Введение к работе
1.1 Актуальность работы
На спиртовых заводах России в качестве основного сырья используют грубодробленое зерно пшеницы и других злаковых культур. Зерновая масса, кроме основной культуры, содержит примеси, количество которых после уборки урожая достигает 20 %: сорные, вредные, минеральные и органические, в том числе семена других культурных и диких растений, поврежденные и дефектные зерна и микроорганизмы.
Грубодробленая зерновая масса имеет высокий уровень микробиологической обсемененности, что требует применения высокотемпературного режима процесса гидротермической обработки. Это вызывает потери сбраживаемых сахаров, перерасход ферментов, увеличение выхода метанола, сивушных масел, эфиров и альдегидов, в частности кротонового альдегида, который не отделяется от спирта, а также характеризуется высокими затратами пара и воды и применением оборудования, работающего под высоким давлением.
Компоненты зерновой массы оказывают отрицательное влияние на потребительские свойства спирта и требуют выделения до процесса дробления. Зерновка пшеницы имеет сложное анатомическое строение и биохимический состав: крахмалистая часть – эндосперм достигает 75 % и несбраживаемые компоненты – клетчатка, жиры, белки и т.д., доля которых превышает 20 %.
Учитывая это, при производстве спирта целесообразно выделить крахмалосодержащие продукты и направить их на производство спирта, исключив из процесса брожения несбраживаемые компоненты. Крупность и выравненность продуктов помола является важным показателем, определяющим эффективность процессов получения пищевого спирта.
В связи с вышеизложенным, перспективным направлением совершенствования процессов спиртового производства является переход на низкотемпературный режим гидротермической обработки, что может быть реализовано при использовании продукта с низкой микробиологической обсеменностью, выравненного по крупности, однородного по биохимическому составу и содержащего в основном преимущественно сбраживаемые компоненты.
Таким образом, актуальным является исследование, направленное на разработку альтернативного технологического производства спирта из сырья, прошедшего предварительную очистку и последующее измельчение с выделением крахмалосодержащего продукта в качестве основного сырья для производства спирта.
Недостаточная изученность вышеизложенных проблем требует теоретического обоснования и исследования процессов брожения и брагоректификации с целью последующего применения в спиртовом производстве для получения пищевых спиртов с высоким выходом и потребительским качеством продукции.
Для совершенствования процессов, связанных с использованием качественно нового сырья из продуктов тонкого помола зерна пшеницы при производстве пищевого спирта, целесообразно применение математических моделей брожения и брагоректификации, которые могут быть использованы для оптимизации и проектирования установок.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Федеральной научно-технической программой Минобразования РФ «Разработка высокоэффективной технологической схемы и оборудования для производства пищевого этилового спирта высшего качества» (№ гос. регистрации 01.2.00305371).
1.2 Цель исследования – математическое моделирование процессов брожения и брагоректификации при производстве пищевого спирта из зерна пшеницы, прошедшего предварительную очистку и последующее измельчение с выделением крахмалосодержащего продукта.
1.3 Основные задачи исследования
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
обосновать и определить свойства крахмалосодержащих продуктов тонкого помола зерна пшеницы как сырья для получения пищевого спирта;
провести теоретические и экспериментальные исследования процессов ферментативной гидротермической обработки, осахаривания и брожения предлагаемого сырья тонкого помола зерна пшеницы и обосновать их технологический режим;
провести сравнительный анализ получения бражки и пищевого спирта традиционным способом высокотемпературного разваривания из грубодисперсного зерна пшеницы с низкотемпературным способом из предлагаемого крахмалосодержащего сырья из продуктов тонкого помола зерна пшеницы;
разработать математическую модель процесса брожения сусла, учитывающую процесс массопередачи в системе дрожжи – сусло – парогазовая смесь и процесс межфазного равновесия в системе сусло – дрожжи;
разработать метод экспериментального исследования кинетики процесса брожения на основе опытных данных по изменению плотности бражки во времени;
провести экспериментальные исследования фазового равновесия в системе сусло – дрожжи;
провести идентификацию разработанных моделей с последующим совершенствованием технологических режимов и схем получения пищевого спирта;
выполнить технико-экономическое обоснование получения пищевого спирта при использовании в качестве сырья продуктов тонкого помола зерна пшеницы с дальнейшим проведением производственных испытаний по внедрению результатов исследований на одном из спиртзаводов Российской Федерации.
1.4 Научная новизна
обоснована эффективность получения пищевого спирта из крахмалосодержащих продуктов тонкого помола зерна пшеницы;
разработана математическая модель процесса брожения сусла, приготовленного из крахмалосодержащих продуктов тонкого помола зерна пшеницы, с учетом особенности протекания массообменных процессов в сбраживаемой среде для системы дрожжи – сусло – парогазовая смесь и с учетом межфазных равновесных данных в системе сусло – дрожжи;
разработаны математические модели по межфазному равновесию в системе сусло – дрожжи;
получены математические зависимости для расчета потерь пищевого спирта от испарения в парогазовую смесь в процессе брожения;
определены константы скоростей биохимической реакции, протекающей при сбраживании разваренного и осахаренного крахмалосодержащего сырья из продуктов тонкого помола зерна пшеницы.
1.5 Практическая значимость работы заключается в следующих результатах экспериментальных и теоретических исследований:
определен рекомендуемый режим процесса гидротермической обработки и осахаривания предлагаемого сырья для получения ректификованного спирта из бражки;
разработана установка непрерывного действия для получения этилового ректификованного спирта из бражки;
на основе численного эксперимента определено влияние технологических (исходной концентрации сусла, расхода дрожжей, времени брожения) и адаптационных (констант скоростей биохимической реакции, начальной концентрации фермента, потерь спирта с парогазовой фазой и инактивации дрожжей спиртом) параметров на скорость и время брожения, концентрацию этилового спирта в бражке, выход спирта и недоброд и разработаны рекомендации по технологическим параметрам брожения и брагоректификации;
предложены параметры подготовки зернового сырья и определены технологические параметры процессов разваривания, осахаривания, брожения и брагоректификации при получении пищевого спирта из предлагаемого сырья;
выполнено технико-экономическое обоснование использования в качестве сырья крахмалосодержащих продуктов тонкого помола зерна пшеницы при получении пищевого спирта;
проведены производственные испытания и выданы рекомендации по внедрению результатов исследований.
Новизна технических решений подтверждена двумя патентами РФ на полезную модель № 66226 «Линия подготовки зернового сырья к водно-тепловой обработке для получения пищевого спирта», № 55626 «Установка непрерывного действия для получения этилового ректификованного спирта из бражки».
1.6 Реализация результатов исследования
В результате производственных испытаний получен пищевой этиловый спирт ректификованный марки «Экстра» по ГОСТ Р 51652-2000 с высокими органолептическими показателями.
Результаты разработанных технических и технологических решений прошли промышленные испытания и внедрены на спиртзаводе ЗАО АПК «Мичуринский» с ожидаемым экономическим эффектом 15573,6 тыс. рублей в год.
1.7 Апробация работы
Основные положения диссертации доложены на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пищевая промышленность: интеграция науки, образования и производства» (г. Краснодар, 2005 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития пищевой промышленности России» (г. Оренбург, 2005 г.), на VIII региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2006 г.), на региональной научно-практической конференции «Здоровое питание – основа жизнедеятельности человека» (г. Красноярск, 2006 г.), на X Всероссийской научно-практической конференции «Образование – наука – технология»; IX Всероссийской научно-практической конференции «Агропромышленный комплекс и актуальные проблемы экономики регионов»; IX Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы современности» (г. Майкоп, 2007 г.), на научно-практической конференции «Качество продукции, технологий и образования» (г. Магнитогорск, 2007 г.), на VIII Всероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Пищевые технологии» (г. Казань, 2007 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Наука – производство – технология – экология» (г. Киров, 2007 г.).
1.8 Публикация результатов исследования
По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемом журнале, получены 2 патента РФ на полезную модель и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
1.9 Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы, приложений. Основной текст диссертации изложен на 159 страницах компьютерного текста, содержит 23 рисунка и 20 таблиц. Список использованной литературы включает 176 наименования, из них 12 - зарубежных авторов.
