Получение спирта

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. 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.

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.

     Наиболее  подробно рассмотрим схему непрырывного производство спирта из крахмалистого  сырья.

     В этой схеме используются варочные аппараты колонного типа, двухступенчатое вакуум-охлаждеиие разваренной массы до температуры осахаривания и сусла до температуры складки при двухпоточном способе осахаривания и непрерывно-поточном способе сбраживания. Схема рекомендуется для заводов, имеющих технологический пар давлением до 0,5-0,8 МПа.

     По  этой схеме зерно, доставленное со склада автомашиной, с помощью автопогрузчика ссыпается в приемный бункер 2, из котopoгo элеватором подается в бункера 4, вмещающие 1,5 2-суточный запас зерна. Из бункеров 4, которые обычно располагаются около подработочного отделения, зерно винтовым конвейером и элеватором 6 транспортируется через контрольные весы на зерновой и электромагнитный сепараторы. Очищенное от посторонних примесей зерно взвешивается на автоматических весах и поступает на молотковую дробилку 12.

     Измельченное зерно, характеризующееся 50-65%-ным проходом частиц через сито 1 мм, элеватором отводится на рассев, где на ситах с отверстиями 1,0-0,8 мм от помола отделяются частицы диаметром более 1 мм. Эти частицы через промежуточный бункер 14 направляются на вальцовый станок 15, после которого собираются в сборнике для тонкоизмельченного зерна. Сюда же поступают частицы размером 1 мм и менее, прошедшие сразу через ситовую поверхность рассева 13. После рассева рекомендуется устанавливать сборник (бункер), рассчитанный на его  заполнение в течение 2-3 ч. По заполнении сборника включают вальцовый станок, и весь продукт до измельчается в течение 1,0-----1,5 ч, после чего подача зерна на станок прекращается.

     Сборник снова заполняется зерновой фракцией с размерами частиц более 1мм, которая через 2-3 ч также поступает на вальцовый станок. При использовании зерна влажностью до 14-15% схема двухстадийного измельчения зерна упрощается за счет исключения рассева. В этом случае измельченное зерно после молотковой дробилки направляется, минуя рассев, в сборник 14, находящийся над вальцовым станком. По такой упрощенной схеме степень измельчения зерна, характеризуемая проходом через сито 1 мм, может достигать 85-86%, а при измельчении кукурузы необходимо иметь проход до 94-95%. При большем содержании влаги в зернах необходимо двухстадийное измельчение, так как в этом случае резко снижается производительность и ухудшается качество измельчения зерна на молотковой дробилке и вальцовом станке.

     Тонкоизмельченное зерно из бункера 16 с помощью шиека-дозатора подается в смеситель-предразварник, где оно смешивается с теплой водой в соотношении 1 : (2,5-3,0). Вода в смеситель дозируется с таким расчетом, чтобы концентрация сусла в осахаривателе находилась в пределах 16-18% по сахарометру. Чтобы обеспечить хорошее смешивание воды с тонкоизмельченным зерном, температуру замеса в смесителе не следует поднимать выше 40-45 С, продолжительность пребывания замеса в смесителе-предразварнике при этой температуре должна составлять 15-16 мин.

     При переработке картофеля отмытые от земли отделенные от посторонних примесей клубни элеватором 18 транспортируются на автоматические весы и затем из бункера с лотковым питателем 19 дозируются на дробилку 20, после чего кашка направляется во второй отсек смесителя-предразварника 21, где нагревается вторичным паром до 40-450С.

     Замес или кашка из смесителя-предразварника насосом закачивается в подогреватель 23, нагревается в нем вторичным паром до температуры 80-85С и быстро перекачивается в контактную гoловку 25, где мгновенно нагревается острым паром до температуры разваривания, после чего поступает в варочную колонну 1 ступени разваривания 26. Острый пар имеет избыточное давление 0,5 МПа, температуру 158,08 С, теплосодержание 2756 кДж/кг. Разваривание зерна ведется при температуре 134-136° С в течение 45-50 мин, тонко измельченная кукуруза с 92-94%-ным проходом разваривается при температуре 144-150° С в течение 45-50 мин. Развариваемая масса из колонны 26 по нижней переточной коммуникации поступает в первую колонну II ступени разваривания 27, проходит ее и через верхний переточный штуцер отводится во вторую колонну 11 ступени, движется по ней сверху вниз, после чего через нижнюю переточную коммуникацию поступает в третью колонну, из которой с помощью регулятора уровня и системы выдувания автоматически отводится в паросепаратор 28. Для обеспечения равномерного перетока массы по колоннам аппарата они соединены поверху уравнительной линией, по которой неконденсирующиеся газы и пар непрерывно отводятся и направляются для предварительиоrо нагрева замеса.

     В паросепараторе от разваренной массы  отделяется вторичный пар, который направляется на подогрев замеса. Масса в процессе сепарирования выдерживается 25-30 мин при температуре 107-108 С и давлении 0,03-0,04 МПа, после чего разваренная масса разделяется на два потока и направляется на установки с двухступенчатым вакуум-охлаждением.и промежуточным двухпоточным осахариванием.

     При работе по двухпоточному способу  осахаривания охлажденная разваренная масса, разделенная на два равных по объему потока, по двум трубопроводам поступает в вакуум-испарительные камеры 1 ступени 31, в которых постоянно с помощью барометрических конденсаторов и вакуум-насосов поддерживается разрежение 0,080-0,081 МПа (600-610 мм рт. ст.). Такое же разрежение создается в трубопроводах, соединяющих паросепаратор 28 с испарительными камерами 31, поэтому самоиспарение массы начинается сразу после ее разделения на два потока.

     Пар, выделившийся в испарительных камерах и поступивший в барометрические конденсаторы, охлаждается холодной водой. Конденсат пара вместе с водой сливается в барометрические сборники 35.