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, в качестве которого используют кукурузу, предусматривающий очистку зерна от примесей, первичное измельчение, фракционирование (отделение фракции зародыша от фракции эндосперма), дополнительное измельчение, приготовление замеса путем смешивания измельченного сырья с водой, водно-тепловую обработку замеса, охлаждение, осахаривание разваренной массы и сбраживание полученного сусла с получением бражки и ее дальнейшей перегонки (Темиров М.М. Использование технологии глубокой переработки кукурузы для спиртового производства // Производство спирта и ликероводочных изделий, 2010, №4, с.27-28).
Недостатками данного способа являются существенные потери крахмала с выделяемой фракцией зародыша, установка дополнительного оборудования на стадии подготовки зерна вместо молотковой дробилки. Кроме того, получаемые среды являются нетехнологичными в производстве этанола.
За рубежом широко известны различные способы получения этилового спирта из зернового сырья, в качестве которого применяют кукурузу, в которых также на стадии подработки проводят фракционирование зерна, т.е. отделение фракции эндосперма от фракции зародыша, богатой кукурузным маслом, с дальнейшей переработкой фракции эндосперма на этиловый спирт (WO 2008100837 A3, 21.08.2008). Известен способ получения этанола из кукурузы, где на этапе разделения зерновки на фракции зародыша, перикарпия и эндосперма проводят дополнительную ферментативную обработку амилазами и протеазами (Singh V. Johnston D.B. Naidu K. Rausch K.D. Comparison of modified dry-grind corn processes for fermentation characteristics and DDGS composition // Cereal Chemistry, St. Paul, 2005, Vol.82, №2. - Р. 187-190; Ping Wang, Singh V., Li Xu, Johnston D.B., Rausch K.D., Tumbleson M.E. Comparison of Enzymatic (E-Mill) and Conventional Dry-Grind Corn Processes Using a Granular Starch Hydrolyzing Enzyme // Cereal Chemistry, St. Paul, 2005, Vol.82, №6. - P. 734-738).
Недостатками этих способов являются все еще достаточные потери крахмала, который отделяется с фракцией зародыша. Кроме того, к недостаткам последних можно отнести неполное отделение жира, который в процессе водно-тепловой и ферментативной обработки связывается с крахмалом, содержащимся во фракции эндосперма, образуя крахмало-липидный комплекс.
Известен способ производства этилового спирта из зернового сырья (рожь и пшеница), включающий отделение фракции шелухи от фракции эндосперма, смешивание фракции эндосперма с водой, ее водно-тепловую и ферментативную обработку, сбраживание и перегонку с получением этилового спирта, в котором перед отделением фракции шелухи проводят предобработку зерна путем его увлажнения раствором ферментных препаратов цитолитического действия, отволаживания при 50-55°С с последующей сушкой до влажности 14,0-15,5%, т.е. проводят дополнительную биотехнологическую обработку с целью снижения потерь крахмала с отделяемой фракцией шелухи. Данный способ применим только для определенных видов зернового сырья - пшеницы и ржи, и не учитывает особенности химического состава других видов сырья, в том числе кукурузы, потенциально используемых в спиртовом производстве.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ получения этилового спирта из кукурузы, включающий измельчение исходного сырья (без стадии фракционирования), приготовление замеса путем смешивания сырья с водой, внесение амилолитических ферментных препаратов разжижающего действия в количестве 1,5 ед. АС/г условного крахмала сырья (в пересчете на термостабильный препарат - 0,15 ед. АС), выдержку полученного замеса при температуре 45-50°С в течение 0,5 часа, увеличение температуры до 75-80°С с дальнейшей выдержкой в течение 3-4 часов, поднятие температуры до 95-98°С с выдержкой в течение 1,5-2 часов, охлаждение до 56-58°С, внесение амилолитических ферментных препаратов разжижающего действия в количестве 0,5-1,0 ед. АС (в пересчете на термостабильный препарат - 0,05-0,1 ед. АС) и осахаривающего действия в количестве 6,0-6,5 ед. ГлС на 1 г условного крахмала сырья, обработку полученного замеса в течение 0,5 часа с получением осахаренного сусла, его охлаждение, сбраживание, брагоректификацию с получением спирта (Нормы технологического проектирования предприятий спиртовой промышленности. ВНТП 34-93, Москва: «ГИДРОПИЩЕПРОМ-2», 1993, с.11).
Недостатками данного способа являются использование значительных количеств дорогостоящих ферментных препаратов, большие энергозатраты и низкий выход спирта.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности технологического процесса за счет снижения энергозатрат на стадиях водно-тепловой обработки (за счет сокращения длительности процесса и снижения температур по стадиям) и ректификации.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного технического решения, заключается в увеличении выхода спирта при его высоких качественных характеристиках.
Технический результат достигается тем, что способ производства этилового спирта из зернового сырья включает отделение фракции зародыша от фракции эндосперма, измельчение фракции эндосперма, смешивание ее с водой при гидромодуле 1: (3,5-4,0), внесение амилолитических термостабильных ферментных препаратов разжижающего действия в количестве 0,15-0,2 ед. АС/г условного крахмала и ферментных препаратов протеолитического действия в количестве 0,15-0,2 ед. ПС/г условного крахмала сырья, выдержку полученного замеса при температуре 45-50°С в течение 0,5 часа с дальнейшей выдержкой при температуре 65-70°С в течение 1,5-2,0 часов, с дальнейшей выдержкой при температуре 95-98°С в течение 1,5-2,0 часов, охлаждение до 56-58°С, внесение амилолитических ферментных препаратов осахаривающего действия в количестве 6,0-6,5 ед. ГлС/г условного крахмала, обработку полученного замеса при 56-58°С в течение 0,5 часа с получением осахаренного сусла, охлаждение, сбраживание и перегонку бражки с получением этилового спирта, при этом в качестве зернового сырья используют кукурузу, и перед стадией отделения фракции зародыша от фракции эндосперма проводят биотехнологическую обработку кукурузы путем ее увлажнения раствором ферментных препаратов цитолитического действия и отволаживания при 50-55°С в течение 2,5-3 часов.
Предложенный способ предобработки зерна перед фракционированием - биотехнологическая обработка (БТО), позволяет изменить реологические свойства зерновки, увеличивая различия прочностных свойств внутренних частей зерна, что позволяет снизить потери крахмала при разделении на фракции, а следовательно, увеличить выход спирта. Зародыш отделен от эндосперма слоем анатомических частей, состоящих из отдельных групп белков и гемицеллюлоз, так называемым слоем перикарпия. При увлажнении зерновки основная часть влаги концентрируется в перикарпии, при этом белки набухают, гемицеллюлозы гидролизуются под действием цитолитических ферментов до контролируемой степени гидролиза. Таким образом, это воздействие позволяет увеличить пластические деформации во фракции зародыша и при дальнейшем механическом воздействии на зерновку он отделяется с минимальным захватом крахмала сырья.
Отделение фракции зародыша от фракции эндосперма предусматривает первоначальное механическое воздействие на зерно кукурузы путем пропускания зерновой массы через вальцовый станок с максимальным зазором между вальцами с последующим разделением образующегося грубого помола по разнице плотностей на фракцию зародыша и фракцию эндосперма с использованием пневматического сортировального стола.
Выведение из технологического процесса производства этилового спирта фракции зародыша способствует улучшению качества этанола, т.к. удаляется большая часть содержащегося в зародыше жира, который является потенциальным источником образования акролеина - вредной примеси спиртовой бражки. Акролеин возникает в процессе водно-тепловой обработки сырья при подгорании жиров, содержащихся в сырье. При удалении фракции зародыша, составляющей 13-15% от общей массы сырья, при оптимальных режимах предобработки, в нем концентрируется до 85-90% жира от исходного в сырье, т.е. с использованием заявленных в настоящем изобретении режимов предобработки сырья из технологического процесса можно практически полностью вывести жир, содержащийся в зародыше.
Способ осуществляют следующим образом.
Зерно кукурузы увлажняют до расчетного значения влажности W=16,0-17,0%, вносят ферментные препараты цитолитического действия, исходя из норм внесения 1,5-2 ед. основной активности/г условного крахмала сырья или 4,5-6 ед. основной активности/г некрахмальных полисахаридов сырья, и выдерживают при t=50-55°С в течение 2,5-3 часов. Зерно, прошедшее такую биотехнологическую обработку, далее подвергают механическому воздействию путем его измельчения с использованием вальцового станка Nagema. Диаметр вальцов - 220 мм, длина вальцов - 185 мм, скорость вращения 3 м/с, плотность нарезки рифлей 6 риф/см, расположение к острию, углы рифлей 20° и 70°. Далее полученный грубый помол разделяют на фракции эндосперма и зародыша с применением пневматического сортировального стола, который широко используется в технологии получения кукурузной крупы и принцип действия которого основан на разделении сырья по плотностям его составляющих (Чеботарев О.Н., Шаззо А.Ю., Мартыненко Я.Ф. Технология муки, крупы и комбикормов. Москва: ИКЦ «МарТ», 2004, с.522-523). Далее фракцию эндосперма направляют в технологический процесс получения спирта, а зародыш используют для получения кукурузного масла. Фракцию эндосперма измельчают таким образом, что помол характеризуется 100%-ным проходом через сито d=1,0 мм, смешивают с водой при гидромодуле 1:(3,5-4,0), вносят ферментные препараты с термостабильной α-амилазой в количестве 0,15-0,2 ед. АС/г условного крахмала и ферментные препараты протеолитического действия в количестве 0,15-0,2 ед. ПС/г условного крахмала сырья. Следует учитывать, что вследствие потери с отделяемой фракцией зародыша и прилегающих слоев перикарпия большого количества белков, а следовательно, и с меньшим накоплением усвояемого азота в сусле (что может вызвать негативное влияние в дальнейшем на процесс сбраживания) дополнительно вносят протеолитические ферменты. Далее замес подвергают трехступенчатой водно-тепловой и ферментативной обработке, включающей нагревание замеса до 45-50°С в течение 0,5 часа с дальнейшей выдержкой при температуре 65-70°С в течение 1,5-2,0 часов, с дальнейшей выдержкой при температуре 95-98°С в течение 1,5-2,0 часов с получением разваренной массы. Затем полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°С, вводят амилолитические ферменты осахаривающего действия (глюкоамилазу) в количестве 6,0-6,5 ед. ГлС/г условного крахмала сырья и проводят окончательный ферментативный гидролиз (осахаривание) при температуре 56-58°С в течение 0,5 часа. Полученное при этом осахаренное сусло охлаждают до температуры складки, затем вносят засевные дрожжи и сбраживают непрерывно-поточным способом. Зрелую бражку затем перегоняют с получением этилового спирта.
Осуществление заявленного изобретения иллюстрируется следующими примерами.
3
Пример 1. В качестве исходного сырья используют зерно кукурузы с начальной влажностью 12,5% и крахмалистостью 61,4% на абсолютно сухое вещество. Его увлажняют до расчетного значения W=16,0% путем внесения расчетного количества воды с ферментным препаратом цитолитического действия (Вискоферм), исходя из нормы внесения 1,5 ед основной активности/г условного крахмала сырья с дальнейшей выдержкой при t=50 °С в течение 2,5 часов. Подготовленную таким образом кукурузу подвергают механическому воздействию на вальцовом станке с дальнейшим разделением помола на фракции эндосперма и зародыша с применением пневматического сортировального стола. Далее для получения этилового спирта используют фракцию эндосперма влажностью 14,09% и крахмалистостью 64,5% на абсолютно сухое вещество, которую измельчают так, что помол характеризуется 100%-ным проходом через сито d=1,0 мм. Полученный помол смешивают с водой, температура которой равна 45-50°С, при гидромодуле 1:3,5. В полученный замес вносят амилолитический ферментный препарат разжижающего действия (Термамил SC) в количестве 0,15 ед. АС/г условного крахмала и ферментный препарат протеолитического действия (Нейтраза 0,8 L) в количестве 0,2 ПС/г условного крахмала, выдерживают 0,5 часа и затем проводят дальнейшую водно-тепловую обработку и ферментативный гидролиз: при температуре 65-70°С в течение 1,5 часов, а потом при температуре 95-98°С в течение 1,5 часов. После этого полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°С, вносят ферментный препарат осахаривающего действия (Сан-Супер 360 Л) в количестве 6,0 ед. ГлС /г условного крахмала сырья, продолжительность осахаривания (гидролиза) составляет 0,5 часа. Далее сусло охлаждают до температуры складки (20-25°С), вносят засевные дрожжи в количестве 10,0 млн клеток/см и проводят сбраживание в течение 72 часов. Полученную зрелую бражку направляют на перегонку (ректификацию) с получением этилового спирта. Выход спирта составляет 65,8 дал/т условного крахмала.
3
Пример 2. В качестве исходного сырья используют зерно кукурузы с начальной влажностью 12,6% и крахмалистостью 60,9% на абсолютно сухое вещество. Его увлажняют до расчетного значения W=16,5% путем внесения расчетного количества воды с ферментным препаратом цитолитического действия (Вискоферм), исходя из нормы внесения 1,8 ед. основной активности/г условного крахмала сырья с дальнейшей выдержкой зерна при t=50°С в течение 3 часов. Подготовленную таким образом кукурузу подвергают механическому воздействию на вальцовом станке с дальнейшим разделением помола на фракции эндосперма и зародыша с помощью пневматического сортировального стола. Далее для получения этилового спирта используют фракцию эндосперма влажностью 14,3% и крахмалистостью 63,9% на абсолютно сухое вещество, которую измельчают так, что помол характеризуется 100%-ным проходом через сито d=l,0 мм. Полученный помол смешивают с водой, температура которой равна 45-50°С, при гидромодуле 1:4. В полученный замес вносят амилолитический ферментный препарат разжижающего действия (Термамил SC) в количестве 0,2 ед. АС/г условного крахмала и ферментный препарат протеолитического действия (Нейтраза 0,8 L) в количестве 0,15 ед. ПС/г условного крахмала, выдерживают 0,5 часа и затем проводят дальнейшую водно-тепловую обработку и ферментативный гидролиз: при температуре 65-70°С в течение 1,5 часов, а потом при температуре 95-98°С в течение 1,5 часов. После полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°С, вносят ферментный препарат осахаривающего действия (Сан-Супер 360 Л) в количестве 6,0 ед. ГлС /г условного крахмала сырья, продолжительность осахаривания (гидролиза) составляет 0,5 часа. Далее сусло охлаждают до температуры складки (20-25°С), вносят засевные дрожжи в количестве 10,0 млн клеток/см и проводят сбраживание в течение 72 часов. Полученную зрелую бражку направляют на перегонку (ректификацию) для получения этилового спирта. Выход спирта составляет 65,7 дал/т условного крахмала.
3
Пример 3. В качестве исходного сырья используют зерно кукурузы с начальной влажностью 12,3% и крахмалистостью 61,4% на абсолютно сухое вещество. Его увлажняют до расчетного значения W=17,0% путем внесения расчетного количества воды с ферментным препаратом цитолитического действия (Вискоферм), исходя из нормы внесения 2,0 ед основной активности/г условного крахмала сырья с дальнейшей выдержкой зерна при t=55°С в течение 3 часов. Подготовленную таким образом кукурузу подвергают механическому воздействию на вальцовом станке с дальнейшим разделением помола на фракции эндосперма и зародыша с помощью пневматического сортировального стола. Для получения этилового спирта используют фракцию эндосперма влажностью 14,5% и крахмалистостью 64,0% на абсолютно сухое вещество, которую измельчают так, что помол характеризуется 100%-ным проходом через сито d=l,0 мм. Полученный помол смешивают с водой, температура которой равна 45-50°С, при гидромодуле 1:4. В полученный замес вносят амилолитический ферментный препарат разжижающего действия (Термамил SC) в количестве 0,2 ед. АС/г условного крахмала и ферментный препарат протеолитического действия (Нейтраза 0,8 L) в количестве 0,15 ед. ПС/г условного крахмала, выдерживают 0,5 часа и затем проводят дальнейшую водно-тепловую обработку и ферментативный гидролиз: при температуре 65-70°С в течение 2 часов, а потом при температуре 95-98°С в течение 2 часов. После полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°С, вносят ферментный препарат осахаривающего действия (Сан-Супер 360 Л) в количестве 6,5 ед. ГлС /г условного крахмала сырья, продолжительность осахаривания (гидролиза) составляла 0,5 часа. Далее сусло охлаждают до температуры складки (20-25°С), вносят засевные дрожжи в количестве 10,0 млн. клеток/см и проводят сбраживание в течение 72 часов. Полученную зрелую бражку направляют на перегонку (ректификацию) для получения этилового спирта. Выход спирта составляет 65,9 дал/т условного крахмала.
Для сравнения параметры способа производства этилового спирта по заявленному изобретению и ближайшему аналогу представлены в таблицах 1, 2.
В таблице 3 приведены данные по выходу спирта и вредным летучим примесям, содержащимся в бражке, полученной по заявленному изобретению и ближайшему аналогу.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить энергозатраты на стадиях водно-тепловой обработки (за счет сокращения длительности процесса и снижения температур по стадиям) и ректификации, увеличить выход спирта при его высоких качественных характеристиках, а также рационально использовать основное сырье за счет дифференцированного способа разделения его на фракции и их целевого использования.
Таблица 1
Параметры предобработки зерна кукурузы методом БТО
Показатели
Ближайший аналог (контроль)
Заявляемое изобретение (опыт)
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Степень увлажнения, %
-
16,0
16,5
17,0
Норма внесения ФП цитолит. действия, ед. осн. активности/г усл. крахмала сырья
-
1,5
1,8
2,0
Температура обработки, °С
-
50
50
55
Общая продолжительность обработки, ч
-
2,5
3,0
3,0
Таблица 2
Параметры способа производства этилового спирта
Показатели
Ближайший аналог (контроль)
Заявляемое изобретение (опыт)
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Общая длительность водно-тепловой и ферментативной обработки
5-7
4
4
5
Расход ФП разжижающего действия, ед. АС/г усл. крахмала
0,2-0,25
0,15
0,2
0,2
Расход ФП осахаривающего действия, ед. ГлС/г усл. крахмала
6,0-6,5
6,0
6,0
6,5
Расход ФП протеолитического действия, ед ПС/г усл. крахмала
-
0,2
0,15
0,15
Таблица 3
Выход спирта и содержание вредных летучих примесей в бражке
Показатели
Ближайший аналог (контроль)
Заявляемое изобретение (опыт)
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Выход этилового спирта, дал/т условного крахмала
65,4
65,8
65,7
65,9
Основные примеси: мг/дм<sup>3 </sup>безводного спирта
- альдегиды (ацетальдегид)
1098,43
879,4
857,2
867,2
- сложные эфиры
277,34
190,3
219,8
201,4
- высшие спирты
3420,25
2709,4
2349,4
2556,6
- метанол, % об.
0,0052
0,0041
0,0043
0,0045