9.1.2. Производство пищевого спирта

Промышленность выпускает пищевой и технический этиловый спирт. Пищевой получают брожением при переработке зерна, картофеля, сахарной свеклы, мелассы; технический – брожением гидролизатов древесины (гидролизный спирт), сульфитных щелоков или путем синтеза из газов, содержащих этилен.

Спиртовые заводы вырабатывают: спирт этиловый сырец с содержанием спирта не менее 88 % об содержание примесей составляет 0,4 – 0,5 %; спирт этиловый ректифицрованный разной степени очистки.

Микроорганизмы, используемые в производстве. При производстве спирта биохимическим способом используют следующие микроорганизмы:

Дрожжи. В спиртовом производстве используют хлебопекарные дрожжи Saccharomyces cerevisia (верхового брожения) или гибридные расы пивоваренных дрожжей Saccharomyces carlsbergensis и рас хлебопекарных дрожжей.

Дрожжи сбраживают глюкозу, сахарозу, мальтозу, галактозу, раффинозу, накапливают спирта до 13 % об. Оптимальная температура 30 – 33° С. Хорошо переносят повышенную кислотность среды при подкислении серной кислотой в процессе очистки дрожжей в производстве.

Оценка производственных свойств чистых культур дрожжей. К расам спиртовых дрожжей предъявляются следующие требования:

• высокая бродильная активность;

• способность быстро и полно сбраживать сахара среды, т. е. способность давать низкие отброды;

• стойкость к высоким концентрациям спирта;

• устойчивость к подкислению среды и к продуктам обмена посторонних микроорганизмов.

Зрелые производственные дрожжи, поступающие в бродильные аппараты, должны иметь следующие показатели:

• количество почкующихся клеток 10 – 15 %;

• количество отмерших клеток не более 2 – 4 % (увеличение количества отмерших клеток указывает на наличие в среде факторов, угнетающих жизнедеятельность дрожжей);

• количество клеток, содержащих гликоген, должно быть не менее 70 %, уменьшение количества таких клеток указывает на то, что дрожжи слабо упитаны и ослаблены;

• количество дрожжевых клеток в 1 мл среды должно быть не менее 120 – 140 млн.;

• при микроскопировании не должно обнаруживаться подвижных форм бактерий, а неподвижных – не более 4 – 6;

• расы дрожжей, применяемые для сбраживания мелассовых растворов, должны сбраживать сахарозу, глюкозу, раффинозу на 1/3 или полностью.

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. %.

Молочнокислые бактерии. Иногда для подкисления сусла при производстве спирта из картофеля и зерна используют молочнокислые бактерии вида Lactobacillus delbrueckii. Культивирование молочнокислых палочек ведут при температуре 50°С. В сусле, подкисленном молочнокислыми бактериями, увеличивается содержание растворимых азотистых веществ, что благоприятно сказывается на размножение дрожжей.

Плесневые грибы. Для получения осахаривающих препаратов более дешевых и активных, чем солод, используются специально отобранные активные штаммы Aspergilus batatae, Asp. niger, Asp. orizae и др. Такие грибы являются хорошими продуцентами амилолитических ферментов.

Основные стадии технологического процесса. Получение этилового спирта биохимическим путем основано на жизнедеятельности дрожжевых грибов Saccharomyces cerevisiae, превращающих сахара питательной среды в спирт, углекислый газ и небольшое количество побочных продуктов, некоторая часть сахаров используется на процессы синтеза при росте дрожжевых клеток.

Спирт, накопившийся в среде, выделяют перегонкой; углекислый газ улавливается особыми аппаратами и превращается в жидкую и твердую углекислоту. Побочные продукты брожения, так же как и дрожжи, отделяют и используют в технике и хлебопечении.

Подготовка сырья. Наиболее часто употребляемым сырьем являются:

• крахмалсодержащие материалы – картофель и отходы крахмало-паточных заводов, различные зерновые культуры – рожь, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, просо и т. д. Допускается к переработке также и дефектное зерновое сырье;

• сахарсодержащее сырье – свекловичная меласса, сахарная свекла.

В зависимости от перерабатываемого сырья технологический процесс имеет свои особенности.

Крахмалсодержащее сырье. Крахмал – сложный полисахарид. Дрожжи не сбраживают его вследствие отсутствия у них амилазы. Следовательно, крахмалсодержащее сырье необходимо предварительно подвергнуть осахариванию. Однако крахмал, содержащийся в клетках зерна или картофеля, недоступен для амилазы. Чтобы разрушить или ослабить стенки клеток, сырье подвергают действию высокой температуры и давления, в результате происходит разваривание, клейстеризация и разжижение крахмала. Следующим этапом является осахаривание. Это – процесс превращения оклейстеризованного крахмала сырья в сахара под влиянием осахаривающих ферментов. Источниками осахаривающих ферментов являются солод или плесневые грибы.

Сахарсодержащее сырье. Мелассу перекачивают в специальные аппараты – рассиропники, разбавляют водой до заданного содержания сухих веществ, подкисляют серной кислотой. Для улучшения питания дрожжей добавляют фосфорнокислые соли, а в качестве источника азотистого питания вводят автолизат дрожжей или сернокислый аммоний.

Подготовка посевного материала. Дрожжи размножают в дрожжевом отделении завода с соблюдением всех необходимых условий для получения чистых и физиологически активных производственных дрожжей. Чистую культуру дрожжей накапливают постепенно, в несколько стадий. Для размножения дрожжей создают оптимальные условия питания и температуры.

При получении посевного материала дрожжей вначале получают лабораторную чистую культуру используя в качестве питательной среды стерильное солодовое сусло с содержанием сухих веществ 8 – 10 %.

Производственные стадии разведения чистой культуры осуществляют на питательной среде содержащей то сырье, которое перерабатывают на данном заводе: зерновое, картофельное или меласса. По окончании производственной стадии дрожжи передают в дрожжевой аппарат или дрожжегенератор. В 1 мл среды в дрожжегенераторе должно содержаться не менее 150 – 200 млн. клеток дрожжей чистой культуры, так как при таком их количестве дрожжи устойчивее к заражению их посторонними микроорганизмами.

Основная ферментация. Дрожжи из дрожжегенератора поступают в бродильное отделение завода, где происходит главный процесс брожения.

Существует несколько методов сбраживания сырья: периодический, полунепрерывный и непрерывный.

Методы проточных культур являются более производительными. При непрерывном методе сбраживания создаются более благоприятные условия для жизнедеятельности дрожжей – постоянное обновление среды, удаление вредных продуктов обмена и возможность сохранения всех благоприятных параметров на одном уровне. Кроме того, преимущество непрерывного процесса – это возможность его механизации и автоматизации.

Брожение идет в батарее бродильных аппаратов, последовательно соединенных коммуникациями, по которым бражка перетекает из одного аппарата в другой. Главное брожение протекает в первых аппаратах, в последующих по потоку происходит дображивание.

Отгонка спирта и его ректификация. Отбродившая зрелая бражка поступает в бражный резервуар, откуда насосом передается на брагоперегонные аппараты. В этих аппаратах из бражки выделяются этиловый спирт и все летучие примеси. Получаемый продукт называется спирт-сырец, а остаток – бардой. Спирт-сырец используют для технических целей или подвергают очистке от примесей – ректификации. Сивушные масла, альдегиды и эфиры, содержащиеся в спирте-сырце, при ректификации отбирают и получают спирт-ректификат разной степени очистки.

Посторонние микроорганизмы спиртового производства.

К микроорганизмам опасными для спиртового производства, снижающим выход спирта за счет угнетения жизнедеятельности дрожжей продуктами своего метаболизма можно отнести:

спорообразующие бактерии как аэробные, так и анаэробные, чаще всего это маслянокислые. При разваривании зерна споры не погибают и в дальнейшем могут размножаться в осахаренной массе и вызывать закисание ее. Кроме того, эти бактерии восстанавливают содержащиеся в мелассе нитраты в нитриты, угнетающие жизнедеятельность дрожжевых клеток;

дрожжи Saccharomyces exiguus, Saccharomyces intermedius, дрожжеподобные грибы родов Torulopsis и Candida;

гетероферментативные молочнокислые бактерии. Продукты обмена этих микроорганизмов – уксусная и муравьиная кислоты, эфиры и альдегиды – угнетающе действуют на бродильную способность дрожжей, вследствие чего выход спирта резко снижается.