Введение к работе
Актуальность темы. Среди приоритетных направлений в спиртовой отрасли РФ активно развивается направление, посвященное совершенствованию технологий, основанных на подготовке сырья к сбраживанию с использованием низкотемпературных схем его переработки. Наиболее перспективной является схема, основанная на механико-ферментативном способе. Однако, данный способ, несмотря на преимущества перед способом с развариванием, не позволяет использовать собственный ферментный комплекс сырья, что особенно важно, если применяется зерно ржи, характеризующееся высокой активностью амилаз, протеаз и ферментов гемицеллюлазного комплекса. В зарубежной практике широко используют способ «холодного затирания», при котором температура на стадии водно-тепловой обработки не превышает 60-700С, что позволяет гидролизовать полимеры зерна и под действием собственной ферментной системы. Данный способ не реализован в практике отечественных спиртовых предприятий и связано это с рядом причин.
Во – первых, способ «холодного затирания» предъявляет повышенные требования к исходным микробиологическим характеристикам сырья. Применяемое на спиртовых предприятиях РФ фуражное зерно обычно характеризуется повышенной микробиологической обсемененностью.
Во – вторых, данный способ предусматривает использование помола, характеризующегося однородностью и большей степенью измельчения, чем в традиционных схемах переработки сырья. Получение такого помола на отечественных спиртовых предприятиях сопряжено с трудностями.
В – третьих, известно, что определенные анатомические части зерновки, содержащие такие компоненты как клетчатка, гемицеллюлозы, определенные фракции белков ухудшают технологический процесс получения сусла.
Исходя из вышесказанного, при разработке технологии этанола из ржи на основе метода «холодного затирания» необходимо провести целенаправленное изменение исходных свойств сырья. С целью максимального использования внутренних резервов ржи в работе предусматривались исследования по получению сусла с использованием янтарной кислоты. Выбор указанного направления основан на данных о позитивном влиянии янтарной кислоты в ряде технологических процессов бродильных производств. Кроме того, в литературе в последнее время активно обсуждается вопрос о перспективности применения янтарной кислоты при производстве кормопродуктов. Отход спиртового производства – барда в настоящее время используется для их выработки. Янтарная кислота, как нелетучий компонент технологической среды, будет концентрироваться именно в данном отходе производства, что, как можно предположить, повысит его биологическую ценность.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка высокоэффективной технологии этанола из ржи с целенаправленно измененными методом частичного шелушения зерна технологическими свойствами на основе способа «холодного затирания» и использования янтарной кислоты.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
- изучить влияние способа частичного шелушения ржи на структурно-механические свойства, микробиологические и биохимические характеристики зерна;
- провести сравнительную характеристику низкотемпературных способов получения ржаного сусла;
- определить значимые параметры, влияющие на показатели качества ржаного сусла, полученного по методу «холодного затирания», в том числе с использованием янтарной кислоты;
- выявить влияние янтарной кислоты на активность эндогенных и микробных амилаз, на углеводно-амилазный комплекс сырья и свойства образцов крахмала;
- изучить процесс сбраживания ржаного сусла, выявить влияние концентрации янтарной кислоты на развитие спиртовых дрожжей;
- определить факторы, влияющие на процесс сбраживания ржаного сусла, полученного по методу «холодного затирания»; провести сравнительный анализ образцов бражки на содержание этилового спирта и вредных летучих примесей;
- оптимизировать процесс сбраживания ржаного сусла;
- разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола из ржи, предусматривающую частичное шелушение зерна, использование способа «холодного затирания» и применение янтарной кислоты.
Научная новизна. В результате выполненных комплексных исследований выявлено влияние частичного шелушения ржи на изменение структурно-механических свойств зерна, его микробиологических характеристик и состояние углеводно-амилазного комплекса сырья.
На основании сравнительного анализа показателей качества сусла научно обоснованы значимые параметры процесса получения сусла из шелушенной ржи по методу «холодного затирания».
Впервые исследован процесс получения ржаного сусла с использованием янтарной кислоты. Получены с применением системы для микроскопии LEICA DMLM новые научные данные о влиянии янтарной кислоты на изменение фермент-субстратной специфичности крахмала сырья.
На модельных средах изучено влияние концентрации янтарной кислоты на метаболизм развития спиртовых дрожжей расы XII. Выявлены отличия в изменении аминокислотного состава, содержании отдельных катионов и органических кислот.
Исследованы процессы и научно-обоснованы режимы получения и сбраживания сусла из шелушенной ржи, на основании которых предложен новый высокоэффективный способ производства этилового спирта, на который подана заявка №2013127802 на получение Патента РФ.
Практическая значимость. Экономически обоснована перспективность включения в технологическую схему производства этанола из ржи аппаратов для частичного шелушения, позволяющих целенаправленно изменять технологические свойства зерна:
- снижать прочностные свойства ржи и соответственно получать мелкие и равномерные помолы из зерна без превышения энергозатрат против контроля;
- улучшать микробиологические характеристики сырья;
- повышать ферментативную атакуемость крахмала сырья, что приводит к снижению норм внесения ферментных препаратов на 25-30%.
Разработана новая высокоэффективная технология этанола из ржи, основанная на получении сусла по методу «холодного затирания» и использовании янтарной кислоты, позволяющая снизить на 20-25% энергозатраты на стадии получения сусла за счет снижения температурного режима; повысить выход спирта из 1 тонны условного крахмала на 2,4 дал, из 1 тонны зерна – на 0,3 дал; снизить содержание в бражке вредных летучих примесей в среднем на 30%, что при равных энергозатратах на стадии ректификации дает возможность повысить сортность спирта.
Проведена опытно-промышленная апробация новой технологии этанола в условиях ООО «Агромаш».
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 15,12 млн.руб при сроке окупаемости капитальных затрат 1,5 месяца.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях: III всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2010); конференция молодых ученых и специалистов «Технологии и производственный менеджмент» (Москва, 2011), всероссийская научно-практическая конференция «Пищевые ингредиенты и инновационные технологии в производстве продукции здорового питания» (Санкт-Петербург, 2013).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 10 публикациях, включая 7 статей в научных журналах рекомендованных ВАК. Подана 1 заявка на получение Патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников из 207 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 150 страницах, содержит 17 рисунков и 47 таблиц.
