Получение спирта

     В барометрической воде систематически определяется наличие крахмала по йодной пробе. При нормальной работе испарителя (без уноса частиц крахмала) йодная реакция на крахмал должна быть отрицательной.

     Из  испарительных камер масса с  температурой 60-61 С по спускным трубам поступает в осахаривателе 34. Высота спускной трубы над поверхностью охлажденной массы в осахаривателях должна быть не менее 9,5-10,Ом. Одновременно в осахариватели из сборников 32 через дозаторы поступает осахаривающий материал: солодовое молоко, суспензия поверхностных культур плесневых грибов, препараты глубинных культур микроорганизмов. При двухпоточном осахаривании 2/3 осахаривающеrо материала подается, например, на поток № 1 через один осахариватель 34, а 1/3 на поток № 2 через второй осахариватель 34. Продолжительность осахаривания в каждом осахаривателе при температуре 56-59 С составляет не менее 10-15 мин.

     Осахаренная масса через ловушки 36 подается в две испарительные камеры 11 ступени 37, в которых с помощью барометрических конденсаторов 11 ступени и двух пароэжекторных вакуум-насосов поддерживается разрежение 0,09-0,0975 МПа (745-750 мм рт. ст.), что обеспечивает охлаждение сусла до 22-24 С. Пар, выделившийся в испарительной камере 37, охлаждается в конденсаторе холодной водой. Конденсат пара вместе с водой сливается в барометрический сборник. Пар на пароэжекторную установку подается из коллектора, а конденсат с водой отводится также в барометрический сборник, часть воды из котopoгo направляется насосом на повторное использование.

     Сусло, охлажденное до температуры складки  (22-24 С , из барометрических сборников 38 перекачивается насосами в бродильное отделение и для приготовления дрожжей в возбраживателе. Сбраживание зерного сусла осуществляется непрерывно-поточным способом в бродильных чанах, соединенных переточными коммуникациями в батарею.

         Для приготовления дрожжей используется сусло температурой 600 С с большим количеством осахаривающего материала, которое периодически откачивается из осахаривателя и по отводной коммуникации поступает в дрожжанки. Для приготовления дрожжей предназначены маточник вместимостью 25% от объема дрожжанки и три дрожжанки 44 каждая вместимостью по 25% от объема возбраживателя. Вместимость возбраживателя составляет не менее 50% от вместимости бродильного чана. Для приготовления дрожжевого сусла предусмотрена подача в дрожжанки серной кислоты и питательных солей.

     Маточиик 41 используется для приrотовлеиия дрожжей в начале производства, а также для периодической очистки засевных дрожжей. Сначала чистая культура дрожжей из пробирки разводится до объема одной дрожжанки согласно режиму. В процессе производства приготовление дрожжей в дрожжанке ведется на пастеризованном, подкисленном сусле по методу естественно чистой культуры. Температура во время сбраживания дрожжевого сусла не должна подниматься выше 30 С.

     Дрожжи, созревшие в первой дрожжанке, используются в качестве засевных для двух других дрожжанок, которые должны быть наполовину заполнены предварительно пастеризованным, подкисленным и охлажденным до температуры 300 С суслом. Засевные дрожжи из первой дрожжанки перекачиваются во вторую и третью дрожжанки (50% в одну и 50% в другую).

     Освободившаяся первая дрожжанка и коммуникации тщательно промываются и пропариваются. Дрожжанка заполияется суслом, перекачиваемым по свободной коммуникации их осахаривателя. Сусло выдерживается в ней в течение 60 мин при температуре 57-60С, пастеризуется при температуре 78-80 С в течение 30 мин, после чего охлаждается до температуры 500 С и подкисляется серной кислотой до 0,7-1,0С (рН среды 3-3,8). Подкисленное сусло охлаждается до температуры 30С, затем в негоo из одной дрожжанки (второй или третьей) вносятся засевные дрожжи в количестве 15% по объему сусла. Срок приготовления дрожжевого сусла в первой дрожжанке координируется с таким расчетом, чтобы к моменту созревания дрожжей в остальных двух дрожжанках оно прошло все

стадии  обработки и было охлаждено до 30 С. Продолжительность созревания дрожжей в первой дрожжанке регулируется температурой складки таким образом, чтобы зрелые дрожжи были готовы ко времени складки второй и третьей дрожжанок. Зрелые дрожжи из второй и третьей дрожжанок используются в качестве засевных для первой дрожжанки и возбраживателя.

     Готовые дрожжи из возбраживателя самотеком  подаются в головной чан бродильной батареи 46, куда одновременно поступает охлажденное сусло. Освободившийся возбраживатель промывается, пропаривается, заполняется засевными дрожжами и охлажденным суслом. Сусло подкисляется до 0,40 и оставляется на брожение при температуре 30 С.

     Периодически, не реже чем один раз в 10 дней, дрожжи, отбираемые в качестве засевных для первой дрожжанки, обрабатываются в маточнике 41 серной кислотой при рН 2,7-2,9 в течение 2 ч. График работы дрожжевого отделения должен составляться с учетом тoгo, чтобы каждые 30-36 ч зрелые дрожжи из возбраживателя спускались в один из головных чанов. Концентрация дрожжевых клеток в зрелых дрожжах должна быть 100 млн./мл. Концентрация сухих веществ составляет примерно 1/3 от исходной. Не допускаются перебраживание зрелых дрожжей и их простой.

     Для осуществления непрерывно-поточного метода брожения с двухпоточным осахариванием в бродильном отделении необходимо

иметь батарею, состоящую из 8-10 последовательно соединенных чанов. Желательно, чтобы вместимости чанов были равными. Для перекачивания бражки с целью освобождения чанов на профилактическую стерилизацию устанавливаются два центробежных насоса: один для освобождения головных чанов, другой для всех последующих.

     Все бродильные чаны через верхнюю коммуникацию, отводящую диоксид углерода, присоединяются к спиртоловушке 48. Для предотвращения развития инфекции и более надежной дезинфекции чанов предусматриваются специальные запорные устройства 49 на всех переточных коммуникациях. Первые 4-5 чанов оборудуются выносными или внутренними теплообменниками. Температуру брожения в первом чане поддерживают в пределах 26-27 С, во втором 27, в третьем 29-30, в последующих 27-280С.

     Зрелая  бражка из последнего бродильного чана насосом перекачивается в передаточную емкость 50, откуда также насосом подается на брагоректификацию.

     Биохимия  спиртового брожения

     Анаэробный  распад углеводов

     Ферментативная  диссимиляция углеводов в анаэробных условиях, происходящая с выделением энергии и приводящая к образованию  продуктов неполного окисления, называется брожением.

     При брожении акцептором водорода служат органические соединения, получающиеся в реакциях окисления (например, уксусный альдегид при спиртовом брожении); кислород в этих реакциях не участвует. 

     На  рисунке приведена схема химических превращений при спиртовом брожении глюкозы. 

     1. Образуются фосфорные эфиры Сахаров.  Под действием фермента гексокиназы и адениловых кислот, являющихся донаторами и акцепторами фосфорной кислоты, глюкоза превращается в глюкопиранозо-6-фосфат. Адениловые кислоты в дрожжах содержатся в виде аденозинмонофосфата (АМФ), аденозиндифосфата (АДФ) и адеыозинтрифосфата (АТФ). Гексокиназа катализирует перенос одной фосфорной группы с АТФ на глюкозу. При этом АТФ превращается в АДФ, а остаток фосфорной кислоты присоединяется по месту шестого углеродного атома. Действие фермента активируется ионами магния. Подобным образом происходит превращение D-фруктозы и D-маннозы. Глюкокиназная реакция определяет скорость процесса брожения.

     2. Глюкозо-6-фосфат под действием  фермента глюкозофосфат — изомеразы  подвергается изомеризации —  превращению в фруктозо-6-фосфат. Реакция обратима и сдвинута в сторону фруктозо-6-фосфата.

     3. Фруктозо-6-фосфат под действием  фермента фосфофруктокиназы присоединяет по месту первого углеродного атома второй остаток фосфорной кислоты за счет АТФ и превращает в фруктозо-1,6-дифосфат. Эта реакция практически необратима. Молекула сахара переходит в оксоформу и становится лабильной, способной к дальнейшему превращению, так как ослабляется связь между третьим и четвертым углеродными атомами.

     4. Под действием фермента альдолазы  (активируемой ионами Zn2+, Со2+ и Са2+) фруктозе-1,6-дифосфат распадается на две фосфотриозы — З-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Эта реакция обратима.

     5. Между фосфотриозами происходит  реакция изомеризации, катализируемая  ферментом триозофосфатизомеразой. Равновесие устанавливается при 95% 3-фосфоглицеринового альдегида и 5% фосфодиоксиацетона.

     6. В индукционный период, пока в  качестве промежуточного продукта  не образовался уксусный альдегид, между двумя молекулами 3-фосфоглицеринового  альдегида под действием фермента альдегидмутазы при участии молекулы воды происходит реакция дпсмутации. При этом одна молекула фосфоглицеринового альдегида восстанавливается, образуя фосфоглицерин, другая окисляется в 3-фос-фоглицериновую кислоту. Фосфоглицерин в дальнейших реакциях не участвует н после отщепления фосфорной кислоты является побочным продуктом спиртового брожения.

     При установившемся процессе окисление 3-фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую  кислоту происходит сложным путем. Вначале он превращается в 1,3-дифосфоглицериновый альдегид, присоединяя остаток неорганической фосфорной кислоты, затем под действием фермента триозофосфатдегидрогеназы в присутствии НАД (никотинамидадениндинуклеотида) окисляется в 1,3-дифосфо-глицсриновую кислоту. НАД, вступая в соединение со специфическим белком, образует анаэробную дегидрогеназу, обладающую способностью отнимать водород непосредственно от фосфоглицеринового альдегида и других органических соединений.

     7. При участии фермента фосфотрансферазы  остаток фосфорной кислоты, содержащий макроэргическую связь, передается с 1,3-дифосфоглицериновой кислоты на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты. Энергия, освобождающаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида, резервируется в АТФ.

     8. Под действием фермента фосфоглицеромутазы 3-фосфоглицериновая кислота изомеризуется в 2-фосфоглицериновую кислоту.

     9. В результате отдачи воды, вызываемой  перераспределением внутримолекулярной  энергии, 2-фосфоглицериновая кислота  превращается в фосфоэнолпировиноградную  кислоту, содержащую макроэргическую связь. Реакцию катализирует энолаза, активируемая ионами Мg2+, Мn2 + и Zn2+.

     Максимальное  действие энолазы проявляется в  интервале рН 5,2—5,5. При рН 4,2 молекулы энолазы агрегируются, при рН 3—4 необратимо денатурируются.

     10. Под действием фермента фосфотрансферазы в присутствии ионов К+ остаток фосфорной кислоты передается от фосфоэнолпировиноградной кислоты на АДФ, резервируя энергию в АТФ.

     11. Образовавшаяся энолпировшюградная  кислота превращается в более  стабильную кетоформу.

     12. Под действием фермента карбоксилазы  от пировиноградной кислоты отщепляется  диоксид углерода и образуется  уксусный альдегид.

     13. Фермент алкогольдегидрогеназа  переносит водород с восстановленного  НАД-Н2 на уксусный альдегид, в  результате чего образуется этиловый спирт и регенерируется НАД.

     Обращение гликолиза.

     Возможность обращения гликолиза определяется обратимостью действия большинства  ферментов, катализирующих его реакции. Однако реакции фосфорилирования глюкозы  и фруктозы, а также реакция  образования пировиноградной кислоты из фосфоенолпирувата, осуществляемые с помощью киназ, необратимы. На этих участках процесс обращения идет благодаря использованию обходных путей. |Там, где функционируют гексокиназа и фруктокиназа, происходит дефосфорилирование — отщепление фосфатных групп фосфатазами.

     Превращение пирувата в фосфоенолпируват также  не может осуществиться путем  прямого обращения пируваткиназной  реакции вследствие большого перепада энергии. Первая реакция обращения  гликолиза на этом участке катализируется митохондриальной пируваткарбоксилазой в присутствии АТР и ацетил-СоА (последний выполняет функции активатора).

     (Образующаяся  щавелевоуксусная кислота (ЩУК), или оксалоацетат, восстанавливается  затем в митохондриях до малата  при участии NAD-зависимой малатдегидрогеназы (МДГ). Затем малат транспортируется из митохондрий в цитоплазму, где окисляется NAD-зависимой цитоплазматической малатдегидрогеназой снова до ЩУК. Далее под действием ФЕП-карбоксикиназы из оксалоацетата образуется фосфоенолпируват. Фосфорилирование в этой реакции осуществляется за счет АТР

     Регуляция  гликолиза

     Интенсивность гликолиза контролируется в нескольких участках. Вовлечение глюкозы в процесс  гликолиза регулируется на уровне Фермента гексокиназы по типу обратной связи: избыток продукта реакции (глюкозо-6-фосфата) аллостерически подавляет деятельность фермента.