П.Л. Шиян, В.О. Маринченко

Технологія галузі.

„Технологія спиртового і лікеро-горілчаного виробництв”

для студентів спеціальності 7.091700

„Технологія бродильних виробництв і виноробство”

денної, заочної та скороченої форм навчання

СХВАЛЕНО

на засіданні кафедри біотехнології

продуктів бродіння екстрактів і напоїв

Протокол № 16 від „ 06”. 06. 2006 р.

Київ НУХТ 2006

В.О. Маринченко, П.Л. Шиян Технологія галузі. „Технологія спиртового і лікеро-горілчаного виробництв” : Курс лекцій для студентів спеціальності 7.091700 „Технологія бродильних виробництв і виноробство” денної, заочної та скороченої форм навчання. – К.: НУХТ, 2005.- с.

Рецензент В.А. Домарецький, доктор технічних наук

П.Л. Шиян, доктор технічних наук

В.О. Маринченко, доктор технічних наук

c

П.Л. Шиян, 2006

В.О. Маринченко, 2006

НУХТ, 2006

ЗМІСТ

	ВСТУП	4
1.	Основні види сировини	5
2.	Приймання і зберігання сировини та допоміжних матеріалів	9
3.	Підготовка сировини до переробки	10
4.	Оцукрюючи матеріали	11
5.	Приготування сусла з крохмалевмісної сировини	13
6.	Оцукрювання розвареної маси	20
7.	Спиртові дріжджі	21
8.	Культивування дріжджів у виробництві спирту із крохмалевмісної сировини	23
9.	Зброджування мелясного сусла	28
10.	Виділення спирту з бражки та його очистка	34
11.	Використання побічних продуктів та відходів виробництва	47
12.	Виробництво сухих кормових дріжджів	50
13.	Технологія лікеро-горілчаних напоїв	53

ВСТУП

Технологія спирту - це наука про способи та процеси переробки різних видів сировини у етиловий спирт. У цьому підручнику викладена технологія виробницт­ва етилового спирту із крохмалевмісної сировини - зерна, картоплі і цукровмісної сировини - бурякової меляси.

При сучасній номенклатурі наук технологія спирту належить до біотехнології. Основні процеси одержання спирту - перетворення крохмалю в цукор і цукру в етиловий спирт під дією біологічних каталізаторів (ферментів). Оскільки фермен­ти для гідролізу крохмалю до цукрів синтезуються пліснявими грибами і бактерія­ми, а перетворення цукрів у спирт - дріжджами, технологія спирту нерозривно зв'язана з технічною мікробіологією.

Технологія спирту включає у себе такі процеси: підготовку сировини до роз­варювання, розварювання зерна і картоплі з водою для руйнування клітинної стру­ктури і розчинення крохмалю; охолодження розвареної маси і оцукрення крохмалю ферментами солоду або мікроорганізмів; зброджування цукрів дріжджами у спирт; виділення спирту із бражки і його ректифікацію, а також приготування солоду шля­хом пророщування зерна або культивування пліснявих грибів і бактерій для одер­жання амілолітичних і протеолітичних ферментних препаратів, виведення та роз­множення засівних дріжджів. При одержанні спирту із меляси переробляється цук­роза, яка міститься у ній, тому процеси розварювання та оцукрення виключаються.

У виробництві, крім основних продуктів, - спирту і діоксиду вуглецю - одер­жують побічні - головну фракцію етилового спирту (ГФ), сивушне масло. Діоксид вуглецю, який утворюється при спиртовому бродінні, вловлюють, очищують від домішок і перетворюють в рідкий або твердий продукт ("сухий лід"). Із мелясної бражки у двопродуктовій схемі, крім спирту і діоксиду вуглецю, одержують хлібо­пекарські дріжджі. Сивушне масло (суміш в основному ізоамілового, ізобутилового і н-пропілового спиртів) і ГФ, які виділяються у процесі ректифікації етилового спирту, випускають у вигляді технічних продуктів. ГФ у суміші з бензином цілком може бути використана як добавка до палива для автомобілів.

Барда - залишок після відгонки спирту із бражки. Зерно-картопляна барда мі­стить усі складові компоненти вихідної сировини, за винятком крохмалю, і дріж­джі. Невелика кількість азотистих речовин солоду і сировини витрачається на живлення дріжджів, якими синтезуються повноцінні білки, вітаміни і інші біологічно важ­ливі речовини. Тому нативна зерно-картопляна барда - чудовий корм для тварин. У цілях збереження складу при короткочасному літньому зберіганні на деяких заводах рідку барду використовують для вирощування кормових дріжджів, концентрують і су­шать.

Мелясна барда, на жаль, по сьогодні вважається відходом, що забруднює приро­ду, її скидають на поля фільтрації, під які використовують родючі землі, крім цього, забруднюється повітряний басейн. На деяких заводах на барді вирощують кормові дрі­жджі, але натомість одержують у такому ж об'ємі вторинну (післядріжджову) барду або виробляють кормовий концентрат вітаміну В₁₂ (культивуванням метанових бакте­рій). Хоч у мелясній барді міститься багато гліцерину, глутамінової кислоти, бетаїну, калійних солей та ін., але вилучають їх у дуже незначних кількостях.

Етиловий спирт знаходить широке застосування. Харчова промисловість - його головний споживач: спирт використовують при виготовленні лікеро-горілчаних та плодово-ягідних напоїв, для кріплення виноматеріалів і купажування виноградних вин, у виробництві оцту, харчових ароматизаторів і парфюмерно-косметичних ви­робів. У мікробіологічній і медичній промисловості спирт потрібний для осаджен­ня ферментних препаратів із культуральної рідини або екстракту із твердофазної культури, для одержання вітамінів та інших препаратів і ліків, також етиловий спирт використовується як дезинфікуючий засіб і як речовина, яка запобігає інфікуванню і псуванню лікувальних екстрактів (валеріани, пустирнику та ін.). Невелика кіль­кість спирту використовується у хімічній, машинобудівній, автомобільній та ін­ших галузях промисловості, а також у ветеринарії і фармакопеї.

Технологія спирту як наука пройшла довгий шлях розвитку, перш ніж досягла високого сучасного науково-технічного рівня, у створенні і вдосконаленні її брали участь видатні вчені й інженери багатьох країн, у тому числі російські й українські.

Одержання спирту як самостійного продукту належить до більш пізнього періоду, ніж приготування алкогольних напоїв за допомогою бродіння, що було відомо з глибокої давнини. Про будівництво винокурні у Київській Русі згадувалося у В'ятському літописі у 1174 р. В Італії вперше спирт стає товаром у XIII ст. Через два століття його почали виробляти й у інших країнах. Однак до другої половини XIX ст. способи одержання спирту були примітивними і наукової технології взагалі не існувало.

Відкриття у Росії в 1814 р. К.С.Кірхгофом оцукрення крохмалю солодом, тео­рія утворення проміжних сполук між субстратом і каталізатором А.І.Ходнєва дали початок науковим основам ферментативного каталізу крохмалю.

У розвиток учення про ферменти рослинного походження та їх роль у живій клітині внесли вклад А.І.Опарін і А.Л.Курсанов.

У виробництві спирту глибоко вивчені ферменти солоду і мікроорганізмів, з'я­совані механізми їх дії і роль при гідролізі крохмалю дослідженнями у ВНДІПрБ Д.М.Климовським, В.І.Родзевичем, С.А.Коноваловим, Б.О.Устинниковим, В.Л.Яровенко, А.В.Феніксовою. Під керівництвом А.В.Феніксової і С.П.Колоскова створені спосіб і апаратура поверхневого культивування мікроорганізмів, В.В.Вяткіним, В.Л.Яровенко, О.П.Левчиком - глибинного культивування плісня­вих грибів - продуцентів амілолітичних ферментів.

На результатах досліджень наших співвітчизників Л.А.Іванова, А.Н.Лебедєва, С.П. Костичева у значній мірі базуються сучасні уявлення про хімію спиртового бродіння. Теорія безперервного зброджування мелясного сусла була розроблена у 1909 - 1915 рр. С.В.Лебедєвим. Теорія і практика безперервного збродження сусла із крохмалевмісної сировини розвинена В.Л. Яровенком разом з С.В.Пиховою і С.П.Скалкіною (1949-1953 рр.). Ними запропоновані безперервно-протоковий і циклічний способи зброджування. Безперервне зброджування мелясного сусла здійснено в результаті досліджень Д.М.Климовського, Л.М.Ясинського, Ф.І.Гладких і Л.Малченко.

Фундаментальні роботи з теорії структури і фізико-хімічних властивостей водно-спиртових розчинів, виділення спирту із бражки і ректифікації спирту були виконані в Росії ще до 1917 р. вченими Д.І.Менделєєвим, А.Г. Дорошевським, І.П.Коноваловим, М.С.Вревським. Є.Сорель і Е.Барбе у Франції заклали основи теорії і методу очистки спирту від домішок.

Тарілчастий брагоперегонний апарат з'явився у 1813 р., у 1867 р. Сорель ви­найшов кубовий ректифікаційний апарат періодичної дії, а у 1881 р. Е.Барбе - безперервнодіючий ректифікаційний апарат.

У 1876 р. російськими інженерами Недошивиним і Новицьким був конструкти­вно покращений лічильник спирту фірми "Сіменс-Гальске" для об'ємного обліку кількості спирту, під маркою КС-35 він використовувався заводами до 1953 року.

Покращанню якості спирту у періодичному способі сприяв єдиний метод рек­тифікації на кубовому апараті, запропонований А.Л.Покровським і Г.І.Фертманом. Суттєві вдосконалення у теорію, методи і апаратурні схеми виділення із бражки і ректифікації спирту внесли О.О.Кіров, В.М.Стабніков, С.Є.Харін, П.С.Циганков, В.П.Грязнов, М.С.Терновський, В.О.Маринченко.

А.П.Рухлядевою розроблені нові методи визначення крохмалю у сировині і методи контролю виробництва спирту.

Значний внесок у розвиток теорії і практики спиртового виробництва внесли вчені КТІХП (НУХТ) і УкрНДІСП (УкрНДІспиртбіопроду).

У довоєнний період наукові дослідження у галузі спиртового виробництва проводилися науково-дослідним сектором КТІХП під керівництвом А.А.Фукса і були спрямовані на докорінну модернізацію підприємств і впровадження більш досконалої технології.

Цінним внеском у теорію і практику спиртового і дріжджового виробництва є дослідження закономірностей розмноження дріжджів, установлення оптимальних умов зброджування мелясного сусла, вибору раси дріжджів, які зіграли значну роль у ство­ренні сучасних ефективних способів безперервного зброджування цього середовища.

У післявоєнний період науково-дослідний сектор був реорганізований в Українсь­кий науково-дослідний інститут спиртової і лікеро-горілчаної промисловості. Роботи у галузі технології спирту у КТІХП продовжувалися в основному на кафедрі технології бродильних виробництв і на кафедрі процесів і апаратів харчових виробництв.

В.О.Маринченко і В.М.Швець розробили принципово нові способи підготов­ки цукро- і крохмалевмісної сировини до зброджування. Велику увагу було приді­лено дослідженням з підбору високопродуктивних штамів спиртових дріжджів, більш повному використанню рафінози меляси і целюлози крохмалевмісної сиро­вини у спиртовому виробництві (В.О.Маринченко, В.М.Швець), розробкам ресурсо- і енергозберігаючих технологій. Уперше в харчовій промисловості досліджені та широко впроваджені на спир­тових заводах процеси механохімічної деструкції та механоактивування сировини і ферментних препаратів (В.О.Маринченко).

Під керівництвом В.М.Стабнікова на основі розвиненої ним теорії масо- і теп­лообмінних процесів, які відбуваються у ректифікаційних колонах, досліджено нові типи контактних пристроїв, найбільш ефективні з них впроваджені у виробництво. і дослідження стали основою удосконалення брагоректифікаційних уста­новок з метою підвищення якості і виходу ректифікованого спирту, а також техніко-економічних показників їх роботи (П.С.Циганков, П.Л.Шиян, В.М.Таран). У УкрНДІСП під керівництвом А.Й.Скірстимонського і П.В.Рудницького разом з іншими співробітниками проводилися важливі дослідження з комплексної переробки меляси у спиртовій промисловості. Одержані вагомі результати, але спо­соби економічного і екологічно чистого використання первинної і вторинної мелясної барди не були знайдені. Немає вирішення цієї проблеми і за кордоном.

1. Основні види сировини

Сировина, яка використовується для одержання спирту, повинна щорічно відтворюватися у кількості, достатній для промислової переробки, містити високу концентрацію крохмалю чи цукру і добре зберігатися, що забезпечуватиме економічну доцільність виробництва. Цим умовам відповідають зерно рослин, які належать до м'ятликових (злаків), меляса і бульби картоплі.

Зернові культури

У спирт переробляють будь-яке зерно, і в тому числі й не придатне для харчо­вих і кормових цілей. Щорічний об'єм переробки коливається в залежності від ба­гатьох факторів і приблизно становить (%): пшениці - 50 (переважно дефектної), ячменю - 20, жита - 12, кукурудзи - 8, проса - 5, вівса - 2 та інших культур - 3. Для приготування солоду використовують кондиційне високоякісне зерно.

Кукурудза. Із зернових культур найкращою сировиною для виробництва спирту є кукурудза (Zea mays). У ній міститься відносно більше крохмалю, менше клітко­вини, більше жиру (що підвищує кормову цінність барди). Урожайність у 2-3 рази вища врожайності інших зернових культур. Кукурудзу вирощують в Україні, Молдові, на Північному Кавказі, в Закавказ­зі, Середній Азії, на Нижній Волзі, у Воронезькій і Курській областях. Розповсю­джені сорти кукурудзи Північно-Осетинська біла, Молдавська жовта, Одеська 10, а також гібриди ВІР - 42М, 156Т, 338, 63Т, Краснодарські - 1/49, 4Т, 5ТВ, 309, Дніп­ропетровський 56Т та інші.

На прямостоячому стеблі рослини заввишки від 0,6 до 2,6 м розвиваються 1 - 2 (інколи більше) качани, на поверхні яких розташовані уздовж початку від 300 до 1000 зернівок (зерен). Зернівки мають жовте або біле забарвлення, рідше - оранжеве та вишнево-червоне. Зернівка становить від 75 до 85% маси качану. Качан обго­рнутий декількома шарами листків.

У залежності від форми зерна та ступеню розвитку ендосперму, кукурудзу поділяють на 7 ботанічних груп: кремнисту, зубовидну, крохмалевмісну, восковидну, цукрову, лущату. Для виробництва спирту доцільніше використовувати крохмалисну і зубовидну кукурудзу, які легко розварюються.

Жито, пшениця, ячмінь та овес. Жито (Secale), пшениця (Triticum), ячмінь (Hordeum) і овес (Avena) широко культивують в Україні, Росії, овес - усюди - від і субтропіків до Заполяр'я.

У невеликих кількостях переробляють круп'яні культури - просо, гречку і рис.

Хімічний склад зерна

Хімічний склад зерна сильно залежить від культури і сорту, ґрунтово-клімати­чних умов, прийомів агротехніки, умов зберігання та інших факторів. У середньо­му зерно складається із 14% вологи і 86% сухих речовин.

В

Розрізняють чотири стани товарного зерна: сухе, середньої сухості, вологе і сире. Наприклад, для жита, пшениці і ячменю, ці стани характеризуються такими показниками вмісту вологи (%): сухе - до 14, середньої сухості - від 14 до 15,5, вологе - від 15,5 до 17 і сире - більш 17. У дефектному та змокрілому зерні воло­гість може досягати 30 % і більше. Волога, яка відповідає сухому стану, є колоїдно-зв'язною, життєві процеси зведені до мінімуму, при середній сухості з'являється невелика кількість вільної води, і зерно може пробуджуватися до життя. Вологість, яка відповідає цьому стану зерна, називається критичною.

ода. Вологість зерна залежить не тільки від його гігроскопічних властивос­тей, але і від зрілості та інших умов

Сухі речовини. У зерні в середньому 84 % органічних і 2 % мінеральних речо­вин, а саме (%): крохмалю - 52, цукрів - 3, клітковини - 6, пентозанів і пектинових речовин - 9, азотистих речовин - 11, жиру - 3.

Крохмаль міститься (%): у здорових зрілих зернах пшениці - 48...57, житі 46...53, ячменю 43...55, проса 42...60, вівса 34...40, кукурудзи крохмалистої 61...70, зубовидної 58...64, кремнистої 54...71. У дефектному зерні кількість крохмалю знижується.

Цукрів у здоровому зерні звичайно від 0,6 до 7,0 %. Вони складаються в основному із цукрози і невеликих кількостей три- і тетрацукридів. У ячмені і житі в помітних кількостях присутня рафіноза. Мальтози немає, але вона з'являється при пророщуванні зерна.

У недозрілому, мерзлому і пророслому зерні цукрів більше, вони складаються головним чином з редукуючих цукрів (інвертного цукру, мальтози).

Целюлози в зерні, яке звільнене від квіткових оболонок, відносно мало -1,5...2,5 %. У зерні з плівками вміст клітковини збільшується і складає (%): у вівсі - 10, просі - 8, ячмені - 4...5, горосі - 7,7.

Пентозани - домінуюча складова частина гумі (слизів). У зерні містяться ге­міцелюлози (напівклітковини), які складаються з гексозанів (манана, галактана, глюкана) і пентозанів (ксилана, арабана), які поряд з клітковиною входять до скла­ду клітинних стінок.

Загальна кількість пентозанів у зерні 7...15 %. Багато пентозанів у вівсі (13...15 %), ячмені (9...13 %) і житі (біля 10 %). Особливо багато гумі у зерні жита (до 2,8 %), що викликає високу в'язкість розвареної маси, одержаної з неї. У кукурудзі містяться декстрини (1...6 %). У недозрілому зерні жита і пшениці у значних кіль­костях виявлені фруктозани. Пектинових речовин у зерні відносно небагато.

Азотисті речовини у здоровому зрілому зерні складаються головним чином з білків, яких міститься від 7 до 25 %. Вільні амінокислоти, аміди і пептиди присутні в дуже невеликих кількостях. Лише в зерні жита їх дещо більше, що зумовлює бла­готворний вплив жита на дріжджі. Вміст небілкового азоту (включаючи аміач­ний) складає в середньому 2 %. У незрілому зерні, яке піддалось самозігріванню, і пророслому зерні кількість амінокислот збільшується.

У зерні знайдені альбуміни - білки, що розчиняються у воді; глобуліни - біл­ки, які розчиняються у слабких (3...10 %-них) розчинах нейтральних солей, а деякі з них - у слабких (0,2%-них) розчинах кислот; проламіни - білки, що розчиняються у 60...80 %-них розчинах спиртів; глютеліни - білки, які розчиняються у слабких (0,2 %-них) розчинах лугів.

Типові представники білків: альбумінів - лейкозин пшениці, глобулинів - едестин ячменю, глютелін пшениці, проламінів - гліадин пшениці, зсін кукурудзи, гордеїн ячменю, авенін вівса, глютелинів - зеїнин кукурудзи.

Невелика кількість водорозчинних азотистих речовин в зерні кукурудзи та неповноцінність амінокислотного складу більшої частини білків при розмноженні дріжджів на суслі з цієї сировини вимагають внесення азотистого живлення.

Жири - тригліцериди жирних кислот - містяться у зерні у відносно невеликій кількості: у кукурудзі 5...7 %, у вівсі 5...6 %, у просі 3,5...5 %. Приблизно 85 % їх локалізовано у зародку, 12 % - в алейроновому шарі і 3 % - у мучнистій частині ендосперму. У склад жиру входять в основному ненасичені кислоти - ліноленова, лінолева і олеінова, з насичених - головним чином пальмітинова.

Крім власне жирів, зерно містить фосфатиди, стероли, віски, пігменти та інші речовини. Головним і найбільш поширеним представником фосфатидів у злаках є лецитін - тригліцерид, який містить фосфорну кислоту і азотисту основу холину. Вміст лецитинів невеликий (0,3...0,7 %). При гідролізі фосфатидів виві­льняється фосфорна кислота - одна з речовин, яка зумовлює кислотність зерна. Фосфатиди грають важливу роль у проникливості клітин. Із стеролів у зерні при­сутні високомолекулярні одноатомні спирти - фітостероли (0,03...0,07 %), які близькі до вітамінів групи D. У зерні міститься також фітин - кальцій-магнієва сіль інозитфосфорної кислоти. З пігментів у зерні знайдені каротини, антоціани, флавони.

Вітаміни зерна представлені жиророзчинними вітамінами - токоферолами (у зародку, особливо в значних кількостях у пшеничному) і водорозчинними (мг на 100 г): тіамін-0,3...0,8, рибофлавін-0,07...0,30, нікотинова кислота- 1,3...7,2, а також піридоксин, біотин, пантотенова кислота. Аскорбінова кислота з'являється тільки при пророщуванні зерна.

Мінеральні речовини (зола) і кислоти складають 1,5...3,0 % від маси зерна.Вони знаходяться головним чином у оболонках і квіткових плівках, а також у заро­дку. Відносно багато золи у плівчатих культурах.

Основна частина золи складається з фосфату калія. Біля 85 % фосфору від загального його вмісту у зерні знаходиться в органічних сполуках - нуклеопротеїдах, фосфатидах і фітині.

Кислоти представлені фосфорною, щавлевою, яблучною і молочною. Загаль­на кислотність зерна 1,5...2,5 мл 1 н розчину гідроксиду натрія на 100 г зерна. Активна кислотність водної витяжки відповідає рН 5,5...6,5. При псуванні зерна кислотність зерна підвищується.

МЕЛЯСА

Мелясою називають останній маточний розчин - відтік, який отримують при відокремленні кристалів цукрози на центрифугах. У мелясі містяться цукроза, яку виділити методом кристалізації вже економічно невигідно, і нецукри соку цукрово­го буряку чи цукрової тростини. При виробництві цукру з буряку вихід меляси в розрахунку на безводну коливається від 3,5 до 5 % від її маси. З мелясою відходить від 10 до 15 % усього цукру, який міститься у буряку.

У залежності від вихідної сировини для виробництва цукру одержують буря­кову чи тростинну мелясу. У нашій країні цукрова тростина не вирощується. Спир­тові заводи переробляли тростинну мелясу, яку імпортували з Куби.

Меляса - це концентрований розчин різних мінеральних і органічних речо­вин, частина яких знаходиться в колоїдному стані. Меляса - густа в'язка рідина темнокоричневого кольору відносною густиною 1,35..1,40.

Серед різних видів сировини меляса є найбільш вигідною для виробництва етилового спирту. У ній високий вміст зброджуваних цукрів, а також речовин, які потрібні для нормальної життєдіяльності дріжджів. При переробці меляси спро­щується технологічна схема, тому що виключаються операції розварювання сиро­вини і оцукрювання крохмалю ферментами солоду або ферментних препаратів. У мелясному суслі відсутні декстрини і неоцукрений крохмаль, тому воно швидше зброджується, при цьому зменшуються втрати зброджуваних вуглеводів і збільшу­ється вихід спирту у перерахунку на умовний крохмаль, знижується собівартість спирту і зростає продуктивність праці. При комплексній переробці меляси можна одержувати великий асортимент цінних для народного господарства продуктів.