Введение к работе
Актуальность темы. Спиртовая отрасль характеризуется низкой рентабельностью производства и сильной зависимостью от сырьевой базы. В себестоимости спирта затраты на сырье достигают 60,0-70,0 % от общих. Одним из способов повышения эффективности производства является применение более дешевых видов сырья, к которым из традиционных относится ячмень. Однако в технологии этанола переработка пленчатой культуры сопряжена с трудностями, зависящими от ее структурных особенностей, в связи с чем на заводах ячмень используют совместно с голозерными.
Для создания технологии, позволяющей перерабатывать ячмень в качестве единственного вида сырья, необходимо целенаправленно изменить его структурно-механические свойства. В настоящее время к одному из перспективных способов, приводящих к требуемому результату, можно отнести ИК-обработку зерна. Ранее данный способ уже применялся при создании новых технологий этанола из пшеницы и ржи. При переработке ячменя метод микронизации предлагается использовать впервые.
Повысить эффективность спиртового производства за счет увеличения производительности предприятий на существующем оборудовании возможно и развивая такое приоритетное направление отрасли, как создание технологий, основанных на получении и сбраживании концентрированных сред, позволяющих также решать экологические проблемы отрасли, связанные с необходимостью полной утилизации основного техногенного отхода - послеспиртовой барды, объем которой составляет 0,10-0,12 м3 на 1 дал спирта.
Однако, имея несомненные преимущества, при внедрении таких технологий возникают трудности, связанные в первую очередь с технологичностью сред: замеса, разваренной массы и сусла. Известно, что процессы, протекающие при водно-тепловой и ферментативной обработке, зависят от свойств перерабатываемого зерна. Под действием микронизации данные свойства изменяются, что может влиять на процесс получения концентрированного сусла, в том числе и из ИК-обработанного ячменя.
Традиционно переработка сырья при пониженных гидромодулях предусматривает применение дополнительных ферментных препаратов целлюлолитического действия, позволяющих решать проблемы получения технологичных сред, и, кроме того, более рационально использовать высокомолекулярные полимеры зернового сырья, обеспечивать высокую степень биоконверсии углеводов в этанол, в целом, способствуя улучшению технологических показателей брожения и повышению выхода спирта. При этом эффективность ведения процесса, научно-обоснованный выбор основных и дополнительных ферментных препаратов зависят от их субстратной специфичности.
Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке научно-практических основ создания новой технологии этанола из ИК-обработанного ячменя на
$ \
основе получения и сбраживания концентрированного сусла актуальны и перспективны. Официальным подтверждением этого является включение данной тематики в программу «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» в рамках стажировки в научно-исследовательском институте по пивоварению и солодоращению при Берлинском техническом университете (Германия).
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась разработка технологии этанола на основе целенаправленного изменения исходных технологических свойств ячменя при его ИК-обработке с последующим получением и сбраживанием концентрированного сусла из данного вида сырья.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:
изучить влияние параметров микронизации ячменя на его технологические свойства; рекомендовать режимы ИК-нагрева;
на основе изучения вязкостных свойств перерабатываемых сред обосновать выбор ферментного препарата разжижающего действия;
определить взаимосвязь между параметрами ферментативной обработки ячменя и реологическими и качественными характеристиками полупродуктов производства;
разработать мультэнзимные композиции для получения высокоэкстрактивных сред из ЙК-обработанного ячменя;
обосновать характер деструкции крахмала сырья под действием амилолитических, целлюлолитических и протеолитических ферментных препаратов, входящих в состав мультэнзимных композиций, на основе изучения свойств образцов крахмала, выделенных из исходного и микронизированного ячменя;
оптимизировать процесс получения концентрированного сусла;
исследовать влияние углеводного состава сусла на развитие спиртовых дрожжей;
определить факторы, влияющие на процесс сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя; провести сравнительный анализ образцов зрелой бражки контрольных и опытных вариантов на содержание этилового спирта и вредных летучих примесей;
разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола на основе нолученіия и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя.
Научная новизна. В результате выполненных комплексных исследований по изучению технологических свойств сырья выявлены отличия в характере процессов, протекающих при ИК-обработке ячменя в сравнении с пшеницей и рожью.
На основании изучения динамики изменения реологических характеристик перерабатываемых сред научно обоснованы различия в действии фермегггных препаратов с термостабильной а-амилазой.
Разработаны новые мультэнзимные композиции (МЭК-1 и МЭК-2) для решения проблемы снижения вязкости в процессе получения концентрированного сусла из микронгоированного ячменя. Впервые в качестве альтернативы ферментам целлюлолитического действия, традиционно использующимся для этой цели, предложено применение ферментных препаратов с активной эндопротеазой.
Анализ образцов крахмала, выделенных из исходного и ИК-обработанного ячменя, с применением системы для микроскопии LEICA DMLM позволил научно обосновать механизм действия на субстрат мультэнзимных композиций разного состава.
Впервые выявлена взаимосвязь между содержанием отдельных Сахаров, ^-глюкана в образцах осахаренного сусла, полученных из исходного и микронизированного ячменя, и применяемыми на стадии водно-тепловой обработки ферментными препаратами (разжижающего действия, мультэнзимными композициями).
На основании модельных опытов по сбраживанию сред различного углеводного состава научно обоснованы выбор расы спиртовых дрожжей, стадии и нормы внесения осахаривающего ферментного препарата при получении концентрированного сусла.
Выявлена корреляционная зависимость между режимами ИК-нагрева ячменя, параметрами водно-тепловой и ферментативной обработки, составом мультэнзимных композиций, условиями сбраживания и показателями качества сусла, бражки, в том числе по содержанию вредных летучих примесей в последней.
Практическая значимость. Экономически обоснована перспективность включения в технологическую схему производства этанола из ячменя аппаратов по ИК-обработке сырья, позволяющих, в зависимости от режимных параметров процесса, целенаправленно изменять технологические свойства зерна:
снижать прочностные свойства ячменя, и, соответственно, получать мелкие и равномерные помолы из зерна, при снижении энергозатрат до 35,0 % против контроля;
повышать степень клейстеризации и ферментативную атакуемость крахмала зерна за счет деструкции полисахаридов сырья.
Разработана новая технология этанола из ИК-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла, позволяющая при использовании ячменя в качестве единственного более дешевого вида сырья получать с применением предложенных МЭК технологичные с позиции вязкости среды и бражку с повышенной крепостью (в среднем на 1,5-2,0 % об.) без превышения содержания в ней вредных летучих примесей по сравнению с контролем. Технические решения, положенные в основу разработанной технологии, защищены патентом РФ № 2301261.
Проведена опытно-промышленная апробация новой технологии этанола из ИК-обработанного ячменя в условиях ГУЛ Московский опытный завод РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ.
По результатам опытно-промышленных испытаний рассчитана условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции по разработанному варианту, которая для спиртового завода мощностью 3000 дал/сут составила 8,29 млн. руб.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях «НИРС-2006», «НИРС-2007» (М, 2006 г., 2007 г.), на IV международной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (М., 2006 г.), на V юбилейной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (М., 2007 г.), на VI международной научной конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2008 г.), на научно-практической конференции, посвященной 15-летию технологического факультета Воронежского ГАУ им. К.Д. Глинки «Актуальные проблемы развития технологии производства продуктов питания» (Воронеж, 2008 г.), на VI международной научно-практической конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» (М., 2008 г.), на научном семинаре стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» и «Эммануил Кант» (М., 2009 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 публикациях, включая 9 статей и 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников из 208 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 175 страницах машинного текста, содержит 27 рисунков и 52 таблицы.
