Введение к работе
1. Актуальность темы
Повышение концентрации перерабатываемых крахмалсодержащих сред в пищевой биотехнологии является перспективным направлением интенсификации и экологизации отраслевых технологий. Это позволяет увеличить производственную мощность основных технологических участков, эффективность использования емкостного оборудования и производственных площадей, снизить энерго- и водопотребление, потери сырья.
Для спиртовой промышленности исследованиями отечественных и зарубежных ученых показана возможность создания осмофильных рас дрожжей, обеспечивающих сбраживание сред с концентрацией до 35% растворимых сухих веществ (РСВ). При этом традиционные способы водно-тепловой обработки зернового сырья предполагают получение сусла концентрацией 16-18%РСВ, а за счет технологических инноваций до 25%РСВ. Обладая общими недостатками- многооперационностью и длительностью производственных процессов, необходимостью эксплуатации большого количества емкостного и транспортирующего оборудования, сложными реологическими условиями получения сусла, способы водно-тепловой обработки (разваривание под давлением, механико-ферментативная обработка) ограничены в увеличении концентрации перерабатываемых сред.
Решением поставленной проблемы может стать использование перспективного технологического принципа - совмещение в одной реакторной системе процессов физической и биохимической трансформации биополимеров перерабатываемого зернового сырья - его термомеханической экструзии и ферментативного гидролиза. Это обеспечит переход от многооперационных технологий водно-тепловой обработки к одностадийному способу получения высококонцентрированного зернового сусла, минуя стадии производства полупродуктов и систему их транспортирования. Интеграция основных процессов переработки зернового сырья в технологии спирта позволит снизить продолжительность основного производственного цикла и его суммарную энергоемкость, сократить потери сырья за счет исключения промежуточных и транспортирующих стадий. Научной основой данного подхода к переработке зернового сырья в технологии спирта являются работы В.И. Степанова, В.В. Иванова, В.А. Полякова, Л.В. Римаревой и др.
Разработка интегрированной технологии термомеханической экструзии и ферментативного гидролиза крахмалосодержащего сырья помимо решения прикладной для спиртовой промышленности проблемы может стать научным заделом для других отраслей пищевой биотехнологии, например в микробиологическом
производстве для получения питательных сред культивирования микроорганизмов, в крахмалопаточном производстве при получении крахмальной патоки различного углеводного состава.
Возможности и преимущества представленных решений по переработке зернового сырья с использованием экструзионно-гидролитическои технологии перспективны также для разработки технологий производства жидких функциональных кормов и кормовых добавок, в том числе с использованием вторичных сырьевых ресурсов, для нужд крупных животноводческих комплексов.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы являлась разработка инновационной технологии получения высококонцентрированных сбраживаемых гидролизатов спиртового производства на основе интеграции процессов термомеханической экструзии зернового сырья и его биокатализа в одной реакторной системе.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
изучить характер влияния основных технологических параметров термомеханической экструзии зернового сырья на формирование функциональных свойств экструдатов, определяющих степень их подготовленности к биотехнологической конверсии;
провести реологические исследования высококонцентрированных гидролизатов экструдированного зернового сырья и установить зависимость динамической вязкости от концентрации растворимых сухих веществ (РСВ) и дозировки гидролитических ферментов;
предложить оптимальный способ интеграции процессов экструзии и ферментативного гидролиза в одной реакторной системе;
разработать аппаратурно-технологическую схему получения сбраживаемого высококонцентрированного сусла в производстве спирта на основе принципов совмещения экструзионных и биотехнологических процессов.
Научная новизна исследований
Впервые изучено влияние режимных параметров экструзии зернового сырья на изменение функциональных свойств экструдатов и биохимические показатели спиртового брожения при конверсии углеводов высококонцентрированного зернового сусла. Установлена корреляционная зависимость между степенью термомеханической деструкции в процессе экструзии и выходом редуцирующих углеводов на стадии осахаривания, образованием спирта и побочных метаболитов спиртового брожения.
Проведены реологические исследования гидролизатов экструдированного сырья с концентрацией до 39% РСВ. Установлена зависимость влияния гидролаз с
различной субстратной специфичностью на динамическую вязкость гидролизатов экструдированного сырья. Получена регрессионная математическая модель влияния концентрации РСВ, дозировок гидролитических ферментов на значение динамической вязкости гидролизатов.
Разработан оптимальный способ интеграции термомеханических и биокаталитических процессов в одной реакторной системе для получения зерновых высококонцентрированных гидролизатов.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение №2382082 «Способ получения гидролизата из крахмалсодержащего сырья», приоритет от 21.01.2009.
Практическая значимость
Разработана интенсивная технология получения высококонцентрированных гидролизатов зернового сырья, основанная на объединении процессов термомеханической деструкции и ферментативного гидролиза в одной реакторной системе, которая позволяет:
-получать гидролизаты зернового сырья с концентрацией растворимых сухих веществ до 35%;
-осуществить переход от многостадийных процессов водно-тепловой обработки к одностадийному, исключающему систему транспортирования полупродуктов от одного аппарата к другому;
-повысить производственную мощность и эффективность использования емкостного оборудования бродильного и ректификационного отделений спиртовых заводов;
-снизить производственные энергозатраты, в том числе на ректификацию и переработку барды за счет повышения концентрации сбраживаемых сред до 30% РСВ.
Инновационная экструзионно-гидролитическая технология обеспечивает улучшение биохимических показателей спиртового брожения по сравнению с используемыми промышленностью способами водно-тепловой обработки зернового сырья.
Экономическая эффективность замены линии водно-тепловой обработки на разработанную экструзионно-гидролитическую составит 19,6 млн. рублей в год для завода с установленной производственной мощностью по варочному отделению 1000 дал/сутки.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на VI-ой международной научно-практической конференции «Перспективные направления научно-технического развития спиртовой и ликероводочной отрасли пищевой промышленности» (М., 2007), международной научно-практической конференции «Биотехнология, вода и пищевые продукты» (М., 2008), IV международном симпозиуме «Микробные биокатализаторы и их роль в нано- и биотехнологиях» (М., 2008), конференции-конкурсе научно-инновационных работ молодых ученых и специалистов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии (М., 2008), V Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития, вода и пищевые продукты» (М., 2009), XVII Международной конференции по крахмалу Москва - Краков (М., 2009).
Результаты работы отмечены золотой медалью 10-й Юбилейной Российской агропромышленной выставки «Золотая Осень» (М., 2008), дипломом 7-й Международной специализированной выставки «Мир Биотехнологии 2009» (М., 2009).
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 в рецензируемых журналах и 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы
