СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛОВОГО СПИРТА ИЗ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF ETHYL ALCOHOL FROM GRAIN RAW MATERIAL

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к способу производства этилового спирта из зернового сырья.
Известен способ производства этилового спирта из зернового сырья, предусматривающий отделение шелухи от зерна, приготовление сусла из шелушенного зерна, сбраживание сусла непрерывно-поточным способом в батарее ферментаторов с последующим получением спирта и послеспиртовой барды, добавление к последней отделенной шелухи для использования в качестве кормопродукта, часть барды до смешивания с шелухой разделяют на два потока, один из которых на стадии водно-тепловой обработки смешивают с отделенным от шелухи зерном, а другой направляют на стадию брожения в каждый ферментатор (RU 2127760 С1, 20.03.1999).
Недостатками данного способа являются сложность и трудоемкость процесса, а также вывод части крахмала из основного технологического процесса производства этанола с отделенной шелухой.
Известен способ производства этилового спирта из зернового сырья, предусматривающий измельчение зерна, фракционирование его на шелуху и эндосперм, водно-тепловую обработку обеих фракций. Фракцию, содержащую шелуху, нагревают до 150-160°С, а затем охлаждают и гидролизуют смесью амилолитических и цитолитических ферментов, водно-тепловую обработку эндосперма проводят при 65-75°С, гидролизуют амилолитическими ферментами, стерилизуют, затем эндосперм дополнительно гидролизуют (осахаривают) и сбраживают, а полученное после основного гидролиза шелухи сусло разделяют на две части: твердую и жидкую, последнюю возвращают на стадию водно-тепловой обработки и ферментативного гидролиза эндосперма, а твердую - добавляют к послеспиртовой барде и используют в качестве кормового продукта (RU 2041950 С1, 20.08.1995).
Недостатками данного способа являются недостаточно высокое качество спирта из-за обработки фракции, содержащей шелуху, при высокой температуре с одновременными потерями части крахмала в этой фракции, большие затраты энергии из-за раздельной водно-тепловой обработки и ферментативного гидролиза фракции зерна и шелухи, сложность и трудоемкость процесса.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ получения этилового спирта из зернового сырья, включающий отделение фракции, содержащей шелуху в количестве 15 мас.%, от фракции, содержащей эндосперм, измельчение последней по двухступенчатой схеме дробления, с получением помола, характеризующегося 80-85%-ным проходом через сито диаметром 1 мм, смешивание измельченной фракции эндосперма с водой, ее водно-тепловую обработку, ферментативный гидролиз, сбраживание, выделение спирта из зрелой бражки, при этом перед разделением зерна на фракции проводят дополнительную предобработку сырья путем его увлажнения раствором ферментных препаратов цитолитического действия, отволаживания при 50-55°С с последующей сушкой до влажности 14-15,5%. Фракцию, содержащую шелуху, выводят из технологического процесса производства этилового спирта и используют после смешивания с послеспиртовой бардой для получения кормопродукта (RU 2162103 С1, 20.01.2001).
Недостатками данного способа являются многоступенчатость технологического процесса, предусматривающего установку дополнительного оборудования, использование значительных количеств дорогостоящих ферментных препаратов цитолитического действия.
Задачей настоящего изобретения является упрощение технологического процесса, снижение себестоимости этилового спирта за счет уменьшения затрат на ферментные препараты и сокращение энергозатрат за счет исключения стадий отволаживания и сушки зерна на этапе предобработки.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного технического решения, заключается в упрощении способа получения этилового спирта при сохранении его высоких качественных характеристик и интенсификации процесса сбраживания.
Технический результат достигается тем, что способ производства этилового спирта из зернового сырья включает осуществление процесса шелушения зерна с получением фракции шелухи в количестве 2-5 мас.% от общей массы зерна и фракции, содержащей эндосперм, измельчение фракции, содержащей эндосперм, смешивание измельченной фракции, содержащей эндосперм, с водой, ее трехступенчатую водно-тепловую обработку и ферментативный гидролиз, сбраживание, перегонку зрелой бражки с получением этилового спирта, при этом измельчение осуществляют по схеме замкнутого контура, предусматривающей пропускание фракции, содержащей эндосперм, через молотковую дробилку с последующим рассевом через сито диаметром 1 мм с получением прохода и схода, после чего проход направляют на смешивание с водой, а сход смешивают с новой порцией фракции, содержащей эндосперм, и подвергают повторному дроблению, процесс измельчения и рассева осуществляют многократно до получения 100%-ного прохода через сито с диаметром 1 мм всей исходной фракции, содержащей эндосперм.
В настоящем изобретении процент снятия фракции шелухи снижен по сравнению с ближайшим аналогом в 3-7,5 раз. Это позволяет при равных потерях крахмала с фракцией шелухи (до 1,5 мас.%) исключить многоступенчатую высокозатратную стадию биотехнологической предобработки зерна. При этом микробиологические характеристики сырья, определяющиеся в основном поверхностной микрофлорой зерна, улучшаются и находятся на уровне ближайшего аналога.
Замена традиционной двухступенчатой схемы измельчения на схему измельчения по замкнутому контуру позволяет при равных энергозатратах получать более тонкий равномерный помол, характеризующийся 100%-ным проходом через сито диаметром 1 мм против 80-85%-ного прохода, полученного по традиционной схеме. Общеизвестно, что переработка более тонкого помола в спиртовой отрасли приводит к повышению доступности крахмала сырья для последующей его водно-тепловой и ферментативной обработки, что сказывается на улучшении технологических показателей сусла и возможности сокращения длительности процесса брожения.
Стадия двухступенчатого дробления зерна предусматривает дробление зерна на молотковых дробилках первой ступени, рассев с получением прохода и схода, дальнейшее дробление схода на молотковых дробилках второй ступени с последующим смешиванием помолов, полученных на первой и второй ступенях.
В свою очередь, схема дробления по замкнутому контуру предусматривает только одну ступень молотковых дробилок. Зерно дробят, далее направляют на рассев через сито диаметром 1 мм с получением прохода и схода, проход используют далее в технологическом процессе (смешивают с водой), а сход смешивают с новой порцией исходного (неизмельченного) зерна и подвергают повторному дроблению на этих же дробилках. Процесс дробления и рассева осуществляют многократно до получения 100%-ного прохода через сито с диаметром 1 мм всего исходного зерна. При этом измельчение пробы, состоящей из исходного зерна и схода, дополнительно способствует разрушению последней, т.к. отдельные частички схода подвергаются удару как с корпусом машины, так и с целыми зернами. За счет этого идет более глубокое измельчение схода и получение более тонкого и равномерного помола, чем при использовании двухступенчатой схемы дробления.
Кроме того, неожиданно было обнаружено, что при сокращении процента снятия шелухи с 15 мас.% до 2-5 мас.% от общей массы зерна и использовании схемы дробления по замкнутому контуру, интенсифицируется процесс сбраживания, т.е. сокращается с традиционных 72 часов до 48-66 часов. Данный неожиданный эффект может быть связан с рядом факторов. Во-первых, с сохранением большей части собственных ферментов зерна, сосредоточенных в алейроновом слое, при пониженном проценте ее снятия (2-5 мас.% шелухи от общей массы зерна), и большем их переходе во фракцию шелухи при 15 мас.% снятия. Во-вторых, с сохранением большей части белков зерна, являющихся потенциальным азотным питанием для дрожжей. При этом известно, что периферийные части зерна содержат больше белка, чем зерновка в целом, и увеличение процента снятия шелухи обедняет сырье с позиции азотного питания. В-третьих, при использовании более тонкого и равномерного помола повышается атакуемость ферментами всех компонентов зерна, в том числе и белков.
В настоящем изобретении отделенную фракцию шелухи, в которой сосредоточены балластные компоненты зерна, в первую очередь, клетчатка, а также вся поверхностная микрофлора, полностью выводят из технологического процесса. В дальнейшем она может быть использована после брикетирования в качестве биотоплива непосредственно на спиртовом предприятии.
Характеристики послеспиртовой барды, полученной в способе по настоящему изобретению и по ближайшему аналогу, близки.
Способ осуществляют следующим образом.
Зерно подвергают шелушению с получением 2-5 мас.% от общей массы зерна фракции шелухи, которую выводят из дальнейшего технологического процесса, и фракции, содержащей эндосперм. Далее фракцию, содержащую эндосперм, измельчают по схеме замкнутого контура с получением помола, характеризующегося 100%-ным проходом через сито диаметром 1 мм. Для этого на начальном этапе работы дробильного отделения в молотковую дробилку направляют определенное количество фракции, содержащей эндосперм, зависящее от производительности молотковой дробилки. Далее проводят измельчение этой партии и рассев через сито диаметром 1 мм. Проход через это сито представляет собой мелкий помол, а сход с сита - грубую фракцию, которую возвращают вместе со следующей партией фракции, содержащей эндосперм, в молотковую дробилку. Далее такой замкнутый цикл измельчения проводят многократно до получения 100%-ного прохода через сито с диаметром 1 мм всей исходной фракции, содержащей эндосперм. При этом полученный проход смешивают с водой при гидромодуле 1:(3,5-4,0) и вносят амилолитические ферментные препараты разжижающего действия (α-амилазу) в количестве 1,5-2,0 ед АС/г условного крахмала с получением замеса. Далее замес подвергают трехступенчатой водно-тепловой и ферментативной обработке, включающей нагревание замеса до 50-55°С с выдержкой 30 минут при этой температуре, поднятие температуры до 65-70°С и выдержку при такой температуре в течение 1,5 часов, поднятие температуры до 95-98°С и выдержку при такой температуре в течение 1,5 часов с получением разваренной массы. Затем полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°С, вводят амилолитические ферменты осахаривающего действия (глюкоамилазу) в количестве 6,5-7,5 ед ГлС/г условного крахмала сырья и проводят окончательный ферментативный гидролиз (осахаривание) при температуре 56-58°С в течение 30 минут. Полученное при этом осахаренное сусло охлаждают до температуры складки, вносят засевные дрожжи и сбраживают непрерывно-поточным способом. Зрелую бражку затем перегоняют с получением этилового спирта, а послеспиртовую барду используют для получения кормопродукта.
Осуществление заявленного изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. В качестве исходного сырья используют пшеницу. 100 т пшеницы с крахмалистостью 55,5 мас.% и начальной влажностью 14,5% подвергают шелушению, при этом фракция шелухи составляет 2 мас.% от общей массы зерна, в нее переходит не более 0,5% крахмала исходного сырья. Оставшуюся фракцию, содержащую эндосперм, подвергают дроблению по схеме замкнутого контура. Образующийся помол, характеризующийся 100%-ным проходом через сито диаметром 1 мм, смешивают с водой, температура которой составляет 50°С, в соотношении 1:3,5. Далее в полученный замес вносят амилолитический ферментный препарат разжижающего действия (α-амилазу) в количестве 2,0 ед АС/г условного крахмала и проводят трехступенчатую водно-тепловую обработку и ферментативный гидролиз: при температуре 50-55°С в течение 30 минут (1 пауза), при температуре 65-70°С в течение 1,5 часов (2 пауза), при температуре 95-98°С в течение 1,5 часов (3 пауза). Затем полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°С, вносят ферментный препарат осахаривающего действия (глюкоамилазу) в количестве 7,5 ед ГлС/г условного крахмала и проводят окончательный ферментативный гидролиз (осахаривание) в течение 30 минут. Далее сусло охлаждают до температуры складки (20-25°С), вносят засевные дрожжи и проводят сбраживание в течение 66 часов. Полученную зрелую бражку направляют на перегонку (ректификацию)с получением этилового спирта. Выход спирта составляет 67,2 дал/т условного крахмала.
Пример 2. В качестве исходного сырья используют рожь. 100 т ржи с крахмалистостью 53,7 мас.% и начальной влажностью 13,8% подвергают шелушению, при этом фракция шелухи составляет 2 мас.% от общей массы зерна, в нее переходит не более 1% крахмала исходного сырья. Далее процесс ведут аналогично примеру 1. При этом длительность процесса сбраживания составляет 48 часов, а выход этилового спирта - 66,9 дал/т условного крахмала.
Пример 3. В качестве исходного сырья используют рожь. 100 т ржи с крахмалистостью 53,7 мас.% и начальной влажностью 13,8% подвергают шелушению, при этом фракция шелухи составляет 5 мас.% от общей массы зерна, в нее переходит не более 1,5% крахмала исходного сырья. Далее процесс ведут аналогично примеру 1. При этом длительность процесса сбраживания составляет 60 часов, а выход этанола - 66,7 дал/т условного крахмала.
Предлагаемый способ позволяет упростить технологический процесс получения этилового спирта при сохранении его высоких качественных характеристик, снизить себестоимость конечного продукта за счет экономии дорогостоящих дополнительных ферментных препаратов и снижения затрат на энергоресурсы, а также интенсифицировать процесс сбраживания сусла, увеличив тем самым оборачиваемость бродильного отделения.