способ производства этилового спирта из зернового сырья

Формула изобретения

Способ производства этилового спирта из зернового сырья, включающий шелушение зерна с получением фракции шелухи в количестве 2-5 мас.% от общей массы зерна и фракции, содержащей эндосперм, смешивание фракции, содержащей эндосперм, с водой при гидромодуле 1:(3,5-4,0), внесение амилолитических ферментных препаратов разжижающего и осахаривающего действия в количестве 0,5-1,0 ед АС и 2,0-3,0 ед ГлС/г условного крахмала, диспергирование смеси в роторно-пульсационном аппарате при скорости обработки 1,5-3,0·10³ об/мин в течение 5-10 мин при температуре 56-58°С с получением замеса, обработку замеса при 56-58°С в течение 2-2,5 ч с получением осахаренного сусла, его охлаждение, сбраживание и перегонку бражки с получением этилового спирта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к способу производства этилового спирта из зернового сырья.

Известен способ производства этилового спирта, предусматривающий измельчение зерна, смешивание измельченного зерна с водой и ферментными препаратами и предварительное разжижение замеса при температуре 40-45°С. Потом замес нагревают до 60-65°С и проводят последующее диспергирование водной суспензии крахмалсодержащего сырья в роторно-пульсационном аппарате. Далее полученную массу нагревают до 80-90°С и выдерживают при данной температуре в течение 20-30 минут для пастеризации. Затем проводят осахаривание массы, сбраживание сусла в течение 72 часов и перегонку бражки (RU 2138555 С1, 27.09.1999).

Недостатками данного способа являются высокие энерго- и теплозатраты, связанные с необходимостью измельчения зерна и подогревом замеса для его водно-тепловой обработки и пастеризации, большой расход дорогостоящих ферментных препаратов разжижающего действия, длительность процесса сбраживания.

Известен способ получения этилового спирта методом «холодного затирания» ржи и пшеницы. Максимальная температура обработки сырья по данному способу составляет 62-68°С. По данной технологии помол получают методом сухого измельчения зерна с использованием многоступенчатых схем дробления. Полученный помол характеризуется проходом через сито диаметром 0,56 мм не менее 80 масс.%, т.е. по гранулометрическому составу близок к муке (Шахтимир Э.Л., Перова Э.Я. Применение способов холодного затирания на спиртовых заводах ФРГ и ГДР // Ферментная и спиртовая промышленность. - 1983. - № 7. - С.44-47).

Недостатками данного способа являются высокие требования к микробиологическим характеристикам зерна, не соответствующие зерну фуражного назначения, а также высокие энергозатраты на стадии получения помола требуемого состава.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ производства этилового спирта, включающий ИК-обработку исходного зерна, его измельчение по одноступенчатой схеме, смешивание помола с водой, внесение амилолитических ферментных препаратов разжижающего и осахаривающего действия, а также ферментных препаратов протеолитического действия, обработку замеса при температуре 56-58°С в течение 3-4 часов, охлаждение сусла, его последующее сбраживание и перегонку зрелой бражки с получением этилового спирта (RU 2265663 С1, 10.12.2005).

К недостаткам данного способа относятся дополнительные энергозатраты на ИК-обработку зерна, высокий расход ферментных препаратов, в том числе дополнительных - протеолитического действия.

Задачей настоящего изобретения является возможность переработки фуражного зерна по схеме «холодного затирания» при низких энерго- и материалозатратах.

Техническим результатом является снижение расхода ферментных препаратов, сокращение длительности водно-тепловой и ферментативной обработки.

Технический результат достигается за счет осуществления процесса шелушения зерна с получением фракции шелухи в количестве 2-5% масс. от общей массы зерна и фракции, содержащей эндосперм, смешивания фракции, содержащей эндосперм, с водой при гидромодуле 1:(3,5-4,0), внесения амилолитических ферментных препаратов разжижающего и осахаривающего действия в количестве 0,5-1,0 ед. АС и 2,0-3,0 ед. ГлС/г условного крахмала, диспергирования смеси в роторно-пульсационном аппарате при скорости обработки 1,5-3,0*10³ об/мин в течение 5-10 минут при температуре 56-58°С с получением замеса, обработки замеса при 56-58°С в течение 2-2,5 часов с получением осахаренного сусла, его охлаждения, сбраживания и перегонки бражки с получением этилового спирта.

Стадия шелушения зерна предусматривает снятие шелухи в количестве 2-5 масс.% от общей массы зерна. Это позволяет получить фракцию шелухи с допустимыми по сравнению с ближайшим аналогом потерями крахмала в ней (до 1,5% масс. от общего содержания в исходном сырье). Кроме того, отделение фракции шелухи в количестве 2-5% масс. от общей массы зерна позволяет достичь требуемых для способа «холодного затирания» микробиологических характеристик, т.к. микрофлора зерна сосредоточена в его поверхностных слоях.

Обработка смеси, состоящей из фракции, содержащей эндосперм, и воды, с использованием роторно-пульсационного аппарата позволяет не только достичь значений, предъявляемых к качеству помола, используемого в методе «холодного затирания», но и превысить их, т.е. в большей степени перевести на данном этапе полимеры зерна (крахмал, белок и др.) в растворимое состояние. Одновременно процесс упрощается из-за совмещения стадий дробления и получения замеса, т.е. эти два процесса проводят в одном аппарате. При этом происходит снижение энергозатрат, связанных с необходимостью ИК-обработки зерна и последующим его дроблением.

Отделение от зерна фракции шелухи в количестве 2-5 масс.% от общей массы зерна также позволяет практически полностью сохранить собственные ферменты зерна в отличие от ближайшего аналога (при ИК-обработке собственные ферменты сырья полностью инактивируются). Как следствие этого, при получении сусла по способу «холодного затирания», предусматривающему обработку замеса при низких температурах (56-58°С), появляется возможность глубокого гидролиза полимеров сырья собственными амилазами, протеазами, цитазами зерна и существенного снижения расхода ферментных препаратов амилолитического спектра действия и полного отказа от использования дополнительных ферментных препаратов протеолитического действия. Помимо этого имеет место предварительное воздействие зерновых протеаз и цитаз на оболочку крахмальной гранулы зерновки, приводящее к повышению доступности субстрата к действию амилолитических ферментов. Следовательно, заявленный способ получения этилового спирта позволяет снизить и материалозатраты.

Кроме того, было обнаружено, что при снятии фракции шелухи в количестве 2-5 масс.% от общей массы зерна и получении замеса с использованием роторно-пульсационного аппарата сокращается длительность водно-тепловой и ферментативной обработки при 56-58°С до 2-2,5 часов по сравнению с 3-4 часами по ближайшему аналогу. Данный факт, возможно, связан с глубоким разрушением содержащихся в зерне полимеров крахмальной и некрахмальной природы под действием разных механических воздействий (ударное воздействие, гидродинамические срезывающие усилия, пульсации давления), осуществляющихся в роторно-пульсационном аппарате.

Способ осуществляется следующим образом.

Зерно подвергают шелушению с получением 2-5% масс. от общей массы зерна фракции шелухи, которую выводят из дальнейшего технологического процесса, и фракции, содержащей эндосперм. Далее фракцию, содержащую эндосперм, смешивают с водой при гидромодуле 1:(3,5-4,0), вносят амилолитические ферментные препараты разжижающего и осахаривающего действия в количестве 0,5-1,0 ед. АС и 2,0-3,0 ед. ГлС/г условного крахмала. Температура используемой воды выбирается с таким расчетом, чтобы конечная температура замеса составляла 56-58°С. Далее смесь диспергируют в роторно-пульсационном аппарате погружного типа марки ДПС при скорости 1,5-3,0*10 ³ об/мин в течение 5-10 минут при температуре 56-58°С с получением замеса. Далее обработку замеса проводят при температуре 56-58°С в течение 2-2,5 часов с получением осахаренного сусла, которое охлаждают до температуры складки, затем в него вносят засевные дрожжи, сбраживают в течение 40-48 часов с последующей перегонкой бражки и получением этилового спирта.

Пример 1. В качестве исходного сырья используют пшеницу. 10 т пшеницы с крахмалистостью 56,4% масс. и начальной влажностью 14,2% подвергают шелушению, при этом фракция шелухи составляет 3% масс. от общей массы зерна, в нее переходит не более 0,7% крахмала исходного сырья. Оставшаяся фракция, содержащая эндосперм, смешивается с водой при гидромодуле 1:3,5. На замес используют воду с температурой 65-67°С, при этом конечная температура замеса составляет 56-58°С. Далее в смесь вносят амилолитические ферментные препараты - 1,0 ед. АС/г условного крахмала и 3,0 ед. ГлС/г условного крахмала и проводят диспергирование в роторно-пульсационном аппарате при скорости 1,5 об/мин в течение 7 минут при температуре 56-58°С. Далее обработку замеса проводят при температуре 56-58°С в течение 2,5 часов. Далее в осахаренное сусло вводят засевные дрожжи в количестве 10% от объема сусла. Процесс брожения осуществляют при температуре 28-30°С в течение 48 часов. Полученную бражку перегоняют с получением этилового спирта.

Пример 2. В качестве исходного сырья используют рожь. 10 т ржи с крахмалистостью 55,0% масс. и начальной влажностью 15,0% подвергают шелушению, при этом фракция шелухи составляет 2% масс. от общей массы зерна, в нее переходит не более 0,5% крахмала исходного сырья. Оставшаяся фракция, содержащая эндосперм, смешивается с водой при гидромодуле 1:4,0. На замес используют воду с температурой 65-67°С, при этом конечная температура замеса составляет 56-58°С. Далее в смесь вносят амилолитические ферментные препараты - 0,5 ед. АС/г условного крахмала и 2,0 ед. ГлС/г условного крахмала и проводят диспергирование в роторно-пульсационном аппарате при скорости 3,0 об/мин в течение 10 минут при температуре 56-58°С. Далее процесс проводят аналогично примеру 1.

Пример 3. В качестве исходного сырья используют рожь. 10 т ржи с крахмалистостью 55,0% масс. и начальной влажностью 15,0% подвергают шелушению, при этом фракция шелухи составляет 5% масс. от общей массы зерна, в нее переходит не более 1,5% крахмала исходного сырья. Оставшаяся фракция, содержащая эндосперм, смешивается с водой при гидромодуле 1:3,5. На замес используют воду с температурой 65-67°С, при этом конечная температура замеса составляет 56-58°С. Далее в смесь вносят амилолитические ферментные препараты - 1,0 ед. АС/г условного крахмала и 3,0 ед. ГлС/г условного крахмала и проводят диспергирование в роторно-пульсационном аппарате при скорости 3,0 об/мин в течение 10 минут при температуре 56-58°С. Далее обработку замеса проводят при температуре 56-58°С в течение 2,0 часов. Далее в осахаренное сусло вводят засевные дрожжи в количестве 10% от объема сусла. Процесс брожения осуществляют при температуре 28-30°С в течение 40 часов. Полученную бражку перегоняют с получением этилового спирта.

Сравнительные параметры способа производства этилового спирта по заявленному изобретению и ближайшему аналогу представлены в таблице 1.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет значительно снизить энергозатраты за счет исключения стадии, предусматривающей ИК-обработку зерна, и совмещения стадий дробления и получения замеса, уменьшить расход основных ферментных препаратов амилолитического действия в среднем 2-3 раза, полностью отказаться от применения дополнительных ферментных препаратов протеолитического действия, сократить длительность водно-тепловой и ферментативной обработки на стадии получения сусла на 0,5-1,5 часа.

Таблица 1
Параметры способа производства этилового спирта
Показатели	Ближайший аналог (контроль)	Заявляемое изобретение (опыт)
Пример 1	Пример 2	Пример 3
Длительность водно-тепловой и ферментативной обработки при температуре 56-58°С, ч	3-4	2,5	2,5	2,0
Расход ФП разжижающего действия, ед. АС/г усл. крахмала	1,5-2,0	1,0	0,5	1,0
Расход ФП осахаривающего действия, ед. ГлС/г усл. крахмала	5,5-6,5	3,0	2,0	3,0
Расход ФП протеолитического действия, ед. ПС/г усл. крахмала	0,01-0,02	-	-	-