СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД ИЗ ЗЕРНА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛА
METHOD FOR PRODUCTION OF NUTRIENT MEDIA OF GRAIN FOR ETANOL PRODUCTION

Изобретение относится к спиртовой и биотехнологической промышленности, в частности к производству этилового спирта из зернового сырья.
Известен способ производства этилового спирта из зернового сырья, предусматривающий отделение шелухи от зерна, измельчение отделенного от шелухи зерна, смешивание его с жидкой фракцией, тепловую обработку смеси амилолитическими ферментами, стерилизацию массы, охлаждение ее, дополнительное ферментативное осахаривание, охлаждение до температуры брожения, сбраживание полученного сусла непрерывно-поточным способом в батарее ферментаторов с последующим получением спирта и послеспиртовой барды, добавление к последней отделенной шелухи для использования в качестве кормопродукта (Патент №2127760, МПК С12Р 7/06). Недостатками данного способа являются высокие затраты тепловой энергии, многостадийность и относительная сложность технологии и аппаратурного оформления процесса. Концентрация восстанавливающих сахаров (Рв) при гидромодуле 2,5 не превышает 17%, при выходе восстанавливающих от зерна не более 60%.
Известен способ производства этилового спирта из зернового сырья, предусматривающий приготовление замеса, водно-тепловую и ферментативную обработку массы, ферментолиз крахмала и сбраживание осахаренного сусла с последующим получением этилового спирта и послеспиртовой барды (Патент №2192469, МПК С12Р 7/06 - прототип).
Недостатками данного способа являются высокие энергозатраты, низкий выход восстанавливающих сахаров и неполное использование углеводов зерна.
Изобретение направлено на решение задачи увеличения выхода восстанавливающих сахаров и повышение выхода этанола из зерна, снижение энерго- и капитальных затрат.
Это достигается тем, что разжижение и осахаривание полисахаридов зерна (крахмала, целлюлозы и гемицеллюлозы) ферментными препаратами проводят одновременно с дезинтеграцией зерна в циркуляционном контуре виброкавитационными коллоидными мельницами до микрочастиц размерами 1-50 мкм при гидромодуле 1:1,8-3, дробленое или плющеное зерно вносят в реактор дробно в предварительно подготовленный раствор ферментных препаратов. Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена принципиальная технологическая схема получения питательной среды (сусла) из зерна для производства этанола. Обозначение: 1 - мерники растворов ферментов; 2 - вальцы; 3 - дозатор; 4 - ферментатор; 5 - виброкавитационная коллоидная мельница. Способ осуществляют следующим образом. Зерно сортируют, отделяя посторонние примеси, и подвергают раздавливанию на вальцах 2 или грубому дроблению до размеров частиц 3-4 мм. Раствор разжижающих и осахаривающих ферментных препаратов (целлюлазы, ксиланазы, α-амилазы, глюкоамилазы) готовят с концентрацией и объемом на все количество предполагаемого к переработке в реакторе 4 зерна при гидромодуле 1:1,8-3. Предварительно лабораторным анализом уточняют количество необходимых к вводу ферментных препаратов под помол зерна 50 мкм (и менее). Раствор ферментных препаратов подогревают до температуры, отвечающей оптимуму разжижающих ферментов (по паспортной характеристике препарата). Значение рН также доводят до оптимального значения, отвечающего паспортным данным на ферментный препарат. Далее в раствор дробно вносят подготовленное зерно при постоянном перемешивании мешальным механизмом и при включенной в циркуляционный контур виброкавитационной коллоидной мельнице 5. Поддерживают в реакторе 4 заданные значения температуры, а также контролируют степень измельчения и вязкость суспензии. В виброкавитационной коллоидной мельнице 5 зерно измельчается до микрочастиц с размерами 50-1 мкм, при этом полисахариды зерна (крахмал, гемицеллюлозы и целлюлоза) деструктируются до размеров, достаточно легкогидролизуемых ферментами. Время ферментации 3-4 часа. Далее повышают температуру до оптимальной для осахаривающих ферментов и проводят осахаривание в течение 2 часов при непрерывном перемешивании среды и включенной в циркуляционный контур виброкавитационной коллоидной мельнице 5.
Дробный ввод зерна (дозатор 3) в раствор ферментных препаратов позволяет проводить гидролиз полисахаридов при относительно больших дозах ферментов, а дезинтеграция зерна до размеров частиц не более 50мкм в виброкавитационном режиме одновременно активизирует их действие. При этом снимается проблема клейстеризации крахмала и образование вязких растворов. Гидродинамическое измельчение полисахаридов зерна в виброкавитационном режиме делает доступными их для деструкции ферментами до моносахаридов и дисахаридов. Это позволяет за счет механической деструкции и ферментолиза целлюлозы и гемицеллюлозы целлюлитическими ферментными препаратами (целлюлазами, ксиланазами) и крахмала амилолитическими ферментными препаратами ( амилазами, глюкоамилазами) более чем в 1,5 раза увеличить выход восстанавливающих сахаров от зерна и соответственно повысить выход целевого продукта - этилового спирта.
По окончании осахаривания готовое сусло передают на последующую переработку.
Концентрация восстанавливающих сахаров (Рв) в сусле составляет 22,4-27,8% при выходе их от зерна 88,8-89,6%, от суммы углеводов зерна 107-112% и выходе к крахмалу зерна до 170%, содержание сухих веществ 25-30%.
При переработке сусла на этиловый спирт вводят необходимые биоэлементы, доводят концентрации компонентов среды до регламентных и вносят спиртовые дрожжи, далее проводят процесс сбраживания по обычно принятой технологии. По завершении сбраживания этиловый спирт выделяют традиционными методами ректификации.
Пример 1. Дробленое зерно пшеницы вносили дробно в приготовленные 3 Гм раствора ферментных препаратов (целлюлазы, ксиланазы, амилазы, глюкоамилазы), доводили температуру до 70°С и рН среды 4,5 (оптимальных значений для разжижающих ферментов) и проводили ферментолиз полисахаридов (стадия разжижения) при непрерывном перемешивании и измельчении зерна в виброкавитационной коллоидной мельнице до размеров частиц менее 50 мкм. Время обработки 4 часа. Далее повышали температуру до 75°С, оптимальной для осахаривания деструктированных и перешедших в раствор полисахаридов (амилодекстрины, эритродкстрины, арходекстрины и другие растворимые формы полисахаридов). Время обработки 2 часа при непрерывном перемешивании и включенной виброкавитационной коллоидной мельнице. По завершении ферментации определяли концентрацию восстанавливающих углеводов (Рв), которая составила 22,4% при выходе редуцирующих веществ от зерна 89,6%; от суммы полисахаридов зерна - 112%.
Пример 2. В отличие от примера 1 - Гм 2,5; измельченное зерно вносили дробно в приготовленный раствор амилолитических ферментов. Концентрация Рв в ферментолизате составила 25,6%, выход Рв от зерна 89,6%; от суммы полисахаридов зерна - 108%.
Пример 3. В отличие от примера 1 и 2 - Гм 2,2; концентрация Рв - 27,8%; выход Рв от зерна - 88,8%; от суммы полисахаридов зерна -107%.
Результаты исследования традиционной технологии и предлагаемой представлены в таблице. Для сравнения при использовании традиционной технологии основные стадии процесса:
- измельчение зерна до размеров частиц 1 мм (проход через сито не менее 75-85%);
- приготовление замеса с гидромодулем 3-4;
- ввод разжижающих ферментных препаратов;
- разжижение крахмала зерна в две стадии;
- осахаривание деструктированного крахмала зерна вводом осахаривающих ферментов.
А при предлагаемой технологии можно выделить следующие стадии:
- грубое измельчение до 3-4 мм или раздавливание зерна;
- приготовление раствора разжижающих ферментных препаратов;
- дробный ввод зерна в раствор ферментных препаратов,
- мокрое измельчение до размеров частиц менее 50 мкм и ферментолиз (разжижение) полисахаридов зерна, включая крахмал, целлюлозу и гемицеллюлозу;
- осахаривание деструктированных перешедших в раствор полисахаридов.
Таблица
Сравнительные показатели традиционной и предлагаемой технологий ферментолиза зерна пшеницы для получения этилового спирта
Показатели
Традиционная технология
Предлагаемая технология
Гидромодуль
4-5
1,8-3
Концентрация Рв в ферментолизате, %
14-16
22,4-27,8
Выход Рв к крахмалу, %
110-111
165-172
Выход Рв от зерна, %
60
88,8-89,6
Выход Рв от полисахаридов зерна, %
71-73
107-112
Выход этанола от зерна, дал/т
33-36
42-45
Изобретение позволяет исключить стадии приготовления замеса, разваривания зерна, повысить в сусле концентрацию сахаров (Рв) с 14…16% до 22,4…27,8%, соответственно снизить затраты теплоэнергии на приготовление сусла. За счет ферментолиза не только крахмала, а и полисахаридов - целлюлозы и гемицеллюлозы до сбраживаемых моносахаридов и дисахаридов, выход сахаров от зерна увеличивается по сравнению с используемыми технологиями более чем в 1,5-1,6 раза, а выход этанола с 1 тонны зерна пшеницы до 42-45 дал, против 33-36 дал при используемых технологиях. Это позволяет с одновременным упрощением схемы повысить удельную производительность оборудования переработки зерна, снизить расход теплоэнергии в производстве этанола и затраты на создание мощностей.