Технология производства спирта из зерна

Размещено на http://www.allbest.ru

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

ИНСТИТУТ ХОЛОДА и БИОТЕХНОЛОГИЙ

Контрольная работа №1

По дисциплине

«Технология отрасли»

Выполнила:

Бочарова Анастасия Владимировна

Студентка 6-го курса ФЗОиЭ

Санкт-Петербург

2014г

Принципиально-технологическая схема производства спирта из зернового сырья

Сырье и дополнительные материалы

Характеристика зернового сырья. На спирт перерабатывают любое зерно, в том числе и непригодное для пищевых и кормовых целей. Ежегодный объем переработки составляет (%): пшеницы 50 (преимущественно дефектной), ячменя 20, ржи 12, кукурузы 8, проса 5, овса 2 и прочих культур (гречиху вики, гороха, риса и др.) 3. Для приготовления солода употребляют кондиционное высококачественное зерно.

Кукуруза. Из зерновых культур лучшим сырьем для производства спирта является кукуруза (Zeamays). В ней содержится относительно больше крахмала, меньше клетчатки, больше жира (что повышает кормовое достоинство барды). Урожайность кукурузы в 2...3 раза выше урожайности других зерновых культур.

В России кукурузу возделывают на Северном Кавказе, Нижней Волге, в Воронежской и Курской областях.

В зависимости от формы зерна и степени развитости роговидной части эндосперма кукурузу подразделяют на 7 ботанических групп: кремнистая, зубовидная, крахмалистая, восковидная, лопающаяся, сахарная, чешуйчатая. Для производства спирта предпочтительнее легко развариваемая крахмалистая и зубовидная кукуруза.

Рожь, пшеница, ячмень и овес. Рожь (Secale), пшеница (Triticum), ячмень (Hordeum) и овес (Avena) широко возделыва-ются в России: рожь (преимущественно озимая) - в северных, северо-западных и центральных районах, во многих районах Сибири и Урала; пшеница - в Западной и Восточной Сибири, Поволжье; ячмень (преимущественно яровой) и овес - повсеместно - от субтропиков до Заполярья.

В небольших количествах перерабатывают крупяные культуры - просо, гречиху и рис, некоторые продовольственные (горох) и кормовые (вику).

Солод и ферментные препараты. Для осахаривания крахмала па спиртовых заводах используется солод и ферментные препараты.

Солодом называют зерно, которое проросло в определенных условиях. При прорастании в зерне образуются амилолитические, протеолитические и другие ферменты. Солод па спиртовых заводах получают из ячменя, ржи, пшеницы, овса и проса по следующей схеме:

1) очистка зерна;

2) замачивание;

3) проращивание;

4) измельчение;

5) смешивание с водой.

Для осахаривания крахмала в спиртовом производстве кроме солода используются ферментные препараты, получаемые из культур мицелиальных грибов и бактерий. Выпускаемые специальными заводами или специализированными цехами спиртовых заводов ферментные препараты представляют собой либо жидкости с содержанием сухого вещества не менее 50%, либо порошки с определенной стандартной ферментативной активностью. Ферментные препараты, используемые в спиртовой промышленности, получают из мицелиальных грибов рода Aspergillus, бактерий Вас. mesentericus, Вас. subtilis и других. Эти микроорганизмы образуют а-амилазу, а некоторые глюкоамилазу (фермент, расщепляющий крахмал до глюкозы). Применение ферментных препаратов микробного происхождения в спиртовой промышленности взамен солода позволяет существенно снизить расход высококачественного зерна на получение солода и способствует повышению выхода спирта.

Дрожжи. В спиртовом производстве в качестве возбудителей брожения используются дрожжи семейства сахаромицетов. Они продуцируют комплекс ферментов, под действием которого сахара сусла превращаются в этиловый спирт и диоксид углерода. В спиртовом производстве применяют расы (разновидности, отличающиеся несколькими особенностями) дрожжей верхового брожения, обладающие высокой энергией брожения. Они образуют максимальное количество спирта, сбраживают моно- и дисахариды и часть декстринов. Дрожжи, используемые в производстве спирта из мелассы, должны быстро сбраживать субстрат в среде с высоким осмотическим давлением (осмофильные дрожжи).

Вначале дрожжи размножают по методу чистой культуры из одной дрожжевой клетки в стерильных условиях. Спиртовые заводы получают чистую культуру дрожжей и размножают их по определенной схеме. Далее их культивируют по методу естественно чистой культуры, при котором создаются оптимальные условия для развития дрожжей (температура, рН, аэрация и др.) и неблагоприятные для посторонних микроорганизмов, в первую очередь бактерий.

В качестве питательной среды для размножения дрожжей служит сусло, содержащее вещества, необходимые для их питания. Иногда в сусло добавляют дробленый зеленый солод в качестве источника дополнительного питания. Для подавления развития посторонних микроорганизмов сусло подкисляют серной или молочной кислотой до рН 3,8 - 4,0. Температуру поддерживают на уровне 28 - 30 °С. Размножение дрожжей осуществляют в аппаратах - дрожжанках. Аппарат представляет собой вертикальный цилиндр с коническим днищем, снабженный двумя змеевиками для нагрева и охлаждения сусла. Процесс-размножения дрожжей ведут периодическим или полунепрерывным способами. При периодическом сусло из осахаривателя перекачивают в дрожжанку, нагревают до 70 °С и выдерживают при этой температуре 20 мин с целью пастеризации. Затем охлаждают до 50 °С, подкисляют серной кислотой, перемешивают, охлаждают до 30°С и вносят 10% дрожжей от объема сусла. При размножении дрожжей поддерживают температуру на уровне 30°С, регулируя ее путем подачи в змеевики дрожжанки холодной воды. При снижении концентрации сусла на 1/3 от первоначальной производят отбор дрожжей. Длительность размножения дрожжей около 20 ч.

Полунепрерывный способ размножения дрожжей проводят в установке из двух дрожжанок и пастеризатора, в котором пастеризуют, подкисляют и охлаждают сусло. Подготовленное сусло подают в одну из дрожжанок, вводят в нее дрожжи и оставляют на 6 - 8 ч при 28 °С. Затем половину объема дрожжей переводят во вторую дрожжанку и обе доливают суслом из пастеризатора. Через 6 - 8 ч зрелые дрожжи из одной дрожжанки спускают в бродильный аппарат. Свободную дрожжанку моют и стерилизуют, после чего половину дрожжей из второй дрожжанки переводят в свободную, доливают оба аппарата суслом из пастеризатора и процесс повторяется.

Технология производства спирта

Технология спирта включает в себя следующие процессы: подготовка сырья к развариванию, разваривание зерна водой для разрушения клеточной структуры и растворения крахмала, охлаждение разваренной массы и осахаривание крахмала ферментами солода или культур плесневых грибов, сбраживания сахаров дрожжами в спирт, отгонку спирта из бражки и его ректификацию.

Прием зерна. Для приготовления солода используют высококачественные ячмень, рожь, овес и просо, которые должны удовлетворять требованиям, приведенным в таблице №1. Цвет ячменя светло-желтый, допускается потемневший; овса белый или желтый; проса желтый, красный, серый, белый; ржи желтый и зеленый разных оттенков; запах, свойственный зерну; не допускается затхлый, плесенный и другие посторонние запахи.

Таблица №1. Характеристика качества зерна

Качество зерна, идущего на разваривание, не регламентируется. Желательно, чтобы зерно было здоровое, высокой крахмалистости, влажностью 14 - 17% в зависимости от культуры и с небольшой засоренностью. Предварительно здоровое зерно оценивают органолептически.

Подготовка зерна. Все виды зерна, поступающего в производство, очищают от пыли, земли, камней, металлических и других примесей. Зерно, предназначенное для приготовления солода, освобождают также от щуплых зерен, половинок и семян сорных растений.

Воздушно-ситовое сепарирование. Примеси, отличающиеся от зерна данной культуры толщиной (шириной) и аэродинамическими свойствами (парусностью), отделяют на воздушно-ситовом сепараторе. При очистке ячменя, овса и проса производительность сепаратора снижается на 20...30%. В очищенном зерне содержание примесей не должно превышать 1%.

Магнитное сепарирование. Мелкие металлические примеси, содержащиеся в зерне после очистки в воздушно-ситовых сепараторах, удаляют с помощью магнитных сепараторов.

Отделение семян сорных растений. С помощью сит зерно можно разделить только по толщине и ширине. Примеси, отличающиеся от основной культуры длиной зерна, выделяют на машинах, называемых триерами. Рабочий орган триера - цилиндр или диск с ячейками, выбирающими из зерновой массы короткие частицы. В зависимости от назначения различают два вида триеров: куколеотборники - выделяющие из основной культуры половинки зерен и шаровидные примеси, например семена куколя; овсюгоотборники - выделяющие зерно основной культуры, например ячменя, ржи, из смеси его с длинными зернами овса и овсюга.

Разваривание сырья. Разваривание осуществляют для разрушения клеточных стенок, освобождения крахмала из клеток и перевода его в растворимую форму, в которой он быстрее и легче осахаривается ферментами. Разваривание крахмалсодержащего сырья проводят путем обработки его паром с избыточным давлением 400 - 500 кПа.

При разваривании происходит ряд сложных физических, физико-химических и химических изменений. При тепловой обработке в процессе разваривания идет интенсивное набухание крахмала, его кластеризация и переход в растворимую форму, обусловленные интенсивным поглощением воды. При выходе разваренной массы из варочного аппарата давление снижается до атмосферного, что вызывает превращение содержащейся в клетках воды в пар, объем которого в несколько раз превышает объем воды. Такое резкое увеличение объема приводит к разрыву клеточных стенок сырья и превращению его в однородную массу. Процесс разваривания сопровождается увеличением содержания сахаров и декстринов за счет частичного гидролиза крахмала под действием собственных ферментов сырья и естественной кислотности. Высокая температура па стадии разваривания вызывает протекание процессов меланоидинобразования (взаимодействие сахаров с аминокислотами), термического разложения сахаров (карамелизапня) и других, что приводит к снижению количества сбраживаемых сахаров.

В настоящее время разваривание крахмалсодержащего сырья производят тремя способами: периодическим, полунепрерывным и непрерывным. Наибольшее распространение получило непрерывное разваривание по двум схемам. По первой схеме разваривание осуществляют при пониженной температуре (130 - 140°С), но длительное (50 - 60 мни). По второй схеме температура разваривания 165 - 172 °С и продолжительность варки 2 - 4 мин. При непрерывном разваривании сырье постоянным потоком движется через варочный аппарат.д.ля обеспечения равномерности потока сырье измельчают.

Непрерывное разваривание измельченного сырья включает операции: дозирование сырья и воды, приготовление замеса и разваривание в две стадии (нагрев замеса до температуры варки и выдержка замеса при этой температуре). Процесс непрерывного разваривания осуществляется следующим образом. Измельченное зерно смешивают с водой в количестве 2,0 - 3,5 л на 1 кг зерна. Воду добавляют с таким расчетом, чтобы концентрация зернового замеса составляла 16 - 17% сухого вещества. Зерновой замес нагревают вторичным паром до 70 - 75°С и подают насосом в контактную головку, где происходит мгновенный нагрев замеса (кашки) паром до 100 110°С. Затем подогретый замес подают в варочный аппарат, состоящий из 2 - 4 ступеней (колонн).

Охлаждение разваренной массы и её осахаривание. При осахаривании охлажденную разваренную массу обрабатывают солодовым молоком или ферментными препаратами для расщепления крахмала и белков. При этом основным процессом является гидролиз крахмала до сбраживаемых дрожжами Сахаров.

При осахаривании разваренной массы солодовым молоком: крахмал гидролизуется на 70 - 75% до мальтозы и глюкозы и на 25 - 30% до предельных декстринов, которые расщепляются: до Сахаров на стадии брожения. При использовании солодового молока получается сусло, содержащее 71 - 78% мальтозы и 22 - 29% глюкозы от суммы всех сбраживаемых Сахаров. Сусло, полученное при осахаривании ферментными препаратами микробного происхождения, содержит 14 - 21% мальтозы и 79 - 81% глюкозы.

Такое различие в продуктах гидролиза крахмала при использовании разных осахаривающих материалов связано с тем, что в солодовом молоке содержатся A - и (B-амилаза и декстриназа, а ферментные препараты микробного происхождения содержат A-амилазу и глюкоамилазу. Все эти ферменты отличаются по характеру действия на крахмал и по отношению к температуре и кислотности среды. В зависимости от происхождения A-амилазы могут расщеплять крахмал только до декстринов (A-амилазы бактериального происхождения) или образуют и декстрины, и сахара (большинство A-амилаз грибного происхождения и ферменты солода). Поэтому осахаривание разваренной массы осуществляют при определенных температуре, кислотности, концентрации субстрата и осахаривающего материала.

Наиболее прогрессивным способом осахаривания является непрерывное осахаривание с вакуум-охлаждением. Сущность его заключается в снижении давления, что приводит к мгновенному охлаждению разваренной массы вследствие затрат тепла на испарение воды. Охлаждение под вакуумом предотвращает тепловую инактивацию ферментов осахаривающих материалов. К охлажденной массе добавляют осахариваюшие материалы. Оптимальная температура действия амилолитических ферментов 57 - 58 °С. Непрерывное осахаривание разваренной массы производят по одно или двухпоточному способу. При однопоточном способе в осахариватель (цилиндрический аппарат с коническим днищем и мешалкой) подают разваренную массу, все расчетное количество осахаривающих материалов и выдерживают в течение 10 - 15 мин. При двухпоточном способе разваренную массу разделяют на два равных потока и направляют в два осахаривателя. В первый осахариватель подают 2/3 осахаривающих материалов, во второй частично осахаренное сусло охлаждают и подают на брожение в первый и второй головные аппараты бродильной батареи. спирт зерно дрожжи

Готовое сусло должно содержать 16 - 18% сухого сахара, в том числе 13 - 15% сбраживаемых сахаров; кислотность 0,2 - 0,3 град. При пробе на йод окраска сусла не должна изменяться.

Сбраживание. Сбраживание осахаренной массы (сусла) начинается с момента введения в нее производственных дрожжей; Под действием ферментов дрожжей идет расщепление мальтозы до глюкозы, которая затем сбраживается в спирт и диоксид углерода - основных продуктов брожения. Наряду с этим образуются вторичные и побочные продукты брожения: высшие спирты, кислоты и эфиры. По мере сбраживания моно - и дисахаридов под действием амилолитических ферментов происходит доосахаривание декстринов и крахмала, содержащихся в сусле. От скорости этого процесса зависит длительность брожения.

В процессе брожения сусла можно выделить три периода: взбраживание, главное брожение и дображивание. В первом периоде происходит интенсивное размножение дрожжей и сбраживание Сахаров. Второй период характеризуется энергичным сбраживанием Сахаров и сопровождается бурным выделением диоксида углерода. В третьем периоде идет медленное дображивание Сахаров, образующихся в результате доосахаривания декстринов сусла.

Процесс брожения проводят в закрытых бродильных аппаратах для предотвращения потерь спирта и выделения диоксида углерода в производственное помещение. Герметически закрытый бродильный аппарат представляет собой вертикальный цилиндр со сферическим или коническим днищем, внутри него установлен змеевик для охлаждения бродящего сусла.

Брожение сусла проводят периодическим, циклическим и непрерывнопоточным способами. Наиболее совершенным и эффективным является непрерывнопоточный метод, осуществляемый па установке, состоящей из двух дрожжанок, взбраживателя и 8 - 10 бродильных аппаратов, последовательно соединенных переточными трубами. Дрожжанки и взбраживатель предназначены для приготовления необходимого количества производственных дрожжей. Процесс происходит следующим образом. Дрожжанку заполняют суслом, пастеризуют его при 80°С в течение 30 мин, охлаждают до 30°С, доводят рН до 3,6 - 3,8 серной кислотой и вводят из второй дрожжанки засевные дрожжи в количестве 25 - 30% от объема. Размножение дрожжей идет до достижения содержания сухого вещества в сусле 5 - 6% - Затем 70 - 75% дрожжей переводится во взбраживатель, куда одновременно подается охлажденное сусло, производится подкисление всей массы до требуемой кислотности. Массу в таком виде оставляют для брожения и размножения дрожжей. Оставшаяся часть дрожжей (25%) подается во вторую дрожжанку для размножения.

Когда содержание сухого вещества достигнет 5 - 6%, массу подают в первый головной бродильный аппарат, в который одновременно подается охлажденное сусло. При заполнении первого головного бродильного аппарата сбраживаемое сусло на него перетекает, во второй головной аппарат, из него - в третий и т.д. Длительность брожения составляет 60 ч. Из последней, аппарата зрелая бражка подается на перегонку. При брожении в аппаратах поддерживается определенная температура: в первом - 26 - 27 °С, во втором - 27, в третьем - 29 - 30, в последующих - 27 28 °С.

Выделяющийся при брожении диоксид углерода вместе с парами спирта из бродильных аппаратов поступает в специальные ловушки, и которых происходит растворение спирта и отделение диоксида углерода. Водно-спиртовая жидкость из ловушки направляется вместе с бражкой на перегонку, а диоксид углерода - в специальный цех для получения сухого льда или жидкого диоксида углерода.

Зрелая бражка должна соответствовать установленным нормам. Крепость бражки (содержание этилового спирта в объемных процентах) должна находиться в пределах 8,0 - 9,5 об.%: содержание несброженных Сахаров не должно превышать 0,4 - 0,5%; кислотность зрелой бражки не должна превышать 0,5-0,6 град.

Отгонка спирта из бражки и его ректификация. Получаемая в результате брожения зрелая бражка имеет сложный состав. Кроме воды и спирта она содержит различные органические и неорганические соединения: сахара, декстрины, минеральные вещества, летучие соединения (эфиры, спирты, альдегиды, кислоты) и др. Состав и содержание примесей зависит от вида сырья, его качества, режимов его переработки в ходе технологического процесса.

Для выделения спирта из бражки и его очистки применяется ректификация. Ректификацией называется процесс разделения смеси, состоящей из двух или большего числа компонентов, кипящих при разных температурах. При кипении такой смеси компонент с более высокой упругостью пара (более летучий) переходит в паровую фазу в относительно больших количествах, а паровая фаза обогащается более летучим компонентом. Температура кипения этого компонента при постоянном давлении ниже. Поэтому при кипении смеси летучих компонентов паровая фаза обогащается компонентом, имеющим более низкую температуру кипения. В водно-спиртовом растворе упругость паров спирта при любой температуре значительно выше упругости паров воды. Вследствие этого содержание спирта в парах больше, чем в кипящем водно-спиртовом растворе.

Очистка спирта от примесей путем перегонки основана на различии коэффициентов их испарения. Коэффициентом испарения называется отношение концентрации данного вещества в паровой фазе к концентрации в жидкой фазе. Коэффициенты испарения отдельных примесей отличаются один от другого и изменяются в зависимости от содержания этилового спирта. Для определения возможности очистки этилового спирта от примесей необходимо сравнить коэффициент испарения примесей с коэффициентом испарения этилового спирта.

При коэффициенте ректификации, равном единице, перегонка неэффективна, так как дистиллят после нее остается без изменения. Если коэффициент ректификации больше единицы, то в дистилляте больше примесей, чем в первоначальной смеси. Если коэффициент ректификации меньше единицы, то в дистилляте меньше примесей, чем в перегоняемой смеси. Для головных примесей коэффициент ректификации больше единицы, для хвостовых - меньше.

Очистку спирта-сырца от примесей производят в настоящее время преимущественно на ректификационных установках непрерывного действия, в которых спирт-сырец освобождается от примесей в соответствии со значениями коэффициентов испарения. Такие установки используются на ликеро-водочных заводах, где основным сырьем является спирт-сырец.

Ректификованный спирт в настоящее время на спиртовых заводах получают непосредственно из бражки на брагоректификационных установках косвенного действия. В установку входят три колонны: бражная. эпюрациопная и ректификационная. В бражной колонне из бражки выделяют этиловый спирт и летучие примеси, в эпюрационной отделяют головные примеси, в ректификационной получают ректификованный спирт. В состав установки входят две дополнительные колонны - сивушная и окончательная. Сивушная колонна предназначена для выделения фракции высших спиртов (сивушное масло) и их концентрации, а окончательная колонна - для дополнительного освобождения этилового спирта от примесей.

На установке косвенного действия процесс ректификации осуществляется следующим образом. Бражку подогревают до 90°С в бражном подогревателе и подают на верхнюю тарелку бражной колонны, в которую снизу поступает греющий пар. Пары, поднимающиеся из бражной колонны, поступают в конденсатор через бражный подогреватель, где отдают тепло поступающей в бражную колонну зрелой бражке. В конденсаторе пар полностью конденсируется и полученный конденсат крепостью 45 - 55 об.% поступает в эпюрационную колонну.

Выводы

Технология производства спирта - это многоэтапный технологический процесс.

Технология производства спирта состоит из различных по характеру и происхождения операциям от механических (подготовка сырья) до тепло-массообменных (ректификация), а также использование ферментов микробиологического и биологического происхождения вместе с дрожжами.

Существует множество способов усовершенствования производства и увеличения выхода и качества продукции: модернизации старого оборудования, разработка новых аппаратов, улучшение штаммов микроорганизмов и дрожжей, ведение селекционной работы по получению высококачественного сырья.

Требования к дрожжам спиртового производства. Современные штаммы дрожжей, применяемые при производстве спирта из зерна.

В спиртовом производстве применяют дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae, которые относятся к дрожжам верхового брожения. Основными требованиями, предъявляемыми к расам дрожжей при производстве спирта, являются:

*высокая бродильная активность. Спиртовые дрожжи должны образовывать максимум спирта;

*способность сбраживать как моносахариды, так и дисахариды и некоторые декстрины;

*способность сбраживать растворы, содержащие довольно большие концентрации сахара (в производстве спирта из мелассы концентрация сахара составляет 13-15\% и более);

*способность осуществлять спиртовое брожение при высоком содержании спирта в растворе.

При производстве спирта из крахмалсодержащего сырья чаще всего используют расу ХП, а в производстве спирта из мелассы - расы Я, Л и В.

Успешное применение находят гибридные дрожжи, выведенные в институте генетики АН путем скрещивания двух видов дрожжей. Так, гибрид 67 получен скрещиванием пивных дрожжей и спиртовых расы Я, основной особенностью которого является наличие у него фермента б-галактозидазы и способность сбраживать рафинозу.

Производственные спиртовые дрожжи - круглые или яйцевидные клетки размером 5-6,2х5-8 мкм, распределяющиеся во всем объеме сусла, пылевидные.

Основными факторами, влияющими на жизнедеятельность дрожжей в спиртовом производстве, являются температура, рН среды, концентрация сусла, содержание органических и неорганических кислот.

Температура. Оптимальная скорость роста спиртовых дрожжей 30-32 °С, однако дрожжи, выращенные при температуре ниже оптимальной имеют более высокую бродильную активность, поэтому процесс брожения начинают при температуре 18-22 °С, а во время брожения ее поддерживают на уровне 29-30 °С. Более высокая температура вызывает снижение бродильной активности и способствует развитию молочнокислых бактерий и диких дрожжей.

РН среды. Водородные ионы изменяют электрический заряд коллоидов плазменной оболочки клетки и в зависимости от концентрации могут увеличивать или уменьшать проницаемость оболочки клеток для отдельных веществ и ионов. От величины рН зависит скорость поступления питательных веществ в клетку, активность ферментов, образование витаминов.

При изменении рН среды изменяется характер брожения: если рН смещается в щелочную зону, то увеличивается содержание глицерина и побочных веществ в бражке. Оптимальным рН для развития дрожжей является 4,8-5,0, однако в спиртовом производстве его стараются поддерживать на уровне 3,8-4,0, чтобы подавить развитие молочнокислых бактерий. Необходимый рН создают добавлением серной, соляной или молочной кислоты.

Содержание сахара в сусле. Очень высокие концентрации сахара повышают осмотическое давление в дрожжевых клетках, а низкие - экономически невыгодны, поэтому сбраживают сусло с содержанием сухих веществ, что соответствует содержанию в нем 13-15\% сахара. В зависимости от исходной концентрации сахара и производственных потерь содержание спирта в зрелой бражке составляет 8-9,5 об.\%.

Содержание спирта. Спирт оказывает тормозящее влияние как на размножение, так и на бродильную способность дрожжей. Торможение брожения наблюдается при содержании спирта 12-16\%. Поэтому концентрация Сахаров в сусле должна быть такой, чтобы в зрелой бражке крепость спирта не превышала 10 об.\%.

Иногда для подкисления сусла при производстве спирта из картофеля и зерна используют молочнокислые бактерии вида Lactobacillus delbrueckii штаммов 52 и смешанная культура со штаммом 70. Это грамположительные не образующие спор палочки, которые осуществляют гомоферментативное молочнокислое брожение. Культивирование молочнокислых палочек ведут при температуре 50°С до кислотности 2,0-2,2 ° для картофельного и 1,7-2,0? для зернового сусла, а потом проводят пастеризацию сусла при 75°С. В сусле, подкисленном молочнокислыми бактериями, увеличивается содержание растворимых азотистых веществ, что благоприятно сказывается на размножение дрожжей.

Современные штаммы дрожжей, применяемые при производстве спирта из зерна

Штамм Saccharomyces cerevisiae №8 Спиртовой (8-С), обладающий высокой генеративной активностью, депонирован во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов (ВКПМ) под регистрационным номером ВКПМ В-3855 и может быть использован при производстве спирта. Изобретение позволяет повысить выход спирта и снизить образование побочных продуктов. 3 табл.

Изобретение относится к спиртовой промышленности и представляет собой новый штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae В - 3855, используемый для производства спирта.

В производстве спирта из мелассы дрожжи должны обладать высокой бродильной энергией с анаэробным типом дыхания, переносить большую концентрацию солей и сухих веществ, быть устойчивыми к продуктам обмена посторонних микроорганизмов.

В производстве спирта из мелассы применяются различные штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae и среди них наиболее распространенной является производственная раса , с хорошими технологическими свойствами [1, 2] - аналог. Однако, эта раса имеет сравнительно невысокую генеративную активность, обладает повышенной потребностью к стимуляторам роста, чувствительностью к вредным примесям мелассной среды. В морфологическом отношении штамм неоднороден по величине и форме, с наличием в популяции удлиненных клеток, имеющих замедленную скорость роста, более длительное время генерации по сравнению с овальными клетками.

Известно также, что традиционной средой для выращивания дрожжей S. cerevisiae, используемых в спиртовой промышленности является мелассная питательная среда. Создание современных прогрессивных технологий пищевого спирта диктует необходимость получения физиологически активных рас дрожжей, обеспечивающих эффективное сбраживание концентрированного мелассного сусла. Нами установлено, что минеральные и органические вещества геотермальной воды нефенольного класса можно рассматривать как новый источник питания дрожжей. Установлено также, что интенсификация синтеза этанола на 25% и значительное снижение весьма нежелательных примесных соединений с использованием штамма S. cerevisiae Y-503 обусловлены возможностью изменения метаболизма дрожжей на основе влияния биологически активных веществ геотермальной воды [3, 4]. В связи с этим, новый штамм получают на мелассной питательной среде, где в качестве минерального и органического питания используют геотермальную воду нефенольного класса с общей минерализацией 5.2-5.4 г/л, разбавленную водопроводной водой до минерализации 4.0-5.2 г/л. Наличие таких важных минеральных веществ, необходимых для жизнедеятельности живых организмов, как K, Na, Mg, Ca, Fe, Mn, а также борная, кремниевая кислоты, органические вещества, в частности, гумусовые, являющиеся стимуляторами мембранных перестроек в живой клетке, создают благоприятные условия в среде культивирования для выращивания дрожжевых организмов.

Задачей изобретения является создание стабильного штамма спиртовых дрожжей для эффективного сбраживания мелассной питательной среды с использованием геотермальной воды нефенольного класса с концентрацией углеводов 21.0 г / 100 см3, способного сохранять спиртоустойчивость, высокие биохимические и технологические свойства в результате селекции при длительном пассажировании его на твердых и жидких средах. Технический результат направлен на повышение выхода спирта.

Предлагаемый штамм дрожжей имеет следующую характеристику. Морфолого-культуральные признаки.

Клетки в суточной культуре на мелассной питательной среде с геотермальной водой (МПСГВ) имеют округло-овальную форму, размером 6-8Ч11-13 мкм; на МПСГВ + агар - овальная, яйцевидная, размером 6-7Ч11-12 мкм. Культура размножается вегетативным путем, образует сумки со спорами (среда Городковой, гипсовые блоки, голодный агар). Микроколонии на МПСГВ + агар - округлые, гладкие, слегка блестящие с ровным краем, размером 4-7 мм, палевого цвета. Макроколонии (20-ти суточная)- округлой формы, размером 2.9Ч2.7 см, поверхность радиально исчерченная с концентрическими кругами, слегка блестящая, светло-палевая, край волнистый, профиль слегка выпуклый с небольшими конусом, структура однородная, консистенция мажущаяся

Физиолого-биохимические признаки.

Штамм S. cerevisiae В - 3855 полностью сбраживает: глюкозу, фруктозу, сахарозу, лактозу, мальтозу, раффинозу, простые декстрины; не сбраживает и не усваивает лактозу и инулин. Усваивает уксусную, молочную, не усваивает янтарную, яблочную, винную, лимонную кислоты [5]. Сбраживает высококонцентрированные рассиропки с содержанием углеводов 21.0 г / 100 см3, синтезируя 12.4 об.% спирта. Оптимальная температура роста 20-30°С, однако может расти и при температуре 32-33°С. Оптимальными значениями рН среды являются 4.5-5.5.

Предлагаемый штамм S. cerevisiae В - 3855 хранится в ВКПМ ГНИИгенетика под коллекционным номером В - 3855 и в дрожжевой коллекции Прикаспийского института биологических ресурсов Дагестанского научного центра РАН г.Махачкала. Пример получения штамма.

Исходной культурой для получения штамма S. cerevisiae В - 3855 служил штамм S. cerevisiae Y-503 [4]. Для получения дрожжей с требуемыми свойствами была проведена адаптация штамма S.cerevisiae Y-503 к мелассной питательной среде с геотермальной среднеминерализованной, сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатной натриевой водой из скважины №26 Махачкалинского месторождения. По мере воздействия состава питательной среды микроорганизмы адекватно изменились, что привело к возникновению новых форм. При этом немаловажное значение имела и частота пересевов на свежие среды.

На первом этапе исследований из отдельных многочисленных микроколоний (95), путем поиска полезных морфофизиологических свойств был проведен скрининг активных популяций исследуемых рас. В результате было выделено 6 монокультур путем рассева отобранных клонов на питательные среды с повышенной концентрацией сухих веществ. Наблюдения за динамикой брожения всех культур выявили идентичность выделения углекислого газа в течении первых 24 ч после инокуляции. Значительный рост бродильной активности проявился на 3-8-е сутки, который в большей мере отмечен у 3-х вариантов. На втором этапе адаптированную дрожжевую суспензию высевали на плотную мелассную питательную среду с геотермальной водой. Каждая выросшая колония отсевалась на скошенное агаризированное мелассное сусло. На всех этапах исследования осуществлялся контроль за функциональной морфологией дрожжевых клеток. Наблюдения велись за скоростью и характером почкования, ростом, размножением, формой и величиной клеток. Из них наибольшей бродильной способностью, лучшими морфофизиологическими свойствами обладала культура В - 3855. Концентрация этанола в бражке увеличилась и составила 12.4 об %. Сравнительное исследование динамики сбраживания мелассного сусла с концентрацией углеводов 21.0 г / 100 см3 селекционным штаммом В - 3855, исходным Y-503 и промышленным - Я, показали перспективность использования отобранного штамма.

Предлагаемый штамм хранится на скошенном МПСГВ+агар в холодильнике при температуре 0±6°С.

Пример использования штамма.

Выращивание дрожжей с использованием предлагаемого штамма S. cerevisiae В - 3855 осуществляют в течение 72 ч глубинным методом в периодическом режиме в анаэробных условиях в лабораторной установке при температуре 30°С±1, рН 5.0 на мелассной питательной среде с геотермальной водой (МПСГВ) и содержанием углеводов 21.0 г / 100 см3 следующего состава (г/л):

- меласса 488.74

- гидроортофосфат аммония 2.58

- геотермальная вода с минерализацией 4.0-4.2 г/л с определенным качественным и количественным составом необходимым для выращивания дрожжей остальное

К мелассе добавляют разбавленную водопроводной водой геотермальную воду до содержания в среде углеводов 21.0 г/100 см3, гидроортофосфат аммония - 2.58 г/л, концентрированную серную кислоту, для достижения в среде рН 5.0, из расчета 0.4-0.6 мл на 100 г мелассы. Содержимое хорошо перемешивают. Стерильную питательную среду разливают по 1.5 л. в сосуды вместимостью 3 л., затем засевают вегетативной культурой указанного штамма в количестве 150 мл. из дрожжевой суспензии последней стадии адаптации на МПСГВ, 1 мл которой содержится 95.6 млн/мл клеток. В качестве пеногасителя используют структол 0.1 мл/1.5 л среды. По окончании 72-х часового эксперимента дрожжи отделяют от культуральной жидкости центрифугированием (5000g, 15 мин) на лабораторной стационарной центрифуге ЦЛС-344.2. По завершению эксперимента в сброженном субстрате определены остаточный сахар, накопление спирта и содержание примесных соединений. Наибольшее количество спирта отмечено в образце S. cerevisiae В - 3855 при минимальном содержании остаточного сахара (табл.1).

Усвоение раффинозы данной культурой (предлагаемый штамм) происходит в большей степени, чем исходным S. cerevisiae Y-503 и производственной расой Я (на 1/3), что обусловлено активацией фермента б-галактозидазы, катализирующего сбраживание этого углевода. Видимо, органические компоненты геотермальной воды (гуминовые кислоты), влияя на коллоиднохимические свойства протоплазмы и эффективность использования клеткой из питательной среды биологически активных веществ, усиливают тем самым ферментативную активность живой клетки.

Установлено, что опытный вариант имеет более высокий уровень активности в-фруктофуранозидазы, который проявляется с первых минут брожения. Обнаружено, что уровень активности альдолазы у штамма S. cerevisiae В - 3855 превышает показатели исходного и контрольного на 6 и 25% соответственно. Ключевым веществом анаэробного расщепления глюкозы и метаболизма Сахаров является пировиноградная кислота, разложение которой на ацетальдегид и СО2катализируется пируватдекарбоксилазой. Полученные данные позволяют говорить о более высокой активности фермента в опытной живой биомассе на 27 и 37% по сравнению с исходной культурой и контролем. Заключительный этап брожения катализирует алкогольдегидрогеназа, восстанавливающая ацетальдегид до этанола. Активность данного фермента в клетках опытного варианта S. cerevisiae В - 3855 намного превышает данный показатель у исходного и контрольного (табл.2).

Анализ хроматограмм летучих примесей выявил идентичный качественный состав, причем штамм S. cerevisiae В - 3855 отличался количеством синтезируемых побочных метаболитов - 30.18% меньше по сравнению с S. cerevisiae Y-503, что является результатом изменения регуляторных функций клетки (табл.3). Так, S. cerevisiae В - 3855 синтезирует ацетальдегида почти вдвое меньше, чем штамм S. cerevisiae Y-503. Ацетон (на 29.16% меньше в опыте) может служить необходимым продуктом для образования высших спиртов, что нежелательно для получения основного продукта - этанола. С использованием культуры S. cerevisiae В - 3855 спирты: пропанол-1, изобутанол, бутанол-1, изоамилол и гексанол обнаружены в значительно меньшем количестве по сравнению со штаммом Y-503 (8518.24:10947.20 мг/дм3, опыт: исходный). В большей степени присутствие пропанола-1 и изоамилола в контроле на 30 и 14%, соответственно, ухудшает технологическую характеристику субстрата с приобретенным сивушным запахом. Увеличение концентрации кротональдегида, как сильного лакриматора, в контроле на 40% сообщает горечь, ухудшает пробу спирта на окисляемость. Содержание фенилалкоголя и бензальдегида - гликозида с запахом горького миндаля, превышает пороговые концентрации в субстратах, но с использованием культуры S. cerevisiae В - 3855 они меньше на 19.5% и 32.9% соответственно. Очевидно, положительные результаты исследований обусловлены биохимическими изменениями в клетке в результате проведенной адаптации и селекции к соответствующим условиям культивирования.

Таким образом, использование штамма дрожжей S.cerevisiae В - 3855, способного сбраживать мелассное сусло с концентрацией углеводов 21.0 г/100 см3, позволит интенсифицировать технологический процесс получения спирта до 12.4 об.%, снизить на 30% образование побочных метаболитов.

Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ В - 3855, используемый для получения спирта

Список используемой литературы

Технология спирта / Яровенко В.Л., Маринченко В.А., Смирнов В.А. - М.: "Колос", "Колос - пресс", 2002.

Процессы и аппараты пищевой промышленности. В 2-х книгах. - М.:

Технология бродильных производств / Мальцев П.М. - М.: Пищ. пром-сть, 1980 .

Технология спирта из мелассы /Маринченко В.А., Метюгиев Б.Д., Щвец В.Н. / Издательское объединение «Вища школа», Киев. 1975. С.75-153.

Бродильная способность рас дрожжей /Микелов А.Н., Соболев Э.М., Боярский В.М. / Известия вузов. Пищ. технол. 1995. №5, 6. С.14-16.

Систематика дрожжей /Кудрявцев В.И.. М.: Из-во АНСССР.1954, 212 с.

Размещено на Allbest.ru