Научное обеспечение контроля биотехнологических процессов производства этилового спирта

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ В ОТРАСЛИ

ТЕМА НОМЕРА

УдК 663.51; 663.551

научное обеспечение контроля биотехнологических процессов производства этилового спирта

Н. В. Шелехова,

канд. экон. наук; Л. В. Римарева,

д-р техн. наук, профессор, чл. -корр. РАН; В. А. Поляков,

д-р техн. наук, профессор, академик РАН

ВНИИ пищевой биотехнологии

0ля повышения эффективности производственных процессов, повышения качества и безопасно-шускаемой продукции необходим комплексный системный подход к контролю технологических и биохимических процессов производства этилового спирта, в основе которого должен быть заложен принцип предупредительного выявления опасных факторов на каждой стадии технологического процесса производства продукции и своевременного принятия мер с целью регулирования и стабилизации процесса.

Актуальность данной проблемы и ее недостаточная разработанность послужили предпосылкой для разработки современных инструментальных методов контроля всех стадий технологических процессов производства этилового спирта, необходимых для выявления опасных факторов, влияющих на качество и безопасность выпускаемой продукции.

Комплексная система предусматривает алгоритм контроля производства спирта этилового ректификованного с применением современных аналитических методов анализа, таких как газовая хроматография, хромато-масс-спектрометрия, капиллярный электрофорез, а также использование в процессе контроля информационных технологий, которые обеспечивают оперативное получение полной и достоверной информации о состоянии контролируемых процессов.

Объектами исследований были вода, замес, сусло, бражка, спирт-сырец, барда, лютерная вода, этиловый спирт. Результаты измерений обрабатывали с применением специализированных программных комплексов ПК «С2Н5ОН»,

ПК «КЭФ», разработанных институтом [1, 2]. Исследования проводили в производственной лаборатории с использованием газового хроматографа Agilent 6850 и системы капиллярного электрофореза PrinCE 560 с применением разработанных институтом современных газохроматографических и электрофо-ретических экспресс-методов анализа.

На основании проведенного системного анализа объектов и технологических процессов производства этилового спирта были установлены точки контроля (ТК) и определены экспресс-методы анализа продуктов и полупродуктов, образующихся на всех стадиях процесса производства, разработаны программные комплексы (ПО) для обработки результатов измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции с целью своевременного и оперативного принятия мер по предотвращению критических ситуаций, влияющих на качество и безопасность готовой продукции.

Разработаны современные инструментальные экспресс-методы контроля качественного и количественного состава воды, поступающей на спиртовое производство с одновременным определением ее жесткости, продуктов и полупродуктов, образующихся на различных стадиях производственных процессов, которые включены в национальные и межгосударственные стандарты:

• ГОСТ Р 55761-2013 «Замесы, сусло, бражка из пищевого сырья. Определение массовой концентрации катионов, анионов неорганических и органических кислот методом капиллярного электрофореза» (ТК 1 С, ТК 2 С, ТК3 С, ТК 4 С, ТК 5 С);

16 ПИВО и НАПИТКИ 2016

ТГЕХНОЛОГИЧЕСКИЕИННОВАЦИИ в ОТРАСЛИ

ТК 1 С

ВОДОПОДГОТОВКА

Исходная вода

Вода для производства

Na-

катионирование

ТК 1.1 С ТК 1.2 С ТК 1.3 С

А А

А А

ТК 2 С

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЗАМЕСА

X

Вода для замеса

Замес

I I ~

ТК 2.1 С ТК 2.2 С

А А

А А

ТК 3 С

РАЗВАРИВАНИЕ И ОСАХАРИВАНИЕ

Сусло

Солодовое молоко/ферменты

Осахаренное сусло

А А

А А

ТК 4 С

ДРОЖЖЕГЕНЕРАЦИЯ И БРОЖЕНИЕ

Питательная среда для дрожжей

Бражка

X

Зрелая бражка

А А

±АА

ТК 5 С

ОТГОНКА СПИРТА И РЕКТИФИКАЦИЯ

Спирт-ректификат

X

Лютер

х

Барда

X

Спирт-сырец

ТК 5.1 С

А А

ТК 5.2 С

ТК 5.3 С

ТК 5.4 С

А

Ч-

ТК 3.1 С ТК 3.2 С ТК 3.3 С

I I I ~~

ТК 4.1 С ТК 4.2 С ТК 4.3 С

Электрофоретический экспресс-метод одновременного определения массовой концентрации катионов, анионов неорганических и органических кислот в продуктах и полупродуктах спиртового производства

Газохроматографический экспресс-метод определения летучих органических примесей в бражке из пищевого сырья

Газохроматографический

экспресс-метод определения содержания летучих органических примесей в этиловом спирте-сырце из пищевого сырья и ПО для обработки результатов измерений

Электрофоретический

метод определения массовой концентрации летучих азотистых оснований в спирте этиловом из пищевого сырья и ПО для обработки результатов измерений

Рис. 1. Точки контроля и методы контроля технологических процессов производства этилового спирта

Скважина № 4

Скважина № 5

Умягченная вода

120 -

3 100 -

д

мг 80 -

е,

ани 60 -

жа

р е 40 -

д

о

С 20 -

0 -

ыыйййййцйн тдиииииеии

с^ с^ ао го о^^-оог ^

ыыыыыйййййцйн ыыыыый ииааинлцрннцм ииааин

йййцйн иииеии

Г & т: ^ ^

Рис. 2. Ионный состав образцов воды

• ГОСТ Р 55792-2013 «Бражка из пищевого сырья. Газохроматографиче-ский метод определения содержания летучих органических примесей» (ТК 4 С);

• ГОСТ 31684-2012 «Спирт этиловый-сырец из пищевого сырья. Газохро-матографический метод определения содержания летучих органических примесей» (ТК 5 С);

• ГОСТ 31810-2012 «Спирт этиловый из пищевого сырья. Определение массовой концентрации азотистых летучих оснований методом капиллярного электрофореза» (ТК 5 С) [3, 4]. При наличии неизвестных компонентов их идентификация проводится в соответствии с разработанной институтом методикой измерений МИ 10262.43-03 «Идентификация летучих органических примесей в продуктах и полупродуктах спиртового и ликерово-дочного производства методом хромато-масс-спектрометрии».

На рис. 1 приведены установленные точки контроля (ТК) на всех стадиях процесса производства и комплекс взаимосвязанных методик, использованных для разработки комплексной системы контроля технологических процессов спиртового производства.

В производственных условиях исследована возможность применения разработанных электрофоретических, газохроматографических методов определения состава воды, поступающей на спиртовое производство, продуктов, полупродуктов и отходов спиртового производства.

В производственных условиях методом капиллярного электрофореза в соответствии с ГОСТ Р 55761-2013 исследованы ионный состав образцов воды, используемой в спиртовом производстве, замеса, сусла, бражки, барды, лютерной воды (точки контроля ТК 1 С, ТК 2 С, ТК 3 С, ТК 4 С, ТК 5 С). Применение метода позволило провести мониторинг ионного состава исходной воды (рис. 2), определить ионный состав замеса, сусла, бражки и отходов спиртового производства: барды и лю-терной воды (рис. 3-7).

Исследования показали, что состав воды в скважинах № 4 и № 5 идентичный. В умягченной воде после №-катионирования преобладают ионы натрия, а ионы магния, кальция присутствуют в незначительных количествах, что демонстрирует эффективность во-доподготовки.

В результате исследования был установлен качественный и количествен-

0

I <

§

ш I-

Рис. 3. Результаты исследований образцов замеса, сусла, солодового молока, осахаренного сусла

Марганец, 0,14% пит|.й „ п -,гы

г \ Литий Хлориды, 2,76%^

Магний, 6,16%

Натрий, 0,71% Кальций, 1,50%

Калий, 14,84%

Аммоний, 0,03%

Фосфаты, 13,95%

Лактаты, 7,56%

Ацетаты, 2,22%

Нитраты, 0,05%

Сульфаты, 1,17% Оксалаты, 0,55%

Формиаты, 0,06% Фумараты, 0,51%

Малаты, 22,30%

Цитраты, 4,35%

Сукцинаты, 17,78%

Гликоляты, 3,34%

Рис. 4. Качественный и количественный состав катионов, анионов неорганических и органических кислот, содержащихся в зрелой бражке из зернового сырья

Ацетон, 0,1% Ацетальдегид, 1,9% \ Этилацетат, 1,1% 2-Фенилэтанол, 12,4% \ \ / Метанол, 0,0002% Капроновая к-та, 0,3% \ \ \ / Диацетил, 0,2%

1.3-Бутандиол, 0,1% \ \ \ \

Валериановая к-та, 1,3%. \\ --ГТЧнС 1-Пропа"ол, 7,0%

Фурфуриловый спирт, 4,1% Изовалериановая к-та, 0,6% L-2.3-бутандиол, 0,4%

Масляная к-та, 0,1% Изобутанол, 15,7%

Изомасляная к-та, 0,5% Фурфурол, 0,2% 0-2.3-бутандиол, 0,9% Уксусная к-та, 3,5%

Этиллактат, 0,2%

Изоамилацетат, 0% 1-Бутанол, 0,1%

Изоамилол, 49,4%

Рис. 5. Качественный и количественный состав образца бражки

ный ионный состав образцов замеса, сусла, солодового молока, осахаренно-го сусла (рис. 3).

Исследован состав зрелой бражки на содержание катионов, анионов неорганических и органических кислот методом капиллярного электрофореза (рис. 4).

В метаболизме дрожжей значимую роль играют катионы калия, натрия, кальция, органические кислоты [5]. Исследование органических кислот позволит проводить мониторинг процессов образования и трансформации органических кислот в процессе метаболизма дрожжей и спиртового брожения [6].

С применением метода газовой хроматографии в соответствии с ГОСТ Р 55792-2013 исследован дистиллят зрелой бражки, точка контроля (ТК 4 С).

На рис. 5 приведен качественный и количественный состав образца бражки 24 ч брожения.

Применение метода позволяет контролировать, на каких этапах происходит образование примесей, выявлять причины их возникновения, а также получать информацию о химическом составе бражки из пищевого сырья.

Для идентификации примесей, не идентифицированных методом газовой хроматографии в точках контроля ТК 4 С и ТК 5 С, возможно проведение исследования методом хромато-масс-спектрометрии в соответствии с методикой МИ-10-26243-03.

На рис. 6 и 7 представлен ионный состав отходов спиртового производства: барды, лютерной воды.

Результаты исследований могут быть использованы для контроля и регулирования состава барды и лютерной воды при повторном использовании в

18 ПИВО и НАПИТКИ 2016

ГГЕХНОЛОГИЧЕСКИЕИННОВАЦИИ в ОТРАСЛИ

Рис. б. Электрофореграмма барды

Рис. 7. Электрофореграмма лютерной воды

спиртовом производстве или поступлении на очистные сооружения.

Проведено газохроматографическое исследование образца спирта этилового — сырца (ТК 5 С) в соответствии с ГОСТ 31684-2012 (рис. 8).

Применение данного метода позволит выявлять зоны возникновения и накопления летучих органических примесей, оптимизировать процесс брагоректификации.

Анализ спирта этилового ректификованного (ТК 5 С), проводили в соответствии с ГОСТ 31810-2012. Содержание летучих азотистых оснований в анализируемом образце составляет

0.11 мг/дм3 б. с., что соответствует нормам. Вид фореграммы образца этилового спирта представлен на рис. 9.

Разработанная институтом система реализует комплексный подход к контролю процессов производства спирта и обеспечивает не только контроль готовой продукции, но и контроль продуктов и полупродуктов образующихся в процессе производства, основанный на применении инновационных электрофоретических, газохроматографических, хромато-масс-спектрометрических методов в комплексной системе контроля.

Использование разработанных современных инструментальных методов в системе контроля технологических процессов спиртового производства позволит контролировать, этапы образования вторичных примесей, выявлять причины их возникновения, а также получить наиболее полную информацию о химическом составе продуктов и полупродуктов спиртового производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Свидетельство № 2015615710 Российская

Федерация. Программный комплекс ПК

«С2Н5ОН-АНАЛИТИК»: свидетельство об

Ацетальдегид, 1%

Этилоктаноат, 0,14% Этиллаурат, 0,06% Этилдеканоат, 0,21% Этиллактат, 0,34% 2-Фенилэтанол, 1%

Ацетон, 0,03% Этилацетат, 2%

Этилформиат, 0,06% Изобутилацетат, 0,02% ' Метанол, 0,0003% 2-Пропанол, 0,04%

Изоамилол, 56%

1-пропанол, 21%

Изобутанол, 17%

Изоамилацетат, 0,2% 1-Бутанол, 0,1%

Рис. 8. Качественный и количественный состав летучих органических примесей спирта-сырца

Рис. 9. Вид фореграммы образца этилового спирта

офиц. Регистрации программы для ЭВМ / Н. В. Шелехова, В. А. Поляков, Л. В. Римарева; заявитель и правообладатель ФБНУ ВНИИ пищевой биотехнологии. — № 2015612021; заявл. 23.03.2015; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 22.05.2015. — 1 с.

2. Свидетельство № 2011611691 Российской Федерации. «Программный комплекс ПК «КЭФ»: свидетельство об офиц. регистрации программы для ЭВМ / Шеле-хова Н. В., Поляков В. А., Римарева Л. В., Шелехова Т. М., Веселовская О. В.,

0

1 <

s

ш h

ТЕХНОЛОГИНЕОКИЕИННОВАЦИИ в ОТРАСЛИ

Скворцова Л. И., Космынин А. В., Овчинников О. А.; заявитель и правообладатель ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии Росс. Академии сельскохозяйственных наук. — № 2010618134; заявл. 23.12.2010; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 22.02.2011. — 1 с.

3. Поляков В. А., Мицен В. Е., Шелехова Т. М., Веселовская О. В., Скворцова Л. И., Овчинников О. А., Космынин А. В., Шелехова Н. В. Способ определения ионного состава жидких сред // Патент РФ № Госре-

естре изобретений РФ 27.12.2007. — Бюл. № 36 — 5 с.

4. Поляков В. А., Мицен В. Е., Шелехова Т. М., Веселовская О. В., Скворцова Л. И., Овчинников О. А., Космынин А. В., Шелехова Н. В. Способ определения примесей летучих азотистых оснований в промежуточных продуктах спиртового производства, этиловом спирте и алкогольных напитках // Патент РФ № 2320973, Заявка № 2006123546. Приоритет от 04.06.2006. Регистрация в Госреестре изобретений РФ 27.03.2008. — Бюл. №9 — 5 с.

5. Римарева, Л. В. Теоретические и практические основы биотехнологии дрожжей / Л. В. Римарева // Учебное пособие. — М.: ДеЛипринт. — 2010. — 252 с.

6. Серба, Е. М. Исследование метаболитов, сопутствующих синтезу этанола при сбраживании концентрированного зернового сусла осмофильным штаммом дрожжей Saccharomyces Cerevisiae / Е. М Серба [и др.] // Производство спирта и ликеро-водочных изделий. — 2013. — № 2. — С. 16-19. &

Научное обеспечение контроля биотехнологических процессов производства этилового спирта

Ключевые слова

инструментальные методы анализа; информационные технологии; качество и безопасность; контроль технологических процессов производства спирта; продукты и полупродукты.

Реферат

Важными с точки зрения осуществления контроля являются новые подходы к контролю качества и безопасности производства спирта, которые предусматривают не только определение качества готовой продукции, но и контроль продуктов и полупродуктов, образующихся на всех стадиях процесса производства. Это связано с необходимостью соблюдения международных правил и современных требований к обеспечению безопасности и качества продуктов питания. Решение этих проблем требует разработки комплексной системы контроля производства этилового спирта и современных экспресс-методов определения качественного и количественного состава продуктов и полупродуктов спиртового производства, так как при их отсутствии предупредительное выявление опасных факторов и регулирование производственными процессами невозможно. В настоящее время особенно актуальной становится разработка современных экспресс-методов контроля биохимических и технологических процессов производства этилового спирта, так как их отсутствие значительно усложняет проведение научных исследований и разработку мер по оптимизации и регулированию процессов брожения. Для исследования состава сложных биологических смесей (замесы, сусло, бражка, барда, сточные воды) институтом разработаны газохроматографические, хромато-масс-спектрометрические и электрофоретические методы анализа с использованием современного аналитического оборудования. В статье представлены результаты апробации в производственных условиях, разработанных институтом современных инструментальных экспресс-методов анализа, которые необходимы для функционирования Комплексной системы контроля всех стадий технологических процессов генерации дрожжей и спиртового брожения. Разработанная институтом система реализует комплексный подход к контролю процессов производства спирта и обеспечивает не только контроль готовой продукции, но и контроль продуктов и полупродуктов образующихся в процессе производства, основанный на применении инновационных электрофоретических, газохроматографических, хромато-масс-спектрометрических методов в комплексной системе контроля. Использование разработанных современных инструментальных методов в системе контроля технологических процессов спиртового производства позволит контролировать, этапы образования вторичных примесей, выявлять причины их возникновения, а также получить наиболее полную информацию о химическом составе продуктов и полупродуктов спиртового производства.

Авторы

Шелехова Наталия Викторовна, канд. экон. наук;

Римарева Любовь Вячеславовна, д-р техн. наук, профессор, чл.-корр. РАН;

Поляков Виктор Антонович, д-р техн. наук, профессор, академик РАН

ВНИИ пищевой биотехнологии,

111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4 Б, satella@mail.ru

Scientific Ensuring of Control Biotechnological Processes of Production of Ethyl Alcohol

Key words

instrumental methods of analysis; information technology; quality and safety; control of technological processes of alcohol production; products and intermediates.

Abstract

Important from the point of view of control are the new approaches to monitoring the quality and safety of alcohol production that involve not only determining the quality of the finished products and control products and intermediates formed at all stages of the production process. This is due to the need to comply with international regulations and modern requirements for ensuring the safety and quality of food. The solution of these problems requires the development of a comprehensive system of control of production of ethyl alcohol and modern express-methods of determining the qualitative and quantitative composition of products and intermediates in alcohol production, as if no warning identification of hazards and regulation of production processes is impossible. Currently particularly relevant is the development of a modern express-methods of control of biochemical and technological processes of production of ethyl alcohol, as their absence greatly complicates the research and development of measures for optimization and regulation of fermentation processes. To study the composition of complex biological mixtures (premixes, mash, mash, stillage, wastewater) developed by the institute of gas chromatography, chromato-mass-spectrometric and electrophoretic methods of analysis using modern analytical equipment. The article presents the results of testing under production conditions developed by the Institute of contemporary instrumental express methods of analysis that are necessary for the functioning of the Integrated system control of all stages of technological processes of generation of yeast and alcoholic fermentation. Developed by the institute, the system implements an integrated approach to the control of processes of production of alcohol and provides not only the control of the finished product, but also control products and intermediates formed in the production process based on the use of innovative methods of gas chromatography, chromato-mass-spectrometric and electrophoretic methods in the integrated control system. The use of modern instrumental methods in the control system of technological processes in alcohol production will allow to control, stages of formation of secondary impurities, to reveal their causes and to obtain the most complete information about the chemical composition of products and intermediates in alcohol production.

Authors

Shelekhova Nataliya Viktorovna, Candidate of Economic Science; Rimareva Lubov Vyacheslavovna,

Doctor of Technical Sciences, Professor, Corresponding Member of the RAS; Poliakov Viktor Antonovich,

Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of the RAS; All-Russian Research Institute of Food Biotechnology, 4b Samokatnaya St., Moscow, 111033, Russia, satella@mail.ru

20 ПИВО и НАПИТКИ 2016