1.1.8Механико-ферментативная схема обработки крахмалсодержащего сырья

В последнее время отечественные производители спирта уделяют пристальное внимание энерго- и ресурсосберегающим технологиям получения этанола. Наибольший интерес представляют технологии подготовки крахмалистого сырья к сбраживанию без разваривания или в условиях низкотемпературного разваривания.

Впервые исследования процессов обработки сырья в отсутствие повышенного давления начали проводить во ВНИИ пищевой биотехнологии, КТИПП и ВТИ с конца 70-х и начала 80-х гг. Так, во ВНИИПБТ в 1986 г. Начали разрабатывать новый способ “мягкого” разваривания сырья. В основу этой технологии был положен метод гидроферментативного растворения веществ зерна, где технологический фактор растворения этих веществ – не температура разваривания сырья, при которой протекают процессы термогидратации и термогидролиза крахмала, а фактор времени протекания ферментативных и гидродинамических процессов.

Сегодня предприятия накопили большой опыт эксплуатации этой технологии, что позволяет оценить ее технико – экономическую эффективность. Положительная сторона работы “мягкой” схемы по сравнению с эксплуатацией традиционной схемы высокотемпературного разваривания сырья – снижение температуры варки и улучшение органолептических и физико-химических показателей вырабатываемого спирта.

Как показывает опыт, в ходе распространения “мягких” схем МФО в промышленности отмечаются некоторые особенности. Это связано с использованием на предприятиях габаритных аппаратов для ферментативного гидролиза сырья, не предусматривающих оптимального пребывания массы в них. Сложности также обусловлены реальной необходимостью переработки некачественного сырья низкосортного, дефектного зерна, что влияет на технологию, качество продукции и эффективность производства.

В отдельные периоды качество зернового сырья может сильно изменяться по разным причинам: из-за поступления недозрелого, не выдержавшего сроки хранения сырья; низкокрахмалистого, щуплого, с повышенным содержанием пленок ячменя (=10%); недостаточно очищенного и засоренного (более 2%), с повышенной влажностью (более 15%), а также плохо хранившегося, пораженного вредителями, морозобойного, заплесневелого, с разными запахами зерна различной степени дефектности, с содержанием аммиака от 5-22 до 40-100 мг%.

В этих условиях при эксплуатации энергосберегающих “мягких” схем, работающих при пониженных температурных параметрах, часто отмечаются отклонения в процессе проведения ферментативной обработки, обусловленные в первую очередь возможным инфицированием и закисанием производственной среды. В связи с этим при переработке по схемам МФО не очень качественного сырья необходимо осуществление ряда дополнительных мероприятий, направленных в основном на предотвращение микробиологического заражения полупродуктов, начиная с подачи сырья в производство и кончая получением бражки. Численность и видовой состав микрофлоры в большей степени зависят от погодно-климатических условий в процессе вегетации растений, а также от температуры и влажности среды при хранении зерна.

Отличительное свойство некоторых вредных в спиртовом производстве микроорганизмов – их способность превращать углеводы в органические кислоты, что приводит к снижению питательной ценности сусла, повышению кислотности среды, инактивации амилолитических ферментов, и, следовательно, снижению выхода спирта.

Поэтому, для избежания инфицирования необходимо обратить внимание на работу подработочного отделения, т.е. усилить очистку зерна от сора, пыли, земли, других посторонних примесей, как правило, обсемененных вредными для производства микроорганизмами. При работе зерноочистительных и магнитных сепараторов содержание сора в очищенном зерне не должно быть более 0,5-1,0% при полном отсутствии металлопримесей. Необходимо ежесменно тщательно контролировать работу дробилок, не допуская снижения качества помола менее 75-80% по проходу частиц через сито 1мм. Остаток частиц на сите 2,5 мм не должен превышать 0,6%. Необходимо полностью исключить наличие в тонком равномерном помоле крупных частиц – четвертинок, половинок и т.п. Для этого следует ликвидировать все неплотности, зазоры между ситами и корпусом, не допускать работу с пробитыми ситами, иметь запасные сита и т.д.

Следует также отметить, что большие размеры аппаратов АФО -1 и АФО – 2 должны быть скорректированы из-за сверхдлительного нахождения массы в них. При недостаточно эффективном измельчении, перемешивании, отсутствии мешалок, при их остановках возможно образование застойных, характеризуемых пониженной теплопроводностью и повышенной вязкостью малоподвижных зон на днищах, в нижних частях аппаратов, трубопроводах, насосах циркуляционного контура. Это способствует развитию инфекции и закисанию среды, прежде всего при низкой температуре обработки, которая необходима для действия собственных ферментов зернового сырья.

Длительная обработка массы также снижает производительность, увеличивая время стерилизации и освобождения аппаратов на стерилизацию, способствует задержкам необработанной под давлением, склонной к инфекции массы. При непрерывной работе аппаратов большой вместимости – 100 м³ и более полная замена старой массы новой происходит при пропуске 8-кратного количества среды через них.

Постоянная работа, особенно без принудительного полного периодического освобождения с перекачиванием массы в свободный аппарат, также приводит к усилению самозакисания, чему очень способствует переработка некачественного сырья с повышенным содержанием посторонней микрофлоры.

Для определения очага инфекции и предотвращения его распространения по производственной линии следует иметь возможность отбирать точечные пробы массы из малодоступных мест аппаратов схемы и ставить их на самозакисание. При возникновении предпосылок к закисанию массы в аппаратах, характеризуемому изменением кислотности, pH, цветности, запаха мелассы, необходимо оперативно принимать меры к определению и незамедлительному устранению очага инфекции.

Как показывает опыт, при переработке низкосортного сырья в этих условиях следует применять дифференцированные режимы тепловой стерилизации, ориентируясь на доброкачественность, засоренность, степень очистки сырья. Для этого на заводе необходимо иметь и своевременно вводить в действие узел тепловой дополнительной стерилизации, состоящий из отдельных, последовательно подключаемых секций для дополнительной выдержки гидролизованной массы. Наличие такого узла позволит путем повышения температуры стерилизации достичь чистоты сусла и процесса сбраживания за счет гибели вредных кислотообразующих бактерий и особенно термоустойчивых спор.

В производстве спирта из крахмалсодержащего сырья раньше использовали стандартный периодический или непрерывный процесс разваривания сырья под давлением при высокой температуре ( до 150˚С) для расщепления и клейстеризации крахмала, чтобы подготовить его для последующей стадии ферментативной обработки на сбраживаемые сахара.

При выборе ФП для механико –ферментативной обработки необходимо учесть различные свойства сырья и в соответствии с этим подобрать их оптимальные дозировки. Принятое в промышленности новое оборудование позволяет добиваться различных степеней помола сырья. Однако следует отметить, что при более тонком помоле существует возможность снижать энергозатраты на разваривание, уменьшать время ведения процесса и дозировки ФП.

Для каждого комплекса оборудования по производству спирта рекомендуются соответствующие ФП, учитывающие специфику ведения технологического процесса и возможности как отдельного аппарата, так и всей линии.

В таблице – указаны данные о ФП, используемых в спиртовой отрасли: показаны диапазоны работы ФП и их дозировки, при которых соблюдаются требования регламента производства спирта и нормативные выхода из 1 т сырья.

ФП рекомендуется добавлять, учитывая условия его применения и оптимумы действия. Выбор ФП в большей степени зависит от качества применяемой воды: состава солей (содержание Са++), pH, температуры. Смешивать измельченное сырье и теплую воду оптимальной температуры необходимо в соотношении 1:2,5-3,5.

При мягком режиме и ведении процесса в две стадии (65 и 95 ˚С) можно добавлять термостабильную амилазу на стадии смешения, если условия процесса позволяют реализовать возможности фермента. На стадии осахаривания при 60-65 ˚С рекомендуется добавлять Фунгамил, в этом случае pH 5,0-5,3. При 70-75 ˚С необходимо использовать БАН.

Время обработки, а также вязкость можно сократить за счет облегчения доступа к крахмалу амилазы. Например, для ржаных заторов при проблемах с вязкостью можно добавить карбогидразу широкого спектра действия: Вискозим Л из расчета 100-200 г/т затора АО время охлаждения в условиях 55 ˚С при обработке высокотемпературным способом, а также и на стадии смешения с водой при мягком режиме.

Осахаривание необходимо вести при 55-60 ˚С не менее 30 мин, хотя доосахаривание продолжается и в бродильном аппарате.

Для уменьшения вязкости рекомендуется использовать Вискозим Л или Шеарзим 500Л в сочетании с БАН, Фунгамилом 800Л.

Для улучшения жизнедеятельности дрожжей в качестве протеолитических ферментов можно добавлять на стадии осахаривания или разжижения Алкалазу 2,4 Л из расчета 20-50 г/т крахмала. Алкалаза – бактериальная протеаза комплексного действия, работая при достаточно низких pH, она расщепляет белок сырья, в том числе до аминокислот, усваемых дрожжевой клеткой.

Проблемы с отложениями на поверхности нагрева оборудования обычно решают путем добавления Нейтразы 0,8Л из расчета 50-150 мл/т крахмала или Алкалазы 204 Л из расчета 25-75 г/т крахмала. Данная добавка также улучшает брожение.

Принимая во внимание все вышеперечисленное, для повышения эффективности и стабильности работы на всех типах сырья по “мягкой схеме” необходим следующий комплекс усовершенствований:

• использование эффективных установок по очистке и дроблению сырья, обеспечивающих помол сырья на уровне 100%-ного прохода через сито с диаметром отверстий 2 мм, и 80%-ного – через сито с диаметром отверстий 1 мм;

• использование форсмесителя;

• применение дозирующих устройств, стабилизирующих концентрацию замеса;

• использование двух аппаратов ГДФО, работающих при температурных режимах, обеспечивающих очередность прохождения процессов набухания и клейстеризации замесов, работу протеолитических, амилолитических и цитолитических ферментов, как содержащихся в сырье, так и вносимых извне;

• изменение места установки РПА. Агрегат устанавливается между аппаратами ГДФО-1 и ГДФО-2;

• подкисление замеса до уровня pH 4,2-4,8 путем использования фосфорной кислоты содержащейся в фитине зерна;

• разжижение замесов путем подкисления;

• удлинение межстерилизационного периода установок ГДФО до 1 месяца;

• применение длительной стерилизации замесов путем установки стерилизатора колонного типа (длительность стерилизации 20-40 мин);

• приведение в соответствие размера осахаривателя с производительностью установки исходя из длительности пребывания осахаренной массы не менее 1ч;

• проведение контроля качества осахаривания по чистоте сусла (видимая доброкачественность).

Следуя всем требованиям режим “мягкого разваривания” позволяет снизить:

1. температуру обработки сырья до 68-70 ˚С;

2. расход ферментов;

3. расход газа на вводно-тепловую обработку;

4. энергозатраты на ректификацию бражки до 30%;

5. затраты на освидетельствование котлнадзорного оборудования;

повысить:

4. концентрацию сухих веществ в сусле до 19-20%;

5. крепость бражки до 10-11%;

6. выход спирта на 0,5% из расчета на 1 тонну условного крахмала;

улучшить условия труда и повысить его безопасность, исключив использование котлнадзорного оборудования;

исключить чан замеса из технологической схемы;

освободить производственные площади.

Кроме того создание надежной теплоизоляционной системы аппаратов гидродинамической обработки зернового сырья позволяет сократить потери тепла в окружающую среду на 60-70%; применение стерилизатора в аппаратурно-технологической схеме получения этанола дает возможность не только проводить термическую обработку зерновой массы, но и изменять температурные режимы водно-тепловой обработки зерна с целью экономии энергоресурсов и ферментных препаратов. Смешивание помола с водой при температуре 50-55 ˚С, последовательный нагрев и выдержка массы при 72-75 ˚С и 80-83 ˚С, стерилизация при 105 ˚С – оптимальный режим переработки зерна с позиции технологических показателей, экономии теплоресурсов и эффективной работы термостабильных ферментных препаратов.

Таким образом, рациональная схема МФО, рассчитанная на оптимальные длительности ферментативной и ферментативно-тепловой обработки, позволяет завершить процесс подготовки гидролизованной альфа-амилазной массы к сбраживанию дифференцированным, тепловым, стерилизационным воздействием с учетом качества перерабатываемого сырья.

В настоящее время в промышленности сусло из крахмалистого сырья сбраживается тремя способами: периодическим, циклическим, непрерывно-поточным.

Основной целью спиртового брожения является сбраживание сахаров сусла дрожжами в спирт .

Периодический способ брожения предусматривает проведение процесса от начала до конца в одном аппарате. На заводах, где принято периодическое осахаривание, бродильный чан заполняется суслом через определенные промежутки времени, дрожжи вводят в бродильный чан вместе с первым суслом, а последующие порции сусла задаются в чан без дрожжей.

При непрерывном осахаривании бродильный чан заполняют непрерывно и дрожжи вводят одновременно с суслом. Однако независимо от способа заполнения бродильного чана, количество дрожжей должно составлять 6-8% от объема бродильного чана, а наполнение бродильного чана должно производитсься не более 8 часов. Длительность брожения по периодическому способу 72 часа от начала залива бродильного чана до перегонки. При недостаточном числе бродильных чанов допускается длительность брожения 48 часов. Однако трехсуточное брожение дает более высокий выход спирта (на 0,8 дал/т крахмала), чем двухсуточное.

Температурный режим при трехсуточном брожении: начальная температура брожения 18-20⁰С в период возбраживания 23-24⁰С, главное брожение 29-30⁰С, дображивание 27-28⁰С. При более высокой температуре развиваются посторонние микроорганизмы, превращающие сахар в кислоты, что снижает выход спирта.

Циклический способ брожения является полунепрерывным способом, сочетающим непрерывное главное брожение с периодическим дображиванием. При циклическом способе бродильные чаны (не менее 6) соединяются переточными трубами в батарею. Процесс брожения проводят в две стадии: вначале заполняют батарею и бражка находится в состоянии движения, а затем бражка дображивает в состоянии покоя. Батарею заполняют отдельными циклами: от первого головного чана к предпоследнему в одном цикле, от последнего чана ко второму в следующем цикле. Затор и зрелую бражку подводят к первому и последнему чанам батареи. В первый чан батареи вводят засевные дрожжи, объем которых составляет 20-25% от емкости чана, и одновременно подают сусло. Заполнив первый бродильный чан, в значительном объеме бродящее сусло по переточным трубам переливается во второй из него в третий и т.д.примерно 25-30 часов. Заполнение ведется до предпоследнего чана. После этого сусло остается в покое на период дображивания 32-38 часов. Температура дображивания не более 30⁰С. Отбродившую бражку подают на перегонку в обратном направлении: сначала из последнего чана и далее из каждого предыдущего чана к первому. Следовательно загрузка батареи идет от головного чана к хвостовому, а выгрузка зрелой бражки в обратном направлении – от хвостового чана к головному. Каждый новый цикл брожения начинается с изменением направления потока бродящей жидкости, при этом последний чан становится первым. Процесс брожения длится 62 часа.

При циклическом способе брожения производительность бродильной установки увеличивается примерно на 15-20% по сравнению с периодическим способом. Циклический способ занимает промежуточное положение между периодическим и непрерывно-поточным.

Наиболее совершенным и эффективным способом является непрерывно-поточный способ брожения. Этот способ характеризуется непрерывным перемещением сбраживаемого сусла по потоку из аппарата в аппарат. Осахаренное сусло поступает в первый и второй бродильные аппараты, называемые головными. Главное брожение проходит в основном в головных аппаратах, а дображивание в последующих аппаратах. Из последнего чана бродильной установки зрелая бражка непрерывно отводится и направляется на перегонку. Установка для ведения брожения по непрерывно-поточному способу состоит из двух механизированных дрожжанок, возбраживателя и 8-10 бродильных аппаратов. Дрожжанки предназначены для разведения дрожжей: в одной из них приготовляют засевные дрожжи, а в другой осуществляется первая стадия размножения производственных дрожжей. Возбраживатель предназначен для осуществления второй стадии размножения производственных дрожжей.

Когда первый бродильный аппарат заполнится суслом, начинается переток сбраживаемого сусла по переточной трубе во второй головной аппарат и т.д. Из последнего аппарата зрелая бражка подается насосом на перегонку. Продолжительность брожения с момента поступления производственного сусла в первый головной аппарат до выхода зрелой бражки из последнего аппарата бродильной батареи составляет 60-62 часа. Температуру бражки в головных аппаратах поддерживают в пределах 26-27⁰С, в третьем аппарате 29-30⁰С, в последующих 27-28⁰С.

В первом головном аппарате сбраживается до 73% сахара, во втором до 13%, остальные 14% сахара сбраживаются в последующих аппаратах – дображивателях. Так как основная масса сахаров сбраживается в первых четырех аппаратах бродильной батареи, то температуру бражки в них поддерживают посредством пропуска ее через выносные теплообменники, а в остальных аппаратах выделяется незначительное количество тепла, и охлаждение бражки в них производят посредствам змеевиков, установленных внутри аппаратов. Основным условием эффективности ведения брожения по непрерывно-поточному способу является такая скорость притока сбраживаемых углеводов в бродильную установку со свежим суслом, которая соответствует количеству сброженных углеводов в отводимой зрелой бражке. Поэтому к моменту выхода зрелой бражки из бродильной установки все процессы осахаривания крахмала и декстринов и сбраживания сахаров должны заканчиваться.

При дальнейшем совершенствовании непрерывно-поточного способа был разра-ботан способ рециркуляции сбраживаемой среды из 2, 3, и 4-го аппаратов в первый аппарат батареи. Таким способом из аппаратов 1-4 образуется рециркуля-ционный контур, в котором можно создать нужную скорость разбавления и боль-ше и этим воздействовать на повышение удельной скорости роста микрооргани-змов при стабилизации этих показателей в отдельной части (5-10 аппаратах) батареи. Объем рециркулируемой сбраживаемой среды составляет 100% от исход-ного притока сусла в батарею, что позволяет включить дополнительный приток этого сусла в количестве 40 об. % от основного. Технологические показатели зрелой бражки при этом составляют:

Содержание сбраживаемых углеводов, г/100мл 0,19

Видимая плотность по сахарометру, град - 0,1

Нарастание кислотности, град 0,01

Концентрация дрожжевых клеток в головном

аппарате, млн/мл 71,0

Содержание спирта, об.% 8,96

Видимая плотность сусла в головном аппарате

по сахарометру, град 5,4

Продолжительность брожения, град 51

Благодаря меньшему нарастанию кислотности в процессе брожения межстерилизационный период удлиняется с двух до трех суток, производительность бродильной батареи повышается на 40%, выход спирта увеличивается при продолжительности брожения 60 ч на 0,8 дал/т крахмала, а при 48 ч – на 1,2 дал/т.

В результате рециркуляции снижается унос дрожжей, происходящий при непрерывно- поточном брожении, обеспечивается повторное использование дрожжей, а следовательно, уменьшается расход сахара на синтез их биомассы, что сопровождается повышением выхода спирта на 0,1 дал/т крахмала.

Таким образом, учитывая определенные недостатки периодического и циклического способа сбраживания, следует предусматривать внедрение непрерывно-поточного способа с рециркуляцией сбраживаемой среды, в значительной степени устраняющего эти недостатки. Непрерывный способ брожения обеспечивает повышение производительности бродильных отделений, так производительность оборудования или, как принято называть, съем спирта с единицы емкости бродильной аппаратуры, составляет при периодическом способе 2 дал/сут., при циклическом 2,3 дал/сут., при непрерывно-поточном 2,6-2,7 дал/сут. При этом отпадает необходимость в специальных дрожжевых отделениях, сокращается расход солода на 15% для приготовления дрожжей и уменьшается расход воды на 40-50%.