Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор 8
1.1 .Топинамбур - нетрадиционное сырье для спиртового производства. 8
1.2. Сравнительная характеристика кислотного и ферментативного способов гидролиза инулина 18
1.3. Инулиназа микробного происхождения, физико-химические свойства и механизм действия 24
1.4. Перспектива получения этилового спирта из инулиносодержащего сырья 28
1.5. Характеристика дрожжей, применяемых для сбраживания топинамбура 31
ГЛАВА II. Экспериментальная часть 35
2.1. Объекты и методы исследования 35
2.1.1. Определение массовой доли инулина 36
2.1.2. Определение инулиназной активности 37
2.1.3. Подготовка сырья 39
2.1.4. Культивирование дрожжей 39
2.1.5. Методы контроля спиртового производства 46
2.1.5.1. Определение активной кислотности 46
2.1.5.2. Определение концентрации сбраживаемых углеводов 46
2.1.5.3. Определение концентрации фруктозы (резорциновым методом) 48
2.1.5.4. Контроль осахаривания инулина 49
2.1.5.5. Колориметрическое определение количества растворимых несброженных углеводов 50
2.1.5.6. Газохроматографический метод определения этилового спирта и примесных соединений в бражке и в ректификованном спирте 51
2.1.5.7. Органолептический метод оценки качества спирта ректификованного 57
2.1.5.8. Микробиологический контроль 58
2.1.6. Результаты исследований процесса ферментативного гидролиза 58
2.1.6.1. Исследование свойств и физико-химических 58
показателей ферментов 58
2.1.6.2. Влияние продолжительности гидролиза на накопление РВ в среде 64
2.1.6.3. Влияние дозировки ферментного препарата 65
на степень гидролиза инулина 65
2.1.6.4. Влияние температуры на эффективность осахаривания инулина 67
2.1.6.5. Влияние начальной величины рН на гидролиз инулина 67
2.1.6.6. Механизм действия инулиназ на инулин 68
2.2. Исследование способов подготовки топинамбура к сбраживанию 73
2.2.1. Влияние вводно-тепловой обработке топинамбура на выход спирта 73
2.2.2. Определение оптимальной дозировки ферментного препарата FractozymeL 75
ГЛАВА III. Исследование состава летучих примесей бражки из топинамбура 80
3.1. Показатели качественного состава микропримесей бражки 80
3.2. Сравнительный анализ качественного состава летучих примесей бражки из топинамбура и из зернового сусла 82
3.3. Влияние рас дрожжей на содержание микропримесей в спирте-сырце 83
3.4. Метод планирования эксперимента 86
3.5. Описание предлагаемой технологической схемы производства этилового спирта из топинамбура 94
3.6. Расчет экономической эффективности производства спирта этилово-ректификованного 106
Выводы 110
Список литературы 110
Приложения 127
- Сравнительная характеристика кислотного и ферментативного способов гидролиза инулина
- Исследование способов подготовки топинамбура к сбраживанию
- Сравнительный анализ качественного состава летучих примесей бражки из топинамбура и из зернового сусла
- Описание предлагаемой технологической схемы производства этилового спирта из топинамбура
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка технологии получения пищевых продуктов из нетрадиционных видов сырья с использованием ферментных препаратов приобретает все более широкое применение. Высокая специфичность ферментов требует подбора таких биокаталитических систем, в которых с одной стороны обеспечиваются достаточно высокая скорость протекающих процессов гидролитического расщепления полисахаридов, а с другой - вовлечение в систему высокопродуктивной нетрадиционной культуры, обеспечивающей получение целевых продуктов высокого качества с достаточно высокой рентабельностью.
Для решения поставленной задачи - биосинтеза этанола из инулинсо-держащего сырья топинамбура использовались различные ферменты, которые имеют высокую гидролитическую активность и обеспечивают проведение процесса в рамках существующих промышленных технологий получения этанола из крахмалсодержащего сырья на основе серийного технологического оборудования.
Следует подчеркнуть, что процесс гидролиза полифруктанов в литературе освещен недостаточно, а имеющийся материал свидетельствует о низкой скорости гидролиза. Это, естественно, не позволяет осуществлять биосинтез этанола во временных рамках существующего регламента производства спирта ректификованного из крахмалистого сырья.
Поэтому исследования по выбору продуцента инулиназ, обоснование параметров гидролитического расщепления инулинсодержащего сырья, установлению факторов, влияющих на гидролиз полифруктанов, и организации производства спирта этилового ректификованного, соответствующего ГОСТу Р 51652-2000, является актуальной задачей.
Цель работы заключается в интенсификации гидролитического
расщепления полифруктанов топинамбура с последующим ускорением
процесса сбраживания сусла для производства этилового спирта ректифи
кованного. <:
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
осуществлен подбор ферментных препаратов, обладающих высокой инулиназной активностью;
определены физико-химические характеристики исследуемых ферментных препаратов;
изучено влияние степени гидролиза инулина на процесс брожения и на выход целевого продукта;
установлена зависимость состава зрелой бражки от способа подготовки сырья и определены технологические параметров сбраживания от состояния используемых рас дрожжей;
разработана высокоэффективная технология ускоренного получения этанола из топинамбура.
Объектами исследования являются процессы ускоренного гидролитического расщепления полифруктанов из сусла клубней топинамбура весеннего и осеннего сбора 2004-05 гг Республики Дагестан, а также и ферментные препараты различного механизма действия. Выбор данных биотехнологических систем обусловлен необходимостью решения весьма экологически целесообразной технологической задачи - получение спирта из нетрадиционного сырья.
Методы исследования. Массовую долю инулина и инулиназную активность ферментных препаратов определяли по Бертрану, а содержание фруктозы установливали фотоколориметрически резорциновым методом.В качестве стандарта при определении инулиназной активности ферментных препаратов использовали инулин фирмы «Merk». Количество клеток в процессе сбраживания определяли подсчетом в камере Горяева. Содержание токсичных примесей определяли газохроматографическим методом на колонке HP FAAP 50 m 0,32 mm.
Оптимизацию процессов гидролиза инулина из топинамбура проводили при помощи методов планирования эксперимента.
Научная новизна работы заключается в:
подборе биокаталитической системы инулин-фермент, позволяющей осуществить ускоренное гидролитическое расщепление полисахарида инулина на фруктозу;
выявлении оптимальных условий действия, впервые нами использованного ферментного препарата, для гидролиза полифруктанов;
изучении механизмов действия ферментных препаратов Fructozyme L и Aspergillus awamori 2250 гидролитического расщепления полифруктанов;
разработке технологии серийного получения спирта ректификованного из топинамбура;
проведении оптимизации процесса гидролиза сусла на основе методов математического планирования эксперимента.
Теоретическая и практическая ценность заключается в том, что развитые в работе подходы сравнительного изучения гидролиза инулинсодер-жащего сырья ферментами экзо- и эндодействия позволили установить специфичность их действия на инулинсодержащее сырье.
Разработана технологическая схема биосинтеза этанола из топинамбура, обеспечивающая гидролиз полифруктанов за 40 минут и заметное улучшение качества бражки и целевого продукта.
В результате проведенных исследований достигнуто сокращение времени сбраживания сусла топинамбура на 12 часов относительно регламентного.
Сравнительная характеристика кислотного и ферментативного способов гидролиза инулина
Разработка новой технологии этанола из топинамбура предусматривает проведение сравнительной характеристики способов гидролиза топинамбура.Все известные в литературе методы направлены на изменение углеводного состава топинамбура в сторону процентного повышения в нем низкомолекулярных компонентов, а это наша главная задача. Для этого существуют следующие способы: кислотный гидролиз, ферментативный гидролиз.Работы многих авторов посвящены поиску оптимальных условий кислотного гидролиза инулина [5,62,71,81,114,118].Кислотный гидролиз инулина топинамбура может быть осуществлен как путем обработки дробленного сырья, так и после выделения из него углеводов.
Получение инулинсодержащего продукта из топинамбура возможно методами прессования и экстрагирования. При двукратном прессовании из влекается до 80% углеводов, экстрагирование позволяет выделить до 95% [48].Для получения экстракта сырье измельчали в стружку длиной 3-5 мм, смешивали горячей водой при гидромодуле 1:1 и выдерживали заданное время. Установлено, что наиболее приемлемым можно считать экстрагирование при t = 80 С в течении 50-60 мин.; при более высоких температурах наблюдается разложение моносахаридов.
Анализ патентно-технической литературы показало, что канадскими учеными запатентован способ производства высокофруктозного сиропа содержащего редуцирующие сахара, доля фруктозы в которой более 70% [59]. Способ включает экстракцию растворимых веществ из инулинсодержащего сырья, подкисление раствора до рН 3-5, пропускание раствора в течение 3-х минут через гидролизер с нагревом для получения гидролизации с более 90%) моносахаридов в сухих веществах раствора, доля фруктозы которых составляет более 70%о, ди- и трисахаридов 20%
Английскими учеными представлены результаты исследований возможности получения этанола из топинамбура после предварительного гидролиза разбавленными кислотами. При гидролизе клубней в течение 6 мин при t = 150 С и рН 4 происходит количественное превращение инулина в сбраживаемые сахара с образованием незначительных количеств оксиметил-фурфурола (68 мг/кг) [96].Проведен расчет кинетических параметров кислотного гидролиза раствора инулина с массовой долей 2%, таких как константа скорости реакции, скорость гидролиза, энергия активации в интервалах рН 1,0-5,0 и температуры 40-115 С. Выявлены оптимальные условия ведения процесса: рН 3,0 и температуры 100 С. Предложен механизм кислотного гидролиза инулина, основой которого является протонирование атома кислорода гликозидной связи. Увеличение концентрации Н4" в среде интенсифицирует этот процесс,тем самым углубляя ее деформацию, что приводит к повышению константы скорости реакции и, следовательно, уменьшению энергии активации [27,71].Изучение влияния рН среды показало, что наибольшая степень гидролиза достигается при рН от 3 до 4,5 и температуре 100 С. Жесткие условия гидролиза при рН от 1 до 2 и температуре 80 до 100 С ускоряют процесс, но при этом происходит деградирует фруктозы [6, 118].
В работах исследователей [118] установлено, что в кислом растворе фруктоза подвергается реакциям разложения, конденсации и димеризации. В последние годы возрос интерес к ферментативному гидролизу, т.к. кислотный гидролиз связан с использованием химических реактивов, неизбежно попадающих в конечные продукты. Требуется использование специального кислотоустойчивого оборудования, соблюдение правил безопасности при работе с ними. Таким образом, несмотря на низкую стоимость кислот, процесс кислотного гидролиза фруктанов экономически невыгоден из-за значительных потерь фруктозы и высоких затрат на очистку от продуктов деградации фруктозы и от зольных элементов.
Гидролиз полифруктозанов топинамбура с высокой эффективностью может быть осуществлен ферментными препаратами, содержащими инули-назу. Инулиназы гидролизуют инулин, последовательно отщепляя молекулы фруктозы [11,41,82,108,109,125].
Работы [17,22,34,40,52,53,67] многих авторов посвящены получению и применению инулин расщепляющих ферментов - инулиназ, продуцентами которых являются микроорганизмы разных групп: мицелиальные грибы ряда Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Trichoderma. Большая работа с целью изучения и получения активных продуцентов инулиназ проводились в Воронежской государственной технологической академии [40,52,53]. Исследовано 40 штаммов микромицетов родов Aspergillus, Phizopus, Penicillium и установлено, что наибольшую активность инулиназы (ИнА) проявляет микромицет Aspergillus awamori ВКМГ-808/245,7 ИнА/г. Кроме того, он имеет высокийкоэффициент ИнА/ИА (инвертазная активность), равный 0,32. Ими же получен фермент инулиназа с достаточно высокой активностью 820 - 850 ед/ч спиртоосажденного ферментного препарата. Оптимальное значение рН для действия инулиназы 4,0 - 4,2, температура 60 С.
Инулиназа, выделенная из гриба Aspergillus, awamori BKMF-808, отличается термостабильностью, что дает ряд преимуществ при осуществлении ферментативного гидролиза инулина, т.к. применение повышенных температур позволяет использовать более высокие концентрации инулина и препятствуют микробному разложению фруктозы. Данный фермент и разработанные условия его применения обеспечивают высокую степень расщепления инулина (97 - 98 %) [53].
Также разработан эффективный метод выделения и очистки активного препарата инулиназы из культуры продуцента. Получена очищенная инулиназа из Saccharomyces cerevisiae ВГШ-2. Экстрагированный фермент выделяли центрифугированием, осаждением органическими растворителями с помощью гель-фильтрации на сефадексах G-25 и G-100. Выявлены оптимальные условия для протекания реакции гидролиза инулина: рН среды 4,5-4,7; температура 45С [34].
В Московском Государственном университете пищевых производств проводились исследования со штаммом гриба Aspergillus foetidus. Установлено, что он является активным продуцентом инулиназ, определены его оптимальные условия действия [38]. Разработана технология получения фруктозы из топинамбура путем ферментативного гидролиза с использованием инулиназы из Aspergillus foetidus [37].Из отечественных ферментных препаратов изучены на способность гидролизовать инулиносодержащее сырье следующие ферментные препараты: ксилоглюканофоетидин ШОх, интертаваморин ШОх, пектофоеитидин П10х, которые имеют невысокие инулиназные активности, кроме ксилоглюканофоетидин ШОх [2].
Возможность применения ферментативного гидролиза топинамбура показаны венгерскими учеными [93], согласно мнению которых из топинамбура могут быть получены: неочищенный концентрат, очищенный концентрат фруктозы с содержанием фруктозы 75-78%; фруктозный сироп (96-98% фруктозы), кристаллическая фруктоза. Обсуждены разные технологии ферментативного гидролиза инулина.
Известен японский патент на способ получения инулиназы с помощью гриба Aspergillus niger [67]. Эндоинулиназу получали культированием продуцента Aspergillus niger при температуре 25 - 30 С в течение 2-7 суток.В работах [103,104] изучены процессы ферментативного гидролиза инулина с использованием внеклеточной инулиназы из Kluyveromyces marx
Исследование способов подготовки топинамбура к сбраживанию
С целью определения эффективного способа подготовки корнеплодов топинамбура к сбраживанию проводили исследования по развариванию топинамбура при различной температуре (табл. 11).
Наиболее интенсивно происходит накопление растворенного инулина в ходе разваривания топинамбура при температуре 110С. Дальнейшее повышение температуры разваривания вызывает снижение содержания растворенного инулина в среде, в следствие частичного гидролиза.
С целью получения техно-химических показателей спиртового брожения в зависимости от водно-тепловой обработки топинамбура были проведены опыты по сбраживанию образцов, подвергнутых водно-тепловой обработке с дозировкой ферментного препарата 1 единица и 2 единицы инулиназной активности на грамм инулина. Подвергнутые развариванию при температуре П0С образцы подвергали гидролизу при температуре 55С, рН = 5,5. В охлажденный до 26-28С затор вносили дрожжи Saccharomyces cerevisiae ВГШ 2. Дрожжи вносили в количестве 8-10% к объему сбраживаемого сусла. Брожение проводили в течение 66 часов, при температуре 28 30С. Ход брожения контролировали по газовыделению взвешиванием бродильных проб. Параллельно осуществляли сбраживание топинамбура без предварительной тепловой обработки.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наиболее интенсивно процесс брожения идет в первые 24 часа в пробах без тепловой обработки топинамбура, чем в пробах, подвергшихся тепловой обработке. Как известно, при разваривании топинамбура инактивируются его собственные ферменты, поэтому гидролиз идет медленно.
Динамика сбраживания образцов топинамбура при дозировке ферментного препарата 1 и 2 единицы инулиназной активности на 1 г инулина с термообработкой и без термообработки представлены на рисунке 7 и таблице 12.И в первом и во втором случае интенсивность брожения возрастает при добавлении ферментного препарата в количестве 2 единиц инулиназной активности на 1 грамм условного инулина. visiae ВГШ-2 при дозировке ферментного препарата Fractozyme L единицы грамм инулина: 1 - без развариванием; 2-е развариванием. Полученные результаты экспериментальных данных показывают: содержание несброженных Сахаров, несброженного инулина и нерастворенного инулина в образцах с термообработкой ниже, чем в образцах без термообработки. Максимальное накопление спирта наблюдалось в опытных образцах, которые были подвергнуты водно-тепловой обработке - 57,14 дал/т условного инулина, без термообработки - 43,43 дал/т условного инулина. Следовательно, термообработка сырья является положительным условием подготовки сырья к сбраживанию.
В наших исследованиях была изучена динамика накопления этилового спирта в зависимости от дозировки ферментного препарата Fructozyme L.Эксперименты проводились на сырье, предварительно разваренном при температуре ПО С в течение 40 мин. (мягкий режим подготовки сырья по классической технологии), осахаренным ферментным препаратом Fructozyme Ь, при температуре 55 С, рН = 5,5 продолжительностью 40 мин.
Были исследованы следующие шесть вариантов:1. Измельченный топинамбур подвергали развариванию, затем температуру снижали до 55 С, рН = 5,5 - 5,7, вносили 0,5 ед. на 1 г инулина сырья Fructozyme L и проводили осахаривание в течение 40 минут после чего замес охлаждали до 28 - 30 С и задавали дрожжи Saccharomyces serevisiae ВПП-2.2. Подготовка пробы аналогично образцу 1, но вносили 1 ед. на 1 г инулина ферментного препарата Fructozyme L.3. Подготовка пробы аналогично образцу 1, но вносили 2 ед. на 1 г. инулина ферментного препарата Fructozyme L.4. Подготовка пробы аналогично образцу 1, но вносили 3 ед. на 1 г. инулина ферментного препарата Fructozyme L.5. Подготовка пробы аналогично образцу 1, но вносили 10 ед. на 1 г. инулина ферментного препарата Fructozyme.6. Контролем служила проба без внесения фермента для осахаривания инулина: измельченный топинамбур подвергали развариванию, охлаждению до 30 С, затем задавали дрожжи Kluyveromices marx-ianusy 303.Динамику процесса брожения исследовали в течение 66 - 72 часов (рис.8). Результат исследований представлен в табл.13.Рис. 8. Динамика сбраживании углеводов топинамбура дрожжами Saccharo-myces cerevisiae ВГШ-2 при дозировке ферментного препарата Frucozyme L; единицы инулиназной активности на грамм инулина: 1 -0,5; 2- 1; 3-2; 4-3; 5- 10; 6 - без фермента
Таблица 13.Техно-химические показатели зрелой бражкипри различной дозировке ферментного препаратавари ант Дозировка ед./г инулина Кислотность в конце брожения Несбро-женные сахара,% Нераство-ренныйинулин,% Концентрация спирта, об.%Вариант 6. Контрольный вариант без дозировки ферментного препарата с использованием дрожжей Kluyveromyces mavxianus у-303.
Из рис.8 видно, что скорость брожения возрастает при увеличении дозировки ферментного препарата, особенно в начальный период брожения. В процессе дображивания происходит доосахаривание инулина инулиназой. Однако, достаточно высокая степень осахаривания в начальный период бро жения неэффективно сказывается на дальнейшем брожении. Как видно из результатов, представленных в таблице 13, при значительной разнице в дозировке ферментного препарата 2 ед./г (вар.З) и 10 ед/г (вар.5) инулина концентрация спирта в том и другом вариантах составляет 6,2 и 6,25% об., при этом содержание несброженных Сахаров составляет 0,15 и 0,24% соответственно.
Можно предположить, что процесс брожения в первом случае проходит все стадии брожения; сбраживание, головное брожение и дображивание, при этом фермент продолжает гидролизовать инулиды. Во втором случае идет интенсивное сбраживание топинамбура в первые 24 часа, а процесс до-осахаривания замедляется, т.к. сказывается угнетающее действие продуктов брожения. Известно, что содержание спирта в среде концентрацией 3 - 4 % об угнетающе действуют на дрожжи, и как следствие, замедляется процесс брожения. Таким образом, оптимальной дозировкой ферментного препарата можно считать 2 ед./г инулина не только с технологической, но и с экономической точки зрения ввиду относительной дороговизны используемого ферментного препарата.Для подтверждения полученных результатов был проведен следующий опыт по сбраживанию сусла из топинамбура.
Топинамбур в количестве 91 кг с содержанием сбраживаемых углеводов 18%, измельчали на дробилке до частиц размером не более 3 мм, смешивали с водой в соотношении 2:1, подвергали развариванию при температуре 105-110 С, в течение 40 мин.Полученную смесь охлаждали до 55 ± 2 С, вносили ферментный препарат Fructozyme L в количестве 2 единицы инулиназной активности на 1 г инулина, проводили гидролиз в течение 40 мин, при рН среды 5,5. Затем охлаждали до температуры 24 С, вносили дрожжевую разводку с использование дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВГШ-2 в количестве 8% от объема сусла.Приготовление производственны дрожжей готовили по схеме культивирования описанной в разделе 2.1.4. Процесс брожения осуществляли при температуре 28-30 С, продолжительность составляла 66 часов. При этом показатели зрелой бражки следующие: содержание нерастворенного инулина 0,18%, несброженных Сахаров 0,29% выход спирта 61,3 дал.
Что касается контрольного варианта 6, низкая концентрация спирта 4,25 об%, и высокое содержание нерастворенного инулина 0,75 %, объясняется тем, что для дрожжей Kluyveromyces marxianus у 303, при разведении засевных дрожжей оптимальными режимами культивирования является температура 25 С, рН среды 6,5 и продолжительность 48 ч, при этом используется элективная среда состоящая из расчета на 5 л питательной среды: пептона - 50 г., фруктозы - 100 г., диаммоний фосфат - 40 г.
В своей работе раздел 2.1.4. культивирование дрожжей мы проводили на традиционной крахмалсодержащей среде. Вероятно, этим объясняется низкая концентрация спирта и высокое содержание нерастворенного инулина.
Сравнительный анализ качественного состава летучих примесей бражки из топинамбура и из зернового сусла
Для сравнения качественного состава летучих примесей бражки из топинамбура и зернового сусла проводились эксперименты по сбраживанию сусла из ржи, прошедшего традиционную для отрасли обработку, т.е. измельчение, разваривание, осахаривание.
Хроматографический анализ дистиллята из ржаной бражки показывает, что он в отличие от спирта-сырца из бражки топинамбура, содержит пропа-нол-2, большее количество изобутанола, изоамилола и гексанола; в целом сумма высших спиртов составляет 622,93 мг/дм (табл.15).Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования топинамбура для производства спирта ректификованного пищевого.Для сравнения эффективности сбраживания топинамбура различными расами дрожжей были сброженые образцы сусла:
Образец 1. Измельченные клубни топинамбура с содержанием инулина 14,7% смешивали с водой в соотношении 2:1, подвергали развариванию при температуре ПО С в течении 30 - 40 мин., гидролизовали при температуре 55 С, рН 5,5 и дозировке ферментного препарата 2 единицы на 1 грамм инулина. Осахаренное сусло охлаждали, добавляли дрожжевую разводку в коли честве 8-10% от общего сусла. Использовали дрожжи Saccharomices sere-visiae ВПЫ-2.Образец 2. Аналогично первому, но использовали дрожжи Saccharomices serevisiae 987 Т.Образец 3. Измельченные клубни топинамбура смешивали с водой в соотношении 2 : 1, разваривали при температуре ПО С в течение 40 мин. Сусло охлаждали и добавляли дрожжевую разводку в количестве 8-10%) от объема сусла. Использовали дрожжи Kluyveromyces marxiarius у-303.
Производственные дрожжи готовили на крахмал содержащей среде по общепринятой схеме культивирования (см. раздел 2.1.4.).Брожение проходило при температуре 28 - 30 С. Бродильную активность дрожжей определяли взвешиванием по газовыделению.Надо отметить, что процесс брожения проходил стабильно и закончился к 66 часам.Окончательную оценку эффективности сбраживания топинамбура использованными расами дрожжей дают показатели качества бражки, а также характеристика летучих примесей.
Показатели зрелой бражки при использовании различных рас дрожжей отражены в таблице 16.Как видно из данных таблицы содержание углеводов в бражке уменьшилось с 14,7 % до 0,15 % при использовании дрожжей Saccharomyces serevisiae ВГШ-2, до 0,29 % при использовании дрожжей Saccharomyces serevisiae 987 Т и 0,75% при использовании дрожжей Kluyveromyces marxianus. Выход спирта выше у образцов сброженных дрожжами ВГШ-2.
Проведенные исследования бражек на содержание летучих примесей свидетельствуют о влиянии рас дрожжей на процесс их образования.Хроматограммы растворов полученных в результате перегонки бражек на содержание летучих примесей показал, что качественный состав бражек идентичны, а по количественному содержанию микропримесей в спирте-сырце использование дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВГШ-2 накапливает больше спирта (табл.16) и меньше высших спиртов (табл.17).
Методы компьютерного и математического моделирования находят все более широкое применение при изучении различных процессов. Эти подходы обеспечивают возможность изучения динамики процессов, а также вести обоснованный поиск технологических режимов, тонкого управления процессом.Метод планирования эксперимента (активного эксперимента) базируется на методах теории вероятности и заключается в исследовании функции отклика от различных факторов. Для реализации рассматриваемого подхода ставится эксперимент из определенного количества опытов при разных значениях факторов, которые изменяются в интересующем интервале и по оп ределенному правилу, однако механизм протекания процесса при этом не рассматривается. В результате получают определенную функцию, которая устанавливает, с заданной степенью достоверности, корреляционные соотношения между выходом одного или нескольких продуктов в зависимости от различных значений параметров, на основе чего определяют оптимальный режим проведения процесса.
В настоящей работе была поставлена задача - выявление корреляционных зависимостей между факторами, оказывающими наибольшее влияние на исследуемый процесс гидролиза инулина и показателями, которые характеризуют рассматриваемый процесс, с целью определения областей оптимальных значений параметров максимального гидролиза изучаемого субстрата.В качестве факторов были выбраны: температура (Х), рН среды (Х2) и дозировка фермента Fructozyme L (Х3). Показателем была выбрана степень гидролиза инулина - Y.На основании предварительных экспериментальных данных по изучению процесса ферментативного гидролиза инулина, были выбраны следующие интервалы варьирования: для температуры: 45-60 С, рН среды: 4-6, дозировка Fructozyme L: 1 - 3 ед.г.
Уравнение регрессии искали в виде полинома третьей степени, с учетом эффектов парного взаимодействия:+ b22x2 При планировании эксперимента был использован ротатабельный план второго порядка Бокса-Хантера, так как ортогональные планы не обладают свойством ротатабельности, т.е. коэффициенты полинома определяются с разной степенью точности. При использовании ротатабельных планов второго порядка отпадает необходимость в постановке дополнительных параллельных опытов для оценки дисперсии воспроизводимости.Расчет коэффициентов регрессии и их дисперсия проводилась по следующим формулам:
Описание предлагаемой технологической схемы производства этилового спирта из топинамбура
Разработанный нами способ производства этилового спирта из топинамбура основан на тепловой обработке сырья и ферментативном гидролизе инулина в вакуум-осахаривателе и сбраживании образующихся Сахаров дрожжами.
Процесс разделяется на следующие основные стадии:- очистка, мойка и подготовка сырья;- водно-тепловая обработка сырья;- ферментативный гидролиз в осахаривателе;- приготовление дрожжей;сбраживание сусла из топинамбура. Топинамбур подается в приемную ванну с транспортером, в которую направляют воду из оборотной системы, откуда клубни топинамбура попадают в соломоловушку - мойка 1, внутри которой находится патрубок с соплами, затем подается в камнеловушку - мойку 2. Соломоловушка и камне-ловушка - мойки периодически очищаются от различных растительных материалов и камней.Продолжительность пребывания в мойке 10-15 мин., расход воды до 600-800%.
Затем вымытый топинамбур норией с отверстиями для отведения воды подается через автоматические весы в сборник - накопитель. Последний оборудован шнековым дозатором, позволяющим регулировать количество клубней топинамбура, поддающихся на измельчение.Измельчение клубней топинамбура производится на дробилке. Степень измельчения характеризовалась полным отсутствием частиц, остающихся на ситах с диаметром отверстий 3 мм после промывки водой.
Измельченное сырье через шнековый дозатор поступает в смеситель и через контактную головку острого пара, перекачивается в варочный аппарат, состоящий из 1 -го и 2-го выдерживателей, где поддерживается температура 110 С в течение 40 минут, после чего сусло поступает в осахариватель, куда подается ферментный раствор. В осахаривателе происходит вакуум-охлаждение до 55 С, а также гидролиз в течение 40 мин при рН 5,5-5,7
Приготовление засевных дрожжей. При сбраживании сусла, приготовляемого из топинамбура, применяются дрожжи Saccharomyces cerevisiae 987 Т, Saccharomyces cerevisiae ВГШ-2 новый штамм дрожжей, а также адаптированные к инулин содержащей среде дрожжи Saccharomyces cerevisiae 987 Т. Введение чистой культуры произво дится по методу естественно-чистой культуры, предусматривающем создание таких условий для размножения дрожжей, при которых развитие посторонней микрофлоры значительно угнетается.Срок годности чистой культуры дрожжей /ЧКД/ составляет 2 месяца при условии хранения пробирок в сухом прохладном месте при температуре 8-Ю С.
Для приготовления производственных дрожжей используют сусло, прошедшее гидродинамическую обработку. Охлажденное до 30 сусло из теплообменника поступает в дрожжанку куда в качестве питания для дрожжей добавляют карбамид в количестве 0,25 - 0,5 кг/м сусла и диаммонийфосфат в количестве 0,1-0,15 кг/м сусла, выдерживают 30 мин при температуре 80 С для пастеризации, охлаждают до 30 С и задают засевные дрожжи в количестве 10% от объема дрожжанки. При отборе, составляющем 1/3 от первоначальной концентрации сусла, дрожжи считаются зрелыми, от них отбирают засевные дрожжи для следующего дрожжевого отъема, а остальное количество производственных дрожжей передается в бродильный аппарат.
При сбраживании сусла из топинамбура применяют периодический способ брожения. Масса после выдерживателя охлаждается до 25-26 С и подается в предварительно промытый и простерилизованный бродильный чан. Расход дрожжей составляет 8 - 10% от объема сбраживаемого сусла. Продолжительность брожения, считая от начала залива чана до начала перегонки зрелой бражки составляет 66 часа. Температура сбраживаемой массы во время главного брожения 29-30 С, при дображивании 27-28.
Описание аппаратурно-технологической схемы производства спирта. Аппаратурно-технологическая схема производства спирта из топинамбура представлена (приложение). Топинамбур на подъемнике (1) автомаши нами подается в приемную ванну с гидротранспортером (2), куда через патрубок с соплами поступает вода, откуда топинамбур подается в мойку-соломоловушку (3), затем в мойку-камнеловушку - II мойка (4), откуда с помощью нории (5) через автоматические весы (6) поступает в бункер-накопитель (7). Из бункера-накопителя очищенный от сора и отмытый от грязи топинамбур поступает на измельчение в дробилку (8). Измельченная масса через щелевой дозатор (9) подается в смеситель (10), где установлен ротаметр (11).В смесителе масса перемешивается (время нахождения массы в смесителе примерно 15-20 мин.) и затем насосом (12) через контактную головку острого пара (13) перекачивается в варочный аппарат.
Разваривание при температуре ПО С производится паром через паровые коллекторы. В варочном аппарате (выдерживатель I и выдерживатель II) (14)находится масса 40-50 минут, затем масса поступает в вакуум-осахариватель (15), куда задается ферментный раствор, приготовленный в ферментном баке (20) через дозатор ферментов (19), затем через теплообменник «труба в трубе» (17) сусло охлаждается до 25 - 26 С. Охлажденная масса перекачивается в бродильные аппараты (30). Производственные дрожжи готовят в дрожжанках (25), отбирая отъемы разваренной массы из теплообменника.С целью апробации полученных результатов были проведены укрупнённые опытные испытания на получение этилового спирта в производственных аппаратах, согласно разработанному нами способу получения спирта.
Для проведения эксперимента использовался бродильный аппарат -объёмом 60 м со змеевиком поверхностьго охлаждения.Разведение засевных дрожжей проводили по указанной схеме в разделе 2.1.4.В 30000 кг топинамбура содержание условного инулина составляет 4800 кг (16 %). При дозировке ферментного препарата Fructozyme L, исходя
