Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 9
1.1. Агропромышленные аспекты производства кукурузы 9
1.2 Техноэкономическое обоснование переработки кукурузы 11
1.3. Биохимический состав зерна кукурузы 14
1.4. Анатомическое строение зерна кукурузы 21
1.5. Способы изменения структурно-механических свойств зерна 24
1.5.1 Способы обработки кукурузы для выделения зародыша 26
1.6. Многопродуктовые технологии этанола 29
1.7. Заключение 36
2 Экспериментальная часть 38
2.1. Материалы, оборудование и методы исследования 38
2.1.1. Материалы исследования 38
Методы исследования
2.1.2.1 Определение физических, биохимических и реологических характеристик сырья 39
2.1.2.2. Исследование свойств образцов кукурузного крахмала 41
2.1.2.3. Анализ полупродуктов спиртового производства (замеса, 42
разваренной массы, сусла, бражки) .
2.1.3. Использованное оборудование 43
2.2. Результаты исследований и их обсуждение 45
2.2.1. Способы предобработки зерна кукурузы 45
2.2.1.1. Разработка технологических режимов гидротермической предобработки
2.2.1.2. Влияние метода ГТО на структурно-механические свойства кукурузы Разработка технологических режимов биотехнологической предобработки .
2.2.2.1. Оптимизация технологического режима биотехнологической предобработки сырья 2.2.3. Изучение свойств образцов крахмала, полученных из исходного зерна и фракций зародыша .
2.2.4. Изучение влияния способов предобработки на белки кукурузы 71
2.2.5. Изучение влияния способов предобработки на липиды кукурузы.. 75
2.2.6. Сравнительная характеристика показателей качества сусла 79
2.2.7. Изучение процесса сбраживания сусла из дифференцированной ракции эндосперма кукурузы прошедшей стадию 9 биотехнологической предобработки 2.2.8. Сравнительный анализ образцов зрелой ражки 97
2.2.9. Разработка аппаратурно-технологической схемы производства 102
этанола на основе получения и сбраживания сусла из фракции эндосперма кукурузы 3 Выводы 107
4 Список использованных источников
- Биохимический состав зерна кукурузы
- Определение физических, биохимических и реологических характеристик сырья
- Разработка технологических режимов гидротермической предобработки
- Сравнительная характеристика показателей качества сусла
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время основным сырьем спиртового производства в РФ являются различные виды зерновых культур. Среди них в процентном отношении преобладает пшеница и рожь, реже на переработку поступает кукуруза. Имея несомненные преимущества перед другими видами крахмалосодержащего сырья, к которым в первую очередь следует отнести высокую урожайность и максимальное содержание крахмала, она имеет и ряд технологических особенностей, сдерживающих её применение в спиртовой отрасли.
Известно, что кукурузный крахмал в отличие от пшеничного и ржаного труднее подвергается водно-тепловой и ферментативной обработке, поэтому переработка кукурузы чаще осуществляется по классической схеме с развариванием. К недостаткам данной схемы следует отнести, во-первых, пониженный выход спирта из-за потерь сбраживаемых углеводов за счет высокотемпературной обработки сырья, во-вторых, повышенное содержание вредных летучих примесей в бражке, к примеру, наиболее токсичной – акролеина, основным источником образования которого является жир. Данный компонент, сконцентрированный в зародыше кукурузы, является не только балластным соединением, но и по сведениям ряда авторов ухудшает перевод крахмала в растворимое состояние, его гидролиз.
Одним из возможных путей решения данных проблем может являться перевод процесса на комплексные технологии, являющиеся по данным специалистов наиболее эффективными. Для спиртовой отрасли РФ к ним относятся в первую очередь технологии, в которых крахмалосодержащее сырье (зерно) перерабатывается с выработкой этилового спирта и кормопродуктов. Вместе с тем, предлагаются и другие перспективные технологии, к примеру, связанные с выработкой продукции пищевого назначения (белковых концентратов, гидролизатов и т.д.).
Существующие технологии переработки кукурузы в крахмалопаточной отрасли, предусматривающие выделение фракции зародыша, не могут быть реализованы на спиртовых предприятиях. Так как не учитывают основных требований производства, а именно существенных потерь крахмала с выделяемой фракцией зародыша и получения технологической среды (замеса) с высоким разбавлением.
Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке научно-практических основ создания новой комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированных способов переработки сырья являются актуальными и перспективными. Официальным подтверждением этого является диплом XI Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ».
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась разработка комплексной технологии этанола из кукурузы на основе биотехнологического способа предобработки сырья, разделения его на дифференцированные фракции и их целевого использования.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:
изучить влияние способов и параметров гидротермической обработки (ГТО) на распределение крахмала сырья по дифференцированным фракциям – фракция эндосперма и фракция зародыша;
исследовать реологические характеристики исходных образцов кукурузы и прошедших стадию ГТО;
обосновать выбор факторов биотехнологической предобработки кукурузы (ферментные препараты гемицеллюлозного и протеолитического действия; время обработки; норма внесения ферментного препарата);
оптимизировать процесс биотехнологической предобработки кукурузы;
исследовать влияние способов предобработки кукурузы на характеристику крахмалов сырья с использованием системы для микроскопии;
исследовать влияние способов предобработки кукурузы на белковый комплекс исходного сырья и фракции эндосперма;
провести анализ образцов фракции зародыша по основным биохимическим показателям, а также фракционному и жирнокислотному составу липидов;
определить факторы, влияющие на процесс получения и сбраживания сусла из фракции эндосперма, выделенной из кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической предобработки. Провести сравнительный анализ образцов осахаренного сусла из зрелой бражки контрольных и опытных вариантов по основным показателям качества и содержанию вредных летучих примесей;
разработать аппаратурно-технологическую схему комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированных способов разделения сырья.
Научные положения, выносимые на защиту:
-режимные параметры метода ГТО и биотехнологического способа предобработки;
-технологические решения по разработке технологии этанола из дифференцированной фракции эндосперма кукурузы;
- результаты эффективности новой технологии.
Научная новизна. Впервые установлена корреляционная зависимость между реологическими характеристиками контрольных и опытных образцов кукурузы и эффективностью разделения сырья на дифференцированные фракции.
Разработан новый биотехнологический способ целенаправленного изменения структурно-механических свойств кукурузы, позволяющий увеличить различия в прочностных свойствах отдельных анатомических частей зерновки.
Научно обоснованы выбор ферментного препарата Вискоферм L и параметры проведения биотехнологической предобработки кукурузы, проведена оптимизация процесса.
Анализ образцов крахмала кукурузы, выделенных из исходного и прошедшего предобработку сырья с применением системы для микроскопии LEICA DMLM, позволил научно обосновать эффективность биотехнологического способа предобработки зерна.
Впервые выявлена взаимосвязь между параметрами получения этанола из фракции эндосперма кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической предобработки и показателями качества сусла и бражки.
Практическая значимость. Экономически обоснована перспективность включения в технологическую схему производства этанола из кукурузы стадии биотехнологической предобработки сырья, позволяющая в зависимости от режимных параметров процесса:
сократить потери крахмала с выделяемой фракцией зародыша до 2-3%;
повысить доступность крахмала к водно-тепловому и ферментативному воздействию.
Разработана новая комплексная технология этанола из кукурузы на основе биотехнологического способа предобработки сырья и разделения его на дифференцированные фракции, позволяющая сократить, при использовании механико-ферментативного способа, длительность обработки сырья в среднем в 1,3 -1,5 раза и снизить температуру отдельных стадий получения сусла; повысить качественные характеристики конечного продукта; повысить выход спирта из 1 т условного крахмала сырья. Технические решения, на основании которых разработана новая технология, позволили подать заявку № 2013107578 на получение патента РФ.
Проведена опытно-промышленная апробация разработанной комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированного способа предобработки в условиях филиала ФГУП «Росспиртпром» (ФКП) «Арзинский спиртовой завод».
По результатам опытно-промышленных испытаний рассчитана условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции по новому варианту, которая для спиртового завода мощностью 3000 дал/сут составила 7, 9 млн руб.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует пунктам 1, 2, 4, 5 паспорта специальности 05.18.07 – «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях: XI Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи «НТТМ» (Москва, 2011); конференция молодых ученых и специалистов по направлению «Технология и производственный менеджмент» (Москва, 2011); III Международная научно-практическая конференция, посвященная 20-летнему юбилею ГНУ КНИИХП Россельхозакадемии «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья» (Краснодар, 2013).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 13 публикациях, включая 10 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК. Получено положительное решение на выдачу патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников из 185 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 127 страницах машинного текста, содержит 22 рисунка и 36 таблиц.
Биохимический состав зерна кукурузы
Актуальность работы. В настоящее время основным сырьем спиртового производства в Российской Федерации являются различные виды зерновых культур. Среди них в процентном отношении преобладает пшеница и рожь, реже на переработку поступает кукуруза. Имея несомненные преимущества перед другими видами крахмалосодержащего сырья, к которым в первую очередь следует отнести высокую урожайность и максимальное содержание крахмала, она имеет и ряд технологических особенностей, сдерживающих её применение в спиртовой отрасли.
Известно, что кукурузный крахмал в отличие от пшеничного и ржаного, труднее подвергается водно-тепловой и ферментативной обработке, поэтому переработка кукурузы чаще осуществляется по классической схеме с развариванием. К недостаткам данной схемы следует отнести, во-первых, пониженный выход спирта из-за потерь сбраживаемых углеводов за счет высокотемпературной обработки сырья, во-вторых, повышенное содержание вредных летучих примесей в бражке, к примеру, наиболее токсичной – акролеина, основным источником образования которого является жир. Данный компонент, сконцентрированный в зародыше кукурузы, является не только балластным соединением, но и по сведениям ряда авторов ухудшает перевод крахмала в растворимое состояние, его гидролиз.
Одним из возможных путей решения данных проблем может являться перевод процесса на комплексные технологии, являющиеся по данным специалистов наиболее эффективными. Для спиртовой отрасли России к ним относятся в первую очередь технологии, в которых крахмалосодержащее сырье (зерно) перерабатывается с выработкой этилового спирта и кормопродуктов. Вместе с тем, предлагаются и другие перспективные технологии, к примеру, связанные с выработкой продукции пищевого назначения (белковых концентратов, гидролизатов и т.д.).
Существующие технологии переработки кукурузы в крахмалопаточной отрасли, предусматривающие выделение фракции зародыша, не могут быть реализованы на спиртовых предприятиях, так как не учитывают основных требований производства, а именно существенных потерь крахмала с выделяемой фракцией зародыша и получения технологической среды (замеса) с высоким разбавлением.
Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке научно-практических основ создания новой комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированных способов переработки сырья являются актуальными и перспективными. Официальным подтверждением этого является диплом XI Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ».
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась разработка комплексной технологии этанола из кукурузы на основе биотехнологического способа предобработки сырья, разделения его на дифференцированные фракции и их целевого использования.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи: изучить влияние способов и параметров гидротермической обработки (ГТО) на распределение крахмала сырья по дифференцированным фракциям - фракция эндосперма и фракция зародыша; исследовать реологические характеристики исходных образцов кукурузы и прошедших стадию ГТО; обосновать выбор факторов биотехнологической предобработки кукурузы (ферментные препараты гемицеллюлозного и протеолитического действия; время обработки; норма внесения ферментного препарата); оптимизировать процесс биотехнологической предобработки кукурузы; исследовать влияние способов предобработки кукурузы на характеристику крахмалов сырья с использованием системы для микроскопии; исследовать влияние способов предобработки кукурузы на белковый комплекс исходного сырья и фракции эндосперма; провести анализ образцов фракции зародыша по основным биохимическим показателям, а также фракционному и жирнокислотному составу липидов; определить факторы, влияющие на процесс получения и сбраживания сусла из фракции эндосперма, выделенной из кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической предобработки. Провести сравнительный анализ образцов осахаренного сусла из зрелой бражки контрольных и опытных вариантов по основным показателям качества и содержанию вредных летучих примесей; разработать аппаратурно-технологическую схему комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированных способов разделения сырья. Научные положения, выносимые на защиту: -режимные параметры метода ГТО и биотехнологического способа предобработки; -технологические решения по разработке технологии этанола из дифференцированной фракции эндосперма кукурузы; - результаты эффективности новой технологии.
Научная новизна. Впервые установлена корреляционная зависимость между реологическими характеристиками контрольных и опытных образцов кукурузы и эффективностью разделения сырья на дифференцированные фракции.
Разработан новый биотехнологический способ целенаправленного изменения структурно-механических свойств кукурузы, позволяющий увеличить различия в прочностных свойствах отдельных анатомических частей зерновки.
Научно обоснованы выбор ферментного препарата Вискоферм L и параметры проведения биотехнологической предобработки кукурузы, проведена оптимизация параметров.
Анализ образцов крахмала кукурузы, выделенных из исходного и прошедшего предобработку сырья с применением системы для микроскопии LEICA DMLM, позволил научно обосновать эффективность биотехнологического способа предобработки зерна.
Определение физических, биохимических и реологических характеристик сырья
В настоящее время во многих отраслях, в том числе и спиртовой, стоят непростые задачи по совершенствованию производства, для увеличения конкурентоспособности готового продукта. В технологии этилового спирта есть несколько направлений действий для решения данной задачи, в первую очередь это увеличение выхода и повышение качества готовой продукции, сокращение теплоэнергетических затрат, более эффективное использование сырья [85, 86, 114, 144,146, 158, 165, 181].
Основным сырьем спиртового производства в Российской Федерации являются различные виды зерновых культур. Среди них в процентном отношении преобладает пшеница, рожь, ячмень. Реже на переработку поступает кукуруза. Имея несомненные преимущества перед другими видами крахмалосодержащего сырья, к которым в первую очередь следует отнести высокую урожайность и максимальное содержание крахмала, она имеет и ряд технологических особенностей, сдерживающих её применение в спиртовой отрасли.
Кукуруза — это высокоурожайная зерновая культура. В южных районах России ее высевают на зерно, а в северных — для получения большого объема сочной зеленой массы на корм скоту для приготовления силоса. Она подразделяется на семь основных подвидов: лопающаяся, крахмалистая, кремнистая, зубовидная, восковидная, сахарная, пленчатая. Каждый подвид объединяет от 5 до 25 разновидностей, имеющих отличия по окраске зерновки, наличия цветковых чешуй и различий биохимического состава [71, 75, 173]. Так же выведено большое количество гибридов, позволяющих значительно расширить территорию выращивания данной культуры [14, 66, 72, 73, 92, 100, 160, 185].
Кукуруза, в отличие от основных злаковых культур менее прихотлива к почве, что позволяет ее высевать даже на песчаных, супесчаных и глинистых почвах, если они удобрены. Хорошо переносит засуху, так как имеет хорошо развитую корневую систему. Наоборот, почва, сильно обогащенная влагой (болотистая и торфянистая) исключают возможность выращивания данной культуры, так как такие почвы плохо прогреваются, а холод кукуруза не переносит. Она не боится сорных трав.
Урожайность зерновых культур зависит от многих параметров в первую очередь от технологии выращивания, климата и сорта. В Российской Федерации урожайность зерновых культур с 1990 по 2012 год тоже колебалась, в зависимости от года, в следующих рамках: озимая пшеница от 11,6 ц/га до 19,8 ц/га; яровая пшеница – 16,1 – 33,7 ц/га; рожь озимая – 7,6 – 20,5 ц/га; рожь яровая – 5,0 – 11,6 ц/га; ячмень озимый – 24,7 – 45,4 ц/га; ячмень яровой – 8,1 – 19,1 ц/га; кукуруза – 10,4 – 40,3 ц/га [22, 23, 58, 60, 95, 110, 124]. Из приведенных данных можно сделать вывод, что урожайность кукурузы находится на более высоком уровне по сравнению с основными зерновыми.
В промышленных масштабах традиционно кукуруза возделывается в Краснодарском крае, Ростовской и Волгоградской областях, республиках Северного Кавказа. В настоящее время производство данного вида зерна в России, как и во всем мире, возрастает. В период с 2006 по 2010 гг площади посевов кукурузы в РФ увеличились на 15% с 2,5 млн га до 2,9 млн га. По оценкам специалистов, к 2015 г посевные площади кукурузы вырастут до 3,1 млн га, при этом ожидаемый сбор урожая планируется на уровне 15,3 млн т кукурузы. В 2012 г наибольшее количество кукурузы на зерно произведено в Южном Федеральном округе – 4,01 млн т (44% от общего объема производства в стране), в Центральном Федеральном округе – 3,1 млн т (28%) и в СевероКавказском федеральном округе – 2,4 млн т (21%). Все эти данные позволяют сделать вывод о повышении «популярности» кукурузы среди производителей продукции из данной культуры [124, 125]. 1.2. Техноэкономическое обоснование переработки кукурузы Зерновое сырье для производства этилового спирта должно соответствовать нескольким требованиям и в первую очередь это: - доступность сырья, т.е. его достаточное количество в стране для производств перерабатывающих данную культуру; - биохимический состав сырья, позволяющий решать производственные задачи и улучшать характеристики конечного продукта; - доступная стоимость, позволяющая повысить конкурентоспособность продукта.
В России основными зерновыми культурами являются пшеница, рожь, ячмень, реже на переработку поступает кукуруза. Согласно нормативной документации пшеница мягкая и твердая выпускается 5-ти классов, рожь – 4х классов, ячмень - 2х классов, кукуруза – 3х классов.
Пшеница является основной продовольственной культурой. Мягкая пшеница предназначена для получения хлебопекарной муки, а твердая — макаронной муки, крупы. Пшеницу в зависимости от качества зерна подразделяют на 5 классов. К показателям оказывающим влияние на определения класса относятся: цвет, массовая доля белка, массовая доля сырой клейковины, стекловидность и количество сорной примеси. Пшеница мягкая и твердая 1-4-го классов используется на продовольственные цели, а 5-го класса - на фуражные и технические цели [40].
Рожь в соответствии с ГОСТ Р 53049-2008 «Рожь. Технические условия» разделяют на 4 класса. Рожь 1, 2 и 3-го классов предназначена для переработки в муку; рожь 4-го класса - для переработки в комбикорма [36]. Основным показателем, влияющим на принадлежность ржи к определенному классу, является «Число падения». Данный показатель для ржи 1-го, 2-го, 3-го и 4-го классов соответственно составляет более 200 с; 200-141 с; 140-80 с и менее 80 с. «Число падения» является показателем активности амилолитических ферментов и зависит от характеристик углеводно-амилазного комплекса [157].
Разработка технологических режимов гидротермической предобработки
В последние годы в спиртовой промышленности все больше внимания стало уделяться реологическим свойствам сырья и полупродуктам производства этанола [77, 96, 98, 99, 105, 159, 164].
Структурно-механические свойства являются частью реологических характеристик и обусловлены строением зерна, эндосперма и оболочек, его твердостью и микротвердостью, упругостью, а также степенью сопротивляемости деформированию и разрушению при дроблении.
В работе впервые предпринята попытка оценить влияние метода ГТО, на примере использования метода горячего кондиционирования, на реологическое поведение зерновки кукурузы. При исследованиях использовались контрольный образец зерна и четыре опытных, подвергнутых пропариванию в течение 1, 3, 5 и 10 минут. При выполнении экспериментов для получения необходимой точности из образцов отбирали по 10 зерен и производили их замеры по длине, высоте и ширине. Далее для каждого зерна с использование структурометра определяли значения: общей (Н1), пластической (Н2) и упругой (Н3) деформаций.
Обработка данных полученных со структурометра с учетом средней площади единичных зерен кукурузы, приведена в таблицах 14 и 15. Установлено, что среднее значение общей (Н1 ср) и упругой (Н3 ср) деформации характеризуются хорошей сходимостью. Максимальная относительная ошибка () находится на уровне 6,0%-10,0%. Выявлено, с учетом максимального , что интервал варьирования данных показателей является значимым для всех исследованных проб.
В целом, показано, что увеличение продолжительности обработки зерна кукурузы паром повышает значение общей и упругой деформации. Исключение составляют пробы, обработанные в течение 10 минут. В них значение общей и упругой деформации меньше, чем для проб, обработанных в течение 5 минут.
Сопоставляя значения общей и упругой деформации с потерями крахмала при выделении зародыша (рисунок 7) выявлено, что максимальному значению Н1 и Н3 соответствуют минимальные потери крахмала с выделяемой фракцией зародыша.
Таким образом, установлена четкая связь между реологическими характеристиками зерна и эффективностью процесса выделения из него фракции зародыша. Таблица 14 – Общая
Среднийпоказатель(Н3 ср) 0,96 1,00 1,14 1,29 1,13 Максимальнаяотносительнаяошибка приопределении H1(), % 10,4 8,0 7,0 8,5 6,2 Интервалварьирования Н3ср с учетом 0,86-1,06 0,92-1,08 1,06-1,22 1,18-1,40 1,06-1,20 Рисунок 7 – Соотношение общей и упругой деформации с потерями крахмала при выделении зародыша.
Разработка технологических режимов биотехнологической предобработки Предобработка кукурузы методом ГТО не позволяет минимизировать потери крахмала с фракцией зародыша до допустимых значений. Поэтому альтернативным вариантом может быть предложена биотехнологическая предобработка кукурузы с последующим разделением зерна на дифференцированные фракции. Теоретической предпосылкой к выбору данного способа воздействия на зерно кукурузы с целью изменения исходных технологических свойств зерна, послужили материалы работ [81, 80, 97], в которых установлена эффективность биообработки сырья (рожь, пшеница, ячмень) перед выделением фракций периферийных частей зерновки (оболочки). Однако, данный способ не учитывал особенностей анатомического строения зерновки кукурузы, а именно наличия крупного зародыша. При разработке комплексной технологии переработки кукурузы, как указывалось ранее, целесообразно разделять сырье на фракцию эндосперма и фракцию зародыша, то есть выделять из основного технологического процесса другую анатомическую часть зерновки.
На первом этапе исследований, данного раздела работы, были проведены эксперименты по выбору ферментных препаратов с использованием ранее разработанного режима предобработки кукурузы методом ГТО, включающего увлажнение зерна до W=16,0 % и отволаживание в течение 3-х часов при температуре 50С, пропускание зерновой массы через вальцовый станок с последующим разделением образующегося грубого помола на фракцию эндосперма и фракцию зародыша. Исследования включали подготовку 2-х контрольных и 5-ти опытных проб:
Контроль 1 (К1) - исходное зерно кукурузы, без обработки с влажностью 13,52% и массовой долей крахмала 61,39%;
Контроль 2 (К2) - зерно кукурузы, прошедшее стадию ГТО, т.е. доувлажнение и выдержку зерна при t=50 С в течение 3-х часов. Конечная влажность образца К2 составила 15,48% и массовая доля крахмала 59,94%;
Опыт 1, Опыт 2, Опыт 3, Опыт 4, Опыт 5 - зерно кукурузы увлажняли, добавляя в расчетное количество воды ферментные препараты целлюлозного, гемицеллюлозного либо протеолитического действия исходя из норм 1,0 ед основной активности/г условного крахмала сырья, и выдерживали пробу при t=50 С в течение 3-х часов. Конечные влажности и массовые доли крахмала контрольных и опытных образцов представлены в таблице 16.
В соответствие с данными, представленными в таблице 16, выявлено, что обработка кукурузы методом ГТО позволяет снизить по сравнению с необработанным зерном (К1) массовую долю зародыша почти в 2 раза, при этом содержание крахмала в данной фракции снижается с 58,78% до 44,84%. Вместе с тем, уровень потерь крахмала остается существенным (18,8%), что в конечном счете экономически нецелесообразно при переработке кукурузы на спиртовых предприятиях в связи со снижением выхода конечного продукта.
Биотехнологический способ предобработки кукурузы позволяет сократить количество фракции зародыша до 14,0-21,8%, снизив потери крахмала с выделяемой фракцией до 6,1-16,3%. При этом использование ферментных препаратов цитолитического действия оказывало более положительное влияние по сравнению с применением ферментных препаратов протеолитического действия. Наиболее эффективным был препарат Вискоферм L - комплексный препарат, обладающий целлюлазной, ксиланазной, -глюканазной и арабиназной активностями.
Предложенный биотехнологический способ предобработки кукурузы, позволяет изменить реологические свойства зерновки, увеличивая различия прочностных свойств внутренних частей зерна и зародыша, что в свою очередь приводит к снижению потерь крахмала при разделении грубого помола на фракции. Известно, что зародыш кукурузы отделен от эндосперма слоем анатомических частей, состоящих из отдельных групп белков и гемицеллюлоз [71]. По-видимому, при увлажнении зерновки часть влаги концентрируется в перикарпии, при этом белки набухают, гемицеллюлозы гидролизуются под действием внесенных цитолитических ферментов до контролируемой степени гидролиза. Таким образом, этот способ предобработки позволяет увеличить пластические деформации во фракции зародыша и при дальнейшем механическом воздействии на зерновку, она отделяется с минимальным захватом крахмала сырья.
Сравнительная характеристика показателей качества сусла
На основании исследований, результаты которых представлены в разделах 2.2.1-2.2.8, разработана аппаратурно-технологическая схема производства этилового спирта на основе получения и сбраживания сусла из фракции эндосперма кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической предобработки. На рисунке 21 изображена схема предобработки зерна.
Зерно, доставляемое со склада автомашиной, с помощью авторазгрузчика, ссыпают в приемный бункер, из которого норией (1) направляют в бункер хранения зерна (2). Из бункера (2) зерно норией (3) подают на воздушно-ситовой сепаратор (4), отделенные примеси направляют в бункер отходов (5), а очищенное зерно – в накопительный бункер (6). Далее зерно подают на магнитный сепаратор (7).
Очищенное от примесей зерно норией (8) направляют на стадию предобработки (9). Зерно, прошедшее стадию биотехнологической предобработки подают в накопительный бункер обработанного зерна (10). Далее его взвешивают на автоматических производственных весах (11) и направляют на вальцовые дробилки (12, 13). Полученный помол проходит рассева (15). После фракцию эндосперма подают в смеситель (16) для приготовления замеса, куда одновременно с ним задают теплую воду и ферментные препараты амилолитического действия. Соотношение зерно : вода поддерживают на уровне 1 : 3,5, а температуру в смесителе – в интервале t = 45-50 оС, продолжительность пребывания замеса в аппарате – 30 минут. Для лучшего перемешивания и экстрагирования сухих веществ смеситель оборудован циркуляционным контуром, включающим насос (17).
Из смесителя замес насосом (18) через контактную головку острого пара (19) перекачивают в аппарат гидродинамической и ферментативной обработки первой ступени ГДФО-1 (20), оборудованный мешалкой для лучшего перемешивания массы. Температуру в данном аппарате поддерживают в интервале t = 65-75 оС, время пребывания массы составляет 120 минут. Далее масса насосом (21) через контактную головку (22) подается в аппарат гидродинамической и ферментативной обработки второй ступени ГДФО-2 (23), температуру в котором поддерживают в интервале t = 95-98 оС, время пребывания массы составляет 120 минут.
Готовое сусло перекачивают насосом (24), аппаратурно-технологическая схема дрожжегенерации и сбраживания осахаренного сусла представлена на рисунке 22.
Сусло, предназначенное для производства дрожжей, не охлаждают, дополнительно подвергают тепловой обработке с целью пастеризации непосредственно в маточнике (26) и дрожжанках (27).
Маточник используют для приготовления дрожжей в начале производства, для хранения засевных и резервных дрожжей, а также для периодической очистки засевных дрожжей. Приготовление дрожжей в дрожжанках ведут на пастеризованном, подкисленном сусле по методу естественно чистой культуры. Часть зрелых дрожжей из первой дрожжанки используют в качестве засевных для второй, которая должна быть заполнена предварительно пастеризованным, подкисленным и охлажденным до температуры складки суслом, остальные дрожжи передают в бродильный чан.
Сбраживание осахаренного сусла осуществляют по периодическому способу в бродильных чанах (30). Температуру во время главного брожения поддерживают в интервале t = 28-30 оС, при дображивании – t = 26-28 оС. Регулировку температуры в процессе брожения производят подачей холодной воды в рубашки бродильных чанов. Ферментный препарат протеолитического действия либо раствор мочевины задают непосредственно в бродильные аппараты из емкости. Зрелую бражку из бродильных чанов подают насосом (31) в передаточный чан (32) и оттуда насосом (36) перекачивают на брагоректификацию. Все бродильные чаны, через отводящую углекислый газ коммуникацию, присоединяют к спиртоловушке (33). Водно-спиртовую жидкость из 104 спиртоловушки собирают в сборнике (34) и далее насосом (35) перекачивают в передаточный чан (32).
В соответствии с разработанной аппаратурно-технологической схемой производства этанола на основе получения и сбраживания сусла из фракции эндосперма кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической предобработки были осуществлены опытно-промышленные испытания данной технологии в условиях филиала ФГУП «Росспиртпром» (ФКП) «Арзинский спиртовой завод» (Приложение 1).
