюкобататин ГХ, ГЗХ, глю- кэндомикопсин ГХ, амилоризин ПХ, глюкаваморин ПХ.

Расход поверхностной культуры составляет 5 % от массы перерабатываемого крахмала, в том числе глюкаваморина ПХ — 4 % (как источника глюкоамилазы) и амилоризина ПХ — 1 % (как ис­точника а-амилазы и протеолитических ферментов). Расход глу­бинной культуры микроорганизмов и концентрированных препа­ратов на осахаривание рассчитывают по их активности в зависи­мости от принятой продолжительности брожения. Так, при 72-йа- совом брожении расход а-амилазы должен составлять 1,5—2,0 ед. АС, глюкоамилазы — 6,0—6,2 ед. ГлА на 1 г перерабатываемого крахмала сырья. При 48-часовом брожении расход а-амилазы ос­тается неизменным, а глюкоамилазы — увеличивается до 15 ед. ГлА на 1 г крахмала. При этом достигаются равные показатели сбраживания. Препарат а-амилазы рекомендуется подавать в две точки технологической схемы: 0,5 ед. АС на разжижение подвари­ваемой массы и 1 ед. АС на 1 г крахмала при осахаривании вместе с глюкозой.

Кроме отечественных препаратов на спиртовых заводах широ­ко применяются зарубежные концентрированные ферментные препараты. Например, датская фирма «Ново Нордиск» поставляет препараты в сиропообразном виде плотностью 1,20—1,25 г/см³.

Препараты термамил 120 Л и Б АН 240 JIявляются источниками термостойкой а-амилазы, действующей при температуре 85—95 °С и разжижающей крахмал. Препараты АМГ 300JIи Сан супер 240J1содержат глюкамилазу и протеазу. Оптимальные условия- их действия 55—60 "С.

Содержание растворимых веществ в осахаренном сусле должно находиться в пределах 16—18 %, в том числе 13—15 % сбраживае­мых углеводов. Кислотность сусла 0,2—0,3°. Один градус кислот­ности соответствует 1 см³1 М раствораNaOH, израсходованного на титрование 20 см³сусла. При кислотности ниже 0,2° интенсив­но развиваются инфицирующие микроорганизмы, а при кислот­ности выше 0,4° инактивируются амилолитические ферменты, что увеличивает количество неосахаренных декстринов в бражке.