Технология производство спирта

Введение

К середине XIX века спиртовое производство в России достигло своего расцвета, а русская водка, благодаря своим высоким органолептическим качествам, завоевала всемирную славу и известность наравне с французским коньяком и шотландским виски.

Особенности технологии, такие, как состав затора, условия подготовки сырья, соотношение зерна, воды, солода и дрожжей, а также режимы водно-тепловой обработки, осахаривания, брожения и перегонки, всегда были предметом поисков и непрерывного совершенствования со стороны русских винокуров.

Анализ литературных данных XVIII--XIX веков по винокурению позволил определить основные особенности этой технологии.

Основой классической технологии спирта в первую очередь являлись: использование качественного зерна ржи с небольшим добавлением (до 15%) других зерновых культур, глубокая очистка сырья, низкотемпературная (не выше 60...70 °С) водно-тепловая обработка замеса, регламентированное брожение, обеспечивающее определенные состав и количество естественных примесей.

В связи с отсутствием «жестких» способов разваривания сырья особое внимание уделялось качеству зерна и способам его очистки.

Проводилась как сухая очистка от сорных, зерновых и минеральных примесей (на оборудовании мукомольных заводов), так и более глубокая очистка, в том числе и мойка. Зерно с признаками дефектности к переработке не допускалось, так как способов борьбы с инфицированием не существовало.

Так, например, в книге Кропоткина по винокурению за 1868г. читаем: «Для большего выхода спирта и для получения более чистого по вкусу и запаху продукта хлебные зерна перед размельчением должны быть самым тщательным образом очищены, так как нечистоты, примешанные к хлебу, оказывают вредное влияние при приготовлении сусла и при его брожении, причем получаются вещества, придающие спирту весьма противные вкус и запах, сам выход спирта в значительной степени уменьшается».

Но сегодня в условиях жесткой конкуренции для снижения себестоимости продукции спиртовые заводы зачастую перерабатывают низкокачественное фуражное зерно, непригодное для переработки в других отраслях пищевой промышленности.В отдельные периоды допускается переработка дефектного зерна.

При этом часть токсичных веществ, адсорбированных зерном, не разрушается в процессе водно-тепловой обработки, а переходит в сусло, что приводит к замедлению процесса брожения, ингибированию роста и развития дрожжей, накоплению в бражке несвойственных для спиртового брожения примесей, которые трудно отделяются при ректификации и ухудшают органолептические показатели спирта.

Другой особенностью современного производства спирта является разваривание сырья под давлением при высоких температурах, под действием которых активизируются процессы окисления, меланоидинообразования и гидролиза, что приводит к образованию различных токсических примесей и потере Сахаров.

Все эти факторы привели к тенденции, когда, используя сложные многоколонные бра-горектификационные установки, из бражек практически любого качества в процессе перегонки удаляют все примеси и получают высокоочищенный спирт.

Алкогольные напитки из такого спирта по своему качеству далеко не всегда удовлетворяют требования потребителей.

Но самое главное -- такая технология в корне отличается от традиционных классических основ получения спирта для русской водки.

Все это может привести к тому, что современный алкоголь, производимый в России, может потерять связь с историческим брэндом «русская водка», влияние которого по инерции еще сохраняется.

Отечественная спиртовая промышленность до 1917 г. была представлена мелкими заводами мощностью около 22 тыс. дал спирта в год. Советский период характеризуется появлением крупных предприятий с мощностью 6000 - 12000 дал в сутки. В 1980 г. в СССР действовало около 400 крупных заводов, а производство спирта составило 200 млн. дал. Далее производство спирта неуклонно снижалось, особенно в периоды перестройки и экономических кризисов. Также снижение производство обуславливалось ужесточением отраслевого законодательства, увеличением стоимости лицензий, установлением минимальных порогов по уставному капиталу для производителей спирта, введением требования о полной переработке отходов спиртового производства. Но главной причиной снижения является большой теневой оборот спирта, делающий легальное производство менее рентабельным.

Технология производства спирта относится к биотехнологии, так как производство связано с использованием катализаторов (ферментов), имеющих биологическое происхождение. При должном подходе производство спирта является безопасным и безотходным: в производстве кроме спирта получают диоксид углерода, барду, эфироальдегидную фракцию, сивушные масла.

Характеристика спирта

Этанол (этиловый спирт) представляет собой прозрачную бесцветную жидкость со жгучим и характерным запахом с относительной плотностью 0,79067. Температура кипения этанола при нормальном давлении 78,35° С, температура вспышки 12° С, температура замерзания - 117° С. Химически чистый этанол имеет нейтральную реакцию; ректификованный спирт содержит небольшое количество карбоновых кислот, поэтому реакция его слабокислая. Этанол очень гигроскопичен; он жадно поглощает воду из воздуха, растительных и животных тканей, в следствии чего они разрушаются.

В зависимости от степени очистки этиловый ректификованный спирт подразделяют на:

· 1-го сорта (для производства алкогольных напитков не используется);

· высшей очистки;

· "Базис";

· "Экстра";

· "Люкс";

· "Альфа"

Этиловый спирт - основной продукт - находит широкое применение. Пищевая промышленность - главный потребитель этилового спирта. который используется для изготовления ликеро-водочных изделий, виноградных и плодово-ягодных вин, уксусов и пищевых ароматизаторов. Спирт этиловый также используется в медицинской. фармацевтической, парфюмерной и других отраслях промышленности.[1]

Переработка зерна и картофеля на спирт осуществляется по однотипной технологии и состоит из следующих стадий (рис. 1):

· подготовка сырья (очистка, механическая обработка);

· приготовление замеса с применением альфа-амилазы, шеарзим - 500Л, ксиланаза, целлюлаза;

· водно-тепловая и ферментативная обработка (1 и 2 стадии);

· осахаривание;

· дрожжегенерация;

· сбраживание зернового сусла;

· брагоректификация;

· утилизация отходов.

Производство спирта из зерна

Сырье и дополнительные материалы

Характеристика зернового сырья. На спирт перерабатывают любое зерно, в том числе и непригодное для пищевых и кормовых целей. Ежегодный объем переработки составляет (%): пшеницы 50 (преимущественно дефектной), ячменя 20, ржи 12, кукурузы 8, проса 5, овса 2 и прочих культур (гречиху вики, гороха, риса и др.) 3. Для приготовления солода употребляют кондиционное высококачественное зерно.

Кукуруза. Из зерновых культур лучшим сырьем для производства спирта является кукуруза (Zea mays). В ней содержится относительно больше крахмала, меньше клетчатки, больше жира (что повышает кормовое достоинство барды). Урожайность кукурузы в 2...3 раза выше урожайности других зерновых культур.

В России кукурузу возделывают на Северном Кавказе, Нижней Волге, в Воронежской и Курской областях.

В зависимости от формы зерна и степени развитости роговидной части эндосперма кукурузу подразделяют на 7 ботанических групп: кремнистая, зубовидная, крахмалистая, восковидная, лопающаяся, сахарная, чешуйчатая. Для производства спирта предпочтительнее легко развариваемая крахмалистая и зубовидная кукуруза.

Рожь, пшеница, ячмень и овес. Рожь (Secale), пшеница (Triticum), ячмень (Hordeum) и овес (Avena) широко возделыва-ются в России: рожь (преимущественно озимая) - в северных, северо-западных и центральных районах, во многих районах Сибири и Урала; пшеница - в Западной и Восточной Сибири, Поволжье; ячмень (преимущественно яровой) и овес - повсеместно - от субтропиков до Заполярья.

В небольших количествах перерабатывают крупяные культуры - просо, гречиху и рис, некоторые продовольственные (горох) и кормовые (вику).

Солод и ферментные препараты. Для осахаривания крахмала па спиртовых заводах используется солод и ферментные препараты.

Солодом называют зерно, которое проросло в определенных условиях. При прорастании в зерне образуются амилолитические, протеолитические и другие ферменты. Солод па спиртовых заводах получают из ячменя, ржи, пшеницы, овса и проса по следующей схеме:

1) очистка зерна;

2) замачивание;

3) проращивание;

4) измельчение;

5) смешивание с водой.

Для осахаривания крахмала в спиртовом производстве кроме солода используются ферментные препараты, получаемые из культур мицелиальных грибов и бактерий. Выпускаемые специальными заводами или специализированными цехами спиртовых заводов ферментные препараты представляют собой либо жидкости с содержанием сухого вещества не менее 50%, либо порошки с определенной стандартной ферментативной активностью. Ферментные препараты, используемые в спиртовой промышленности, получают из мицелиальных грибов рода Aspergillus, бактерий Вас. mesentericus, Вас. subtilis и других. Эти микроорганизмы образуют а-амилазу, а некоторые глюкоамилазу (фермент, расщепляющий крахмал до глюкозы). Применение ферментных препаратов микробного происхождения в спиртовой промышленности взамен солода позволяет существенно снизить расход высококачественного зерна на получение солода и способствует повышению выхода спирта.

Дрожжи. В спиртовом производстве в качестве возбудителей брожения используются дрожжи семейства сахаромицетов. Они продуцируют комплекс ферментов, под действием которого сахара сусла превращаются в этиловый спирт и диоксид углерода. В спиртовом производстве применяют расы (разновидности, отличающиеся несколькими особенностями) дрожжей верхового брожения, обладающие высокой энергией брожения. Они образуют максимальное количество спирта, сбраживают моно- и дисахариды и часть декстринов. Дрожжи, используемые в производстве спирта из мелассы, должны быстро сбраживать субстрат в среде с высоким осмотическим давлением (осмофильные дрожжи).

Вначале дрожжи размножают по методу чистой культуры из одной дрожжевой клетки в стерильных условиях. Спиртовые заводы получают чистую культуру дрожжей и размножают их по определенной схеме. Далее их культивируют по методу естественно чистой культуры, при котором создаются оптимальные условия для развития дрожжей (температура, рН, аэрация и др.) и неблагоприятные для посторонних микроорганизмов, в первую очередь бактерий.

В качестве питательной среды для размножения дрожжей служит сусло, содержащее вещества, необходимые для их питания. Иногда в сусло добавляют дробленый зеленый солод в качестве источника дополнительного питания. Для подавления развития посторонних микроорганизмов сусло подкисляют серной или молочной кислотой до рН 3,8 - 4,0. Температуру поддерживают на уровне 28 - 30 °С. Размножение дрожжей осуществляют в аппаратах - дрожжанках. Аппарат представляет собой вертикальный цилиндр с коническим днищем, снабженный двумя змеевиками для нагрева и охлаждения сусла. Процесс-размножения дрожжей ведут периодическим или полунепрерывным способами. При периодическом сусло из осахаривателя перекачивают в дрожжанку, нагревают до 70 °С и выдерживают при этой температуре 20 мин с целью пастеризации. Затем охлаждают до 50 °С, подкисляют серной кислотой, перемешивают, охлаждают до 30°С и вносят 10% дрожжей от объема сусла. При размножении дрожжей поддерживают температуру на уровне 30°С, регулируя ее путем подачи в змеевики дрожжанки холодной воды. При снижении концентрации сусла на 1/3 от первоначальной производят отбор дрожжей. Длительность размножения дрожжей около 20 ч.

Полунепрерывный способ размножения дрожжей проводят в установке из двух дрожжанок и пастеризатора, в котором пастеризуют, подкисляют и охлаждают сусло. Подготовленное сусло подают в одну из дрожжанок, вводят в нее дрожжи и оставляют на 6 - 8 ч при 28 °С. Затем половину объема дрожжей переводят во вторую дрожжанку и обе доливают суслом из пастеризатора. Через 6 - 8 ч зрелые дрожжи из одной дрожжанки спускают в бродильный аппарат. Свободную дрожжанку моют и стерилизуют, после чего половину дрожжей из второй дрожжанки переводят в свободную, доливают оба аппарата суслом из пастеризатора и процесс повторяется.

Технология производства спирта

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.

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.

Долго хранить зерно без существенного снижения его качества целесообразно только в складах, технологические возможности которых не позволяют развиваться и массово распространяться микроорганизмам (плесневым грибам, бактериям и дрожжам), вредителям (насекомым и клещам), а также снижают активность ферментов зерновок до такого уровня, когда они не проявляют биологического действия. Такие преимущества имеют хранилища с активным вентилированием межзернового пространства насыпи сырья наружным или охлажденным воздухом (по сравнению со складами без вентиляционных устройств). Опыт работы спиртовых заводов показывает, что продолжительность хранения зависит от качества поступившего зерна и технологических особенностей хранилищ. Во время хранения сырья в отдельных зерновках происходят физико-химические изменения, зависящие от условий хранения и состояния насыпи зерна. Устойчивое при хранении и имеющее сорную примесь сырье теряет незначительное количество влаги гидрофильных веществ зерновок в условиях аэробного дыхания. У свежеубранного происходит снижение влажности («потение» зерновок). Завершается образование высокомолекулярных соединений (углеводов, белков, жиров, витаминов), уменьшается активность ферментов. Высокая влажность и температура насыпи активизируют все ферменты зерновок. Имеющиеся в растворимой форме углеводы, расщепленные а-амилазой, служат для создания нового вещества (корней и побегов), а при дальнейшем расщеплении В-ами-лазой используются зерновкой для анаэробного дыхания. Ферментативное расщепление белка происходит ступенчато (как и углеводов) протеазами, в результате чего образуются аминокислоты. Липазы расщепляют жиры на глицерин и жирные кислоты (повышающие кислотность зерна). Оксидазы активируют дыхание зерновок, отчего в межзерновое пространство насыпи выделяются вода, двуокись углерода, этиловый спирт и тепло. Даже при низкой влажности и температуре засоренное (поврежденными, щуплыми, семенами сорняков) сырье отличается высокой активностью амилаз, приводящей к интенсивному протеканию обменных процессов (расщеплению) в растворимых углеводах зерновок, увеличивающих влажность насыпи сырья. Потери сухих веществ зерновок, обсемененных микроорганизмами и засоренных вредителями, происходят в результате размножения живых существ, приводящих к повышению влажности насыпи сырья.

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.

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.

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).

Охлаждение разваренной массы и её осахаривание

Осахаривание заключается в обработке охлажденной разваренной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидролиза полисахаридов, белков и других сложных веществ. Основным и наиболее важным процессом при этом является ферментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, поэтому процесс и называется осахариванием. В результате осахаривания разваренной массы получают продукт - сусло спиртового производства.[4]

В производстве спирта воздействие ферментов на составные вещества сырья осуществляется на нескольких технологических стадиях

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 cахаров. 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.

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.