Спиртовая промышленность

Брожение

Динамика сбраживания осахаренной массы из крахмалистого сырья значительно отличается от сбраживания сахаристых сред. В осахаренной массе содержится мальтоза, непосредственно сбраживаемая дрожжами, и декстрины, нуждающиеся в предварительном осахаривании. При осахаривании декстрины под действием α- и β-амилазы превращаются в мальтозу и фосфодектрины; последние под действием декстриназы осахариваются в мальтозу. Поэтому скорость брожения осахаренной массы зависит от количества дрожжей и количества декстринофосфатазы. Процесс брожения разделяется натри периода: возбраживание, главное брожение и дображивание. Периоды возбраживания и главного брожения осахаренной массы протекают как и при сбраживании сахаристых веществ. В первом периоде продолжается размножение дрожжей. Размножение дрожжей не заканчивается в дрожжанках и продолжается в бродильных чанах. Одновременно с размножением дрожжей в этот период происходит и сбраживание сахара (мальтозы) в спирт и углекислый газ.

Реакции брожения:

Реакции брожения

Мальтоза под действием а-глюкозидазы превращается в глюкозу, а последняя под действием комплекса ферментов зимазы — в спирт и углекислый газ. Этот период характеризуется энергичным выделением углекислого газа.

В период дображивания декстрины под действием α- и β-амилаз и декстринофосфатазы превращается в мальтозу, которая затем под действием дрожжей сбраживается в спирт и углекислый газ. При дображивании осахаренной массы осахариваются декстрины и сбраживается образовавшаяся мальтоза.

Процесс брожения осахаренной массы осуществляется в бродильных чанах периодическим, циклическим и непрерывно-поточным методами. Бродильный чан (рисунок 1) представляет собой герметичный стальной цилиндрический резервуар с коническими крышкой и днищем. Для поддержания температуры в нем монтируют змеевик, состоящий из двух секций. Для заполнения осахаренной массой, слива или отбора (перетока) бражки, слива промывных вод и конденсата, выхода углекислого газа бродильный чан оборудован соответствующими штуцерами с кранами или вентилями. Для промывки и контроля служат люки верхний и нижний.

1-3 - штуцеры; 4 - люки; 5 корпус; 6 - днище; 7 - крышка; 8 - змеевик Рисунок 1 - Герметический бродильный чан
1-3 — штуцеры; 4 — люки; 5 корпус; 6 — днище; 7 — крышка; 8 — змеевик
Рисунок 1 — Герметический бродильный чан

Периодический метод брожения

При периодическом проведении осахаривания бродильный чан заполняют осахаренной массой через определенные промежутки времени; дрожжи вводят в бродильный чан вместе с первой порцией осахаренной массы, последующие порции осахаренной массы сливают в бродильный чан без дрожжей. При непрерывном осахаривании бродильный чан заполняется непрерывно; дрожжи вводят в бродильный чан одновременно с осахаренной массой. Дрожжи спускают с такой скоростью, чтобы количество их по отношению к спускаемому суслу было не более 50%. При большем количестве дрожжей из-за их высокой кислотности (0,7-0,9°) возможна инактивация амилазы.

Независимо от способа заполнения бродильного чана количество дрожжей должно быть 6-8% от объема бродильного чана. Наполнение бродильного чана продолжается не более 8 ч.

Длительность брожения 72 ч, считая от начала залива до начала перегонки. При недостаточном числе бродильных чанов допускается длительность брожения 48 ч. Выход спирта в первом случае выше (на 0,8 дал из 1 т крахмала). Температурный режим при трехсуточном брожении 19-20°С, в период возбраживания 23-24°С, главного брожения 29-30°С, дображивания 27-28°С. Температура регулируется подачей холодной воды через змеевики. По окончании брожения зрелую бражку направляют на перегонку. Бродильный чан после освобождения моют, дезинфицируют, стерилизуют и снова включают в работу.

Циклический метод брожения

Циклический (полунепрерывный) метод брожения разработан В.Л. Яровенко с сотрудниками. При циклическом методе брожения бродильные чаны (не менее шести) соединяют переточными трубами в батарею (рисунок 2). Процесс брожения проводят в две стадии. Вначале заполняют батарею и бражка находится в движении, а затем она дображивает в состоянии покоя. Батарею заполняют суслом отдельными циклами: от первого головного чана к предпоследнему в одном цикле; от последнего чана батареи ко второму в следующем цикле. Осахаренную массу подводят к первому и последнему чанам батареи. При брожении в первый чан батареи вводят дрожжи, объем которых составляет 20-25% к емкости чана, и одновременно подают осахаренную массу. Заполнив значительную часть объема первого бродильного чана, бродящая масса по переточным трубам переливается во второй чан, из него в третий и т.д. Через 20-24 ч в первый головной чан снова спус­кают дрожжи в количестве 20-25% емкости чана. Перед началом заполнения предпоследнего чана в головной чан вновь (третий раз) вносят дрожжи. После заполнения предпоследнего чана прекращают приток осахаренного сусла в головной (первый) чан и переводят приток в последний чан, который становится головным. Одновременно с притоком сусла в головной чан подают дрожжи. За время заполнения последнего чана суслом бражка в последнем чане окончательно дображивает и ее направляют на перегонку.

Освободившийся чан моют, дезинфицируют, пропаривают и заполняют бражкой из головного чана. Во втором цикле заполнение чанов бродящей массой производят от последнего чана ко второму. Бражку подают на перегонку последовательно от последнего (по потоку) чана к первому. Следовательно, загрузка батареи идет от головного чана к хвостовому, а выгрузка зрелой бражки в обратном направлении — от хвостового чана к головному. Каждый новый цикл брожения начинается с изменения потока бродящей жидкости; при этом последний чан становится первым. Время пребывания бражки при циклическом методе во всех чанах различно. Так, в батарее из восьми чанов оно составляет в первом чане 101, во втором 84, в седьмом 13 ч. Головной чан первым заполняют и последним освобождают. Весь процесс брожения длится 60-62 ч.

Размножение дрожжей в начале производства и при переработке дефектного сырья производят периодическим способом в двух дрожжанках и возбраживателе. Емкость возбраживателя должна составлять 40% от емкости головного чана, а емкость дрожжанок 20-30% емкости возбраживателя. В дрожжанках дрожжи размножают на осахаренной массе, пастеризованной при 75°С и подкисленной серной кислотой до кислотности 0,7-1,0°. По достижении отброда 5-6° (по сахарометру) размножившиеся дрожжи передают в возбраживатель, в который одновременно с дрожжами поступает осахаренная масса. После заполнения возбраживателя его содержимое подкисляют серной кислотой до 0,4-0,5° и оставляют дрожжи на размножение. При отброде 5-6° дрожжи передают в первый или второй головной чан.

При переработке нормального сырья применяют в качестве дрожжей отъем бродящей массы в количестве 20-25% от емкости бродильного чана. Для этого отбирают отъем бражки из первого по потоку бродильного чана при концентрации 8-10° (по сахарометру) в возбраживатель, подкисляют серной кислотой до 0,7-0,9°, охлаждают до 21 -23°С и оставляют для размножения дрожжей на 6-8 ч. После этого отъем вводят в первый бродильный чан, а освободившийся возбраживатель промывают, пропаривают и вновь заполняют бродящей массой.

Циклический метод брожения позволяет увеличить производительность бродильного отделения примерно на 25% при той же емкости чанов, что и при периодическом брожении.

1 - возбраживатель; 2 - бродильные чаны; 3 - насос; 4 - спиртоловушка Рисунок 1 - Схема циклического метода брожения
1 — возбраживатель; 2 — бродильные чаны; 3 — насос; 4 — спиртоловушка
Рисунок 1 — Схема циклического метода брожения

Непрерывное брожение

Линия непрерывного брожения заторов состоит из двух механизированных дрожжанок 1 (рисунок 3), каждая из которых емкостью 25-30% от емкости возбраживателя; возбраживателя 2 емкостью 80% от емкости головного чана; двух головных бродильных чанов 3 и восьми — десяти бродильных чанов 4.

Чаны между собой соединены переточными трубами с дисковыми затворами. Перед стерилизацией головные чаны освобождают от бражки насосом 5 по коммуникации а, остальные чаны — насосом 6 и коммуникацией б.

Углекислый газ из всех чанов проходит спиртоловушку 7. Непрерывно-поточное брожение ведется таким образом. В начале производства в двух дрожжанках приготовляют 50-60% зрелых дрожжей. Зрелые дрожжи из одной дрожжанки переводят во возбраживатель, дрожжанку промывают, пропаривают, охлаждают и заполняют затором. Последний пастеризуют при 75°С, охлаждают и задают 25-30% маточных дрожжей из другой дрожжанки. При охлаждении затор подкисляют серной кислотой до 0,7-1,0° и сбраживают до 5-6% по сахарометру.

После отъема маточной культуры в первую дрожжанку зрелые дрожжи из второй дрожжанки также спускают во возбраживатель. Дрожжанку промывают, пропаривают и повторяют операции по приготовлению дрожжей, описанные выше.

В возбраживатель одновременно со зрелыми дрожжами подают охлажденный затор. После заполнения возбраживателя всю массу подкисляют серной кислотой до 0,4-0,5°. При дефектном сырье затор предварительно пастеризуют при 75°С.

Массу в возбраживателе оставляют на брожение до отброда 5-6° и всю передают в один из головных чанов.

Одновременно со спуском засевных дрожжей и после него в головной чан непрерывно подают основной затор. При этом бродящая масса последовательно заполняет один чан за другим и зрелая бражка из последнего чана направляется на перегонку. Переточные трубы соединяют верхнюю часть каждого предыдущего чана с нижней частью каждого последующего.

В головном чане происходит главное брожение, в остальных чанах-дображивание. Одним из основных условий успешного проведения непрерывного брожения является поддержание в головном чане в активном состоянии большого числа дрожжевых клеток (100-120 млн/см3).

Для ликвидации задержек и предупреждения развития бактериальной флоры головные чаны через каждые 24-30 ч по очереди полностью освобождают от бражки, перекачивая ее насосом, например, из первого чана во второй. После освобождения первого чана его вновь заполняют засевными дрожжами из возбражиателя и открывают приток затора, а бражку из второго головного чана перекачивают в третий по порядку. Затем второй головной чан заполняют так же, как и первый, и возобновляют приток затора.

С той же целью головные чаны промывают и стерилизуют паром через каждые 48 -6 0 ч, а остальные чаны — по очереди через каждые 65-75 ч. При отключении на стерилизацию первого или второго головного чана приток сусла временно переводят на один из этих чанов. Из подлежащего стерилизации бродильного чана бражку перекачивают в последующий чан.

Для регулярного дезинфицирования и стерилизации линии солодового молока, осахаривания и охлаждения затора устанавливают параллельно две таких линии.

В бродильных чанах поддерживают температуру: в головных 25-27°С, в третьем чане 27-30°С, в остальных чанах 27-28°С. Брожение заканчивается за 60-62 ч, вместо 72 при периодическом сбраживании.

1 - дрожжанка; 2 - возбраживатель; 3 - головные бродильные чаны; 4 - бродильные чаны; 5, 6 - насосы; 7 - спиртоловушка; а, б - трубопроводы для освобождения чанов при стерилизации. Рисунок 3 - Схема непрерывного брожения сусла
1 — дрожжанка; 2 — возбраживатель; 3 — головные бродильные чаны; 4 — бродильные чаны; 5, 6 — насосы; 7 — спиртоловушка; а, б — трубопроводы для освобождения чанов при стерилизации.
Рисунок 3 — Схема непрерывного брожения сусла

Технологические показатели брожения

Контроль работы всего цикла работы спиртового завода это контроль показателей брожения. Ошибки, допущенные в ходе технологического процесса, обнаруживаются при анализе показателей бражки. Важнейшими показателями являются: содержание сбраживаемых веществ (несброженных сахаров), кислотность и содержание спирта.

Различают видимый и истинный отброд. Видимым отбродом называется показание сахарометра в фильтрате бражки. Сахарометр градуирован по раствору чистой сахарозы и одно целое деление его соответствует 1 % (или 1 °) сахарозы.

Истинным отбродом называется показания сахарометра в фильтрате бражки после отгона из нее спирта и доведения его до первоначального объема дистиллированной водой. Эта величина приблизительно соответствует содержанию сухих веществ.

Хотя величина отброда зависит от многих факторов, практически установлено, что при соблюдении нормального технологического режима величина отбродов более-менее постоянная. Повышение этой величины свидетельствует о неполном сбраживании. Поэтому измерение величины отброда принято в качестве одного из показателей, характеризующих процесс брожения.

При сбраживании сусла из смешанного сырья величина отброда устанавливается как средневзвешенная величина отбродов перерабатываемых культур.

Таблица 1 - Максимальные отброды по сахарометру
Таблица 1 — Максимальные отброды по сахарометру

Масса картофеля и свеклы принимается условно по коэффициенту 2,7 по сравнению с зерном. Установлено, что недоброд. т.е. повышение отброда выше нормы на 1°, соответствует недобору спирта примерно 3,5 дал на 1 т крахмала.

Одним из показателей технологического режима брожения является количество несброженных сахаров в бражке (таблица 2).

Таблица 2 - Количество несброженных сахаров в бражке
Таблица 2 — Количество несброженных сахаров в бражке

Если величины, найденные при анализе, превышают норму, особенно в графе декстринов, то это свидетельствует о неполном сбраживании.

О чистоте спиртового брожения судят по нарастанию кислотности. В процессе жизнедеятельности дрожжей кислотность среды повышается на 0,2°. Большее нарастание кислотности свидетельствуете развитии кислотообразующих бактерий. Повышение кислотности связано с прямыми потерями сахара на образование кислотности и с косвенными потерями, вызванными прекращением деятельности ферментов осахаривающих материалов. При кислотности 1° деятельность ферментов прекращается. Нарастание кислотности на 1° вызывает понижение выхода спирта на 2-2,3 дал на 1т крахмала. В зрелой бражке определяют осахаривающую способность, показывающую насколько сохранились ферменты. Определяют, кроме этого, нерастворимый крахмал в пробе нефильтрованной бражки.

Улавливание спирта

С углекислым газом из бродильных чанов уносятся и пары спирта. Для улавливания спирта применяют специальные устройства — спиртоловушки.

1 - корпус; 2 - сливные стаканы; 3 - колпак; 4 - штуцера. Рисунок 4 - Спиртоловушка колпачкового типа
1 — корпус; 2 — сливные стаканы; 3 — колпак; 4 — штуцера.
Рисунок 4 — Спиртоловушка колпачкового типа

Спиртоловушки по конструкции бывают колпачковые, аналогичные тарелкам перегонного аппарата, пленочно-конденсационного типа, а также с наполнителем. Колпачковая спиртоловушка (рисунок 4) представляет собой колонну из четырех-пяти тарелок брагоперегонного аппарата. Воду в ловушку подводят сверху на верхнюю тарелку так, чтобы конец штуцера подвода воды находился ниже уровня воды. Ловушка с наполнителем (рисунок 5) проще первой по конструкции. В ее колонне смонтированы перфорированные перегородки, между которыми помещен наполнитель (кокс или кольца рашига). Подвод воды в нее производится сверху через гидрозатвор, а слив — снизу.

1 - корпус, 2 - перегородки; 3 - штуцер ввода газов; 4 - штуцер ввода воды; 5 - гидрозатвор; 6 - штуцер отвода СО2; 7 - наполнитель (кольца или кокс). Рисунок 5 - Спиртоловушка с наполнителем
1 — корпус, 2 — перегородки; 3 — штуцер ввода газов; 4 — штуцер ввода воды; 5 — гидрозатвор; 6 — штуцер отвода СО2; 7 — наполнитель (кольца или кокс).
Рисунок 5 — Спиртоловушка с наполнителем

Так как в каждом бродильном чане брожение идет самостоятельно и интенсивность выделения углекислого газа различна, то на каждой газовой трубе, отводящей газ из чана, установлена задвижка и обратный клапан. Клапан предотвращает попадание газа из магистрали в чаны при их отключении и при давлении в них ниже давления в магистрали. Вода поступает в ловушку сверху, а углекислый газ, в котором содержатся спиртовые пары, — снизу. В противотоке спирт улавливается водой, углекислый газ поступает в углекислотный цех или в атмосферу. Водно-спиртовую жидкость выпускают из ловушки снизу через гидрозатвор. Гидрозатвор предохраняет выход газа с водно-спиртовой жидкостью.