ЛИНИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ГЛЮКОЗНО-ФРУКТОЗНОГО СИРОПА ИЗ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Полезная модель относится к пищевой промышленности в частности к оборудованию для получения глюкозно-фруктозного сиропа из крахмалсодержащего зернового сырья (пшеница, рожь, тритикале, ячмень).
Известен способ производства глюкозно-фруктозного сиропа, включающий приготовление суспензии крахмала с водой, внесение ферментного препарата термостабильной α-амилазы, нагрев крахмальной суспензии до температуры оптимальной для действия термостабильной α-амилазы и выдержка при этой температуре для клейтеризации и декстринизации крахмала, охлаждение полученной массы до температуры оптимальной для действия ферментного препарата глюкоамилазы, внесение в охлажденную массу ферментного препарата глюкоамилазы и проведение ферментативного гидролиза декстринизированного крахмала до глюкозы, очищение гидролизата от жиров и белков на сепараторах, деколоризацию гидролизата активным углем и ионообменными смолами, концентрирование гидролизата в многокорпусных выпарных установках до содержания сухих веществ 45-50%, ферментативную изомеризацию глюкозы во фруктозу при помощи ферментного препарата иммобилизованной D-ксилозо-кетоизомеразы (получение сиропа с содержанием фруктозы 42% на сухое вещество), очистка изомеризованного сиропа при помощи ионообменных смол и активного угля или хроматографическое разделение сиропа на Ca-ионообменной смоле с получением сиропа, содержащего 90% фруктозы на сухое вещество с последующей очисткой при помощи ионообменных смол и активного угля, концентрирование глюкозно-фруктозного сиропа под вакуумом до содержания сухих веществ 71% для сиропа, содержащего 42% фруктозы на сухое вещество или до содержания сухих веществ 80% для сиропа, содержащего 90% фруктозы на сухое вещество, упаковка готового продукта [Fred W. Schenck «Glucose and Glucose-Containing Syrups» in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2006, Wiley-VCH, Weinheim]. Недостатками данного способа является то, что в качестве сырья используется дорогостоящий чистый крахмал, предварительно выделенный из крахмалсодержащего сырья, а также образование в процессе реагентной регенерации ионообменных смол большого количества сточных вод. Кроме того, в процессе выделения крахмала из крахмалсодержащего сырья при вымывании крахмала на ситовых станциях также образуется большое количество сточных вод.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ производства ферментированного сладкого зернового продукта, предусматривающий увлажнение зернового сырья, содержащего целлюлозу и крахмал водой в количестве достаточном для поддержания ферментативной конверсии целлюлозы и крахмала в фруктозу, измельчение увлажненного зернового сырья, добавление в измельченную и увлажненную зерновую массу ферментных препаратов эффективно конверсирующих целлюлозу и крахмал до глюкозы и глюкозу в фруктозу, выдерживание увлажненного измельченного зернового сырья в контакте с ферментными препаратами в течение необходимого времени и при необходимой температуре для конверсии целлюлозы и крахмала в фруктозу, сохраняя необходимое количество крахмала для поддержания структуры и формы зернового продукта обогащенного фруктозой, сбор готового зернового продукта обогащенного фруктозой (патент US (11) 4859474, (22) 22.08.1989). Недостатками данного способа является недостаточная чистота получаемого продукта, так как в процессе приготовления ферментированного сладкого зернового продукта обогащенного фруктозой отсутствует стадия разделения увлажненного обработанного ферментными препаратами сырья на твердую и жидкую фракции и стадии ионообменной и адсорбционной очисток ферментированного увлажненного сладкого зернового продукта обогащенного фруктозой.
Целью настоящей полезной модели является удешевление производства глюкозно-фруктозного сиропа, повышение эффективности очистки глюкозно-фруктозного сиропа и уменьшение количества токсичных для окружающей среды сточных вод, образующихся в процессе выделения крахмала и регенерации ионообменных смол.
Технический результат полезной модели достигается за счет использования при производстве глюкозно-фруктозного сиропа декантерной центрифуги или фильтр-пресса, аппарата для промывания твердой фракции, установки микрофильтрации жидкой фракции гидролизата, установок ультрафильтрации для удаления частиц активного угля, установки ионообменного электродиализа и установки нанофильтрации.
В результате применения при производстве глюкозно-фруктозного сиропа декантерной центрифуги или фильтр-пресса и аппарата для промывания твердой фракции становится возможным использование в качестве сырья для глюкозно-фруктозного сиропа непосредственно зерна, а не предварительно выделенного из него крахмала, это приведет к удешевлению производства и полному исключению из технологической цепочки предшествующей технологии производства крахмала. Включение в линию по производству глюкозно-фруктозного сиропа установки микрофильтрации жидкой фракции гидролизата позволит повысить эффективность очистки фильтрата активным углем за счет снижения адсорбции частиц активного угля на поверхности крупных примесей. Использование установок ультрафильтрации позволит повысить эффективность последующих операций очистки за счет удаления частиц активного угля, которые могут повредить или закупорить мембраны для ионообменного электродиализа и нанофильтрации. Применение установки ионообменного электродиализа взамен ионообменных адсорберов позволит снизить объемы сточных вод, образующихся в процессе регенерации ионообменных смол и отказаться от хранения и использования кислот и каустической соды, применяемых для регенерации ионообменных смол, так как ионообменные смолы в ячейках установки ионообменного электродиализа постоянно регенерируются под действием электрического поля постоянного тока. Включение в линию по производству глюкозно-фруктозного сиропа установки нанофильтрации позволит селективно удалять ионы двух- и поливалентных металлов в частности ионы магния, добавляемые в глюкозный сироп в качестве активаторов фермента глюкозоизомеразы, используемого при производстве глюкозно-фруктозного сиропа, и токсичные ионы кобальта, являющиеся кофакторами глюкозоизомеразы, это связано с тем, что мембраны для нанофильтрации, благодаря наличию отрицательно заряженной поверхности, обладают свойством селективно задерживать ионы двух- и поливалентных металлов, но при этом пропускают нейтральные и малополярные молекулы массой менее 300 Да.
На чертеже показана принципиальная технологическая схема предлагаемой линии.
Линия производства глюкозно-фруктозного сиропа из крахмалсодержащего сырья содержит сборник сырья 1, воздушно-ситовой сепаратор для очистки зернового сырья от примесей, отличающихся по ширине и парусности от основного сырья 2, магнитный сепаратор для очистки от металломагнитных примесей 3, триер куколе- и овсюгоотборник для очистки от примесей, отличающихся по длине от основного сырья 4, сборник отходов 5, дробилку для измельчения зернового сырья 6, фор-смеситель для смешивания измельченного зерна с водой 7, аппарат для клейстеризации и ферментативной декстринизации замеса 8, вакуум-испаритель 9, аппарат для ферментативного гидролиза оклейстеризованного и декстринизированного замеса 10, декантерную центрифугу или фильтр-пресс для разделения гидролизата на твердую и жидкую фракции 11, установку микрофильтрации для удаления крупных примесей 12, аппарат для промывки твердой фракции 13, декантерную центрифугу или фильтр-пресс для отделения промывных вод от твердой фракции 14, сушилку для обезвоживания промытой твердой фракции 15, сборник кормового продукта 16, аппарат для обработки фильтрата активным углем для деколоризации фильтрата 17, установку ультрафильтрации для отделения коллоидных и взвешенных частиц, активного угля и белков 18, установку для ионообменного электродиализа удаления ионов примесей 19, установку вакуум-выпарную для концентрирования дилуата 20, реактор для изомеризации глюкозы в фруктозу 21, аппарат для обработки сиропа активным углем для деколоризации сиропа 22, установку ультрафильтрации для отделения частиц активного угля и нанофильтрации для удаления ионов магния и кобальта 23, реактор для разделения глюкозы и фруктозы на кальций-ионообменной смоле 24, установку вакуум-выпарную для концентрирования сиропа 25, сборники готового продукта 26 и 27.
В предлагаемой линии зерно из сборника сырья 1 подается в воздушно-ситовой сепаратор 2, в котором происходит очистка зерна от примесей, отличающихся от него по ширине и парусности, затем сырье поступает в магнитный сепаратор 3, где очищается от металломагнитных примесей, после чего поступает в триер 4 куколе- и овсюгоотборник, где очищается от примесей, отличающихся по длине от основного сырья. Отходы из воздушно-ситового сепаратора 3 и триера 4 поступают в сборник для отходов 5, а очищенное зерно поступает в дробилку 6, где происходит его измельчение до степени измельчения достаточной для проведения его ферментативной обработки. Измельченное сырье поступает в фор-смеситель 7, где смешивается с водой, подготовленной для использования в пищевой промышленности, в соотношении необходимом для оптимального протекания процессов ферментативной обработки сырья. Затем полученный замес поступает в аппарат для клейстеризации и ферментативной декстринизации крахмалсодержащего сырья 8, в который также дозируются ферментные препараты ксиланазы и термостабильной альфа-амилазы. Замес в аппарате для клейстеризации и ферментативной декстринизации крахмалсодержащего сырья последовательно нагревается до температур оптимальных для действия каждого из добавленных ферментных препаратов и температуры необходимой для клейстеризации крахмала, и выдерживается при каждой температуре в течение времени необходимого для протекания процессов ферментативной обработки и клейстеризации крахмала. В результате чего снижается вязкость замеса, а крахмал гидролизуется до декстринов. Оклейстеризованный и декстринизированный замес охлаждается в вакуум-испарителе 9 до температуры достаточной для протекания ферментативных процессов гидролиза (осахаривания) и подается в аппарат для ферментативного гидролиза оклейстеризованного и декстринизированного замеса 10, в который также добавляются ферментные препараты глюкоамилазы (амилоглюкозидазы) и пуллулоназы. В аппарате для ферментативного гидролиза оклейстеризованного и декстринизированного замеса 10 замес выдерживается в течение времени необходимого для протекания процессов ферментативной обработки, в результате чего большая часть декстринов, образовавшихся из крахмала, гидролизуется до глюкозы. По окончании процессов ферментативной обработки, полученный гидролизат подается в декантерную центрифугу или фильтр-пресс 11 для разделения на твердую и жидкую фракции. Затем жидкая фракция гидролизата подается в установку микрофильтрации 12, где очищается от крупных примесей. Твердая фракция гидролизата после разделения поступает в аппарат для промывки твердой фракции 13, где происходит смешивание ее с водой и экстрагирование водорастворимых углеводов (глюкозы). Затем суспензия твердой фракции гидролизата и воды также поступает в декантерную центрифугу или фильтр-пресс 14, где происходит отделение промывных вод от твердой фракции. После чего промывные воды также поступают в установку микрофильтрации 12, где смешиваются с жидкой фракцией гидролизата и очищаются от крупных примесей. Промытая твердая фракция гидролизата поступает в сушилку 15 и обезвоживается. Обезвоженная промытая твердая фракция поступает в сборник кормового продукта 16 и реализуется на корм скоту. Осадок, образовавшийся после пропускания жидкой фракции гидролизата и промывных вод через установку микрофильтрации 12, также подается в сушилку 15, где смешивается с промытой твердой фракцией гидролизата и обезвоживается, а фильтрат из установки микрофильтрации 12 поступает в аппарат для обработки активным углем 17, где выдерживается при температуре и в течение времени необходимого для его деколоризации. Обработанный активным углем фильтрат поступает в установку ультрафильтрации 18, где очищается от коллоидных и взвешенных частиц, активного угля и белков. Ретентант после установки ультрафильтрации 18 поступает в сушилку 15, где смешивается с промытой твердой фракцией гидролизата и обезвоживается, а пермеат подается в установку для ионообменного электродиализа 19, где очищается от ионов и примесей, ингибирующих ферментный препарат глюкозоизомеразу. Дилуат после установки ионообменного электродиализа 19, поступает в вакуум-выпарную установку 20, в которой происходит его концентрирование до содержания сухих веществ 50% и удаление кислорода. Полученный сироп поступает в реактор для изомеризации глюкозы в фруктозу 21, в котором происходит изомеризация части глюкозы в фруктозу на иммобилизованной на твердом носителе глюкозоизомеразе, при температуре необходимой для эффективного действия ферментного препарата глюкозоизомераза и в течение времени достаточного для получения сиропа, содержащего 42% фруктозы на сухое вещество сиропа. Затем полученный сироп поступает в аппарат для обработки сиропа активным углем 22, где происходит деколоризация сиропа. После чего сироп подается в установку последовательной ультра- и нанофильтрации 23, на ультрафильтрационных мембранах сироп очищается от частиц активного угля, а на нанофильтрационных мембранах сироп очищается от ионов двух- и поливалентных металлов (магния, кобальта и др.) 23. Образующийся в установке ультра- и нанофильтрации 23 ретентант утилизируют сжиганием, а пермеат направляют либо в реактор для разделения глюкозы и фруктозы на кальций-ионообменной смоле 24, либо в вакуум-выпарную установку 25, где сироп концентрируется до содержания сухих веществ 71%. Сироп, образующийся после прохождения пермеата через реактор для разделения глюкозы и фруктозы на кальций-ионообменной смоле 24, содержащий 90% фруктозы на сухое вещество также направляется в вакуум-выпарную установку 25, где концентрируется до содержания сухих веществ 80%. Готовые сиропы поступают в сборники готового продукта 26 и 27. Все процессы фильтрации, обработки активным углем, ионообменного электродиализа, изомеризации ведут при температуре, исключающей развитие микроорганизмов.
Полезная модель позволит удешевить производство глюкозно-фруктозного сиропа, так как за счет применения при производстве глюкозно-фруктозного сиропа декантерной центрифуги или фильтр-пресса и аппарата для промывания твердой фракции станет возможным использование в качестве сырья для глюкозно-фруктозного сиропа непосредственного зерна, а не предварительно выделенного из него крахмала, это приведет к снижению себестоимости сырья и полному исключению из технологической цепочки предшествующей технологии производства крахмала. Включение в линию по производству глюкозно-фруктозного сиропа установки микрофильтрации жидкой фракции гидролизата позволит повысить эффективность очистки фильтрата активным углем за счет снижения адсорбции частиц активного угля на поверхности крупных примесей. Использование установок ультрафильтрации позволит повысить эффективность последующих операций очистки за счет удаления частиц активного угля, которые могут повредить или закупорить мембраны для ионообменного электродиализа и нанофильтрации. Применение установки ионообменного электродиализа взамен ионообменных адсорберов позволит снизить объемы токсичных для окружающей среды сточных вод, образующихся в процессе регенерации ионообменных смол, и отказаться от хранения и использования кислот и каустической соды, применяемых для регенерации ионообменных смол, так как ионообменные смолы в ячейках установки ионообменного электродиализа постоянно регенерируются под действием электрического поля постоянного тока. Включение в линию по производству глюкозно-фруктозного сиропа установки нанофильтрации позволит селективно удалять ионы двух- и поливалентных металлов в частности ионы магния, добавляемые в глюкозный сироп в качестве активаторов фермента глюкозоизомеразы, используемого при производстве глюкозно-фруктозного сиропа, и токсичные ионы кобальта, являющиеся кофакторами глюкозоизомеразы, это связано с тем, что мембраны для нанофильтрации, благодаря наличию отрицательно заряженной поверхности, обладают свойством селективно задерживать ионы двух- и поливалентных металлов, но при этом пропускают нейтральные и малоподярные молекулы массой менее 300 Да.
Таким образом, предлагаемая линия, позволит снизить себестоимость глюкозно-фруктозного сиропа, повысить эффективность его очистки и уменьшить количество токсичных для окружающей среды сточных вод.