Виробництво етилового спирту із зернової сировини

     2.1. Прийом і підготовка  зерна.

     Для приготування солоду використовують високоякісні ячмінь, жито, овес і просо, які повинні задовольняти вимоги, наведені в таблиці № 1. Колір ячменю світло-жовтий, допускається потемнілий; вівса білий або жовтий; проса жовтий, червоний, сірий, білий; жита жовтий і зелений різних відтінків; запах, властивий зерну, не допускається затхлий, цвілевий та інші сторонні запахи.

     Таблиця № 1. Характеристика якості зерна 

Показники	Жито      Ячмінь Овес  Просо
Вологість,%, не більше	15,5          15,5    16,0    15,0
Засміченість загальна,%, не більше	5,0     5,0     5,0     5,0
Засміченість смітна,%, не більше	2,0     2,0  2,0     3,0
Засміченість зернова,%, не більше	3,0      3,0  4,0
Схожість на 5-у добу,%, не менше	92        92     92

     . * На 4-у добу 

     Якість  зерна, що йде на розварювання, не регламентується. Бажано, щоб зерно було здорове, високої  крахмалевмісності, вологістю 14 - 17% залежно від культури і з невеликою засміченістю. Попередньо здорове зерно оцінюють органолептично.

     Підготовка  зерна. Всі види зерна, що надходить  у виробництво, очищають від пилу, землі, каменів, металевих та інших  домішок. Зерно, призначене для приготування солоду, звільняють також від щуплих зерен, половинок і насіння бур'янів.

     Повітряно-ситові сепарування. Домішки, що відрізняються від зерна даної культури товщиною (шириною) і аеродинамічними властивостями (парусністю), відокремлюють на повітряно-ситові сепараторі. При очищенні ячменю, вівса і проса продуктивність сепаратора знижується на 20 ... 30%. У очищеному зерні вміст домішок не повинен перевищувати 1%.

     Магнітне  сепарування. Дрібні металеві домішки, що містяться в зерні після  очищення в повітряно-ситових сепараторах, видаляють за допомогою магнітних  сепараторів.

     Відділення  насіння бур'янів. За допомогою сит зерно можна розділити тільки по товщині і ширині. Домішки, що відрізняються від основної культури довжиною зерна, виділяють на машинах, званих Трієра. Робочий орган трієра - циліндр або диск з осередками, які обирають із зернової маси короткі частки. Залежно від призначення розрізняють два види трієрів: куклевідбірники - виділяють з основної культури половинки зерен і кулясті домішки, наприклад насіння куколя; овсюгоотборнікі - виділяють зерно основної культури, наприклад ячменю, жита, з суміші його з довгими зернами вівса і вівса.  
 
 
 
 
 
 

     2.2. Розварювання сировини.

     Розварювання  здійснюють для руйнування клітинних  стінок, звільнення крохмалю з клітин і переведення його в розчинну форму, в якій він швидше і легше  оцукрюють ферментами. Розварювання крахмалевмісної сировини проводять шляхом обробки його парою з надлишковим тиском 400 - 500 кПа.

     При розварюванні відбувається ряд складних фізичних, фізико-хімічних і хімічних змін. При тепловій обробці в процесі розварювання йде інтенсивне набухання крохмалю, його кластеризація і перехід в розчинну форму, обумовлені інтенсивним поглинанням води. При виході розвареної маси з варильного апарату тиск знижується до атмосферного, що викликає перетворення міститься в клітинах води в пару, обсяг якого в кілька разів перевищує об'єм води. Таке різке збільшення обсягу приводить до розриву клітинних стінок сировини і перетворення його в однорідну масу. Процес розварювання супроводжується збільшенням вмісту цукрів і декстринів за рахунок часткового гідролізу крохмалю під дією власних ферментів сировини і природної кислотності. Висока температура па стадії розварювання викликає протікання процесів меланоідіноутворення (взаємодія цукрів з амінокислотами), термічного розкладання цукрів (карамелізація) та інших, що призводить до зниження кількості зброджують цукор.

     В даний час розварювання крахмалевмісної сировини виробляють трьома способами: періодичним, напівперіодичним і безперервним. Найбільшого поширення набуло безперервне розварювання за двома схемами. За першою схемою розварювання здійснюють при зниженій температурі (130 - 140 ° С), але тривале (50 - 60 хв.). За другою схемою температура розварювання 165 - 172 ° С і тривалість варіння 2 - 4 хв. При безперервному розварюванні сировину постійним потоком рухається через варильний апарат для забезпечення рівномірності потоку сировину подрібнюють.

     Безперервне розварювання подрібненої сировини включає операції: дозування сировини та води, приготування замісу і розриванню в дві стадії (нагрівання замісу до температури варіння і витримка замісу при цій температурі). Процес безперервного розварювання здійснюється наступним чином. Подрібнене зерно змішують з водою в кількості 2,0 - 3,5 л на 1 кг зерна. Воду додають з таким розрахунком, щоб концентрація зернового замісу становила 16 - 17% сухої речовини. Зерновий заміс нагрівають вторинним паром до 70 - 75 ° С і подають насосом в контактну голівку, де відбувається миттєвий нагрів замісу (кашки) пором до 100 110 ° С. Потім підігрітий заміс подають у варильний апарат, що складається з 2 - 4 рівнів (колон).

     Охолодження розвареної маси і її оцукрювання. При оцукрюванні охолоджену розварену масу обробляють солодовим молоком або ферментними препаратами для розщеплення крохмалю та білків. При цьому основним процесом є гідроліз крохмалю до зброджуваний дріжджами Сахаров.

     При оцукрюванні розвареної маси солодовим молоком: крохмаль гідролізується на 70 - 75% до мальтози і глюкози і на 25 - 30% до граничних декстринів, які розщеплюються: до Сахаров на стадії бродіння. При використанні солодового молока виходить сусло, що містить 71 - 78% мальтози і 22 - 29% глюкози від суми всіх зброджують цукор. Сусло, отримане при оцукрюванні ферментними препаратами мікробного походження, містить 14 - 21% мальтози і 79 - 81% глюкози.

     Така  відмінність у продуктах гідролізу  крохмалю при використанні різних оцукрюючих матеріалів пов'язано з тим, що в солодовому молоці містяться α - і (β-амілаза і декстриназа, а ферментні препарати мікробного походження містять α -амілазу і глюкоамілазу. Всі ці ферменти відрізняються за характером дії на крохмаль і по відношенню до температури та кислотності середовища. Залежно від походження A-амілази можуть розщеплювати крохмаль тільки до декстринів (α - амілази бактеріального походження) або утворюють і декстрини, і цукру (більшість α - амілаз грибного походження і ферменти солоду). Тому оцукрювання розвареної маси здійснюють при певних температурі, кислотності, концентрації субстрату та вмісту цукру в  матеріалі.

     Найбільш  прогресивним способом оцукрювання є безперервне оцукрювання з вакуум-охолодженням. Сутність його полягає в зниженні тиску, що призводить до миттєвого охолодження розвареної маси внаслідок витрат тепла на випаровування води. Охолодження під вакуумом запобігає теплову інактивацію ферментів оцукрюючих матеріалів. До охолодженої маси додають оцукрюючі матеріали. Оптимальна температура дії амілолітичних ферментів 57 - 58 ° С. Безперервне оцукрювання розвареної маси проводять за одне або двухпоточном способу. При однопоточному способі в оцукрювач (циліндричний апарат з конічним днищем і мішалкою) подають розварену масу, всі розрахункову кількість оцукрюючих матеріалів і витримують протягом 10 - 15 хв. При двухпоточному способі розварену масу розділяють на два рівних потоку і направляють в два оцукрювач. У перший оцукрювач подають 2 / 3 оцукрюючих матеріалів, у другій частково оцукрене сусло охолоджують і подають на бродіння в перший і другий головні апарати бродильної батареї.

     Готове  сусло повинно містити 16 - 18% сухого цукру, в тому числі 13 - 15% зброджують цукор; кислотність 0,2 - 0,3 град. При пробі на йод забарвлення сусла не повинна змінюватися.

     2.3. Зброджування.

     Зброджування  оцукреної маси (сусла) починається з моменту введення в неї виробничих дріжджів; Під дією ферментів дріжджів йде розщеплення мальтози до глюкози, яка потім зброджується на спирт і діоксид вуглецю - основних продуктів бродіння. Поряд із утворюються вторинні та побічні продукти бродіння: вищі спирти, кислоти та ефіри. У міру зброджування моно - і дисахаридів під дією амілолітичних ферментів відбувається дооцукрювання декстринів і крохмалю, що містяться в суслі. Від швидкості цього процесу залежить тривалість бродіння.

     У процесі бродіння сусла можна  виділити три періоди: зброжування, головне бродіння і доброджування. У першому періоді відбувається інтенсивне розмноження дріжджів і зброджування Сахаров. Другий період характеризується енергійним зброджуванням Сахаров і супроводжується бурхливим виділенням діоксиду вуглецю. У третьому періоді йде повільне доброжування цукрів, що утворюються в результаті до оцукрювання декстринів сусла.

     Процес  бродіння проводять в закритих бродильних апаратах для запобігання втрат  спирту і виділення діоксиду вуглецю  у виробниче приміщення. Герметично закритий бродильний апарат являє собою вертикальний циліндр з сферичним або конічним днищем, всередині нього встановлений змійовик для охолодження бродячого сусла.

     Бродіння  сусла проводять періодичним, циклічним  і безперервнопоточним способами. Найбільш досконалим і ефективним є безперервнопоточний метод, здійснюваний па установці, що складається з двох дрожжанок, зброжувача і 8 - 10 бродильних апаратів, послідовно з'єднаних перетічними трубами. Дрожжанки і взброджувач призначені для приготування необхідної кількості виробничих дріжджів. Процес відбувається таким чином. Дрожжанку заповнюють суслом, пастеризують його при 80 ° С протягом 30 хв, охолоджують до 30 ° С, доводять рН до 3,6 - 3,8 сірчаної кислотою і вводять з другої дрожжанки посівні дріжджі в кількості 25 - 30% від обсягу. Розмноження дріжджів йде до досягнення вмісту сухої речовини в суслі 5 - 6% - Потім 70 - 75% дріжджів переводиться до взброждувач, куди одночасно подається охолоджене сусло, проводиться підкислення всієї маси до необхідної кислотності. Масу в такому вигляді залишають для бродіння і розмноження дріжджів. Частина, що залишилася дріжджів (25%) подається в другу дрожжанку для розмноження.

     Коли  вміст сухої речовини досягне 5 - 6%, масу подають в перший головний бродильний апарат, в який одночасно  подається охолоджене сусло. При заповненні перший головного бродильного апарату зброжуеме сусло на нього перетікає, у другій головний апарат, з нього - в третій і т.д. Тривалість бродіння становить 60 ч. З останньої, апарату зріла бражка подається на перегонку. При бродінні в апаратах підтримується певна температура: у першому - 26 - 27 ° С, у другому - 27, в третьому - 29 - 30, у наступних - 27 28 ° С.

     Виділяється при бродінні діоксид вуглецю  разом з парами спирту з бродильних апаратів надходить у спеціальні пастки, і яких відбувається розчинення спирту і відділення діоксиду вуглецю. Водно-спиртова рідина з пастки надсилається разом з бражкою на перегонку, а діоксид вуглецю - в спеціальний цех для отримання сухого льоду або рідкого діоксиду вуглецю.

     Зріла бражка повинна відповідати встановленим нормам. Фортеця бражки (вміст етилового спирту в об'ємних відсотках) повинна знаходитися в межах 8,0 - 9,5 об.%: Зміст незброджені Сахаров не повинно перевищувати 0,4 - 0,5%; кислотність зрілої бражки не повинна перевищувати 0,5 - 0,6 град.

     2.4. Відгонка спирту  з бражки і його  ректифікація

       Отримана в результаті бродіння  зріла бражка має складний  склад. Крім води і спирту  вона містить різні органічні  і неорганічні сполуки: цукру,  декстрини, мінеральні речовини, леткі сполуки (ефіри, спирти, альдегіди, кислоти) та ін. Склад і зміст домішок залежить від виду сировини, його якості, режимів його переробки в ході технологічного процесу.

     Для виділення спирту з бражки і його очищення застосовується ректифікація. Ректифікацією називається процес поділу суміші, що складається з двох або більшого числа компонентів, киплячих при різних температурах. При кипінні такої суміші компонент з більш високою пружністю пари (більш летючий) переходить в парову фазу у відносно великих кількостях, а парова фаза збагачується більш летючим компонентом. Температура кипіння цього компоненту при постійному тиску нижче. Тому при кипінні суміші летючих компонентів парова фаза збагачується компонентом, які мають більш низьку температуру кипіння. У водно-спиртовому розчині пружність парів спирту при будь-якій температурі значно вище пружності парів води. Внаслідок цього вміст спирту в парах більше, ніж у киплячому водно-спиртовому розчині.

     Очищення  спирту від домішок шляхом перегонки  заснована на різниці коефіцієнтів їх випаровування. Коефіцієнтом випаровування називається відношення концентрації даної речовини в паровій фазі до концентрації в рідкій фазі. Коефіцієнти випаровування окремих домішок відрізняються один від одного і змінюються в залежності від вмісту етилового спирту. Для визначення спроможності очищення етилового спирту від домішок необхідно порівняти коефіцієнт випаровування домішок з коефіцієнтом випаровування етилового спирту.

     При коефіцієнті ректифікації, рівному  одиниці, перегонка неефективна, тому що дистилят після неї залишається без зміни. Якщо коефіцієнт ректифікації більше одиниці, то в дистиляті більше домішок, ніж у первісній суміші. Якщо коефіцієнт ректифікації менше одиниці, то в дистиляті менше домішок, ніж в переганяється суміші. Для головних домішок коефіцієнт ректифікації більше одиниці, для хвостових - менше.