Производство спирта и крахмального сырья

Рособразование

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Пензенская  государственная технологическая  академия

Кафедра «Пищевые производства» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа по «Основы биотехнологий  продуктов питания» 
 

Реферат на тему: Производство спирта и крахмального сырья» 
 
 
 
 

Выполнил: студент группы 09ТП2зи

Кузнецова А.А.

Проверил: Куканова О.Д.  

440066, пр-т Победы 136-58,

телефон 89273619613 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Пенза 2010

     Содержание 

1. Введение ……………………………………………………………3 
2. Производство спирта………………………………………………6
1. Прием зерна…………………………………………………….7
2. Подготовка зерна ………………………………………………8
3. Разваривание сырья ……………………………………………9
4. Охлаждение разваренной массы и её осахаривание..………11
5. Сбраживание ………………………………………………….13
6. Отгонка спирта из бражки и его ректификация…………….15
3. Заключение………………………………………………………..17
4. Список литературы ……………………………………………….18

1. Введение

      Этиловый  спирт находит широкое применение в народном хозяйстве в качестве растворителя, также применяется  в производстве дивинила, в пищевой  и медицинской промышленности, в  качестве горючего для ракетных двигателей, антифриза и т.д., является важным промежуточным продуктом органического  синтеза (в производстве сложных  эфиров, целлулоида, искусственного шелка, ацетальдегида, уксусной кислоты, хлороформа, хлораля, диэтилового эфира и  других продуктов). 

      Таким образом, этиловый спирт относится  к числу многотоннажных продуктов  основного органического синтеза, мировое производство этилового  спирта составляет свыше 2,5 млн. т/г (по объему производства занимает первое место в мире среди всех органических продуктов). 

     Суть  биохимической технологии приготовления  спирта состоит в следующем: вначале  крахмалосодержащее сырье измельчают и разваривают до полного разрушения структуры клеток и растворения  крахмала, содержащегося в них. Затем  растворенный крахмал «осахаривают», то есть подвергают гидролизу под  действием ферментов солода или  микробных ферментных препаратов. Потом  полученное «осахаренное» сусло  сбраживают спиртовыми расами дрожжей. При этом происходит расщепление  глюкозы под действием ферментов  дрожжей. Основными продуктами брожения являются этиловый спирт и углекислый газ. Зрелая бражка содержит также побочные  вторичные продукты брожения» альдегиды, кетоны, спирты сивушного масла, глицерин, карбоновые кислоты и др.  

     Для выведения и очистки спирта из бражки специалисты завода пользуются методами брагоректификации, обладая  при этом уникальной брагоректификационной установкой, оснащенной автоматизированной системой управления, что позволяет исключить влияние человеческого фактора и, тем самым, значительно повысить качество спирта. 

     Брагоректификационные процессы проходят в несколько стадий, во время которых спирт концентрируется  и освобождается от определенной части примесей. В результате получается ректификованный (очищенный) спирт  соответствующий ГОСТу Р 51652 – 2000.  Сегодня технология ректификации, разработанная  специально для завода ведущими учеными  России, позволяет  получать спирты, которые содержат примесей на порядок  меньше, чем предусмотрено ГОСТом. 

     Производство  этилового спирта имеет многовековую историю. Впервые упоминается о  постройке винокурни в Вятской  летописи 1174 г. Однако лишь в первой половине XIX в. определилась техника  и технология этого производства, когда были открыты К. С. Кирхгофом  ферментативное осахаривание крахмала, а Т. Шванном и Ф. Кютцингом  — возбудитель спиртового брожения. В производстве стали применять  пар, появились тарелочные аппараты для перегонки бражки и укрепления спирта. Во второй половине XIX в. Д. И. Менделеевым  получен безводный спирт, составлены спиртометрические таблицы и  определена плотность водно-спиртовых  растворов; Д. П. Коноваловым установлены  основные законы перегонки водно-спиртовых  растворов; Саваллем предложен периодически действующий кубовый ректификационный аппарат, а Э. Барбэ создан непрерывно действующий ректификационный аппарат  и введено понятие о коэффициенте ректификации. Сименс сконструировал контрольный снаряд для учета  спирта и Генце — аппарат для  разваривания. Многие десятилетия ликерно-водочное производство постепенно совершенствовалось, однако процессы получения спирта и  водки оставались периодическими с  выполнением всех операций вручную. . В 1906 г. спирт-сырец перед ректификацией стали обрабатывать древесным углем и перманганатом калия, а в 1924 г. впервые для очистки сортировок применили активный уголь. Развивающееся народное хозяйство в годы первых пятилеток потребовало значительного увеличения производства спирта и главным образом для получения синтетического каучука 

2. Производство  спирта

      До  недавнего времени производство этилового спирта основывалось на пищевом  сырье – сбраживание крахмала из некоторых зерновых культур и  картофеля с помощью ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками. Этот способ сохранился и до сих  пор, но он связан с большими затратами  пищевого сырья и не может удовлетворить  промышленность. Другой метод, также  основанный на переработке растительного  сырья, заключается в переработке  древесины (гидролизный спирт). Древесина  содержит до 50% целлюлозы, и при ее гидролизе водой в присутствии  серной кислоты образуется глюкоза, которую подвергают затем спиртовому брожению:

      (C₆H₁₀O₅)_x + xH₂O à xC₆H₁₂O₆,

      C₆H₁₂O₆ à 2C₂H₅OH + 2CO₂.

      Синтетический этиловый спирт получают гидратацией  этилена.

      Гидратация  этилена осуществляется двумя методами: при помощи серной кислоты (сернокислая  гидратация) и непосредственным взаимодействием  этилена с водяным паром в  присутствии катализатора (парофазная каталитическая гидратация).

     Технология  спирта включает в себя следующие  процессы: подготовка сырья к развариванию, разваривание зерна водой для  разрушения клеточной структуры  и растворения крахмала, охлаждение разваренной массы и осахаривание крахмала ферментами солода или культур  плесневых грибов, сбраживания сахаров  дрожжами в спирт, отгонку спирта из бражки и его ректификацию. 
 
 
 
 
 
 

     2.1 Прием зерна.

     Для приготовления солода используют высококачественные ячмень, рожь, овес и просо, которые  должны удовлетворять требованиям, приведенным в таблице №1. Цвет ячменя светло-желтый, допускается  потемневший; овса белый или желтый; проса желтый, красный, серый, белый; ржи желтый и зеленый разных оттенков; запах, свойственный зерну; не допускается  затхлый, плесенный и другие посторонние  запахи. 

     Таблица №1. Характеристика качества зерна

     Качество  зерна, идущего на разваривание, не регламентируется. Желательно, чтобы  зерно было здоровое, высокой крахмалистости, влажностью 14 - 17% в зависимости от культуры и с небольшой засоренностью. Предварительно здоровое зерно оценивают  органолептически. 
 

     2.2 Подготовка зерна.

     Все виды зерна, поступающего в производство, очищают от пыли, земли, камней, металлических  и других примесей. Зерно, предназначенное  для приготовления солода, освобождают  также от щуплых зерен, половинок  и семян сорных растений.

     Воздушно-ситовое  сепарирование. Примеси, отличающиеся от зерна данной культуры толщиной (шириной) и аэродинамическими свойствами (парусностью), отделяют на воздушно-ситовом сепараторе. При очистке ячменя, овса и проса производительность сепаратора снижается на 20...30%. В очищенном зерне содержание примесей не должно превышать 1%.

     Магнитное сепарирование. Мелкие металлические примеси, содержащиеся в зерне после очистки в воздушно-ситовых сепараторах, удаляют с помощью магнитных сепараторов.

     Отделение семян сорных растений. С помощью сит зерно можно разделить только по толщине и ширине. Примеси, отличающиеся от основной культуры длиной зерна, выделяют на машинах, называемых триерами. Рабочий орган триера - цилиндр или диск с ячейками, выбирающими из зерновой массы короткие частицы. В зависимости от назначения различают два вида триеров: куколеотборники - выделяющие из основной культуры половинки зерен и шаровидные примеси, например семена куколя; овсюгоотборники - выделяющие зерно основной культуры, например ячменя, ржи, из смеси его с длинными зернами овса и овсюга.

     2.3 Разваривание сырья.

     Разваривание  осуществляют для разрушения клеточных  стенок, освобождения крахмала из клеток и перевода его в растворимую  форму, в которой он быстрее и  легче осахаривается ферментами. Разваривание крахмалсодержащего сырья  проводят путем обработки его  паром с избыточным давлением 400 - 500 кПа.

     При разваривании происходит ряд сложных  физических, физико-химических и химических изменений. При тепловой обработке  в процессе разваривания идет интенсивное  набухание крахмала, его кластеризация  и переход в растворимую форму, обусловленные интенсивным поглощением  воды. При выходе разваренной массы  из варочного аппарата давление снижается  до атмосферного, что вызывает превращение  содержащейся в клетках воды в  пар, объем которого в несколько  раз превышает объем воды. Такое  резкое увеличение объема приводит к  разрыву клеточных стенок сырья  и превращению его в однородную массу. Процесс разваривания сопровождается увеличением содержания сахаров  и декстринов за счет частичного гидролиза  крахмала под действием собственных  ферментов сырья и естественной кислотности. Высокая температура  па стадии разваривания вызывает протекание процессов меланоидинобразования (взаимодействие сахаров с аминокислотами), термического разложения сахаров (карамелизапня) и  других, что приводит к снижению количества сбраживаемых сахаров.

     В настоящее время разваривание крахмалсодержащего сырья производят тремя способами: периодическим, полунепрерывным и  непрерывным. Наибольшее распространение  получило непрерывное разваривание по двум схемам. По первой схеме разваривание осуществляют при пониженной температуре (130 - 140°С), но длительное (50 - 60 мни). По второй схеме температура разваривания 165 - 172 °С и продолжительность варки 2 - 4 мин. При непрерывном разваривании сырье постоянным потоком движется через варочный аппарат.д.ля обеспечения равномерности потока сырье измельчают.

     Непрерывное разваривание измельченного сырья  включает операции: дозирование сырья  и воды, приготовление замеса и  разваривание в две стадии (нагрев замеса до температуры варки и  выдержка замеса при этой температуре). Процесс непрерывного разваривания осуществляется следующим образом. Измельченное зерно смешивают с  водой в количестве 2,0 - 3,5 л на 1 кг зерна. Воду добавляют с таким  расчетом, чтобы концентрация зернового  замеса составляла 16 - 17% сухого вещества. Зерновой замес нагревают вторичным  паром до 70 - 75°С и подают насосом  в контактную головку, где происходит мгновенный нагрев замеса (кашки) паром  до 100 110°С. Затем подогретый замес  подают в варочный аппарат, состоящий  из 2 - 4 ступеней (колонн).

     2.4 Охлаждение разваренной массы и её осахаривание.

     При осахаривании охлажденную разваренную  массу обрабатывают солодовым молоком  или ферментными препаратами  для расщепления крахмала и белков. При этом основным процессом является гидролиз крахмала до сбраживаемых дрожжами Сахаров.

     При осахаривании разваренной массы  солодовым молоком: крахмал гидролизуется  на 70 - 75% до мальтозы и глюкозы и  на 25 - 30% до предельных декстринов, которые  расщепляются: до Сахаров на стадии брожения. При использовании солодового молока получается сусло, содержащее 71 - 78% мальтозы и 22 - 29% глюкозы от суммы  всех сбраживаемых Сахаров. Сусло, полученное при осахаривании ферментными препаратами  микробного происхождения, содержит 14 - 21% мальтозы и 79 - 81% глюкозы.

     Такое различие в продуктах гидролиза  крахмала при использовании разных осахаривающих материалов связано  с тем, что в солодовом молоке содержатся A - и (B-амилаза и декстриназа, а ферментные препараты микробного происхождения содержат A-амилазу  и глюкоамилазу. Все эти ферменты отличаются по характеру действия на крахмал и по отношению к температуре  и кислотности среды. В зависимости  от происхождения A-амилазы могут  расщеплять крахмал только до декстринов (A-амилазы бактериального происхождения) или образуют и декстрины, и сахара (большинство A-амилаз грибного происхождения  и ферменты солода). Поэтому осахаривание разваренной массы осуществляют при определенных температуре, кислотности, концентрации субстрата и осахаривающего материала.

     Наиболее  прогрессивным способом осахаривания является непрерывное осахаривание с вакуум-охлаждением. Сущность его  заключается в снижении давления, что приводит к мгновенному охлаждению разваренной массы вследствие затрат тепла на испарение воды. Охлаждение под вакуумом предотвращает тепловую инактивацию ферментов осахаривающих материалов. К охлажденной массе добавляют осахариваюшие материалы. Оптимальная температура действия амилолитических ферментов 57 - 58 °С. Непрерывное осахаривание разваренной массы производят по одно или двухпоточному способу. При однопоточном способе в осахариватель (цилиндрический аппарат с коническим днищем и мешалкой) подают разваренную массу, все расчетное количество осахаривающих материалов и выдерживают в течение 10 - 15 мин. При двухпоточном способе разваренную массу разделяют на два равных потока и направляют в два осахаривателя. В первый осахариватель подают 2/3 осахаривающих материалов, во второй частично осахаренное сусло охлаждают и подают на брожение в первый и второй головные аппараты бродильной батареи.

     Готовое сусло должно содержать 16 - 18% сухого сахара, в том числе 13 - 15% сбраживаемых сахаров; кислотность 0,2 - 0,3 град. При  пробе на йод окраска сусла  не должна изменяться.

     2.5 Сбраживание.

     Сбраживание осахаренной массы (сусла) начинается с момента введения в нее производственных дрожжей; Под действием ферментов  дрожжей идет расщепление мальтозы до глюкозы, которая затем сбраживается в спирт и диоксид углерода - основных продуктов брожения. Наряду с этим образуются вторичные и  побочные продукты брожения: высшие спирты, кислоты и эфиры. По мере сбраживания  моно - и дисахаридов под действием  амилолитических ферментов происходит доосахаривание декстринов и крахмала, содержащихся в сусле. От скорости этого  процесса зависит длительность брожения.

     В процессе брожения сусла можно выделить три периода: взбраживание, главное  брожение и дображивание. В первом периоде происходит интенсивное  размножение дрожжей и сбраживание  Сахаров. Второй период характеризуется  энергичным сбраживанием Сахаров и  сопровождается бурным выделением диоксида углерода. В третьем периоде идет медленное дображивание Сахаров, образующихся в результате доосахаривания декстринов сусла.

     Процесс брожения проводят в закрытых бродильных аппаратах для предотвращения потерь спирта и выделения диоксида углерода в производственное помещение. Герметически закрытый бродильный аппарат представляет собой вертикальный цилиндр со сферическим  или коническим днищем, внутри него установлен змеевик для охлаждения бродящего сусла.

     Брожение  сусла проводят периодическим, циклическим  и непрерывнопоточным способами. Наиболее совершенным и эффективным является непрерывнопоточный метод, осуществляемый па установке, состоящей из двух дрожжанок, взбраживателя и 8 - 10 бродильных аппаратов, последовательно соединенных переточными  трубами. Дрожжанки и взбраживатель  предназначены для приготовления  необходимого количества производственных дрожжей. Процесс происходит следующим  образом. Дрожжанку заполняют суслом, пастеризуют его при 80°С в течение  30 мин, охлаждают до 30°С, доводят рН до 3,6 - 3,8 серной кислотой и вводят из второй дрожжанки засевные дрожжи в количестве 25 - 30% от объема. Размножение дрожжей идет до достижения содержания сухого вещества в сусле 5 - 6% - Затем 70 - 75% дрожжей переводится во взбраживатель, куда одновременно подается охлажденное сусло, производится подкисление всей массы до требуемой кислотности. Массу в таком виде оставляют для брожения и размножения дрожжей. Оставшаяся часть дрожжей (25%) подается во вторую дрожжанку для размножения.

     Когда содержание сухого вещества достигнет 5 - 6%, массу подают в первый головной бродильный аппарат, в который одновременно подается охлажденное сусло. При  заполнении первого головного бродильного  аппарата сбраживаемое сусло на него перетекает, во второй головной аппарат, из него - в третий и т.д. Длительность брожения составляет 60 ч. Из последней, аппарата зрелая бражка подается на перегонку. При брожении в аппаратах поддерживается определенная температура: в первом - 26 - 27 °С, во втором - 27, в третьем - 29 - 30, в последующих - 27 28 °С.

     Выделяющийся  при брожении диоксид углерода вместе с парами спирта из бродильных аппаратов  поступает в специальные ловушки, и которых происходит растворение  спирта и отделение диоксида углерода. Водно-спиртовая жидкость из ловушки  направляется вместе с бражкой на перегонку, а диоксид углерода - в  специальный цех для получения  сухого льда или жидкого диоксида углерода.

     Зрелая  бражка должна соответствовать установленным  нормам. Крепость бражки (содержание этилового  спирта в объемных процентах) должна находиться в пределах 8,0 - 9,5 об.%: содержание несброженных Сахаров не должно превышать 0,4 - 0,5%; кислотность зрелой бражки не должна превышать 0,5-0,6 град. 
 
 

     2.6 Отгонка спирта из бражки и его ректификация.

     Получаемая  в результате брожения зрелая бражка имеет сложный состав. Кроме воды и спирта она содержит различные  органические и неорганические соединения: сахара, декстрины, минеральные вещества, летучие соединения (эфиры, спирты, альдегиды, кислоты) и др. Состав и  содержание примесей зависит от вида сырья, его качества, режимов его  переработки в ходе технологического процесса.

     Для выделения спирта из бражки и его  очистки применяется ректификация. Ректификацией называется процесс  разделения смеси, состоящей из двух или большего числа компонентов, кипящих при разных температурах. При кипении такой смеси компонент  с более высокой упругостью пара (более летучий) переходит в паровую  фазу в относительно больших количествах, а паровая фаза обогащается более  летучим компонентом. Температура  кипения этого компонента при  постоянном давлении ниже. Поэтому  при кипении смеси летучих  компонентов паровая фаза обогащается  компонентом, имеющим более низкую температуру кипения. В водно-спиртовом  растворе упругость паров спирта при любой температуре значительно  выше упругости паров воды. Вследствие этого содержание спирта в парах  больше, чем в кипящем водно-спиртовом  растворе.

     Очистка спирта от примесей путем перегонки  основана на различии коэффициентов  их испарения. Коэффициентом испарения  называется отношение концентрации данного вещества в паровой фазе к концентрации в жидкой фазе. Коэффициенты испарения отдельных примесей отличаются один от другого и изменяются в  зависимости от содержания этилового  спирта. Для определения возможности  очистки этилового спирта от примесей необходимо сравнить коэффициент испарения  примесей с коэффициентом испарения  этилового спирта.

     При коэффициенте ректификации, равном единице, перегонка неэффективна, так как  дистиллят после нее остается без изменения. Если коэффициент ректификации больше единицы, то в дистилляте больше примесей, чем в первоначальной смеси. Если коэффициент ректификации меньше единицы, то в дистилляте меньше примесей, чем в перегоняемой смеси. Для головных примесей коэффициент ректификации больше единицы, для хвостовых - меньше.

     Очистку спирта-сырца от примесей производят в настоящее время преимущественно  на ректификационных установках непрерывного действия, в которых спирт-сырец  освобождается от примесей в соответствии со значениями коэффициентов испарения. Такие установки используются на ликеро-водочных заводах, где основным сырьем является спирт-сырец.

     Ректификованный спирт в настоящее время на спиртовых заводах получают непосредственно  из бражки на брагоректификационных  установках косвенного действия. В  установку входят три колонны: бражная. эпюрациопная и ректификационная. В  бражной колонне из бражки выделяют этиловый спирт и летучие примеси, в эпюрационной отделяют головные примеси, в ректификационной получают ректификованный  спирт. В состав установки входят две дополнительные колонны - сивушная и окончательная. Сивушная колонна  предназначена для выделения  фракции высших спиртов (сивушное масло) и их концентрации, а окончательная  колонна - для дополнительного освобождения этилового спирта от примесей.

     На  установке косвенного действия процесс  ректификации осуществляется следующим  образом. Бражку подогревают до 90°С в бражном подогревателе и  подают на верхнюю тарелку бражной  колонны, в которую снизу поступает  греющий пар. Пары, поднимающиеся  из бражной колонны, поступают в  конденсатор через бражный подогреватель, где отдают тепло поступающей  в бражную колонну зрелой бражке. В конденсаторе пар полностью  конденсируется и полученный конденсат  крепостью 45 - 55 об.% поступает в эпюрационную колонну.

3. Заключение

     Производство  качественного пищевого спирта в  нужных объемах нуждается в постоянном наличии сырья, будь то зерно или  картофель.

     Технология  производства спирта - это многоэтапный технологический процесс.

     Технология  производства спирта состоит из различных  по характеру и происхождения  операциям от механических (подготовка сырья) до тепло-массообменных (ректификация), а также использование ферментов  микробиологического и биологического происхождения вместе с дрожжами.

     Не  смотря на давность становления технологии производства, существует множество  способов усовершенствования производства и увеличения выхода и качества продукции: модернизации старого оборудования, разработка новых аппаратов, улучшение  штаммов микроорганизмов и дрожжей, ведение селекционной работы по получению  высококачественного сырья. 

4. Литература:

1. Общая химическая технология: Учебник для химико-технологических специальностей. Т. 2.
2. Важнейшие химические производства. / Мухленов И.П., Авербух А.Я., Кузнецов Д.А. и др. Под редакцией И.П. Мухленова. – М.: Высш. шк.,1984.
3. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1981.
4. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1992.
5. Кононова Г.Н., Сафонов В.В. Учебно-методическое пособие «Производство этилового спирта прямой гидратацией этилена».