Крахмальная промышленность

Получение крахмала из кукурузы

Общие сведения, состав зерна кукурузы

Доля мирового производства крахмалопродуктов из зерна кукурузы составляет более 70 % от их общей выработки. Это обусловлено высокими урожайностью (5 т/га зерна и более) и крахмалистостью (69 — 71 %), а также возможностью организации переработки зерна в течение всего года. Кроме того, технология переработки кукурузы по схеме «мокрого помола» является достаточно совершенной, обеспечивающей использование всех компонентов в режиме безотходного производства.

Для промышленного получения крахмала в основном используются два вида кукурузы: зубовидная и кремнистая, различающиеся формой зерен и строением роговидной части.

Усредненный состав компонентов зерна этих видов кукурузы представляется следующим образом (% к массе сухих веществ):

  • крахмал 69,00 — 72,00;
  • белковые вещества 11,50 — 12,80;
  • жир 5,40 — 6,20;
  • клетчатка 1,70 — 1,80;
  • пектиновые вещества 4,00 — 4,35;
  • растворимые сахара 3,25 — 3,50;
  • минеральные соединения 1,35 — 1,60.

Кукурузные зерна органически сосредоточены в початке, основой которого является стержень. Масса зерен 75 — 84 %, масса стержня – 25 — 16 % от массы початка.

Зерно кукурузы состоит из зародыша, защитной оболочки, эндосперма, включающего клетки, заполненные крахмалом.

Зародыш является самой нежной и ранимой частью зерна, в нем сконцентрирован запас энергии в виде кукурузного жира и набор ферментов, обеспечивающих следующий цикл репродукции данного растения. Порча зерна при неблагоприятных условиях хранения начинается с зародыша.

Защитная оболочка предохраняет внутренние слои зерна и зародыш от внешних повреждений и внесения вредных инородных микроорганизмов.

Свойства эндосперма различаются с учетом его местонахождения в зерне: эндосперм у боковых стенок является роговидным и самым твердым, растительные клетки заполнены сцементированными белком зернами крахмала угловатой формы. Эндосперм внутренней части зерна является мучнистым, клетки содержат зерна крахмала овальной формы и не связаны между собой.

На долю эндосперма приходится 82 — 88 %, зародыша 10 — 14 %, оболочек 5 — 6 % от массы зерна. В эндосперме в наибольшем количестве находится крахмал – до 79,2 %, в зародыше крахмал отсутствует, но представлены жир (40 %), белок (15,4 %), углеводы, минеральные соединения, в оболочке – клетчатка, пектиновые вещества (в сумме их до 40 %), часть крахмала и незначительная доля белка (таблица 1).

Таблица 1 - Состав основных компонентов зерна кукурузы
Таблица 1 — Состав основных компонентов зерна кукурузы

Крахмал кукурузы, как и картофельный, состоит из двух фракций – амилозы (21 — 30 %) и амилопектина (79 — 70 %). Амилопектин кукурузного крахмала имеет отличия от картофельного: низкая концентрация ионов водорода и значительно меньшая электропроводность (в 30 раз).

Белковые вещества кукурузы представлены несколькими группами: альбумины, глобулины, глютелины и проламины. Первые три относятся к биологически полноценным, содержащим почти все незаменимые аминокислоты: глутаминовую, аргинин, гистидин, тирозин, лейцин и др. Отсутствуют лизин и триптофан.

Основная масса жира (кукурузное масло) содержится в зародыше. По своим физическим свойствам кукурузный жир близок к подсолнечному маслу и содержит 72 % жидких и 28 % твердых жирных кислот. Масло состоит на 86 % из линолевой и олеиновой кислот.

Кукурузный крахмал отличается от картофельного присутствием в его составе связанного жира (0,55 %) и пониженной гигроскопичностью.

Минеральные соединения присутствуют во всех частях зерна, но в разных концентрациях – больше всего в зародыше и оболочке, меньше – в эндосперме. В составе золы в наибольшем количестве представлены соединения фосфора, натрия, кальция, калия и магния, а также соли сернистой кислоты.

Приемка и хранение зерна кукурузы

Кукуруза поступает на перерабатывающие предприятия в виде зерен или в составе початков. Для кукурузы в виде зерна при приемке должны соблюдаться требования ГОСТ :

  • влажность не более 15 %;
  • всхожесть не менее 55 %;
  • общее содержание сорной примеси не более 3 %;
  • содержание зерновой примеси не более 7 %;
  • в том числе зерен, пораженных болезнями не более 3 %;

Состояние кукурузы – здоровая, негреющаяся.

Не допускается зараженность амбарными вредителями.

При поступлении початков допускается повышенная влажность зерна до 22 %, содержание сорной примеси не более 1 %, содержание зерновой примеси не более 2 %.

Введение в стандарт показателя всхожести обусловлено его значительным влиянием на выход крахмала. При всхожести ниже 55 %, а также при переработке недозрелого зерна выход крахмала заметно снижается.

В процессе заготовки постоянно ведется учет массы кукурузы, поставляемой автомобильным и железнодорожным транспортом.

Качество кукурузы оценивается лаборатории в средних пробах от каждой партии поступившего зерна. Одним из главных является показатель влажности зерна. На длительное хранение направляется кукуруза здоровая с нормативной влажностью, с минимальным содержанием примесей. Зерно с повышенной влажностью, пораженное вредителями, направляется непосредственно на переработку или на краткосрочное хранение. Кукуруза считается сухой при влажности до 14 %, средней сухости до 15 — 16 %, влажной в пределах 17 — 18 % и сырой — при влажности свыше 18 %.

В случае поступления больших партий зерна с повышенной влажностью и отсутствием возможности быстрой переработки, его подвергают сушке в естественных или искусственных условиях и затем складируют.

Кукуруза может храниться в виде початков и виде зерна насыпью. Для обеспечения сохранности початков необходима предварительная очистка от поврежденных, больных и не полностью очищенных от обвертки. От початков отделяются все примеси, в том числе и обрушенное зерно, снижающее интенсивность воздухообмена при хранении. Перед укладкой в хранилище початки высушиваются несколько дней в естественных условиях на свету, чем обеспечивается снижение влажности и активности микрофлоры на их поверхности. Скважистость слоя початков значительно выше, чем зерно в насыпи, поэтому они могут удовлетворительно храниться с более высокой начальной влажностью зерен – в условиях аэрации зерно в початках может иметь начальную влажность 23 — 25 %. Преимуществом хранения зерна в початках является продолжающийся процесс послеуборочного дозревания, что повышает крахмалистость.

Недостатком хранения початков является необходимость иметь более вместительные склады – примерно в два раза большие, чем для хранения зерна насыпью.

Свежеубранные початки хранятся в особых хорошо вентилируемых складах. При начальной влажности зерна более 17 % необходимо предварительное высушивание початков. Если влажность зерна не выше 17 %, то початки удовлетворительно хранятся в обычных складах-амбарах, защищенных от атмосферных осадков и производственных испарений. При закладке на хранение сухих початков высота насыпи может составлять 4,5 — 5,0 м.

Продолжительность хранения початков без снижения показателей зерна зависит от начальной влажности и температуры. При начальной влажности зерна 15,5 % и температуре + 10 оС срок хранения до 180 сут. При той же температуре, но повышенной до 20 % начальной влажности зерна срок его хранения снижается до 60 сут.

Оптимальные условия хранения кукурузного зерна насыпью при его влажности не выше 15 % (лучше 13 — 14 %) и температуре около 0 оС. В условиях уборки зерна его влажность всегда выше указанной величины – обычно 20 % и более. В зерне при начальной влажности 20 % и температуре выше 15 оС уже через 36 ч начинаются интенсивные физиологические процессы, приводящие к самосогреванию и порче.

Для обеспечения сохранности в течение длительного периода зерно в початках после уборки или зерно уже освобожденное от стержней высушивается в естественных или искусственных условиях. При этом необходимо контролировать температуру зерна – при ее повышении выше 45 — 50 оС начинается тепловая денатурация белка, снижается показатель всхожести, что отрицательно сказывается на качестве получаемого крахмала и его выходе.

Подсушенное и очищенное от примесей зерно хранится в элеваторах, зерноскладах (амбарах) или силосах с регулируемой воздушной средой. Зернохранилища представляют деревянные сооружения с решетчатым полом, оснащенные системой принудительной вентиляции.

Продолжительность хранения зерна устанавливается с учетом его начальной влажности и температуры хранения. Зерно с влажностью 15,3 % может храниться до 120 сут при температуре не выше 10 оС. При начальной влажности 20 % допустимые сроки хранения зерна снижаются до 32 сут.

Состояние зерна в процессе хранения контролируют по количеству выделяемого СО2 или косвенно – по температуре и показателю всхожести.

Для исключения порчи при хранении необходимо регулярное проветривание зерна, осуществляемое путем его перекачивания из одного хранилища в другое с помощью пневмотранспорта.

Основные операции получения крахмала из кукурузы

Главной задачей кукурузокрахмального производства является получение максимального выхода крахмала с показателями качества, соответствующими требованиям стандарта. Структура такого производства предусматривает эффективную переработку всех составных частей зерна: зародыша, оболочек, белковых соединений, растворимых веществ, содержащих большой набор ценных компонентов исходного сырья (рисунок 1).

Рисунок 1 - Упрощенная схема производства сырого кукурузного крахмала
Рисунок 1 — Упрощенная схема производства сырого кукурузного крахмала

Технология получения крахмала включает следующие операции:

  • замачивание зерна в разбавленном растворе сернистой кислоты;
  • дробление зерна с целью освобождения зародыша;
  • выделение и промывание зародыша;
  • мокрое измельчение зерновой кашки с целью освобождения зерен крахмала;
  • отделение крахмала от частиц оболочек зерна и стенок клеток эндосперма;
  • разделение исходной суспензии крахмала с целью выделения взвешенных белковых веществ;
  • промывание крахмала для отделения остаточных растворенных веществ.

Весь набор технологических операций осуществляется при использовании нескольких методов воздействия на исходное зерно:

  • размягчение всех компонентов зерна при его замачивании как результат действия комплекса химических, физических и биологических факторов;
  • многоступенчатое измельчение зерна в присутствии влаги с сохранением зародыша в целом виде, минимальным разрушением оболочек зерна и максимальным освобождением зерен крахмала из растительных клеток;
  • выделение и промывание целого зародыша и оболочек в присутствии избытка воды;
  • обработка исходной суспензии в поле действия центробежных сил для разделения зерен крахмала, частиц белковых веществ и жира.

При переработке зерна кукурузы помимо крахмала получают ряд побочных ценных продуктов:

  • кукурузный экстракт, используемый после соответствующей подготовки для выработки сухих кукурузных кормов;
  • зародыш – сырье для производства кукурузного масла;
  • мезга крупная мелкая – основной компонент в составе сухих кукурузных кормов;
  • кукурузный белок (глютен) – компонент сухих кукурузных кормов.

Сырой кукурузный крахмал является сырьем для получения пищевого сухого крахмала, производства различных видов глюкозы, крахмальной патоки, глюкозно-фруктозных сиропов, модифицированных крахмалов, различных декстринов и др.

Замачивание кукурузного зерна

Кукурузное зерно взвешивается на элеваторных весах при отпуске с хранилища, затем при поступлении в завод на переработку — на автоматических весах с определением основных показателей качества и степени засоренности. Эти данные являются основными исходными величинами для выполнения технохимического учета производства, определения производительности завода, расчета выхода и потерь крахмала, показателей эффективности переработки сырья и т. д.

Цель замачивания – ослабление органических связей между структурами зерна (оболочки, зародыш, эндосперм) и их разрыв, разрушение белковой цементирующей матрицы, удерживающей крахмальные зерна и выделение основной части растворимых веществ зерна в экстракт.

В процессе замачивания зерно активно поглощает влагу с увеличением своего начального объема. При температуре до 50оС замачивание проходит в обратимой форме – при последующем подсушивании восстанавливается исходный объем зерна, физико-химические свойства крахмала остаются неизменными. Замачивание при температуре выше 50оС сопровождается с более интенсивным увеличением объема зерен и необратимым изменением натуральных свойств крахмала вплоть до начала его клейстеризации (при 58 оС и выше). Поэтому практическое замачивание зерна идет в интервале температуры 48 — 50оС.

За счет поглощения воды влажность зерна увеличивается от 15 % до 43 — 45 %. Зубовидная и полузубовидная кукуруза набухает более интенсивно, чем кремнистая – ее влажность возрастает до 39 — 41 %. В наибольшей степени поглощает влагу зародыш – его влажность в конце замачивания достигает 55 — 60 %, причем скорость его набухания примерно в два раза выше, чем эндосперма.

Белковые вещества зерна в процессе замачивания также поглощают влагу, причем некоторая их часть подвергается частичному расщеплению и переходит в растворимое состояние. Оболочки зерна при насыщении водой становятся эластичными, промежутки между частями зерна заполняются водой, возникают расклинивающие усилия, ослабляющие связи между зародышем, оболочками и эндоспермом.

Для обеспечения стерильности среды, снижения в нем активности жизненных процессов при замачивании зерна используется слабый раствор сернистой кислоты. Присутствие сульфитов в воде повышает проницаемость оболочек зерна, быстрее проходит гидратация его внутренних структур. Вследствие растворения белковых веществ зародыша происходят и биологические изменения – зерно утрачивает способность к прорастанию. Присутствующие в замочной воде сульфиты взаимодействуют с дисульфидными группами белковых молекул, что повышает их реакционную способность и ускоряет гидратацию.

Оптимальной начальной концентрацией диоксида серы в замочной воде является 0,18 — 0,20 %, при этом создаются условия для стерильности длительного процесса замачивания и не ингибируется активность молочнокислых бактерий. За счет взаимодействия сернистой кислоты с компонентами зерна, минеральными и белковыми соединениями, азотистыми веществами, концентрация кислоты спустя 24 ч снижается до 0,01 %. В этих условиях возрастает активность молочнокислого брожения, в растворе повышается концентрация нелетучей молочной кислоты, которая сама является стерилизатором среды, что способствует гидролитическому расщеплению белков и повышению концентрации сухих веществ в экстракте.

Переход растворимых веществ зерна в экстракт проходит неравномерно. Наибольшая скорость накопления сухих веществ в экстракте наблюдается в первые 10 — 12 ч замачивания – в раствор переходит 60 % растворенных веществ. В последующие 30 — 40 ч степень перехода сухих веществ составляет 10 — 12 %, что объясняется снижением разности концентраций сухих веществ в зерне и жидкой фазе. Больше всего переходит в воду сухих веществ из зародыша, меньше – из оболочек и эндосперма.

Оптимальными условиями замачивания зерна, обеспечивающими наибольший выход крахмала высокого качества являются: температура 48 — 50 оС, начальная концентрация диоксида серы в поступающей замочной воде 0,15 — 0,20 %, продолжительность в зависимости от вида кукурузы и ее качества от 32 до 50 ч.

При снижении температуры в процессе замачивания ниже 45 оС активизируются другие микроорганизмы, вызывающие появление в растворе этилового спирта, масляной кислоты, что является недопустимым. При повышении температуры замачивания выше 52 оС интенсифицируется переход растворимых веществ зерна в экстракт, однако возникает реальная опасность клейстеризации крахмала, а также снижается активность молочнокислого брожения.

Концентрация диоксида серы в свежей замочной воде 0,15 — 0,20 % с точки зрения скорости набухания зерна обусловлена необходимостью поддержания рН среды в начале замачивания около 3,2, затем спустя 20 — 24 ч этот показатель достигает 3,9 — 4,1 и остается постоянным до конца процесса. Соответственно изменяется и концентрация диоксида серы – через 22 ч, она снижается до 0,012 %, но повышается концентрация в жидкой среде питательных веществ и создаются условия для активизации молочнокислых бактерий. Продолжительность замачивания существенно влияет на выход крахмала. Необоснованное ее увеличение вызывает изменение природных свойств крахмала, снижается вязкость клейстеров, увеличиваются неучтенные потери крахмала, возникают трудности регулирования кислотности среды и поддержание необходимого состава ее микрофлоры.

Необходимость увеличения продолжительности замачивания вызывается поступлением зерна, подсушенного в жестких искусственных условиях, а также недозрелого, пониженного качества, хранившегося в неблагоприятных условиях.

Замачивание зерна в производственных условиях проводится в непрерывном противоточном режиме в установке из нескольких замочных чанов (от 8 до 14), объединенных в батарею. Замочный чан – вертикальная цилиндрическая емкость с коническим днищем, изготовленная из особых древесных пород (лиственница, кипарис) или нержавеющей стали, железобетона вместимостью до 90т зерна. Чаны соединяются в батарею трубопроводами, обеспечивающими перекачивание замочной воды из одного чана в другой, или ее рециркуляцию в самом чане «на себя». Число операций по перекачиванию замочной воды «на себя» и в противотоке с зерном для каждого отдельного чана обычно составляет 8 — 10.

В противоточном режиме свежую замочную воды, содержащую сернистую кислоту (до 0,20 %), подают в последний чан («хвостовой»), в котором замачивание зерна уже практически завершено. Замочную воду из него перекачивают в следующий по загрузке зерна чан в батарее и далее в противотоке в сторону свежезагруженного зерном чана («головного»), из которого отбираются конечный экстракт и замоченное зерно. Часть этого экстракта направляется в следующий чан, а другая часть с содержанием сухих веществ 7 — 9 % на дальнейшую переработку, обычно на выпарную установку для его сгущения. Удельный отбор экстракта из замочной батареи составляет 80 — 100 % к массе сухих веществ зерна. Из замочной батареи при ее работе в противоточном режиме периодически выключают два чана – один для промывания замоченного зерна, второй – для его выгрузки.

Противоточное замачивание зерна обеспечивает высокую разность концентраций растворимых веществ в зерне и замочной воде, что способствует увеличению коэффициента диффузии сухих веществ зерна и их концентрации в экстракте, а также активизации молочнокислого брожения.

Замоченное зерно промывается горячей производственной водой с температурой 48 — 50 оС в течение 4 — 6 ч, после чего промывная вода поступает в отделение ее сульфитирования, а затем в последний («хвостовой») чан.

Зерно после замочной батареи с влажностью 42 — 46 % поступает на операции дробления и отделения зародыша. После правильно проведенного замачивания зерно должно быть сильно размягченным и легко раздавливаться от усилий пальцев рук.

Температурный режим при замачивании поддерживается за счет нагревания циркулирующей замочной воды в режиме работы «на себя».

Полный оборот каждого чана батареи включает следующие операции:

  • загрузка зерном с одновременной подачей замочной воды (1- 2 ч);
  • замачивание с периодической рециркуляцией «на себя» и откачиванием навстречу зерну (46 — 50 ч);
  • отбор экстракта из головного чана (1 ч);
  • промывание замоченного зерна водой (4 — 6 ч);
  • выгрузка замоченного зерна (до 4 ч);
  • профилактический осмотр чана и подготовка к загрузке (1 ч).

Весь комплекс перечисленных операций для каждого чана батареи проводится в течение 56 — 64 ч.

Замачивание зерна проводится производственной водой (промывная), насыщенной диоксидом серы до оптимальной концентрации в ней SО2. Диоксид серы получают на заводе путем сжигания серы в специальных вращающихся печах. Содержание SО2 в получаемом сернистом газе 8 — 10 %. Насыщается вода (ее температура около 40 оС) диоксидом серы в вертикальных полочных абсорберах, работающих под небольшим разрежением.

Дробление замоченного зерна, промывание зародыша

Первой операцией после замачивания зерна является его механическое дробление с целью последующего выделения зародыша в целом виде. Это необходимо сделать в самом начале технологического процесса, так как жир из поврежденного зародыша затрудняет выделение чистого крахмала, снижает его выход, способствует увеличению потерь крахмала в составе побочных продуктов (мезга, глютен). При замачивании зародыш становится эластичным, его связи со структурами зерна ослабевают, что позволяет относительно легко отделить зародыш от основной массы зерна.

Зерно из замочного отделения подается на станцию дробления с помощью гидротранспортера при соотношении зерно : вода равное 1:3. Для отделения из зерноводяной смеси возможных тяжелых примесей (частицы почвы, песок, металл, окалина) используется ее обработка в центробежном поле. Для этого на напорной линии подачи зерноводяной смеси устанавливаются гидроциклоны. Тяжелые посторонние примеси собираются в накопителе и выводятся через нижний сход, очищенная смесь зерна и воды отбирается через верхний отвод и направляется на водоотделитель – дуговое сито.

Сито рабочей площадью 1,4 м2, оснащенное колосниковой щелевой сеткой с шириной щелей 2 мм, позволяет перерабатывать до 600 т зерноводяной смеси в сутки.

Дробление зерна для освобождения целого зародыша проводится в две ступени с его промежуточным выделением. Зерно разрушается на машинах ударного действия (дробилки), оснащенных двумя дисками, один из которых вращается с частотой 985 мин-1.

Оба диска имеют жестко закрепленные рабочие органы в виде конусов или пирамид. Расстояние между рабочими органами дисков регулируется с целью сохранения постоянного зазора, исключающего возможность прохождения через него не разрушенного зерна.

При первом дроблении зерно разрушается на 4 — 6 частей с одновременным освобождением из мучнистой части эндосперма 20 — 25 % крахмала. Более интенсивное разрушение зерна на первой стадии дробления недопустимо, так как возникает опасность измельчения зародыша, что затрудняет его выделения из кашки и снижает производительность второй ступени дробления.

Полученная после первого дробления кукурузная кашка направляется на гидроциклоны, где за счет разницы плотностей из смеси выводится зародыш (верхний сход), а более тяжелые частицы структур зерна (нижний сход) поступают на дуговое сито для отделения избытка воды (отцеживание). Это сито оснащается колосниковой сеткой с шириной щелей 1,6 мм.

Кашка после дуговых сит поступает на вторую ступень измельчения, для чего используются аналогичные дробилки. Оптимальные условия разрушения обеспечиваются при влажности поступающей кашки не выше 75 %.

Производительность дисковых дробилок на первом дроблении до 200 т кукурузы в сутки, на второй ступени – 270 т/сут.

После первого дробления при установившемся оптимальном режиме измельчения содержание целых зерен в кашке не более 1 %, после второго — целых зерен не должно быть. Остаточное содержание связанного зародыша после второго дробления не более 0,3 %.

При первом дроблении из зерна освобождается около 80 % зародыша и 20 — 25 % зерен крахмала, после второго дробления – до 20 % зародыша и 10 — 15 % крахмала.

В составе общей кашки после первого и второго дробления имеется твердая и жидкая фазы. В твердой фазе – частицы измельченного зерна разного размера и формы, свободный зародыш, крупные и мелкие фрагменты оболочек зерна, зерна крахмала, частицы белка (глютен). Жидкая фаза в основном содержит воду и некоторую часть растворимых веществ зерна – различные углеводы, минеральные соединения, частицы белковых веществ.

Главной задачей операций выделения и промывания зародыша является практически полное его выделение из кашки в смеси с зернами крахмала, последующее отделение зародыша на различных ситовых аппаратах и окончательное промывание зародыша для удаления свободного крахмала.

С учетом разницы плотностей частиц зерна и зародыша его выделение из смеси обычно проводится на гидроциклонах, имеющих диаметр цилиндрической части от 200 до 550 мм, высоту конуса от 520 до 1650 мм. Производительность таких циклонов от 5 до 30 т кукурузы в час.

Исходная смесь подается тангенциально в цилиндрическую часть гидроциклона под давлением 0,25 — 0,30 МПа. За счет центробежной силы, возникающей при интенсивном вращении, смесь разделяется на две фракции – верхний сход включает зародыш и основную часть суспензии крахмала, в составе нижнего схода частицы зерна, оболочек, некоторая часть суспензии крахмала.

Для обеспечения максимального выделения зародыша смесь, подаваемая на гидроциклоны, должна иметь соответствующие величины концентрации крахмала и содержания твердой фазы. Степень выделения свободного зародыша при однократной обработке на гидроциклоне составляет 90 %, при двукратной – до 98 %.

Верхний сход после второй ступени гидроциклона для отделения от зародыша зерен крахмала направляется на сита для отцеживания и промывания. Для этого широко применяются низконапорные дуговые сита, оснащенные колосниковой сеткой из нержавеющей стали с шириной щелевых отверстий 2 мм. Необходимая степень промывания зародыша достигается при последовательной его обработке на трехступенчатой станции дуговых сит с противоточным движением воды. На третью ступень промывания подается сульфитированная вода, которая после отцеживания на дуговом сите насосом подается на второе сито и далее не первое. Производительность станции сит с единичной поверхностью фильтрования 1м2 составляет 200 т зерна в сутки.

После третьего промывания содержание свободного крахмала в отмытом зародыше не более 1 % к массе сухих веществ продукта, его влажность не превышает 72 %. Для дополнительного обезвоживания промытый зародыш обрабатывают на шнековом прессе – влажность при этом снижается до 60 %. Выход зародыша при такой схеме промывания составляет 7,0 — 7,5 % к массе сухих веществ кукурузы.

Измельчение кукурузной кашки, выделение крахмала

После выделения свободного зародыша кашка представляет смесь зерен крахмала, небольшой части растворимых веществ, фрагменты зерна кукурузы и оболочек в присутствии избытка воды. В результате двухступенчатого дробления зерно полностью не разрушается, в связанном состоянии остается примерно 60 % крахмала.

Для высвобождения крахмала, связанного белковыми матрицами в зерне кукурузы, кашка подвергается интенсивному измельчению в присутствии воды – мокрый помол. При этом прочные оболочки зерна разрушаются до частиц размером более 0,6 мм, образуя крупную мезгу. Менее прочные внутренние структуры зерна разрушаются до частиц меньших размеров (менее 0,6 мм) – мелкая мезга.

При измельчении кашки зерна крахмала, обладая эластичностью и достаточной прочностью, не подвергаются каким-либо разрушениям.

Белковые вещества внутренних слоев зерна кукурузы интенсивно разрушаются с образованием мелких частиц размером 1 — 2 мкм, что позволяет полностью освободить крахмальные зерна от удерживающих связей.

Измельчение кукурузной кашки с целью освобождения зерен крахмала проводится на машинах ударного действия. Разрушение всех структур зерна в них происходит за счет ударного действия, возникающего при встречном вращении двух рабочих дисков. На горизонтальном приводном валу с частотой 1460 мин-1 вращается ударный ротор, в его внутреннем пространстве в противоположную сторону вращается с частотой 2960 мин-1 центробежный ротор с лопастями.

Ударный ротор диаметром 920 мм оснащается измельчающими элементами – пальцами в количестве 72 шт., которые жестко закрепляются с помощью несущего стяжного кольца.

Центробежный ротор диаметром 800 мм выполнен из двух дисков, между которыми жестко закреплены 36 радиальных лопастей.

Исходная кукурузная кашка с помощью питателя поступает в центральную часть вращающегося центробежного ротора, захватывается лопастями и с большой силой отбрасывается на пальцы ударного ротора. За счет минимальных расстояний между пальцами и зазоров в рабочем пространстве исключается прохождение частиц продукта без мощного ударного воздействия.

При встречном движении относительная скорость вращающихся роторов достигает 190 м/с. Частицы измельченного зерна приобретают огромную скорость и для ее снижения внутри машины радиально жестко закреплены неподвижные статорные пальцы с шагом 32 мм. Встречаясь с поверхностью неподвижных пальцев, частицы зерна дополнительно измельчаются до необходимой крупности мокрого помола.

Производительность таких машин до 150 т кукурузы в сутки при содержании связанного крахмала в продукте после измельчения не более 16 %.

Измельченный продукт в водной среде содержит зерна свободного крахмала, часть растворимых веществ, частицы клетчатки разного размера – крупная и мелкая мезга и фрагменты белковых соединений.

С целью максимального выделения зерен крахмала в чистом виде полученная смесь направляется на последовательные операции отделения мезги, частиц белковых веществ и растворимых соединений.

Операция отделения и промывания мезги проводится на различных ситовых аппаратах в несколько ступеней в режиме противоточного движения с водой. Производственную воду (обычно глютеновую) сульфитируют до содержания 0,04 % SО2, подают в сборник перед ситом последнего промывания, разбавляют мезгу и направляют на последнее дуговое сито. Надситовой продукт (промытая мезга) направляется на центробежно-лопастное сито для предварительного обезвоживания, при этом влажность мезги снижается до 85 %. Следующее отделение воды из мезги проводится на шнековых прессах, где влажность снижается до 65 %, после чего прессованная мезга поступает в цех производства корма.

Подситовой продукт (прошедший через сито), содержащий в водной среде зерна крахмала и мелкую мезгу, направляется последовательно навстречу движению мезги от седьмой до первой ступени дуговых сит промывания. При прохождении мезги через все ступени дуговых сит за счет вымывания в воде накапливается свободный крахмал – образуется крахмальное молоко, содержащее до 5,5 % крахмала.

В настоящее время используются схемы совместного промывания крупной и мелкой мезги на станции дуговых сит, включающей семь ступеней. Все дуговые сита оснащаются капроновой ситовой тканью № 43 — 46.

Противоточное промывание мезги позволяет снизить остаточное содержание крахмала до 3 % к массе ее сухих веществ. Расход промывной (глютеновой) воды с температурой 47 — 50 оС составляет 290 — 320 % к массе сухих веществ исходного зерна кукурузы.

Полученное на станции дуговых сит крахмальное молоко содержит небольшое количество мелкой мезги – до 0,2 % к массе сухих веществ. Для ее отделения молоко направляют на рафинировальные дуговые сита, оснащенные капроновой ситовой тканью № 67 — 73 (размер отверстий в сите соответственно 99 — 87 мкм).

Надситовой продукт (мелкая мезга) направляется на окончательное промывание и затем в цех производства сухих кукурузных кормов.

Подситовой продукт (крахмальное молоко) содержит 11 -14 % мас. сухих веществ и характеризуется присутствием следующих компонентов (на 100 сухих веществ суспензии), %:

  • свободный крахмал 88 — 92;
  • белковые соединения 6 — 10;
  • растворимые вещества 3,0 — 5,0;
  • жир экстрагируемый 0,5 — 1,0;
  • минеральные соединения (зола) 0,2 — 0,4;
  • мелкая мезга 0,1.

В полученном крахмальном молоке в наибольшем количестве присутствуют белковые соединения, поэтому задачей следующей операцией является отделение указанных примесей.

Разделение крахмала и жиробелковых примесей

После промывания крахмала на рафинировальных ситах в наибольшем количестве в суспензии присутствуют примеси — жиры и белковые вещества в виде взвешенных частиц размером 1 — 2 мкм плотностью 1176кг/м3. Зерна крахмала имеют размеры 5 — 30 мкм и плотность 1530 кг/м3. Частицы мелкой мезги соизмеримы с зернами крахмала или несколько крупнее (до 45 — 60 мкм) и имеют меньшую плотность – 1300кг/м3. Соединения кукурузного жира в смеси представлены в виде эмульсии и в связанном состоянии с белковыми веществами. В зернах крахмала находится жир в связанном состоянии (гидролизный) в количестве 0,55 %. Возможным является присутствие в суспензии незначительных масс твердых частиц примесей в виде песчинок плотностью около 2000 кг/м3.

Основные компоненты крахмальной суспензии имеют различные плотности, что позволяет использовать разделение смеси в поле действия центробежных сил. Для этих целей наибольшее распространение получили центробежные сепараторы, оснащенные ротором с набором тарельчатых вставок. Разделение компонентов суспензии проходит почти мгновенно в тонком слое в межтарельчатом зазоре размером около 1 мм.

Центробежный сепаратор представляет закрытое устройство в виде барабана на вертикальной оси с пакетом тарелок на нем в количестве около 70. Тарелки диаметром 295 — 400 мм имеют отверстия, которые при сборке пакета образуют вертикальные каналы для прохода и распределения исходной суспензии. Барабан вращается с частотой 4200 — 5500 мин-1 от специального привода, что обеспечивает величину фактора разделения 4200 — 4800.

Очищаемая суспензия поступает сверху в центральный канал вращающегося барабана и равномерно распределяется в тонком слое межтарельчатого зазора. Тяжелые зерна крахмала в поле центробежных сил с наибольшей скоростью движутся к нижней поверхности тарелок и накапливаются на самом отдаленном от оси вращения радиусе, где имеются отверстия (периферийные дюзы) для отвода сгущенного схода – концентрированной суспензии крахмала. Дюзы имеют регулируемые сечения для отвода крахмальной суспензии, что позволяет сгущать ее до концентрации 36 -38 % мас. сухих веществ.

За счет давления постоянно входящей в сепаратор исходной крахмальной суспензии происходит вытеснение из рабочей зоны жидкой фазы, включающей более легкие частицы белковых веществ, мелкой мезги и растворимые вещества. Образующийся жидкий сход в количестве около 70 % объема входящей суспензии выводится из ротора через кольцевой канал.

В результате однократного разделения суспензии в сепараторе не удается полностью выделить из нее примеси белка. Поэтому применяются сепараторные станции, включающие четыре ступени последовательно работающих сепараторов. Сгущенный сход с каждой ступени разбавляют водой (осветленной глютеновой) и направляют на следующую обработку. Этим достигается более полное удаление примесей белковых веществ и растворимых соединений.

Жидкий сход со второй, третьей и четвертой ступени сепараторов направляется для разбавления сгущенного схода на первую, вторую и третью группу в режиме противотока.

Для предварительного отделения из крахмальной суспензии тяжелых посторонних примесей (окалина, мелкие песчинки) перед сепараторной станцией устанавливаются гидроциклоныпескоотделители, имеющие диаметр цилиндрической части 100 — 300 мм и производительность 8 — 50 м3/ч (по исходной суспензии крахмала).

После четырех ступеней обработки на сепараторах очищенная крахмальная суспензия содержит около 0,6 % белковых веществ и 0,3 % растворимых соединений к массе сухих веществ.

Для дополнительной очистки крахмала от жиробелковых примесей полученная суспензия обрабатывается на флотационной машине путем продувания через нее диспергированного воздуха.

Указанные примеси имеют в своем составе поверхностноактивные вещества, что способствует образованию на поверхности очищаемой суспензии слоя пены. Вместе с пенным сходом из крахмальной суспензии удаляется до 40 % белковых веществ и 70 % жира.

Жидкий сход после сепараторной станции, называемый глютеновая суспензия, содержит около 1 % мас. сухих веществ, в том числе 0,5 — 0,6 % взвешенных веществ. В их составе до 70 % белковых веществ, 15 — 20 % крахмала, 6 — 8 % жира. Для отделения указанных компонентов глютеновая суспензия обрабатывается на флотационной машине и в сепараторе-концентраторе, после чего осветленная глютеновая вода возвращается на различные операции (промывание зерна, его транспортировку, замачивание, промывание мезги).

Сгущенная фракция глютена, полученная в сепаратореконцентраторе, направляется в цех производства сухого кукурузного корма.

Промывание крахмала

После очистки на сепараторной станции в крахмальной суспензии находится некоторая часть примесей в виде растворимых веществ (0,25 — 0,3 %), белковых соединений (0,5 — 0,6 %), сернистой кислоты, что характеризуется повышенной кислотностью. В составе растворимых веществ присутствуют азотистые соединения, различные сахара, минеральные соли.

Для обеспечения последующей выработки продуктов стандартного качества (сухой крахмал, крахмальная патока, глюкоза, сиропы и др.) сырой крахмал подвергается окончательному промыванию. Для этого используется вакуум-фильтрационная установка или батарея гидроциклонов. После четырех ступеней сепараторов обычно проводится двукратная обработка крахмальной суспензии на вакуум-фильтрах в режиме противоточного промывания.

Крахмальная суспензия после сепараторов, содержащая 38 — 40 % сухих веществ, разбавляется фильтратом с вакуум-фильтров второй ступени до 25 — 28 % и направляется на первую ступень фильтрования. Образующийся на поверхности фильтровальной ткани слой крахмала срезается ножом, разбавляется в мешалке умягченной водой или охлажденным конденсатом с температурой 65 — 75 оС до концентрации 32 — 34 %. Полученная суспензия крахмала с температурой 40 — 45 оС подается на вторую ступень фильтрования.

Для снижения активности микроорганизмов в процессе промывания на вакуум-фильтрах содержание SO2 в исходной суспензии крахмала поддерживается около 0,03 %.

Очищенный сырой крахмал после второй ступени вакуумфильтров с влажностью около 50 % подается в цех выработки сухого крахмала и других продуктов.

Для обеспечения оптимальных условий работы вакуумфильтрационной установки в системе поддерживается разрежение 0,055 — 0,060 МПа, длительность нахождения крахмала в воде не менее 30 мин, температура суспензии в корыте вакуум-фильтров 40 — 50 оС, температура промывной воды на форсунки фильтра 70 — 75 оС. Расход воды для промывания составляет 150 — 170 % к массе сухих веществ крахмала, из них 50 — 70 % для промывания и 100 % для разведения суспензии после фильтрования.

После промывания на вакуум-фильтрах показатели крахмальной суспензии заметно улучшаются: кислотность снижается на 28 — 32 %, содержание крахмала к массе сухих веществ 98,4 — 98,7 % (доброкачественность), белковых веществ 0,4 — 0,5, растворимых веществ 0,10 — 0,15, золы 0,1 — 0,15, жира гидролизного 0,50 — 0,55, жира экстрагируемого 0,10 — 0,15 %. В сыром крахмале присутствуют примеси неустойчивых соединений – белок и жир, поэтому хранить его не рекомендуется, целесообразно сразу направлять на дальнейшую переработку.

При современной организации процессов переработки выход крахмала достигает 67 — 68 % к массе сухих веществ зерна кукурузы, коэффициент извлечения крахмала 94 — 96 %, выход зародыша 7,0 — 7,5 %. Потери крахмала с глютеном 16 — 18 %, остаточное содержание связанного крахмала в смешанной (крупной и мелкой) мезге не более 15 %, свободного – не более 3 %, в промытом зародыше не выше 8 % (к массе сухих веществ продуктов).

Использование воды в кукурузокрахмальном производстве

Технологические операции от транспортировки зерна кукурузы до заключительного промывания крахмала сопровождаются значительным потреблением воды. Усредненные величины потребления воды по станциям (% к массе сухих веществ зерна кукурузы):

  • транспортировка зерна и его замачивание 146,
  • промывание замоченного зерна 100,
  • промывание зародыша 120,
  • промывание мезги 300,
  • промывание зерен крахмала 190.

Норма расхода воды вследствие неравномерности ее потребления принимается для свежей – до 250 %, для повторно используемой – до 860 %.

В зависимости от схемы использования воды на технологические операции возможны два варианта работы кукурузокрахмального производства – незамкнутый и замкнутый.

При осуществлении незамкнутой схемы для замачивания зерна, промывания зародыша, крупной и мелкой мезги, сырого крахмала используется свежая вода. За счет значительных отводов в стоки производственных вод (замочная вода, осветленная глютеновая) без повторного использования с ними безвозвратно теряется более 10 % сухих веществ перерабатываемого зерна. Для очистки этих производственных сточных вод, содержащих значительные концентрации органических веществ, необходимы дорогостоящие специальные сооружения биологической очистки. Расход воды на все операции производства крахмала составляет до 1000 % к массе сухих веществ зерна.

В настоящее время предпочтительной является схема организации водного хозяйства в замкнутом контуре, по которой предусматривается многократное повторное использование свежей воды. По этой схеме свежая вода подается только на завершающую операцию – на промывание крахмала на вакуум-фильтрах или гидроциклонах. На всех предшествующих операциях потребляется производственная осветленная глютеновая вода. Эта вода, получаемая при концентрировании и обезвоживании глютена, нагревается до 45-50 оС, а направляемая для замачивания зерна обрабатывается диоксидом серы (сульфитируется).

При установлении расхода воды на операции строго соблюдается ее баланс исходя из того, что свежая вода вводится в производство только в составе влаги поступающего зерна и воды на промывание крахмала. Выводится вода из производства в составе экстракта, зародыша, глютена, мезги, сырого крахмала. Схема замкнутого водного хозяйства предусматривает многократное использование образующихся производственных вод, что позволяет повысить концентрацию сухих веществ в экстракте, снизить затраты тепловой энергии, уменьшить в несколько раз потери сухих веществ зерна с промывными водами, снизить расход диоксида серы.

Расход свежей воды на получение крахмала из кукурузы составляет по этой схеме не более 200 % к массе сухих веществ зерна.

Получение сухого крахмала, требования к его качеству

Вырабатываемый сырой крахмал не является товарным продуктом – он представляет полуфабрикат, из которого с применением соответствующих технологий и аппаратуры получают сухой крахмал, модифицированные крахмалы и др. Сырой крахмал содержит значительную долю влаги (около 50 %), что способствует протеканию нежелательных микробиологических процессов, вызывающих его порчу и непригодность для последующей переработки.

Для получения нормативных выходов готовой продукции из сырья (картофеля и кукурузы) и снижения невосполнимых потерь сырой крахмал целесообразно как можно быстрее перерабатывать до конечных продуктов стандартного качества. Технология получения сухого продукта одинакова для крахмала, выработанного из зерна кукурузы и картофеля.

Производство сухого крахмала включает следующие операции: предварительная подготовка сырого крахмала, удаление избыточной влаги путем центрифугирования, высушивание в различных сушилках, обработка крахмала после высушивания, упаковка и хранение сухого товарного крахмала.

Подготовка сырого крахмала заключается в дополнительном удалении из него растворимых веществ, золы, взвешенных механических примесей и мелкой мезги. Такой обработке обычно подвергаются партии сырого крахмала, поступившие с заводов с невысокой организацией технологических процессов.

Для выработки сухого картофельного крахмала высшего сорта содержание золы не должно превышать 0,35 %, мезги не более 0,1 %, кислотность не выше 18 см3 0,1 моль/дм3 раствора NаОН. Поступающий сырой крахмал разводится чистой водой до концентрации 20 % и очищается на сотрясательном сите (саржевая медная сетка № 50, отверстия 0,22 мм), затем для удаления мелкой мезги на дуговых ситах, оснащенных капроновой сеткой № 55, отверстия 0,13 — 0,15 мм. Завершающей стадией очистки является удаление части растворимых и взвешенных веществ на гидроциклонной установке или осадительных центрифугах. Очищенное крахмальное молоко с концентрацией 36 — 38 % подается на операцию обезвоживания.

В составе сырого крахмала имеется влага поверхностная и сравнительно легко удаляемая механическими способами. Энергетические затраты при этом примерно в три раза ниже, чем при использовании традиционной сушки с подачей сушильного агента – горячего воздуха.

Предварительное обезвоживание сырого крахмала проводится двумя способами – на центрифугах и вакуум-фильтрационной установке. Широко используются барабанные центрифуги с горизонтальным приводным валом (типа ФГН), в которых загрузка и выгрузка крахмальной суспензии выполняются в автоматическом режиме. За счет загрузки крахмальной суспензии в барабан центрифуги в режиме «перелива» достигается дополнительный эффект отделения различных примесей. Центрифуги оснащаются фильтрующей сеткой из нержавеющей стали № 56 — 120.

В центрифугах обеспечивается нормативная степень отделения воды при загрузке суспензии с концентрацией около 40 % и ее температуре 38 оС в течение 1 — 2 мин (с «переливом»).

Производительность центрифуг по сухому крахмалу 20 -24 т/сут, интервал изменения фактора разделения 700 — 1130, продолжительность полного цикла работы центрифуги 4,0 — 5,5 мин,  содержание влаги в крахмале после центрифуги: кукурузном – 34 -36 %, картофельном – 37 — 39 %.

При использовании для обезвоживания крахмала вакуумфильтров влажность продукта составляет: для кукурузного 46 -47 %, для картофельного – 50 %.

В крахмале после механического обезвоживания остается сорбированная, связанная влага, которую можно удалить только при ее переводе в паровую фазу. Конечная влажность сухого крахмала обусловлена его значительной гигроскопичностью и составляет для кукурузного 13, для картофельного 20 %.

Масса влаги, которая удаляется из крахмала для доведения его влажности до стандартной, рассчитывается по формуле (на 100 кг сырого крахмала)

Масса влаги, которая удаляется из крахмала для доведения его влажности до стандартной, рассчитывается по формуле (на 100 кг сырого крахмала) где W1 – влажность сырого крахмала перед высушиванием, %; W2 – влажность сухого крахмала, %.

При высушивании крахмала важно поддержание его максимальной температуры не выше 45 — 48 оС. Превышение этой величины может вызвать клейстеризацию крахмала, что является недопустимым.

Основные элементы сушильной установки крахмала при использовании горячего воздуха – устройство для нагревания сушильного агента (воздуха) до заданной температуры (калорифер); сушильная камера, где происходит интенсивный тепломассообмен и перевод влаги в паровую фазу; разделительные устройства для отделения зерен крахмала, улавливания крахмальной пыли из отработавшего воздуха, охлаждения крахмала, его просеивания; вентиляторная установка для подачи нагретого воздуха в камеру и удаления из нее отработавшего.

Используются, в основном, пневматические сушилки, в которых процесс сушки крахмала в вертикальной трубе в прямоточном режиме протекает практически мгновенно. При подаче горячего воздуха с температурой 140 — 150 оС вследствие высокой скорости восходящего потока (до 20 м/с) влага из крахмала удаляется, а его зерна не нагреваются выше порога клейстеризации.

На заводах эксплуатируются пневматические сушилки производительностью от 15 до 120 т сухого крахмала в сутки при расходе горячего воздуха от 10000 до 40000 м3/ч и потреблении греющего пара 0,7 — 1,0 кг на 1 кг сухого продукта.

После сушильной камеры поток крахмала и воздуха попадает в аэроциклоны, где отделяется основная масса сухого продукта, затем отработавший воздух вентилятором подается в скрубберпылеуловитель. В этом аппарате происходит дополнительное улавливание крахмала «мокрым» способом, что снижает запыленность отработавшего воздуха, выбрасываемого в атмосферу – эффект очистки воздуха не менее 99 %. В скруббер подается вода, в которой по мере улавливания крахмальной пыли повышается концентрация сухих веществ до 14 — 15 %, после чего суспензия отводится на переработку.

Сухой крахмал из аэроциклонов выводится через шлюзовые затворы и с помощью шнека направляется на последующие операции.

Завершающими стадиями получения сухого крахмала являются операции охлаждения, просеивания и упаковки. Охлаждение крахмала проводится в буратах-охладителях, после чего слипшиеся комочки крахмала (клейстеризованные зерна – крупка) измельчаются в центробежном бурате. Последний представляет собой вращающийся на горизонтальном валу цилиндр диаметром 820 и длиной 2500 мм, оснащенный рамками с капроновой тканью № 52 — 55, внутри которого имеются подвижные планкиизмельчители для разрушения комочков крахмала. Полученный продукт направляется на просеивание через призматический бурат, оснащенный капроновой сеткой № 55, затем в бункер для выравнивания температуры и на упаковку. Производительность одного центробежного бурата составляет до 700 кг крахмала в час.

На современных крахмальных заводах используются установки для плоского рассева крахмала. Представляют собой закрытые шкафы, оснащенные 12 горизонтальными ситовыми рамами с капроновой тканью № 60, совершающими кругообразные движения от привода. Образовавшаяся крупка разводится водой и возвращается в производственный цикл.

Все перечисленное оборудование является источником взрывоопасной крахмальной пыли, поэтому при производстве крахмала осуществляется централизованный ее отвод через систему воздуховодов на мокрый скруббер. Эффект отделения зерен крахмала при этом должен составлять не менее 99 %.

Сухой крахмал стандартной влажности может храниться в вертикальных силосах или в затаренном состоянии в мешках. Силосы имеют диаметр цилиндрической части 5,5 м, высоту 13,5 м.

Силосы оборудуются системами вентилирования кондиционированным воздухом.

Сухой крахмал упаковывается в новые льняные или джутовые мешки вместимостью 25 и 50 кг. Мешок заполняется на автоматизированных весах с точностью взвешивания не ниже ± 0,1 %. Проводится также мелкая фасовка на автоматах в бумажные или картонные пачки вместимостью от 100 до 1000 г с последующей упаковкой в коробки по 30 кг.

Мешки с крахмалом хранятся в складах с относительной влажностью воздуха не выше 75 % при температуре не более 10 оС на стеллажах, поднятых от пола на 150 мм. Укладка мешков в штабели не более 10 рядов по высоте.

Картофельный крахмал вырабатывают «экстра», высшего, первого и второго сортов; кукурузный – высшего, первого сорта и амилопектиновый.

Таблица 2 - Показатели качества кукурузного и картофельного крахмала различных сортов
Таблица 2 — Показатели качества кукурузного и картофельного крахмала различных сортов

При производстве сухого картофельного крахмала для расчетов принимаются следующие его потери (% к массе крахмала товарной влажности): в промывной воде 0,3; с крупкой 1,0; с распылом 1,0; итого 2,3.

При использовании современного оборудования при получении картофельного крахмала его потери заметно снижаются: при промывании – 0,3; с крупкой – 0,3; с распылом 0,4 %. Итого сумма потерь 1,0 % к массе крахмала.

Переработка побочных продуктов кукурузокрахмального производства

Побочные продукты кукурузокрахмального производства – мезга, глютен, жидкий экстракт и зародыш. Содержание сухих веществ в указанных продуктах (% на 100 сухих веществ зерна) при среднем составе кукурузного зерна составляет: мезга (крупная и мелкая) – 8,5 — 10,0; глютен – 9,7 — 10,2; экстракт – 7,0; зародыш – 7,4.

Основными ценными компонентами в них являются крахмал, белковые вещества, жир, клетчатка, растворимые углеводы, минеральные соединения. Мезга реализуется в сыром виде после механического обезвоживания в смеси с глютеном или без него. Целесообразно высушивание мезги, что увеличивает ее кормовую ценность и расширяет возможности дальнейшей переработки.

Глютен используется непосредственно в виде суспензии как корм на ближних фермах (подсобных хозяйствах). После высушивания глютен становится ценным белковым кормом.

Жидкий экстракт в смеси с мезгой и глютеном используется в качестве корма для сельскохозяйственных животных, а сгущенный экстракт – как добавка к корму и в качестве основного компонента питательных сред в микробиологической промышленности.

Зародыш высушивается с последующим выделением из него кукурузного масла.

Производство кукурузного масла

Зародыш, выделенный при производстве сырого кукурузного крахмала, является сырьем для получения кукурузного масла.

Его вырабатывают непосредственно на кукурузоперерабатывающих предприятиях или отгружают для переработки на масложировые заводы.

Кукурузный зародыш, поступающий в переработку в сыром или сухом виде, должен удовлетворять следующим требованиям (таблица 3).

Таблица 3 - Качество зародыша для производства кукурузного масла
Таблица 3 — Качество зародыша для производства кукурузного масла

Производство нерафинированного сырого кукурузного масла осуществляется по схеме двукратного прессования зародыша (рисунок  2).

Рисунок 2 - Принципиальная схема производства сырого кукурузного масла
Рисунок 2 — Принципиальная схема производства сырого кукурузного масла

Зародыш после обезвоживания на шнек-прессах высушивается, очищается на зерновом сепараторе от пелевы и грубых оболочек кукурузного зерна, взвешивается на автоматических весах и поступает в вальцовый станок для измельчения и разрушения структур растительных клеток, содержащих масло.

После вальцового станка получается мятка, которая увлажняется, подогревается в жаровне, установленной перед шнековыми прессами. Для отделения посторонних механических примесей зародыш проходит через сито и электромагнитные сепараторы, установленные перед вальцовым станком и жаровней.

Масло с прессов первого и второго прессования объединяется и направляется на операции очистки.

Жмых, полученный при первом прессовании, содержит более 20 % жира. Для более полного удаления жира из жмыха он предварительно измельчается. Сначала грубо при помощи ножей, установленных на прессе, затем в ломальном шнеке, после чего в дисковых дробилках и на двупарном вальцовом станке. Измельченный жмых подвергается гидротермической обработке в жаровне перед ступенью второго прессования.

После прессов окончательного прессования жмых измельчается и используется при производстве кукурузного корма.

Крупные частички прессованного жмыха, называемые крупнозерной осыпью, отделяются на ситах прессов, затем на вибрационных ситах.

Мелкая взвесь, содержащаяся в масле, отделяется с помощью осадительных центрифуг со шнековой выгрузкой осадка. Затем масло фильтруется на фильтр-прессах последовательно в горячем и охлажденном виде.

Очищенное сырое масло взвешивается и направляется в склад или на дальнейшую переработку.

Мелкая взвесь и крупная осыпь, задержанные на ситах, центрифугах и фильтр-прессах, возвращается в жаровню перед ступенью первого прессования.

Сушка, очистка и измельчение зародыша

Для высушивания сырого кукурузного зародыша применяются газовые барабанные или паровые конвейерные сушилки. Они работают в непрерывном режиме. В качестве теплоносителя в газовых барабанных сушилках используются дымовые газы, получаемые при сжигании мазута или природного газа.

Основным недостатком этих сушилок является возможность пересушивания и подгорание зародыша вследствие использования дымовых газов с температурой 400 °С и выше.

Сушка зародыша в паровых сушилках конвейерного типа проводится в более мягком режиме. К этому типу сушильных установок относится ленточная паровая сушилка СПК-90. В качестве теплоносителя в сушилках этого типа используется пар под давлением 0,6 — 0,7 МПа.

На выходе из паровых конвейерных сушилок зародыш имеет приятный светло-желтый цвет, а при высушивании горячими дымовыми газами – серый или серо-желтый. Температура высушенного зародыша после сушилки не должна превышать 90 оС, влажность – 3 — 4 %.

Поступающий на сушку зародыш содержит значительное количество пелевы и грубых оболочек зерна.

Очистка зародыша от этих примесей проводится на зерновом сепараторе. Для отделения частиц оболочек крупных размеров зародыш пропускается через сита с отверстиями диаметром 7 мм, фракция мелких примесей отделяется пневматической сепарацией.

Высушенный и очищенный зародыш должен содержать 6 -7 % пелевы. Ее присутствие в зародыше улучшает отделение масла при прессовании. При содержании пелевы менее 6 % процесс прессования зародыша ухудшается, более 7,5 % – увеличивается выход жмыха и потери масла.

Если после сепараторов содержание жира в пелеве превышает 10 %, то она вместе с зародышем повторно измельчается и направляется на прессование.

Чистый зародыш взвешивается на автоматических весах, проходит через магнитный сепаратор и направляется для измельчения на двупарные вальцовые станки с рифлеными валками.

Главная цель измельчения зародыша – разрушение оболочек маслосодержащих клеток, что способствует повышению выхода масла. Степень разрушения клеток не менее 80 %. В норме не менее 50 % частиц измельченного зародыша (масляничная мятка) должны проходить через сито с отверстиями диаметром 1 мм.

Подготовка мятки к прессованию и извлечение масла

Мятка увлажняется до 2,5 — 3,0 % и подогревается до 95 — 105 °С с целью частичной денатурации белковых веществ при нагревании и увлажнении, что позволяет уменьшить загрязнение масла белковыми веществами.

Подготовка мятки для первого прессования производится в специальной вертикальной шестичанной жаровне, установленной непосредственно над прессами.

После жаровни мятка с влажностью 4,5 — 5,5 % при температуре 85 — 90 оС поступает на формпресс для предварительного отжатия примерно 75 % масла. Полученное масло поступает в сборник, затем насосом перекачивается на вибрационное сито. Для отделения взвеси масло фильтруется на фильтр-прессах. Продолжительность цикла работы фильтр-пресса составляет 7 — 8 ч при избыточном давлении не более 0,4МПа.

Потери масла с осадком при фильтровании 0,3 — 0,4 % от общего его количества.

Измельченный жмых проходит через электромагнитный сепаратор и подается в жаровни, где подвергается гидротермической обработке перед вторым прессованием. После жарения масса имеет влажность 3 — 4% при температуре 110 — 115 оС.

Масло, полученное на второй ступени прессования, направляется на вибросито, а затем на фильтрование и очистку.

Кукурузное масло после первого прессования имеет более высокое качество по показателям цветности и кислотного числа и не имеет неприятного запаха. Поэтому на предприятиях большой производительности проходит раздельная очистка масла после первого и второго прессования.

Кукурузное сырое масло направляется на операции рафинирования для производства пищевого кукурузного масла.

Рафинирование кукурузного масла

Кукурузное масло для использования в пищевых целях подвергается дополнительной очистке (рафинирование).

Процесс рафинирования кукурузного масла включает следующие операции: гидратацию, нейтрализацию, отстаивание, промывание, высушивание, дезодорацию, фильтрование и охлаждение.

Гидратация масла — это обработка масла водой с целью удаления из него фосфатидов. В процессе гидратации фосфатиды, являясь гидрофильными соединениями, поглощают воду с образованием взвешенных хлопьев, выпадающих в осадок. Для этого в нагретое до температуры 45 — 50 °С масло вводится распыленная горячая вода – до 9 % к массе масла, перемешивается 30 мин для укрупнения хлопьев, которые осаждаются в течение 1 — 2 ч с последующим отделением.

Для снижения кислотности масла (нейтрализация) в аппарат при температуре 60 — 65 оС и активном перемешивании вводится распыленный раствор NaOH с массовой долей 18 — 20 % в избытке от 50 % до 300 % к теоретически необходимому количеству. Кислотность масла при этом снижается в 20 — 25 раз (до 0,12 -0,25 мг КОН).

Полученный после отстаивания осадок (соапсток) используется в производстве мыла, а так же, как пеногаситель в сахарном производстве.

Для удаления остатков мыла масло последовательно промывается раствором с массовой долей поваренной соли 8 — 10 %, нагретым до 90 — 95 °С, затем водой до полного его удаления. Высушивание масла проводится при остаточном давлении не более 21 кПа и температуре 90 — 95 оС.

Фильтрование и дезодорация масла необходимы для удаления взвешенных частиц и пахучих веществ. Масло фильтруется через двойную тканевую перегородку и слой бумаги. Дезодорация масла проводится продуванием через него перегретого пара температурой 180 — 185 оC при остаточном давлении не более 21 кПа в течение 5 — 11 ч.

После дезодорации масло постепенно охлаждается сначала до 100, затем до 20 — 25 оС и направляется на фасовку.

Рафинированное кукурузное масло должно иметь цветность не выше 20 мг йода, кислотность не более 0,4 мг КОН, содержание влаги и летучих веществ – до 0,1 %, фосфатидов – до 0,05 %.

Рафинированное масло используется в пищевых целях как высококачественное салатное и столовое, для получения майонеза, производства хлебобулочных изделий, при выработке консервированных продуктов. В составе масла имеются ненасыщенные жирные кислоты и витамин Е, что повышает его ценность как диетического продукта.

Кукурузное масло следует хранить в закрытой посуде и избегать прямого попадания солнечных лучей. Срок годности масла (со дня выработки) устанавливает изготовитель в зависимости от схемы производства, от температуры хранения, наличия потребительской упаковки и вида упаковочного материала. Обычно при комнатной температуре срок годности рафинированного масла не превышает 1 год.

Большое содержание в кукурузном масле ненасыщенных жирных кислот и жирорастворимых витаминов (например, витамина E) характеризует его ценность как пищевого и диетического продукта. Если кукурузное масло по качеству непригодно в пищу, т. е. из-за повышенной кислотности и цветности не может направляться для рафинирования, то такое масло используют как техническое (при производстве олифы, красок, мыла, для смазки форм и т. д.).

В зависимости от способа обработки, показателей качества и назначения кукурузное масло подразделяют на виды и марки (таблицы 4 и 5).

Таблица 4 - Виды и марки кукурузного масла
Таблица 4 — Виды и марки кукурузного масла
Таблица 5 - Марки кукурузного масла и их назначение по ГОСТ 8808-2000
Таблица 5 — Марки кукурузного масла и их назначение по ГОСТ 8808-2000

Нерафинированное кукурузное масло марки Р вырабатывают из кукурузных зародышей, полученных в крахмало-паточном или мукомольно-крупяном производстве. Рафинированное дезодорированное масло марок Д и П и рафинированное недезодорированное марки СК – из нерафинированного масла марки Р.

По органолептическим и физико-химическим показателям кукурузное масло должно соответствовать требованиям ГОСТ 8808- 2000 (таблица 6).

Таблица 6 - Органолептические и физико-химические показатели качества кукурузного масла в соответствии с ГОСТ 8808-2000
Таблица 6 — Органолептические и физико-химические показатели качества кукурузного масла в соответствии с ГОСТ 8808-2000

Производство сухого кукурузного корма

Сырьем для производства сухих кукурузных кормов являются побочные продукты крахмало-паточного производства – глютен, мелкая и крупная мезга, экстракт, а также побочные продукты производства кукурузного масла – жмых и пелева. В качестве добавок к корму используются также фильтрационные осадки паточного и глюкозного производств, зерновые отходы, получаемые с элеватора.

Кормовую ценность определяют глютен и жмых, в которых находится белковых веществ (на 100 % СВ) соответственно от 50 % до 70 % и от 25 % до 30 %. Мезга и пелева повышают показатель рыхлости корма и улучшают его усвояемость.

Смесь указанных компонентов используется непосредственно для кормления животных вместе с другими кормовыми добавками, а также для производства комбикормов.

Основные операции производства смешанного кукурузного корма покаазаны на рисунке  3.

Рисунок 3 - Схема производства смешанного сухого кукурузного корма
Рисунок 3 — Схема производства смешанного сухого кукурузного корма

Предварительно обезвоженные кормовые компоненты шнеком-смесителем подают в питатель сушильной установки. Влажность смеси должна быть не более 65 %.

Крупная и мелкая мезга промывается на дуговых ситах, отцеживается на центробежных лопастных ситах (ЦЛСК) до 15 — 18 % мас. СВ и обезвоживается на шнековых прессах непрерывного действия.

Кукурузный глютен концентрируется на центробежных сепараторах до 8 — 14 % мас. сухих веществ, и затем обезвоживается на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах.

Жидкий экстракт перед добавлением в корм предварительно сгущается в выпарных установках до 35 — 40 % мас. сухих веществ.

Полученная смесь компонентов высушивается в барабанных или в пневматических сушилках. Высушивание необходимо проводить не допуская подгорания корма и его загрязнения взвешенными веществами несгоревшего топлива. Температура газов на входе в сушильный аппарат выдерживается в пределах 400 — 450 °С, на выходе – 80 — 90 °С, при разрежении 294 — 392 кПа. Рациональным является двухступенчатое высушивание в двух последовательно установленных сушильных барабанах – на первой ступени до влажности 25 — 35 %, на второй – до влажности по стандарту.

Барабанные сушилки для высушивания имеют ряд недостатков: требуются большие производственные площади, продолжительность высушивания значительная (60 — 80 мин), что снижает качество корма. Кроме того, процесс высушивания в барабанных сушилках трудно автоматизировать.

Пневматические сушилки этих недостатков не имеют. Высушивание проходит очень быстро – всего несколько секунд. Корм хорошо разрыхляется и высушивается в одну ступень с частичной его рециркуляцией (до 50 %). Выдерживается непрерывный режим высушивания, что позволяет автоматизировать установку.

Сушка в пневматической сушилке осуществляется за счет подачи в режиме прямотока теплоносителя (дымовые газы температурой 400 — 420 °С) и сырого корма в вертикальную сушильную камеру. Скорость восходящего турбулентного потока в камере 15 — 17 м/с обеспечивает активный контакт и быстрое высушивание корма до конечной влажности. Сухой корм отделяется от отработавшего газа в циклонах, из которых газ с температурой около 150 оС отводится в атмосферу.

Качество сухого кукурузного корма должно соответствовать требованиям отраслевого стандарта ОСТ 18-291: влажность 12 %, содержание сырого протеина 19 %, цвет желтый или серый. Нормируются также кислотность корма, крупность помола, содержание ферропримесей и песка. Не допускается зараженность амбарными вредителями, должен отсутствовать плесневый запах.

В составе корма имеется 18 — 25 % крахмала, 7 — 9 % жира, минеральные соединения, что повышает его питательную ценность. В 100 кг корма содержится 125 — 135 кормовых единиц и 12 — 15 кг переваримого белка. По питательности и усвояемости кукурузный корм является одним из лучших концентрированных белковых кормов.

Переработка кукурузного экстракта

При замачивании кукурузного зерна получается побочный продукт – жидкий экстракт, содержащий около 7 % мас. сухих веществ. Жидкий экстракт имеет рН 4,2 — 4,4, что обусловлено значительным содержанием молочной кислоты (0,7 — 1,2 % при противоточном замачивании зерна), содержание диоксида серы в пересчете на сернистую кислоту 0,02 — 0,06 %. В составе экстракта имеются взвешенные примеси: крахмальные зерна, фрагменты оболочек зерна, которые перед выпариванием удаляются из экстракта декантацией в специальных отстойниках. Осадок из них периодически выводится в цех производства корма.

Экстракт сгущается под разрежением в трехступенчатой выпарной установке до содержания сухих веществ 35 — 40 % мас.

С учетом наличия в составе жидкого экстракта неустойчивых соединений (азотистые вещества, моносахара, небольшая остаточная фракция мелких зерен крахмала, белковые вещества) при выпаривании поддерживается пониженный температурный режим кипения: на первой ступени 90 — 95 °С, на второй – 75 — 80 °С, натретьей – 55 — 60 °С.

Вторичный пар III ступени выпарной установки поступает  через ловушку в барометрический конденсатор, где создается разрежение для обеспечения необходимого режима кипения экстракта по ступеням.

В составе экстракта имеются поверхностно-активные вещества, поэтому при выпаривании в аппаратах возможно образование пены, что в случае переброса кипящей массы приводит к потерям продукта с соковыми парами (с конденсатом).

Сгущенный экстракт с содержанием СВ около 40 % мас. используется в качестве белкового компонента (доля белка в нем 35 — 52 % на 100 % мас. СВ) при производстве кукурузного корма.

Кукурузный экстракт с более высоким содержанием СВ (42 -46 % мас.) используется как основное сырье в производстве антибиотиков, витамина В12, пекарских и кормовых дрожжей и другой микробиологической продукции.

По внешнему виду сгущенный экстракт имеет цвет от желтого до коричневого и представляет собой густую непрозрачную жидкость, способную при длительном хранении расслаиваться на два неодинаковые по составу слоя: верхний – более темный и нижний – более светлый.

Сгущенный кукурузный экстракт, поставляемый медицинской промышленности, в соответствии с ОСТ 18-206 должен иметь следующие показатели (таблица 7).

Таблица 7 - Требования к качеству сгущенного экстракта, % на 100 % мас. СВ
Таблица 7 — Требования к качеству сгущенного экстракта, % на 100 % мас. СВ

При хранении в открытой таре верхний слой сгущенного экстракта подсыхает и превращается в плотную пленку, предохраняющую продукт от порчи. Экстракт с содержанием СВ 48 % мас. может храниться без ухудшения качества до одного года.