2.3. Меласса. Характеристика, химический состав.

Введение.
Сырье для производства
спирта.
ПЛАН:
1. Краткая история развития отрасли
2. Сырье для производства спирта
2.1.Картофель. Сорта, химический состав, характеристика,
требования к картофелю как к сырью для производства
спирта.
2.2.Зерновые культуры. Основные виды, общая
характеристика. Химический
состав.
2.3.Меласса. Характеристика, химический состав.
Технологическая оценка мелассы.
2.4. Сравнительная характеристика сырья спиртового
производства.
2.5. Ферментные препараты. Вода и вспомогательные
материалы
1. Краткая история развития отрасли
Технология спирта - одно из древнейших производств.
Считается, что впервые спирт был получен в Китае и на
среднем Востоке около 2 тыс. лет до нашей эры.
По другим данным открытие спирта связано с открытием
процесса перегонки.
Упоминание об этом было обнаружено в манускрипте,
датированном первым тысячелетием до нашей эры.
По некоторым
данным первую
бутылку спирта
получил арабский
алхимик Ар-Рази в
конце IX века нашей
эры.
Многие термины, связанные со спиртовым
производством, имеют арабское происхождение.
В частности, алкоголь - от арабского alkohol, что
переводится как мельчайшая вещь.
Спирт свое название получил от латинского spiritus vini,
что означает дух вина.
К XIV веку во многих странах уже широко используется
перегонка спирта из сброженного зерна. В этот же период
винный спирт, получаемый в ряде монастырей Италии и
Франции под названием аква вита (вода жизни), попал в
Россию с генуэзским посольством.
Технология спирта на Руси получила развитие, начиная с
XV века. Тогда в период с 1448 по 1478 год, согласно
исследованиям В.В. Похлебкина, была изобретена
технология выгона хлебного спирта - винокурение.
Впоследствии, полученный по этой технологии продукт
был назван русской водкой.
По современной номенклатуре технология спирта
относится к биотехнологии, так как в процессе
производства спирта используются биологические
катализаторы - ферменты, различные микроорганизмы.
Этиловый спирт широко используется в народном
хозяйстве.
Основной его потребитель - пищевая промышленность.
Спирт является основным сырьем в ликероводочной.
промышленности.
Современная технология
производства спирта основана на
последних достижениях
биотехнологии, внедрении новых
технологических процессов и
оборудования.
В настоящее время в России
действуют более 140 заводов с
общей мощностью 90 млн. дал
спирта в год. Потребность же в
спирте с учетом его
использования в виноделии,
производстве косметических
препаратов и т.д. оценивается в
120 млн. дал в год.
Увеличение выпуска спирта предполагается достичь,
прежде всего, путем повышения выхода спирта из 1
тонны условного крахмала. В настоящее время выход
спирта на крупных отечественных предприятиях
достигает 66,5 дал с 1 т условного крахмала, что
составляет 93% от теоретического.
Выход спирта может быть увеличен путем внедрения
механико-ферментативной обработки сырья,
современных способов ректификации, брожения,
использования комплексных ферментных препаратов
взамен солода, применения безотходной технологии,
освоения новых видов сырья.
В ликероводочной промышленности основные
направления совершенствования технологии связаны с:
1. Внедрением новых способов подготовки воды
технологического назначения,
2. Непрерывных способов получения сортировки и
обработки ее активным углем,
3. Использованием современных высокоэффективных
сорбентов для повышения качества водок,
4. Обеспечения стабильности ликероводочных изделий.
Сырье, используемое в спиртовом производстве, должно
отвечать ряду экономических и технологических
требований.
Оно должно ежегодно воспроизводиться в необходимых
количествах, содержать большое количество целевого
вещества: крахмала или сахаров, хорошо храниться.
С учетом этих требований в качестве основного сырья для
спирта применяют картофель, зерно злаковых, мелассу.
Соотношение видов сырья зависит от географического
расположения предприятия-производителя,
технологической схемы производства.
2. Сырье для производства спирта
2.1. Картофель. Сорта, химический состав,
характеристика, требования к картофелю как к
сырью для производства спирта
Картофель широко культивируется
практически во всех районах России.
Различают раннеспелые сорта картофеля со
сроком созревания 2,5-3 месяца,
среднеспелые, созревающие 3,5-4 месяца,
позднеспелые - более 4 месяцев.
В зависимости от сорта, условий
выращивания и других факторов средняя
урожайность клубней составляет 20-30 т/га.
Раннеспелые сорта: Ранняя роза, Эпикур, Пензенская
скороспелка, Фаленский, Удача и др. - имеют достаточно
высокую урожайность, но низкую крахмалистость и не
устойчивы при хранении.
Среднеспелые сорта: Лорх, Октябренок, Берлихинген,
Невский, Луговской, Родник и др. - имеют большую
урожайность и более длительный срок хранения.
Позднеспелые сорта: Вольтман, Остботе, Лошицкий - при
относительно невысокой урожайности имеют наибольшее
содержание крахмала и устойчивы при хранении.
В последние годы селекционированы высокоурожайные
(до 36 т/га) и высококрахмалистые сорта картофеля:
Темп, Кандидат и другие
Химический состав картофеля.
В среднем клубни картофеля содержат 75% сухих веществ
и 25% воды. Вода, присутствующая в клубнях, находится
в свободном (78%) и в связанном с коллоидами (22%)
состоянии. Сухие вещества представлены, в основном,
крахмалом, некрахмальными полисахаридами,
азотистыми и минеральными веществами.
Крахмал - основное целевое вещество картофеля, его
содержание в клубнях от 70 до 80% сухих веществ или 1618% от массы картофеля.
Кроме содержания крахмала в спиртовой
промышленности оценивают показатель
«крахмалистость» - это суммарное количество крахмала
и сахаров в пересчете на крахмал, из которых может быть
получен спирт в условиях производства.
Из сахаров в картофеле присутствуют глюкоза - до 75% от
общего количества, фруктоза, сахароза.
В зрелых покоящихся клубнях содержание сахаров не
превышает 0,3%.
Длительное хранение при низких температурах приводит
к накоплению сахаров до 7-8%.
Некрахмальные полисахариды - это собирательное
название группы углеводов, входящих в состав клеточных
стенок, кожуры картофеля. К ним относят клетчатку,
пентозаны, пектиновые вещества.
Клетчатка (целлюлоза) содержится в количестве 0,9-2%,
пентозаны - 0,7-1%.
Пектиновых веществ присутствует больше в кожуре - до
4%, в мякоти лишь до 0,6%. Среднее их содержание - 2%.
Азотистых веществ в картофеле содержится 0,1-0,6%, что в
пересчете на белок составляет около 2%.
Из белков преобладает растворимый в клеточном соке глобулин туберин, кроме того, присутствуют альбумины, протеозы.
К азотистым веществам относится и ядовитый алкалоид соланин,
накапливающийся в наружных слоях клубней и переходящий в
раствор при варке.
Количество минеральных веществ колеблется от 0,5 до 2%. В
составе золы больше всего калия и фосфора.
Из других веществ картофеля следует отметить жир,
содержащийся в количестве от 0,04 до 0,96%, витамины (больше
всего витамина С - до 10 мг на 100 г).
Органические кислоты представлены лимонной, яблочной,
щавелевой и другими кислотами.
Активная кислотность (рН) клеточного сока - 5,7-6,6
2.2. Зерновые культуры. Основные виды, общая
характеристика. Химический состав.
Зерно, перерабатываемое на спирт, может использоваться любого
качества, в том числе не пищевой кондиции. Для производства
спирта применяют любые зерновые культуры.
Преобладают в общем объеме перерабатываемого зерна: пшеница
(до 50%), ячмень (до 20%), рожь (12%), кукуруза (8%).
Различают культуры голозерные: пшеница, рожь, кукуруза –
у них при обмолоте удаляются мякинные оболочки;
и пленчатые: ячмень, овес, просо – у которых оболочки
сохраняются.
В зависимости от этого, зерно имеет различный химический состав
и требует различных режимов переработки.
Химический состав зерновых культур
Химический состав зерна заметно различается в
зависимости от вида культуры, условий выращивания,
хранения и т.д.
В среднем зерно содержит 14% влаги и 86% сухих
веществ.
Влажность зерна зависит от гигроскопических свойств
зерна, степени зрелости, условий хранения. Различают
четыре состояния товарного зерна в зависимости от
содержания влаги: сухое - до 14%; средней сухости - 1415,5%; влажное - 15,5-17%; сырое - более 17%.
Дефектное и подмороженное зерно может иметь
влажность до 30% и более.
Углеводы содержатся в зерне в наибольшем количестве и
представлены крахмалом, сахарами, некрахмальными
полисахаридами (целлюлоза, гемицеллюлозы, гумми- и пектиновые
вещества).
Крахмал - его содержание колеблется в зависимости от вида
культуры. В среднем его количество составляет 55-60%.
В дефектном зерне содержание крахмала снижается.
Сахара в здоровом покоящемся зерне присутствуют в количестве
0,6-7%. В ячмене и ржи присутствует рафиноза.
В недозрелом, морозобойном и проросшем зерне содержание
сахаров увеличивается, появляются мальтоза, инвертированный
сахар.
Целлюлоза — основной компонент оболочек зерна. В пленчатом
зерне ее содержание выше - до 8-10%; в голозерном -1,5-2,5%.
Гемицеллюлозы - группа веществ, объединяющая полисахариды
различного химического состава Они не растворимы в воде, но
растворяются в щелочах. Содержатся в оболочках зерна, в
клеточных стенках эндосперма.
Гумми-вещества (слизи) представляют собой полисахариды, в
большинстве случаев растворимые в воде, при этом образуются
растворы с очень высокой вязкостью. В их состав входят различные
моносахариды в зависимости от вида зерна: арабиноза, ксилоза,
фруктоза, галактоза.
Общее содержание гемицеллюлоз в зерне 7-15%.
Содержание пектиновых веществ в зерне - до 2%.
Азотистые вещества в здоровом, зрелом зерне
представлены, в основном, белками. Их общее
содержание колеблется от 7 до 25%. Аминокислоты,
амиды, пептиды присутствуют в небольшом количестве.
Белки в зависимости от растворимости в различных
растворителях делят на альбумины - растворимые в воде,
глобулины - растворимые в слабых растворах солей,
проламины - растворимые в 60-80%-ных растворах
спиртов, глютелины - растворимые в слабых растворах
щелочей.
Липиды присутствуют в зерне в количестве 2-6%.
К ним относят простые, сложные и циклические липиды.
К простым липидам относятся жиры и воски; к сложным соединения жиров с другими веществами: фосфорной
кислотой, азотистыми основаниями.
К циклическим липидам относят стеролы.
Жир локализован в зародыше зерна. Наибольшее его
количество содержится в кукурузе - до 7%; в овсе - до 6%,
в просе -до 5%. ;
Минеральные вещества определяются как зола.
Содержание их в зерне - 1,5-3% от массы.
Зола представлена, в основном, солями калия и
фосфорной кислоты.
2.3. Меласса. Характеристика, химический состав.
Мелассой называют последний маточный раствор,
получаемый при отделении кристаллов сахарозы в
производстве сахара.
В зависимости от вида используемого сырья различают
мелассу свекловичную, тростниковую и сырцовую.
С мелассой отходит до 10-15% всех сахаров,
содержащихся в сахарной свекле.
Меласса представляет собой густую, вязкую жидкость
темного цвета, обусловленного присутствием
меланоидинов, карамелей и других продуктов распада
углеводов.
Меласса имеет непостоянный химический состав.
В ней содержится в среднем 80% сухих веществ и 20%
воды.
Сухие вещества мелассы слагаются, в основном, из
сахарозы, азотистых, безазотистых органических веществ
и золы.
Сахароза и сбраживаемые сахара.
Сахароза составляет основную массу всех сахаров мелассы.
Ее содержание колеблется в диапазоне 40-62% к массе.
Меласса представляет собой пересыщенный раствор
сахарозы, в результате чего в процессе хранения может
происходить ее кристаллизация.
Инвертный сахар - это смесь глюкозы и фруктозы, которые
образуются при гидролизе сахарозы.
Содержание инвертного сахара находится в пределах
0,4-1,5% к массе мелассы.
Нормальная меласса имеет слабощелочную среду рН 7,2-8,9.
Безазотистые экстрактивные вещества.
К ним относят:
•все сахара мелассы, за исключением сахарозы;
•продукты термического и химического разложения
сахаров;
•органические кислоты.
К продуктам щелочного разложения сахарозы относят
нелетучие окрашенные кислоты - глюциновую,
сахарумовую, высокомолекулярные гуминовые кислоты, а
также летучие кислоты - муравьиную, уксусную.
При термическом разложении сахаров образуются
карамели - ангидриды сахаров, меланоидины - продукты
химического взаимодействия сахаров и аминокислот.
Продукты разложения сахаров придают темнокоричневую окраску мелассе.
Азотистые вещества содержатся в мелассе в количестве 5-20% от
массы. Соотношение форм азота сильно колеблется.
В среднем аминного азота содержится 8-10%, белкового - 3-5%,
бетаинного (бетаин - основной белок сахарной свеклы) - 63-74% от
общего содержания белков. Содержание в мелассе азота,
усваиваемого дрожжами, составляет 12-20% от всего азота.
Для нормальной жизнедеятельности дрожжей необходимо не менее
0,25% усваиваемого азота.
Витамины. В мелассе присутствуют ряд витаминов, которые
являются ростовыми веществами для дрожжей: биотин, тиамин,
рибофлавин, пантотеновая, фолиевая, никотиновая кислоты, инозит.
Минеральные вещества свеклы практически полностью переходят
в мелассу. Поэтому их содержание в мелассе (в пересчете на
карбонатную золу) составляет 12-14%. В основном присутствует
калий, магний, кальций, фосфор. Из микроэлементов в мелассе
встречаются алюминий, железо, кремний и др.
Тростниковая меласса отличается по составу от свекловичной. В ней
больше сахарозы, большое количество (до 30%) инвертированного
сахара, мало азота, нет раффинозы.
Вредные примеси. В мелассе присутствуют вещества, тормозящие
развитие дрожжей. К ним относят красящие вещества, диоксид серы,
нитриты, летучие кислоты. В числе вредных посторонних примесей в
мелассе могут присутствовать нефтепродукты, пеногасители,
пестициды и др. вещества.
Инфицированность мелассы.
Меласса часто инфицирована различной микрофлорой.
В ней обнаруживаются спороносные бактерии, которые
являются нитритобразующими,
т.е. превращают нитраты в нитриты.
Из неспороносных встречаются бактерии, которые
потребляют сахара и могут вызвать ослизнение сусла.
Технологическая оценка мелассы.
Технологические требования к мелассе:
1. Содержание сухих веществ не менее 75%;
2. Содержание общего азота не менее 1,3%;
3. Содержание инвертированного сахара не более 0,5%;
4. Содержание диоксида серы не более 0,05%;
5. Содержание пеногасителей не более 0,5%;
6. рН не ниже 6,8;
7. Цветность не более 2 см3 раствора йода концентрацией 0,1
моль/дм3 на 100 см3 2%-ного раствора мелассы.
8. Инфицированность мелассы должна быть не более
100 тыс. клеток в 1 г мелассы.
Косвенно ее оценивают по нарастанию кислотности.
При выдерживании пробы при температуре 30°С 20-24 часа
кислотность не должна возрастать более чем на 0,3 °.
Меласса, не удовлетворяющая этим требованиям, считается
дефектной.
2.4. Сравнительная характеристика сырья спиртового
производства
Крахмалсодержащее сырье перерабатывается по одной
технологической схеме. Общее для зерна и картофеля основное
требование - максимальное содержание крахмала.
Картофельный крахмал легче разваривается, из него выше выход
спирта. Сусло из картофеля имеет более полноценный состав по
азотистому и фосфорному питанию для дрожжей.
Однако картофель более трудоемок при выращивании, не выгодно
его транспортировать на далекие расстояния, при его хранении
велики потери из-за высокого содержания влаги и подверженности
заболеваниям. Спирт из картофеля содержит повышенное
количество метанола, образующегося при распаде пектиновых
веществ.
Зерно лучше хранится, транспортируется, меньше потерь на всех
стадиях производства спирта при переработке зерна.
Зерновой спирт имеет более высокое качество, чем
картофельный, однако в нем могут присутствовать терпены,
придающие спирту жгучий вкус.
Меласса содержит все необходимые вещества для развития
дрожжей, поэтому мелассное сусло быстрее сбраживается. При
переработке мелассы упрощается технологическая схема, так как
исключаются стадии разваривания и осахаривания.
Мелассная барда используется для производства большого
ассортимента продуктов.
Однако, качество спирта из мелассы самое низкое, так как при
сбраживании образуется большое количество побочных
продуктов.
2.5. Ферментные препараты. Вода и вспомогательные
материалы
Ферментные препараты применяются в качестве осахаривающих
материалов. Они производятся на спиртовых заводах, а также на
специализированных предприятиях микробиологической
промышленности.
Ассортимент их достаточно широк, продуцентами их могут
являться как плесневые грибы, так и бактерии, дрожжеподобные
микроорганизмы.
На спиртовых заводах, в основном, используются поверхностные
сухие культуры плесневых грибов Aspergillus awamori
(Глюкоаваморин Пх) и Aspergillus oryzae (Амилоризин Пх), сухой
препарат бактериальной амилазы Bacillus subtilis - Амилосубтилин
ГЗх, глубинные культуры микроорганизмов плесневых грибов
Aspergillus awamori (Глюкоаваморин Пх), Aspergillus batate
(Глюкобататин Гх), бактерии Bacillus mezentericus (Амиломезентерин Гх), Endomicopsis bispora (Глюкоэндомикопсин Гх).
Вода в производстве спирта расходуется на
технологические цели, как хладоагент, для питания
паровых котлов.
В технологических процессах вода используется для
замачивания зерна при солодоращении, для
приготовления солодового молока, для приготовления
замеса или мелассного сусла, на промывку оборудования.
Для охлаждения производственных сред вода
используется на стадии брожения, приготовления
дрожжей, брагоректификации.
Требования к воде для технологических целей:
1. Жесткость не более 7 мг-экв./дм,
2. Не допускается присутствие токсичных элементов,
3. Коли-титр не более 300 см3.
4. рН воды не более 5-6.
Большое содержание гидрокарбонатов кальция и магния, солей
временной жесткости увеличивает щелочность воды, что
неблагоприятно сказывается на осахаривании и состоянии
дрожжей. Гидрокарбонаты кальция также способны вступать в
реакцию с фосфатами сырья, необходимыми для питания дрожжей,
переводя их в нерастворимое состояние.
Слишком высокая жесткость воды (более 8 мг-экв./дм3) затрудняет
прорастание зерна при получении солода, снижает его
амилолитическую активность.
Природную воду, не удовлетворяющую требованиям производства,
исправляют по схеме, включающей необходимые операции:
фильтруют при наличии взвесей, коагулируют для удаления
коллоидных примесей, умягчают одним из известных способов при
сверхнормативной жесткости. Щелочность снижают подкислением
серной кислотой.
Для приготовления замеса можно использовать техническую воду
с жесткостью не более 12 мг-экв./дм3, рН не менее 5, не
содержащую токсичных элементов, нитритов, аммиака, нитратов и
других соединений, тормозящих развитие дрожжей.
Вода для теплообменников не должна содержать большого
количества взвешенных и корродирующих веществ, жесткость ее
должна быть в диапазоне 3-6 мг-экв./дм , температура такой воды
не более 20-22 ° С.
Для питания котлов используют, как правило, оборотную воду из
дефлегматоров с температурой 60-65 ° С.
К вспомогательным материалам в спиртовом производстве
относят виды сырья, не входящие непосредственно в состав
готового продукта, но способствующие лучшему протеканию
технологических процессов.
Это: источники дополнительного питания для дрожжей,
биостимуляторы для ускорения солодоращения, кислоты для
подкисления сусла, пеногасители, моющие и дезинфицирующие
средства.
Для дополнительного питания дрожжей применяют
техническую ортофосфорную кислоту как источник фосфора;
сульфат аммония, карбамид как источник азота;
диаммоний фосфат как источник азота и фосфора.
Для подкисления зернового и зерно-картофельного сусла
применяют серную кислоту, для мелассного сусла - серную и
соляную кислоты.
В качестве биостимулятора роста зерна при
солодоращении применяют препараты гиббереллина в
дозе 600-800 мг/тонну зерна.
Для пеногашения применяют поверхностно-активные
вещества: жиры, масла, продукты их гидролиза:
олеиновую кислоту, кашалотовый жир, соапсток (отход
щелочной рафинации растительного масла) и др.
Для мойки оборудования применяют каустическую соду
(технический гидроксид натрия) и кальцинированную соду
(технический углекислый натрий).
В качестве дезинфицирующих веществ используют
хлорную известь (препарат гипохлорита кальция),
антиформин (смесь хлорной извести, кальцинированной и
каустической соды),
формалин (37%-ный раствор формальдегида),
синтетические моющие и дезинфицирующие средства
(катамин, катапин, сульфонолы и др.).
Синтетические моющие и дезинфицирующие средства
имеют небольшой расход при высокой антимикробной
активности, их растворы, как правило, имеют нейтральную
среду и не влияют на материал оборудования.