Производство спирта из крахмалистого сырья

Введение

Средневековые алхимики впервые отогнали спирт из виноградного вина, они назвали полученную жидкость Spiritus vini, т. е. духом вина. Отсюда и возникло название «спирт», которое вошло во многие языки мира. Долгое время спирт получали исключительно из вина. Затем был найден способ сбраживания зерна, а по мере распространения картофеля в дело пошел и он. В настоящее время картофель занимает видное место в сырьевом балансе спиртовой промышленности наряду с зерном и мелассой, или кормовая патока - отход свеклосахарного производства, содержащий около 50% сахара и даже считается наиболее распространенным и экономичным сырьем для получения спирта. Картофельный крахмал легко разваривается, клейстеризуется и осахаривается. Кроме того, картофель отличается от зерновых повышенной урожайностью - с единицы посевной площади картофеля можно получить спирта в 2-3 раза больше, чем с такой же площади зерновых.

Поэтому в настоящее  время лучшим видом растительного  сырья для спиртовой промышленности признан картофель. В современных  производствах для переработки  на спирт применяют высокоурожайные  технические сорта картофеля, обладающие высокой крахмалистостью, устойчивые при хранении.

Данное сырьё  используют и в зарубежном производстве. Например, в Польше водка в большинстве  своем производится из картофеля, о  чем честно сообщается на этикетке.

Спирт из картофеля  незаменим в фармацевтической, парфюмерной  и ликероводочной промышленности. 

Характеристика  этилового спирта 

Этиловый спирт (этанол) - это бесцветная прозрачная жидкость с резким запахом и жгучим вкусом. Этанол смешивается с водой  в любых соотношениях, в больших  дозах ядовит. Спирт и его крепкие  водные растворы легко воспламеняются и горят некоптящим пламенем. Пары спирта вредны для человека, предельно допустимая их концентрация в воздухе 1 мг/л. Спирт взрывоопасен. Этиловый спирт гигроскопичен, поглощает влагу из воздуха, из растительных и животных тканей, вызывая их разрушение. Химически чистый спирт имеет нейтральную реакцию (рН = 7). Пищевой спирт из-за присутствия органических кислот имеет слабокислую реакцию. Пищевой спирт производится только из пищевого сырья. 

Рис. 1. Виды и  способы получения этилового  спирта. 

этиловый спирт  картофель 

В зависимости  от степени очистки спирт этиловый ректификованный бывает четырех сортов: 

ь люкс -- 96,3%,  

ь экстра -- 96,5% об.,  

ь высшей очистки -- 96,2  

ь и 1-го сорта -- 96% об.  

Для производства алкогольных напитков используется спирт "Люкс", "Экстра" и высшей очистки. Спирт "Люкс" и "Экстра" вырабатывают из различных видов  зерна (кроме бобовых культур) и  смеси зерна и картофеля. Количество крахмала картофеля в смеси не должно превышать 35% при выработке  спирта "Люкс" и 60% при выработке  спирта "Экстра". 

Спирт высшей очистки  в зависимости от исходного сырья  вырабатывают: 

¦ из зерна, картофеля  или из зерна и картофеля; 

¦ из смеси зерна, картофеля, сахарной свеклы и мелассы  сахара-сырца и другого сахаро- и крахмалосодержащего пищевого сырья в различных соотношениях; 

¦ из мелассы. 

В спирте высшей очистки и 1-го сорта количество примесей допускается соответственно до 0,1 и 0,15 г/дм3. Помимо крепости в ректификованном спирте всех трех сортов нормируется содержание альдегидов (соответственно не более 2, 4 и 10 мг в 1 л безводного спирта), сивушного масла (не более 3, 4 и 15 мг/дм3), эфиров (не более 25, 30 и 50 мг/дм3), свободных кислот (не более 12, 15 и 20 мг/дм3). Он должен выдерживать пробу на метиловый спирт с фуксинсернистой кислотой. Содержание фурфурола не допускается. 

Этиловый спирт  всех сортов должен быть бесцветным и  прозрачным, без посторонних частиц. Вкус и запах должны быть характерными для этилового спирта, изготовленного из соответствующего сырья. Посторонние  привкусы и запахи не допускаются. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Описание технологического процесса производства спирта 
 

Система производства спирта из картофеля несколько отличается от зерновой, и поэтому полученные спирты отличаются по органолептике.  

Производство  спирта состоит из трех основных этапов: 

1. подготовительного  - очистка сырья от примесей, приготовление  солода или культур плесневых  грибов;  

2. основного  - разваривание крахмалистого сырья, осахаривание крахмала, сбраживание осахаренной массы, перегонка бражки и получение сырого спирта;  

3. завершающего - ректификация. 

Этиловый спирт  из пищевого сырья и древесины  получают по одному и тому принципу путем сбраживания сахаров под  действием ферментов дрожжей. Отличие  состоит лишь в способах гидролиза  полисахаридов сырья до сбраживаемых сахаров: крахмал пищевого сырья гидролизуют биохимическим путем с помощью ферментов (амилаз), а целлюлозу древесины -- химическим способом, воздействуя на нее минеральными кислотами. Процесс же сбраживания гексоз в том и другом случае одинаков и может быть представлен следующей схемой: 

гексозы--фосфорные эфиры--гексоз-фосфотриозы--фосфоглицериновая кислота--пировиноградная кислота--уксусный альдегид--этиловый спирт. 

В основе производства этилового спирта из клубней картофеля  лежат два биохимических процесса: 

ь гидролиз (осахаривание) крахмала, содержащегося в сырье, и сбраживание образующихся сахаров в спирт и углекислый газ, 

ь и физический процесс разделения жидкостей по точкам кипения. 

Производство  спирта из крахмалистого сырья складывается из следующих основных технологических  процессов: 

1. ¦ подготовки  сырья -- мойки, очистки от посторонних примесей; 

2. ¦ тепловой  обработки (разваривания) с водой при температуре 120--150°С и давлении не менее 588 кПа (6 атм) для разрушения клеточной структуры и растворения крахмала; 

3. ¦ охлаждения  разваренной массы; 

4. ¦ осахаривания крахмала под действием амилолитических ферментов -- а- и (З-амилаз и олиго-1,6-глюкозида-зы (декстриназы), содержащихся в солодовом молоке или чистой культуре плесневых грибов, в течение 5--10 мин при температуре 57--58°С; 

5. ¦ сбраживания  мальтозы и декстринов (после  превращения их в мальтозу) в  этиловый спирт и углекислый  газ под действием ферментов  дрожжей для получения зрелой  бражки, содержащей 7--10% спирта; 

6. ¦ выделения  из бражки путем ее перегонки  с паром в специальных колонках  спирта-сырца, содержащего 88% об. этилового спирта и получаемые в процессе брожения примеси; 

7. ¦ повторной  перегонки спирта-сырца на ректификационном  аппарате периодического или  непрерывного действия для получения  ректификованного спирта крепостью 96-- 96,5% об. Спирт-ректификат получают также непосредственно из бражки на непрерывно действующих брагоректификационных аппаратах, где из спирта-сырца выделяют примеси. 

Примеси являются вторичными и побочными продуктами спиртового брожения. Большинство их оказывает вредное воздействие  на организм человека, и поэтому  остаточное количество и состав примесей влияют на качество спирта-ректификата  и вырабатываемых из него ликеро-водочных изделий. При общем содержании примесей в спирте-сырце 0,3--0,5% в их составе идентифицировано более 50 соединений, которые могут быть отнесены к одной из четырех групп химических веществ: альдегидам и кетонам, эфирам, высшим спиртам (сивушные масла) и кислотам. 

Очистка (ректификация) спирта-сырца от примесей является обязательным условием последующего использования  спирта для приготовления водок  и ликеро-водочных изделий. Ректификация путем перегонки спирта-сырца основана на различных точках кипения при нагревании этилового спирта и загрязняющих его примесей. В зависимости от степени летучести эти примеси бывают головными, хвостовыми и промежуточными. 

Головные примеси  кипят при температуре ниже температуры  кипения этилового спирта. Это  альдегиды (уксусный и др.), эфиры (муравьиноэтиловый, уксуснометиловый, уксусноэтиловый и др.), метиловый спирт. К хвостовым относят примеси, кипящие при температуре выше температуры кипения этилового спирта. Это в основном сивушные масла, т. е. высшие спирты -- пропиловый, изо-пропиловый, бутиловый, изобутиловый, амиловый, изоа-миловый и др. К хвостовым примесям относятся также фурфурол, ацетали и некоторые другие вещества. 

Промежуточные примеси представляют собой наиболее трудноотделимую группу соединений. В зависимости от условий перегонки  они могут быть и головными, и  хвостовыми. В эту группу примесей входят изомасляноэтиловый, изовалерианоэтиловый, уксусноизоамиловый, изова-лерианоизоамиловый эфиры. 

В некоторых  случаях спирт-сырец перед ректификацией  предварительно подвергают химической обработке для освобождения от примесей: раствором NaOH омыляют сложные эфиры и превращают их в соли летучих кислот; раствором КмnO4 окисляют альдегиды в непредельные соединения. 

Технологическая схема производства спирта-сырца  из картофеля 
 
 

Хранение и  транспортировка картофеля 

Под буртовое поле отводится ровная площадка с низким уровнем стояния грунтовых вод, имеющая естественную защиту от господствующих холодных (главным образом, северных) ветров. 

Тип, размеры, способ укрытия буртов определяются местными условиями, а также качеством  картофеля, закладываемого на хранение. 

Емкость бурта  рекомендуется в пределах 100ё200 тонн и более при хорошем качестве картофеля. 

Подача картофеля  из рештака на производство осуществляется гидротранспортом. Гидранты устанавливаются  с интервалом 8ё15 м. 

Картофелехранилище  состоит из подработочного отделения и рештака. 

Подработочное отделение - многоэтажное здание с подвалом, выполняется в железобетонном, металлическом каркасе или в кирпиче. 

Рештак - бункерная  заглубленная конструкция открытого  или закрытого типа. 

Рис. 2. Схема механизации картофелехранилища: а -- загрузка хранилища; б -- разгрузка хранилища; 1 -- самосвал; 2 -- приёмный бункер; 3 -- лопастной транспортёр; 4 -- загрузчик; 5 -- выгрузной транспортёр (помещен в вентиляционном канале); 6 -- сортировальная машина; 7 -- ленточные транспортёры. 

Подработка картофеля 
 
 

Подработка картофеля  заключается в отделении и  удалении мусора от сырья, мойке и  дроблении. 

На транспортировку  и мойку расходуется 700 - 800 %* воды по весу сырья. 

Расход может  быть снижен при повторном использовании  воды. 

Продолжительность пребывания картофеля в мойке - 10ё14 минут, остаточная загрязненность после  мойки - 0,25 %. 

Транспортировку картофеля на стадии подработки рекомендуется  вести следующим оборудованием:  

ь ленточными и винтовыми конвейерами,  

ь элеваторами, 

ь гидротранспортом.  

Угол наклона  ленточного транспортера не должен превышать 24°. 

Степень измельчения  картофеля должна характеризоваться  полным отсутствием частиц, остающихся после промыва кашки на сите с  диаметром отверстий 3 мм. 

Потери на стадии подработки - 0,2 %. 

Разваривание, осахаривание и охлаждение сырья 

Водно - тепловая обработка сырья на действующих заводах принята непрерывным способом в агрегатах колонного типа. 

Приготовление замеса предусматривается в смесителе - предразварнике. В смесителе поддерживается температура 40 - 45° - в предразварнике - 60 - 65° с выдержкой замеса 6 - 7 мин. Картофельная кашка нагревается не выше 45°. 

При приготовлении  замеса расход воды 2,5 - 3 литра на 1 кг зерна, что обеспечивает концентрацию сусла 16 - 17° по сахарометру. 

Режим разваривания картофеля 

Температура = 138°С 

Продолжительность = 40 мин. 

Осахаривание принято непрерывное с одноступенчатым вакуум-охлаждением. 

Первая ступень  охлаждения до температуры 60 - 62° происходит в испарителе при вакууме в  пределах 0,08 - 0,081 МПа. 

Для осахаривания крахмала применяется солодовое молоко или ферментные препараты. 

Продолжительность осахаривания 15 мин. при температуре 58 - 60°. 

Расход солодового молока на осахаривание составляет 15 - 16 % от массы крахмала сырья. 

Вторая ступень  охлаждения до температуры складки 18 - 20° производится в теплообменнике холодной водой с температурой 10 - 12°. 

В настоящее  время рекомендован к внедрению  способ механико-ферментативной обработки  крахмалистого сырья на спиртовых  заводах, применяющих ферментные препараты  взамен солода. 

Применяются препараты  микробных ферментов: б-амилазы и глюкоамилазы на стадиях разжижения, осахаривания и брожения. 

В качестве осахаривающих материалов используются жидкие глубинные культуры микроорганизмов - продуцентов амилолитических ферментов, которые выращиваются в ферментных цехах при спиртовых заводах по соответствующим регламентам. 

Рекомендуемая схема механико-ферментативной обработки  крахмалистого сырья 

Начальная стадия разжижения крахмала происходит в смесителе  при температуре 55 - 60° за счет действия б -амилазы ферментного препарата амилосубтилина Гх, дозируемого из расчета 1,5 ед. АС на 1 г условного крахмала. 

Дальнейшее разжижение крахмала производится в аппаратах  гидроферментативной обработки 1 ступени - ГДФО-1 при температуре 65 - 70° (при переработке кукурузы при 75°). 

Продолжительность выдержки - 3 - 4 часа. Величина рН массы составляет 5,5 - 6,0. 

Интенсивная клейстеризация крахмала происходит в аппарате гидроферментативной обработки 2-ой ступени ГДФО-2, разделенном на 3 отсека. 

Первая секция - температура 68 - 70°, 

 время выдержки 15 - 16 мин. 

Вторая секция - температура 72 - 75°, 

 время выдержки 15 - 16 мин. 

Третья секция - температура 85 - 95°, 

 время выдержки 15 - 16 мин. 

Осахаривание стерилизованной массы происходит в испарителе-осахаривателе, где масса смешивается с ферментным препаратом б -амилазы - амилосубтилином Гх. 

Дозировка б  -амилазы составляет 0,5 - 1,0 ед. АС/г условного крахмала сусла, продолжительность выдержки сусла при температуре 58 - 60° составляет 30 - 35 мин.  

Приготовление дрожжей и сбраживание сусла 

Производственные  дрожжи 

На спиртовых  заводах при внедрении механико-ферментативного  способа обработки крахмалистого  сырья процесс дрожжегенерации заключается в разведении производственных дрожжей из чистой культуры или захоложенных засевных дрожжей. 

Сбраживание 

После подготовки бродильного аппарата начинается приток сусла, осахаренного a-амилазой и одновременно подача зрелых дрожжей. По заполнении бродильного аппарата на 20 - 25 % спускают всю глюкоамилазу, рассчитанную на бродильный аппарат. 

Подачу глюкоамилазы производят в испаритель-осахариватель. Затем бродильный аппарат заливают суслом полностью и оставляют на брожение. 

Сбраживание сусла, приготовленного по способу механико-ферментативной обработки сырья, осуществляется периодическим  способом. 

Расход дрожжей  составляет 8 - 10 % по объему сбраживаемого сусла. 

Брагоректификация и хранение спирта 

Аспирация 

Для обеспечения  безопасности условий труда; а также  пожаровзрывобезопасности при хранении и подработке зерна необходимо предусматривать аспирацию пылевыделяющего оборудования. 

При проектировании аспирационных систем необходимо руководствоваться  СНиП 2.04.05-91. Расчет и компоновка аспирационных систем выполняется согласно «Указаниям по проектированию обеспыливающих установок на элеваторах, зерноскладах и сушильно-очистительных башнях» и «Указаниям по проектированию аспирации мельниц, комбикормовых и кукурузообрабатывающих заводов» ЦНИИПромзернопроекта. 

При аспирации  зерноочистительных машин и транспортного  оборудования средняя концентрация пыли в воздухопроводе до пылеотделителя - 3 - 6 г/м3. 

При аспирации  силосов, бункеров, весового оборудования средняя концентрация пыли в воздухопроводе - 0,5 г/м3. 

Коэффициент пылеотделения  циклонов типа ЦОЛ - 95 %,  

типа БЦШ - 98 %. 

Исключить возможность  работы пылевыделяющего оборудования без пылеудаления, предусматривая обязательную блокировку электродвигателей вентилятора и аспирируемого оборудования с тем, чтобы пуск вентиляторов осуществлялся с опережением на 15 сек. от пуска технологического оборудования и на 2 - 3 мин. позднее его остановки. 

Пылеотделители (циклоны) рекомендуется устанавливать на нагнетательной части сети. Допускается установка пылеотделителей (циклонов) на всасывающей части сети.