СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛОВОГО СПИРТА ИЗ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
METHOD OF ETHANOL PRODUCTION OUT OF STARCH-CONTAINING RAW MATERIAL

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к способам производства этилового спирта из крахмалсодержащего сырья.
Известен способ производства этилового спирта из крахмалсодержащего сырья, предусматривающий измельчение сырья, смешивание его с водой и препаратом α-амилаз при температуре 50-55°С, проведение тепловой гидродинамической и ферментативной обработки I ступени при температуре 65-70°С в течение 120-150 минут, при постоянном перемешивании, проведение тепловой гидродинамической и ферментативной обработки II ступени при температуре 80-95°С в течение 30-40 минут, при постоянном перемешивании, при переработке дефектного сырья предусматривается дополнительное прогревание зернового замеса острым паром до температуры 105°С, а при необходимости и до 130°С, охлаждение полученной массы, осахаривание массы ферментными препаратами, охлаждение осахаренного сусла, сбраживание сусла с последующей перегонкой образующейся бражки [Яровенко В.Л. Технология спирта / В.Л.Яровенко. - М.: Колос, Колос-пресс. 2002. - с.104-105, 186-187, 244-254, 325-372].
Недостатком известного способа являются затраты энергии на стерилизацию зернового замеса и низкий выход этилового спирта, обусловленный неполной клейстеризацией крахмала в ходе тепловой гидродинамической и ферментативной обработки с развитием кислотообразующей микрофлоры, контаминирующей полупродукты спиртового производства и образующей метаболиты, снижающие бродильную активность дрожжевой культуры.
С целью экономии тепловых и энергетических ресурсов предложена схема гидротермической и ферментативной обработки зернового замеса при следующих режимах: смешивание зернового помола с водой при температуре 50-55°С, последовательный нагрев и выдержка массы при 72-75°С и 80-83°С в течение 1,5 ч на каждой стадии и стерилизация зернового замеса при 105°С. Данная схема оптимальна как для действия амилолитических ферментов, так и с точки зрения экономии тепловых ресурсов. Наличие в схеме стерилизатора позволяет получать сусло, стабильное по микробиологическим показателям [Колдин Э.Н. Оптимизация процесса тепловой обработки зернового сырья / Э.Н.Колдин, О.А.Калинина, Т.Н.Гусева // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2003. - №4. -С.35-37].
Недостатком предложенной схемы является необходимость стерилизации зернового замеса при температуре 105°С, в результате чего происходят потери сбраживаемых углеводов от оксиметилфурфурольного разложения и реакции меланоидинообразования, кроме того при использовании данной схемы увеличивается расход пара на 20% и возрастают потери тепла с поверхности аппаратов обработки зернового замеса.
6
Производство спирта - сложный комплекс биотехнологических процессов, протекающих в условиях, благоприятных для развития микроорганизмов-контаминатов, количество которых в бродильных ферментерах может достигать до 10 КОЕ/мл, а в некоторых случаях и больше. Образующиеся в результате их жизнедеятельности метаболиты негативно влияют на дрожжи, в результате чего в зрелой бражке повышается количество несброженных сахаров и крахмала. Повышенное содержание низкомолекулярных соединений, накапливаемых посторонней микрофлорой, может также ухудшить качество спирта.
Известен процесс производства этанола, который включает приготовление крахмал- или сахаросодержащей водной ферментационной среды, к которой на стадии осахаривания или сразу после осахаривания добавляют гидроперит (комплексное соединение перекиси водорода и мочевины) в количестве, достаточном, чтобы существенно снизить уровень бактериальной контаминации, гидроперит оставляют в контакте с ферментационной средой на время, по меньшей мере, один час, достаточное, чтобы существенно снизить уровень бактериальной контаминации, после чего в ферментационную среду добавляют дрожжи, которые продуцируют фермент каталазу, катализирующую разложение выделившейся перекиси водорода на воду и кислород, и затем продолжают процесс брожения для образования этанола [СА №2300807 A1, 17.03.2000].
Недостатками данного способа являются дополнительные временные затраты на контакт гидроперита с ферментационной средой, необходимый для существенного снижения уровня микробной контаминации, недостаточная эффективность антимикробной обработки, так как ее проводят при температуре 30°С, снижение активности ферментов и подавление бродильной активности дрожжей в результате воздействия на них гидроперита, необходимость введения дополнительного оборудования для приготовления раствора гидроперита.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является снижение микробной контаминации полупродуктов спиртового производства, сокращение времени антимикробной обработки за счет совмещения ее с основной технологической операцией (тепловая гидродинамическая и ферментативная обработка), повышение эффективности антимикробной обработки за счет совместного действия перекиси водорода и высокой температуры, исключение стадии стерилизации, более полная клейстеризация крахмала, сокращение затрат энергоресурсов, повышение выхода этилового спирта.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства этилового спирта, включающем измельчение крахмалсодержащего сырья, смешивание его с водой и препаратом α-амилаз, тепловую гидродинамическую и ферментативную обработку полученного замеса I ступени, тепловую гидродинамическую и ферментативную обработку полученного замеса II ступени, осахаривание разваренной массы ферментными препаратами, охлаждение сусла, сбраживание сусла и перегонку образующейся бражки, на II ступени гидродинамической и ферментативной обработки за 20 мин до ее окончания в развариваемую массу крахмалсодержащего сырья вводят антисептик до концентрации 0,1-0,2% в водной фазе полупродукта. В качестве антисептика используют перекись водорода.
5
3
Добавление перекиси водорода на II ступени гидродинамической и ферментативной обработки эффективно снижает микробную обсемененность разваренной массы в результате совместного антимикробного действия химического и термического факторов. Уровень микробной контаминации разваренной массы снижается с 7·10 КОЕ/мл до 0·10 КОЕ/мл.
Добавление перекиси водорода на II ступени гидродинамической и ферментативной обработки способствует также более полной клейстеризации крахмала в результате окислительной деструкции крахмальных гранул и способности перекиси водорода образовывать водородные связи с гидроксильными группами глюкозных остатков, составляющих молекулу крахмала, что приводит к снижению количества нерастворенного крахмала в разваренной массе.
Пример 1 (контроль)
Данный пример воспроизводит способ, описанный в аналоге [Колдин Э.Н. Оптимизация процесса тепловой обработки зернового сырья / Э.Н.Колдин, О.А.Калинина, Т.И.Гусева // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2003. - №4. - С.35-37].
Получение этилового спирта осуществляли в лабораторном реакторе с мешалкой.
В качестве исходного сырья использовали зерносмесь рожь-пшеница, (содержание пшеницы 31,2%), влажностью 12,5%, крахмалистостью 57%. Зерносмесь в количестве 1,5 кг смешивали с дистиллированной водой в соотношении 1:3, ферментными препаратами Амилосубтилин Г3х из расчета 2,0 ед. АС на 1 г условного крахмала, Термамил СЦ (Novozymes) из расчета 300 мл/т условного крахмала и Шеарзим 500 Л (Novozymes) из расчета 30 мл/т условного крахмала и выдерживали при температуре 55°С в течение 20 минут. Далее замес нагревали при постоянном перемешивании со скоростью 120 об/мин до температуры 70°С и проводили гидродинамическую и ферментативную обработку I ступени в течение 90 минут, тепловую гидродинамическую и ферментативную обработку II ступени проводили при 83°С в течение 90 минут, стерилизацию замеса проводили при температуре 105°С в течение 30 минут, затем разваренную массу охлаждали до 60°С и осахаривали ферментным препаратом САН Супер 240 Л (Novozymes) из расчета 890 мл/т условного крахмала. Осахаренное сусло охлаждали и сбраживали промышленным штаммом дрожжей Saccharomyces cerevisiae (Allyeast superstart: Alltech. Inc. Nicholasville. Ky.) при температуре 30°C в течение 72 ч. Перегонку бражки осуществляли на лабораторной установке. Физико-химические и микробиологические показатели полупродуктов процесса получения этилового спирта представлены в табл.1.
Пример 2
Процесс получения этилового спирта проводили аналогично примеру 1, но стерилизацию зернового замеса при 105°С не проводили и сразу после окончания II ступени гидродинамической и ферментативной обработки зерновой замес охлаждали до температуры 60°С и подвергали осахариванию. Физико-химические и микробиологические показатели  полупродуктов процесса получения этилового спирта представлены в табл.1.
Пример 3
Процесс получения этилового спирта проводили аналогично примеру 1, но на II ступени тепловой гидродинамической и ферментативной обработки в развариваемую массу вводили перекись водорода до концентрации 0,1% в водной фазе полупродукта и выдерживали при температуре 83°С в течение 20 мин, стерилизацию зернового замеса при этом не проводили. Физико-химические и микробиологические показатели полупродуктов процесса получения этилового спирта представлены в табл.1.
Пример 4
Процесс получения этилового спирта проводили аналогично примеру 1, но на II ступени тепловой гидродинамической и ферментативной обработки в развариваемую массу вводили перекись водорода до концентрации 0,2% в водной фазе полупродукта и выдерживали при температуре 83°С в течение 20 мин, стерилизацию зернового замеса при этом не проводили. Физико-химические и микробиологические показатели полупродуктов процесса получения этилового спирта представлены в табл.1.
Таблица 1
Физико-химические и микробиологические показатели полупродуктов спиртового брожения
Наименование показателя
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Содержание микроорганизмов-контаминантов в разваренной массе, КОЕ/мл
7·10<sup>4</sup>±35000
8·10<sup>5</sup>±67000
0
0
рН осахаренной массы
5,75±0,02
5,74±0,02
5,69±0,02
5,67±0,02
рН зрелой бражки
3,45±0,02
3,33±0,02
3,74±0,02
3,78±0,02
Концентрация титруемых кислот в осахаренной массе в пересчете на уксусную, г/л
0,66±0,01
0,66±0,01
0,66±0,01
0,66±0,01
Концентрация титруемых кислот в зрелой бражке в пересчете на уксусную, г/л
6,89±0,01
10,44±0,01
4,68±0,01
4,62±0,01
Содержание несброженных углеводов в зрелой бражке, г/100 мл бражки
0,200±0,020
0,647±0,060
0,053±0,005
0,031±0,003
Содержание нерастворенного крахмала в зрелой бражке, г/100 мл
0,21±0,02
0,21±0,02
0,17±0,02
0,10±0,02
Содержание спирта в зрелой бражке, об.%
9,2±0,1
8,0±0,1
9,8±0,1
10,0±0,1
Таким образом, предлагаемый способ позволит повысить выход этилового спирта на 0,6-0,8 об.% за счет устранения негативного влияния инфицирующей микрофлоры и более полного растворения и ферментативного гидролиза крахмала, снизить энергозатраты на нагрев зернового замеса до температуры стерилизации и выдержку его при этой температуре, а также минимизировать потери сбраживаемых углеводов от оксиметилфурфурольного разложения и реакции меланоидинообразования вследствие снижения температуры обработки зернового замеса.