СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА ПУТЕМ БРОЖЕНИЯ САХАРОВ
PROCESS FOR PRODUCING ALCOHOL BY FERMENTATION OF SUGARS

Область техники
Изобретение относится к физико-химическому способу усовершенствования получения спирта путем брожения сахаров, который включает создание поляризации в ферментативном бульоне при помощи электрического поля.
Уровень техники
Спирты представляют собой класс химических соединений, характеризующихся тем, что они содержат по меньшей мере одну гидроксильную группу (OH), и они широко используются в промышленности. Наиболее известным соединением данного класса является этанол или этиловый спирт. Он содержится в алкогольных напитках, чистящих средствах и фармацевтической продукции, и он широко используется в качестве химического растворителя; он также находит применение в качестве топлива для автотранспортных средств, что в настоящее время представляет собой его наиболее ценное и широко распространенное применение.
Способ получения этанола, как правило, основан на применении в качестве сырья сахарного тростника, но также он может быть реализован с применением различных зерен и источников сахара, таких как кукуруза, маниока, другие корнеплоды, сорго, пшеница, ячмень и мелассы, сироп, тростниково-сахарная багасса, картофель, молочная сыворотка и т.п.
Производство этанола обычно делят на 4 стадии: измельчение, ожижение, брожение и перегонка. Измельчение включает обработку сахаросодержащего сырья при помощи специального оборудования. На данной стадии получают бульон с высоким содержанием воды и сахаров.
Стадия брожения включает добавление некоторых видов дрожжей, которые вызывают превращение сахаров, содержащихся в растворе, в этанол. Данное превращение обусловлено действием ферментов. В результате проведения данной стадии получают сброженное сусло, часть общего объема которого уже претерпела превращение в этанол.
Затем сброженное сусло подвергают последней стадии, фракционной перегонке, и получают раствор, содержащий этанол и воду.
Стадией, имеющей наибольшее влияние на результат получения этанола и, следовательно, являющейся наиболее изученной, является брожение, также известное как спиртовое брожение, которое представляет собой химический процесс превращения сахаров, в основном сахарозы, глюкозы и фруктозы, в этанол. На данной стадии применяют микроорганизмы, обеспечивающие превращение сахаров в этанол.
Поскольку данный способ хорошо известен в существующем уровне техники, можно найти различные документы, описывающие способы проведения стадий, описанных выше. В целом способы нацелены на поиск идеальных видов микроорганизмов или их комбинаций для получения этанола, притом что применяемые способы характеризуются значительными потерями сырья (сахаров), что приводит к снижению эффективности способов.
Различные документы, касающиеся различных способов получения этанола, можно найти в патентной литературе. В патенте США №4451566 Дональд Б. Спенсер (Donald В. Spencer) описывает способы и оборудование для получения этанола из сбраживаемых сахаров с применением ферментов. Ферменты в последовательности, необходимой для превращения сахаров в этанол, располагают в определенных зонах. Раствор сбраживаемого сахара последовательно пропускают через указанные зоны и в последней зоне выделяют спирт. Кроме обеспечения большей эффективности реакции по сравнению с обычными способами, в данном документе предложено решение, являющееся трудоемким, сложным и трудноподдерживаемым.
В международной патентной заявке № WO 2007/064545 Брайан Бирмастер (Brian Burmaster) описывает способ повышения выхода этанола, сокращения времени брожения и снижения образования побочных продуктов путем наблюдения и контролирования окислительно-восстановительного потенциала в ферментаторе. Тем не менее, данный способ требует специфичного контролирующего оборудования и является трудноподдерживаемым, что делает способ дорогостоящим, хоть и более эффективным.
В международной патентной заявке № WO 2008/024331 Владимир Влад (Vladimir Vlad) описывает способ брожения в магнитном поле, который включает воздействие на биологический материал постоянного магнитного поля для проведения брожения биологического материала с получением ферментированного продукта. Реакцию брожения можно проводить в щелочной или кислой среде, и магнитное поле может быть положительным или отрицательным. В данном документе предложено применение магнитного поля для обеспечения более благоприятных условий для размножения клеток микроорганизмов. Кроме увеличения количества микроорганизмов в процессе спиртового брожения и, следовательно, увеличения выхода реакции, способ согласно данному документу требует постоянного мониторинга и полного контроля над реакцией, что делает способ дорогостоящим.
Учитывая ограничения существующего уровня техники, авторы настоящего изобретения разработали способ получения спирта путем брожения сахаров, обладающего преимуществами, такими как увеличение эффективности способа, с применением постоянной электрической поляризации при брожении.
Краткое описание изобретения
Способы получения спирта путем брожения сахаров уже известны специалистам в данной области. Тем не менее, все способы, применяемые для получения спирта путем спиртового брожения, либо имеют существенные недостатки с точки зрения выхода реакции брожения, приводя к потерям сырья (сахаров), либо требуют оборудования или процедур с высокой стоимостью реализации или обслуживания. Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного, недорогого физико-химического способа получения спирта путем брожения сахаров, характеризующегося высоким уровнем использования сырья (сахаров) и их побочных продуктов и, следовательно, увеличением выхода реакции брожения.
Способы брожения уже хорошо изучены и включают применение дорогостоящих материалов. Таким образом, одной из задач настоящего изобретения является обеспечение способа, который может быть легко реализован на существующих предприятиях с большей эффективностью процесса брожения сахара.
Подробное описание изобретения
В настоящем изобретении предложен физико-химический способ увеличения и улучшения выхода спирта при помощи изменений и улучшений стадии брожения растворов, содержащих сахар. Такие улучшения включают приложение электрического поля постоянного тока, вызывающего динамическую поляризацию сахаров, а также электролиз сусла, фактически протекающий за счет воды, содержащейся в сусле, являющейся почти полностью подкисленной.
Приложение электрического поля к обрабатываемому бульону (раствору, содержащему сахар) приводит к поляризации молекул сахаров, содержащихся в обрабатываемом бульоне. Образование таких электрических поляризаций увеличивает селективность молекул сахара, что приводит к увеличению выхода процесса.
Для обеспечения требуемой эффективности такой селективности процесс брожения следует начинать только после приложения электрического поля к обрабатываемому бульону. Брожение можно начинать после электрического ориентирования всех молекул.
Электроды, описанные в настоящем изобретении, представляют собой устройства, выполненные из проводящего металла.
Способ, описанный в настоящем изобретении, включает следующие стадии:
1. Приготовление емкости для обрабатываемого бульона, содержащей по меньшей мере 2 электрода;
2. Подключение электродов к источнику постоянного тока;
3. Приготовление бульона к брожению;
4. Заполнение емкости периодическим или непрерывным способом;
5. Подключение электродов для ориентирования молекул сахара;
В одном из аспектов настоящего изобретения оборудование снабжено устройствами для управления и поддерживания параметров брожения, таких как напряжение и сила тока.
Для оценки эффективности приложения электрического тока к ферментативному бульону проводили несколько испытаний. Один из примеров процесса, не ограничивающий объем правовой охраны настоящего изобретения, приведен ниже.
Пример способа получения этанола путем брожения сахаров
Способ, описанный ниже, включает не только приложение электрического поля к полученному бульону, но и все стадии получения этанола из сахарного тростника.
-4
Рассматривается современное предприятие, имеющее 12 (двенадцать) цистерн по 300000 литров, где указанный объем содержит массу из сахарного тростника, воду для замачивания и все химические реагенты, суммарное содержание которых составляет до 6×10 кг/л, или 180 кг на цистерну объемом 300000 литров.
После брожения и перегонки данное предприятие получает от 9 до 10% этанола на 300000 литров в каждой из цистерн, т.е. от 27000 до 30000 литров этанола на каждую загрузку цистерны.
К среде в каждой из цистерн прикладывали электрическое поле постоянного тока, что приводило к динамической поляризации сахарозы, а также к электролизу сусла, фактически протекающему за счет воды, являющейся почти полностью подкисленной. При протекании такого брожения в сочетании с электролизом образовывались два вида газов:
- газ, образующийся при брожении, представляющий собой пузырьки углекислого газа;
- газы, образующиеся при электролизе, в кислой среде они в основном находятся в виде ионов, а также присутствует небольшое количество других газов, образованных химическими элементами, содержащимися в сусле в очень низких концентрациях.
Это означает, что происходит увеличение объема газов в цистернах для брожения. Динамическая поляризация сахаров, а также увеличение объема газов и их реакционной способности приводит к образованию этанола и других соединений в увеличенных количествах по сравнению с традиционным спиртовым брожением.
Для иллюстрации настоящего изобретения термин TRS используется для обозначения «общего содержания восстанавливающих сахаров». Также применяют термин BRIX для обозначения содержания сахаров по шкале Брикса, ареометрической шкалы для измерения концентрации сахаров в конкретном растворе при конкретной температуре. Эти термины уже используются в существующем уровне техники и понятны специалистам в данной области.
pH в цистернах в начале брожения составлял примерно 4,5. BRIX сусла при брожении изменялся от 18 до 22 с содержанием спирта примерно 8%. Когда началось брожение, общее содержание восстанавливающих сахаров, TRS, вместе со значением BRIX снижалось, их концентрации падали, и рН сусла, который становился более кислотным, снижался до 3,5 при увеличении температуры. Температура сусла не должна расти, поскольку это приводит к росту микроорганизмов, потребляющих часть TRS, участвующих в процессе.
Аноды и катоды
3
Аноды и катоды являются геометрически идентичными. Они представляют собой трубки, согнутые в спираль, с листами между витками, размеры которых приблизительно равны диаметру трубок и которые должны быть выполнены из меди 99,9% чистоты. Они изготовлены в размерах, соответствующих имеющимся цистернам, достигают 10 (десяти) метров в диаметре и вмещают 1000 м сусла.
Функции АНОДОВ и КАТОДОВ в форме трубок включают:
- проведение постоянного катодного и анодного тока;
- обеспечение охлаждения сусла при помощи потока деминерализованной и деионизированной воды в замкнутом контуре, поддерживание температуры сусла не выше 35°C за счет воды в трубках катода и анода.
Форма спиралей зависит от формы цистерны, где должна находится как минимум одна пара анод-катод. Указанные спирали покрыты изоляционным материалом, который препятствует электрическому контакту между спиралями и стенками цистерн. Полярность тока, циркулирующего в указанных спиралях, может быть изменена для предотвращения осаждения анодных отложений на анодах. Расстояние между анодом и катодом зависит от силы тока и напряжения и автоматически изменяется в соответствии с изменениями pH.
Поскольку pH сусла становится кислотным, проводят автоматическое введение суспензии извести или других щелочей.
Технологические газы
2
2
2
2
2
Газ, образующийся при брожении, представляет собой CO (или углекислый газ), образование которого снижается при протекании процесса брожения. Практически полное прекращение образования CO означает, что почти весь сахар подвергся превращению и сусло готово к перегонке. Реакционноспособные газы находятся в основном в виде ионов, способны участвовать в процессе образования этанола и других продуктов. Они принимают различные формы и поддерживают рН примерно 4,5 и температуру ниже 35°C их концентрация оставаясь практически неизменными на всем протяжении процесса брожения, даже после прекращения образования CO в конце брожения. Таким образом, часть спирта непрерывно отводят в виде пара. Указанные пары спирта предпочтительно конденсируют и выделяют без пропускания через стадию перегонки конечного сусла. Это также позволяет улавливать почти весь CO, в настоящее время выводимый в атмосферу. Таким образом, выброс CO в атмосферу, составляющий примерно 1 кубический метр на каждый кубический метр этанола, значительно снижается.
Динамическая поляризация сахарозы
Поскольку молекулы сахарозы подвергаются динамической поляризации, они находятся в ориентированном положении, что облегчает их превращение.
Автоматизация процесса
При автоматизации процесса pH необходимо поддерживать на наиболее подходящем уровне на каждой из стадий брожения. Такой контроль осуществляется при помощи насосов, дозирующих раствор извести или его эквивалент, поскольку при протекании процесса происходит подкисление оставшегося сбраживаемого сусла. Из-за изменений pH в процессе брожения происходят изменений плотности электрического тока, которые измеряют и контролируют при помощи соответствующей системы в основном в периодическом процессе.
Специалистам в данной области понятно, что способ, описанный в настоящем изобретении, не ограничивается конкретными признаками процесса получения этанола и указанный способ можно распространять на все процессы брожения, известные в существующем уровне техники, что обеспечит эффективность, быстроту получения и увеличение выхода спирта.