СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛОВОГО СПИРТА ИЗ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF ETHYL ALCOHOL OF STARCH-CONTAINING RAW MATERIAL

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к способу производства этилового спирта из крахмалсодержащего сырья.
Известен способ производства этилового спирта из крахмалсодержащего сырья, предусматривающий приготовление замеса путем смешивания крахмалсодержащего сырья с водой, разжижение полученной массы с одновременной термической обработкой в две последовательные стадии, на первой из которых часть солодового молока (осахаривающего препарата) вносят в процессе приготовления замеса, нагревая массу до 35-40°C, а на второй температуру массы поднимают до 65-70°C, вносят оставшуюся часть солодового молока и выдерживают 2-2,5 ч с последующей стерилизацией массы при температуре 90-95°C в течение 1-1,5 ч, охлаждение, осахаривание и сбраживание полученного сусла с получением бражки и ее дальнейшей перегонки, при этом в качестве крахмалсодержащего сырья используют зерновую муку (RU 2150504 C1, 10.06.2000).
Недостатками данного способа являются высокая вязкость получаемых в процессе производства спирта полупродуктов, использование солодового молока в качестве осахаривающего материала и наличие нежелательных примесей в полученном этиловом спирте.
Известен способ получения этилового спирта из зернового сырья, включающий измельчение сырья до фракции менее 1 мм, в качестве которого используют цельное зерно ржи и пшеницы в необходимых пропорциях, использование теплового режима при температуре не выше 62,0°C при приготовлении замеса, его разжижении и осахаривании и сбраживании сусла, использование ферментов и антисептика, брагоректификацию, при этом на стадии приготовления замеса вводят альфа-амилазу, до 70% целлюлазы, до 70% ксиланазы и до 70% бета-глюканазы, осахаривание замеса осуществляют глюкоамилазой, а на завершающей стадии осахаривания замеса вводят оставшуюся часть ферментных препаратов - целлюлазы, ксиланазы, бета-глюканазы, а также протеазу (RU 2425883 C1, 10.08.2011).
Недостатками данного способа являются недостаточно высокое качество спирта и большие затраты ферментных препаратов на стадии водно-тепловой и ферментативной обработки, а также повышенные энергетические затраты на стадии измельчения.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ получения этилового спирта из крахмалсодержащего сырья, включающий измельчение исходного сырья (зерна пшеницы), приготовление замеса путем смешивания сырья с водой, внесение амилолитических ферментных препаратов разжижающего действия в количестве 1,5-2,0 ед. АС/г условного крахмала сырья, выдержку полученного замеса при температуре 45-50°C в течение 30 минут, увеличение температуры до 65-70°C с дальнейшей выдержкой в течение 90 минут, поднятие температуры до 95-98°С с выдержкой в течение 90 минут, охлаждение до 56-58°C, внесение амилолитических ферментных препаратов осахаривающего действия в количестве 7,0-8,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья, обработку полученного замеса в течение 30 минут с получением осахаренного сусла, его охлаждение, сбраживание в течение 72 часов, брагоректификацию с получением спирта (Типовой технологический регламент производства спирта из крахмалистого сырья. - М., 1998. - 78 с).
Недостатками данного способа являются многоступенчатость технологического процесса, использование значительных количеств дорогостоящих ферментных препаратов, низкий выход спирта.
Задачей настоящего изобретения является возможность переработки на конечный продукт нового перспективного сырья для спиртовой отрасли (возвратные отходы хлебопекарного производства), упрощение технологического процесса, уменьшение расхода ферментных препаратов, снижение энергозатрат за счет исключения стадии дробления и сокращение длительности водно-тепловой и ферментативной обработки по этапам технологического процесса получения сусла.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного технического решения, заключается в интенсификации процесса сбраживания сусла, увеличении выхода спирта при его высоких качественных характеристиках.
Технический результат достигается тем, что способ производства этилового спирта из крахмалсодержащего сырья включает смешивание сырья с водой при гидромодуле 1:(2,0-2,5), внесение амилолитических ферментных препаратов разжижающего действия в количестве 0,5-1,0 ед. АС/г условного крахмала, выдержку полученного замеса при температуре 65-70°C в течение 60 минут с дальнейшей выдержкой при температуре 95-98°C в течение 60 минут, охлаждение до 56-58°C, внесение амилолитических ферментных препаратов осахаривающего действия в количестве 4,0-6,0 ед. ГлС/г условного крахмала, обработку полученного замеса при 56-58°C в течение 30 минут с получением осахаренного сусла, охлаждение, внесение препарата протеолитического действия в количестве 0,2-0,3 ед. ПС/г условного крахмала, сбраживание в течение 48-54 часов, перегонку бражки с получением этилового спирта, при этом в качестве крахмалсодержащего сырья используют возвратные отходы хлебопекарного производства.
В настоящем изобретении предложено использование нового нетрадиционного вида сырья - возвратных отходов хлебопекарной отрасли -пшеничного хлеба, нереализованного в торговой сети, или брака, образующегося на хлебозаводе. Переработка такого сырья в этанол не только расширит сырьевую базу спиртовых заводов, но также позволит решить проблему утилизации отходов другой отрасли промышленности (хлебопекарной). Данное сырье по сравнению с традиционным зерновым сырьем (помол пшеницы) обладает иными структурно-механическими и биохимическими свойствами. Однако эти свойства обусловливают специфичность его переработки по определенным технологическим режимам. Так, авторами было установлено (Сидякин М.Э., Крикунова Л.Н. Новое нетрадиционное сырье для спиртовой отрасли. // Производство спирта и ликероводочных изделий, 2011, №1, С.10-12), что в пшеничном хлебе выше содержание крахмала, меньше содержится некрахмальных полисахаридов, почти в 5 раз больше дектринов и свободных сахаров, что может обусловливать возможность снижения расхода амилолитических ферментных препаратов. Высокое содержание крахмала обусловливает получение высоковязких нетехнологичных сред. Вероятнее всего, данный факт связан с существенно большим для хлеба по сравнению с пшеничным помолом показателем, характеризующим набухаемость. В связи с чем в заявленном изобретении для снижения вязкости сред было предложено сразу повысить температуру воды при приготовлении замеса с 45-50°C (по ближайшему аналогу) до 65-70°C с дальнейшим повышением температуры до 95-98°C, при этом общая продолжительность водно-тепловой и ферментативной обработки по сравнению с ближайшим аналогом сократилась с 3,5 до 2 часов.
Еще одним преимуществом переработки нового вида сырья является полное исключение стадии дробления (в отличие от переработки традиционного сырья - зерна пшеницы, где традиционно используется двухступенчатая схема дробления с получением помола, характеризующегося 80%-ным проходом через сито диаметром 1 мм), что значительно снижает общие энергозатраты технологического процесса получения спирта. Данный факт, скорее всего, связан с существенными отличиями в структурно-механических свойствах возвратных - отходов хлебопекарной отрасли (пшеничного хлеба) по сравнению с зерновым сырьем.
При этом в заявленном техническом решении неожиданно было обнаружено, что помимо сокращения длительности стадии водно-тепловой и ферментативной обработки интенсифицируется процесс сбраживания, т.е. сокращается с традиционных 72 часов до 48-54 часов. Данный неожиданный эффект может быть связан со специфическим составом сусла. Однако следует учитывать, что в связи с меньшей доступностью к действию ферментных препаратов белков пшеничного хлеба по сравнению с белками зерна пшеницы, а, следовательно, и с меньшим накоплением усвояемого азота в сусле (что может вызвать негативное влияние в дальнейшем на процесс сбраживания) были внесены протеолитические ферменты на стадии сбраживания.
Способ осуществляют следующим образом.
Возвратные отходы хлебопекарного производства смешивают в смесителе с водой, температура которой составляет 65-70°C, при гидромодуле 1,0:(2,0-2,5) и вносят амилолитические ферментные препараты разжижающего действия (α-амилазу) в количестве 0,5-1,0 ед. АС/г условного крахмала с получением замеса. Далее замес подвергают двухступенчатой водно-тепловой и ферментативной обработке, включающей обработку замеса при 65-70°C с выдержкой 60 минут при этой температуре, поднятие температуры до 95-98°C и выдержку при такой температуре в течение 60 минут с получением разваренной массы. Затем полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°C, вводят амилолитические ферменты осахаривающего действия (глюкоамилазу) в количестве 4,0-6,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья и проводят окончательный ферментативный гидролиз (осахаривание) при температуре 56-58°C в течение 30 минут. Полученное при этом осахаренное сусло охлаждают до температуры складки, вносят ферментный препарат протеолитического действия в количестве 0,2-0,3 ед. ПС/г условного крахмала сырья, 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 пшеничный хлеб (батоны), нереализованный в торговой сети. 1 т пшеничного хлеба с крахмалистостью 71% на абсолютно сухое вещество и начальной влажностью 35% смешивают в смесителе с водой, температура которой составляет 70°C, в соотношении 1:2,5. Далее в полученный замес вносят амилолитический ферментный препарат разжижающего действия (Ликвамил 1200) в количестве 0,5 ед. АС/г условного крахмала и проводят двухступенчатую водно-тепловую обработку и ферментативный гидролиз: при температуре 65-70°C в течение 60 минут, а затем при температуре 95-98°C в течение 60 минут. Затем полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°C, вносят ферментный препарат осахаривающего действия (СанСупер 360 L) в количестве 6,0 ед. ГлС/г условного крахмала и проводят окончательный ферментативный гидролиз (осахаривание) в течение 30 минут. Далее сусло охлаждают до температуры складки (20-25°C), вносят ферментный препарат протеолитического действия (Алкалаза 2,4 L FG) в количестве 0,2 ед. ПС/г условного крахмала сырья, вносят засевные дрожжи в количестве 20,0 млн клеток/см сусла и проводят сбраживание в течение 54 часов. Полученную зрелую бражку направляют на перегонку (ректификацию) с получением этилового спирта. Выход спирта составляет 68,1 дал/т условного крахмала.
3
Пример 2. В качестве исходного сырья используют пшеничный хлеб (батоны) - брак, образовавшийся на хлебозаводе. 1 т пшеничного хлеба с крахмалистостью 72,2% на абсолютно сухое вещество и начальной влажностью 40% смешивают в смесителе с водой, температура которой составляет 70°C, в соотношении 1:2,0. Далее в полученный замес вносят амилолитический ферментный препарат разжижающего действия (Термамил SC) в количестве 1,0 ед. АС/г условного крахмала и проводят двухступенчатую водно-тепловую обработку и ферментативный гидролиз: при температуре 65-70°C в течение 60 минут, а затем при температуре 95-98°C в течение 60 минут. Затем полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°C, вносят ферментный препарат осахаривающего действия (СанСупер 360 L) в количестве 6,0 ед. ГлС/г условного крахмала и проводят окончательный ферментативный гидролиз (осахаривание) в течение 30 минут. Далее сусло охлаждают до температуры складки (20-25°C), вносят ферментный препарат протеолитического действия (Алкалаза 2,4 L FG) в количестве 0,3 ед. ПС/г условного крахмала сырья, вносят засевные дрожжи в количестве 20,0 млн клеток/см сусла и проводят сбраживание в течение 48 часов. Полученную зрелую бражку направляют на перегонку (ректификацию) с получением этилового спирта. Выход спирта составляет 67,8 дал/т условного крахмала.
Пример 3. В качестве исходного сырья используют пшеничный хлеб (батоны), нереализованный в торговой сети. 1 т пшеничного хлеба с крахмалистостью 71% на абсолютно сухое вещество и начальной влажностью 35% смешивают в смесителе с водой, температура которой составляет 70°C, в соотношении 1:2,5. Далее в полученный замес вносят амилолитический ферментный препарат разжижающего действия (Ликвамил 1200) в количестве 1,0 ед. АС/г условного крахмала и проводят двухступенчатую водно-тепловую обработку и ферментативный гидролиз: при температуре 65-70°C в течение 60 минут, а затем при температуре 95-98°C в течение 60 минут. Затем полученную разваренную массу охлаждают до 56-58°C, вносят ферментный препарат осахаривающего действия (СанСупер 360 L) в количестве 4,0 ед. ГлС/г условного крахмала и проводят окончательный ферментативный гидролиз (осахаривание) в течение 30 минут. Далее сусло охлаждают до температуры складки (20-25°C), вносят ферментный препарат протеолитического действия (Алкалаза 2,4 L FG) в количестве 0,2 ед. ПС/г условного крахмала сырья, вносят засевные дрожжи в количестве 20,0 млн клеток/см сусла и проводят сбраживание в течение 50 часов. Полученную зрелую бражку направляют на перегонку (ректификацию) с получением этилового спирта. Выход спирта составляет 67,5 дал/т условного крахмала.
Для сравнения параметры способа производства этилового спирта по заявленному изобретению и ближайшему аналогу представлены в табл. 1.
В табл. 2 приведены данные по выходу спирта и вредным летучим примесям, содержащимся в бражке, полученной по заявленному изобретению и ближайшему аналогу.
Таблица 1
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
3,5
2,0
2,0
, 2,0
Расход ФП разжижающего действия, ед. АС/г усл. крахмала
1,5-2,0
0,5
1,0
1,0
Расход ФП осахаривающего действия, ед. ГлС/г усл. крахмала
7,0-8,0
6,0
6,0
4,0
Расход ФП протеолитического действия, ед. ПС/г усл. крахмала
-
0,2
0,3
0,2
Общая продолжительность сбраживания, ч
72
54
48
50
Таблица 2
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
65,7
68,1
67,8
67,5
Основные примеси: мг/дм<sup>3</sup> безв. сп.
- альдегиды (ацетальдегид)
1373,92
768,9
741,5
752,5
- сложные эфиры
346,67
192,0
252,3
239,5
- высшие спирты
4288,87
2623,5
2349,3
2768,0
- метанол, % об.
0,0065
0,0042
0,0045
0,005
Таким образом, предлагаемый способ позволяет перерабатывать новый перспективный вид сырья для спиртовой отрасли (возвратные отходы хлебопекарного производства), упростить технологический процесс, уменьшить расход ферментных препаратов, снизить энергозатраты за счет исключения стадии дробления и сокращения длительности водно-тепловой и ферментативной обработки, интенсифицировать процесс сбраживания сусла, увеличить выход спирта при его высоких качественных характеристиках.