ПОДГОТОВКА КАРТОФЕЛЯ И ЗЕРНА К ПЕРЕРАБОТКЕ

Подготовка картофеля и зерна к переработке состоит в достав­ке сырья на завод, отделении примесей, измельчении и приготов­лении замеса.

Картофель с буртового поля подвозят автотранспортом к запас­ным закромам, откуда гидротранспортером подают в производ­ство. Легкие, грубые и тяжелые примеси картофеля отделяют в со-

 

ломо- и камнеловушках. Для мойки и удаления оставшихся при­месей применяют картофелемойки.

Зерно, идущее на разваривание, очищают на воздушно-сито­вых и магнитных сепараторах.

При периодическом способе водно-тепловой обработки карто­фель и зерно разваривают в целом виде, при непрерывных схемах сырье предварительно измельчают. Степень дробления влияет на температуру и продолжительность разваривания. При измельче­нии картофеля на сите с диаметром отверстий 3 мм не должно быть остатка, а при измельчении зерна остаток на этом сите не должен превышать 0,1—0,3 %. Проход помола через сито с отвер­стиями диаметром 1 мм должен составлять 60—90 %.

Приготовление замеса заключается в смешивании измельчен­ного сырья с водой и подогреве его до определенной температуры. К измельченному зерну добавляют 280—300 % воды, к картофель­ной кашке — 15—20 % воды от массы сырья. Концентрация сухих веществ в сусле должна составлять 16—18 %.

4.2. ВОДНО-ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА ЗЕРНА И КАРТОФЕЛЯ

Основная задача водно-тепловой обработки — подготовка сы­рья к осахариванию крахмала амилолитическими ферментами со­лода или ферментными препаратами микробного происхождения. Осахаривание наиболее полно и быстро происходит тогда, когда крахмал доступен для их действия (не защищен клеточными стен­ками), оклейстеризован и растворен, что можно достичь примене­нием тепловой обработки цельного сырья при повышенном дав­лении, или, как принято называть этот процесс в спиртовом про­изводстве, разваривания; сверхтонким механическим измельчени­ем сырья на специальных машинах; механическим измельчением сырья до определенных размеров частиц с последующим развари­ванием под давлением (комбинированный способ).

Цельное крахмалсодержащее сырье в разварнике обрабатывают насыщенным водяным паром под избыточным давлением до 0,5 МПа (температура 158,1 °С). В этих условиях растворяется крахмал, размягчаются и частично растворяются клеточные стен­ки сырья, и при последующем выдувании сырья в паросепаратор (выдерживатель) происходит разрушение клеточной структуры вследствие перепада давления, измельчающего действия решетки в выдувной коробке разварника, а также других механических воз­действий на пути быстрого передвижения разваренной массы из одного аппарата в другой. В процессе разваривания одновременно происходит стерилизация сырья, что важно для процессов осаха- ривания и брожения.

При измельчении сырья до размера частиц, меньшего, чем крахмальные зерна, разрушаются клеточная структура сырья и сами крахмальные зерна, вследствие чего они растворяются в воде температурой 60—80 °С и осахариваются амилолитическими ферментами солода и культур микроорганизмов. Способ сверхтонкого измельчения пока не применяется из-за большого расхода электроэнергии и неизученности вопроса стерилизации сырья.

Широкое распространение получил комбинированный способ, согласно которому сырье сначала измельчают до частиц среднего размера (1 —1,5 мм), а затем разваривают. В этом случае темпера­тура и продолжительность разваривания меньше, чем при тепло­вой обработке цельного сырья. Выдувание разваренной массы из­мельченного сырья с перепадом давления способствует дальней­шему его диспергированию. Такой способ тепловой обработки в сочетании с непрерывностью процессов считается наиболее про­грессивным. При относительно небольших затратах электроэнер­гии на измельчение сырья, теплоты на разваривание и благодаря «мягкости» режима разваривания, обеспечивающего минималь­ные потери сбраживаемых веществ, способ позволяет хорошо под­готовить сырье к осахариванию.

При разваривании картофеля и зерна происходят значительные структурно-механические изменения сырья и химические превра­щения веществ, входящих в его состав.

4.2.1. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СЫРЬЯ

Клубни картофеля имеют крупные клетки, заполненные кле­точным соком и покрытые тонкой кожицей, поэтому целые клуб­ни быстро прогреваются и развариваются. При переработке высо­кокрахмалистых сортов и загнившего картофеля добавляют не­большое количество воды.

Первую стадию тепловой обработки неизмельченного картофе­ля (подваривание) проводят при атмосферном давлении. Наивыс­шая температура подваривания не должна превышать 70 °С. При более высокой температуре часть клубней может разрушиться, вы­шедший из клеток клейстеризованный крахмал покроет слоем це­лые клубни, вследствие чего разваривание их будет продолжитель­ным и неполным.

Температура 40—60 °С также нежелательна, так как она стиму­лирует действие амилолитических ферментов клубней и превра­щение крахмала в сахар. Подваривание здорового картофеля длит­ся около 30 мин, мороженого — 50 мин.

По современным схемам непрерывного разваривания карто­фель перед тепловой обработкой измельчают в кашку на молотко­вых дробилках или картофелетерках. При этом большая часть кле­ток вскрывается, вместе с клеточным соком освобождается около 70 % крахмала.

В отличие от целых клубней картофельную кашку подваривают лишь до температуры 40 °С, так как из-за клейстеризации свобод­ных крахмальных гранул вязкость настолько возрастает, что кашка утрачивает текучесть. При температуре выше 50 °С вязкость резко повышается и достигает очень больших значений. При разжиже­нии достаточным количеством бактериальной а-амилазы вязкость картофельной кашки даже при нагревании до температуры 80 °С увеличивается ненамного выше вязкости, полученной при 40 °С. Следовательно, применяя а-амилазу на стадии подваривания, можно полностью использовать вторичный пар (экономия расхо­да теплоты) и лучше подготовить сырье к развариванию. Такой режим применяют при механико-ферментативном способе подго­товки сырья.

Зерновое сырье готовят к развариванию иначе, чем картофель, так как его первоначальная влажность колеблется в пределах 12— 18% и прочность значительно выше, причем у отдельных слоев зерна она различна, что обусловлено неоднородностью его строе­ния. Наибольшей прочностью обладают оболочки зерна, наи­меньшей — эндосперм.

При переработке зерна, как и картофеля, перед развариванием под давлением проводят подваривание, перед которым целое зер­но или крупку смешивают с водой в соотношении от 1: 2,5 до 1: 3,5 с таким расчетом, чтобы после осахаривания концентрация сусла была 16—18 %. В процессе подваривания вторичным паром зерно набухает. При температуре до 55 °С крахмал набухает сла­бее, чем клейковина; при температуре выше 60 °С, наоборот, на­бухание крахмала резко возрастает, а клейковины уменьшается. При температуре около 90 °С оболочки зерна разрываются в от­дельных местах и крахмал частично клейстеризуется.

Крупные зерна набухают медленнее мелких. Дефектное зерно набухает быстрее здорового. С повышением температуры на 10 °С (в интервале температур 70—90 °С) скорость набухания возрастает примерно в 2 раза.

Целое зерно ржи (пшеницы, ячменя или овса) в периодически действующих предразварниках нагревают до 85—95 °С и выдержи­вают при этой температуре 60—75 мин. Полное набухание дости­гается в течение 2 ч. Подваренное целое зерно вместе с горячей водой поступает самотеком в варочный аппарат.

Набухание значительно ускоряется при нарушении целости зерна. Чем мельче крупка, тем быстрее происходят набухание, клейстеризация крахмала и связанное с ней повышение вязкости замесов, что следует учитывать в производственных условиях при выборе температуры подваривания.

В зависимости от степени измельчения зерна, свойств и кон­центрации крахмала в замесе выбирают оптимальную продолжительность выдержки массы при максимальной температуре, опре­деляемой вязкостью подваренного замеса, т. е. возможностью его перекачивания. Установлено, что наиболее эффективно прово­дить разваривание сырья, в котором полностью прошли процес­сы набухания и клейстеризации. При этом снижаются темпера­тура и продолжительность разваривания, вследствие чего значи­тельно уменьшаются потери сбраживаемых веществ и сокраща­ется расход пара.

Подваривание сырья до полного набухания и клейстеризации возможно только при одновременном разжижении замеса бакте­риальными а-амилазами. Препараты бактериальных а-амилаз, особенно термофильных культур Вас. subtilis или Вас. diactaticus, хорошо разжижая крахмал при температуре до 95 °С, i ид роди зу ют его до высокомолекулярных декстринов. Разжижение бактериаль­ными а-амилазами не приводит к значительному накоплению Са­харов, следовательно, при разваривании можно не опасаться боль­ших потерь сбраживаемых веществ.

После подваривания сырье поступает в разварники периоди­ческого или непрерывного действия, где его подвергают воздей­ствию более высоких температур — 140—170 °С при избыточном давлении 0,27—0,71 МПа.

В современных технологических схемах, где подваривается из­мельченное сырье с разжижением а-амилазой достаточно продол­жительное время, необходимость в процессе разваривания при высокой температуре с повышенным давлением отпадает, так как все процессы клейстеризаци, набухания и растворения идут па­раллельно и заканчиваются при 85—95 С. При варке под давлени­ем в первый период разваривания заканчиваются поглощение воды, набухание и клейстеризация. Одновременно растворяются крахмал, некоторая часть пентозанов, гексозанов, белков и других веществ сырья. По мере растворения отдельные клетки разрыва­ются и крахмал поступает в окружающую среду. При разварива­нии сырья клетки разрываются сначала в наружных слоях, внутри же клубня или зерна они остаются целыми.

При непрерывном разваривании с предварительным измель­чением сырья крахмальные зерна становятся значительно более доступными для действия теплоты и влаги, поэтому все эти про­цессы протекают с большей скоростью и при более низкой тем­пературе.

При нагревании измельченного крахмалистого сырья с одно­временной обработкой а-амилазой при механико-ферментатив- ной обработке процесс еще больше ускоряется. Кроме того, па­раллельно идет интенсивный гидролиз крахмала до декстринов и Сахаров, что способствует еще лучшей подготовке сырья к даль­нейшим осахариванию и сбраживанию.

 

4.2.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ КРАХМАЛА,

САХАРОВ, БЕЛКОВ И ДРУГИХ ВЕЩЕСТВ

Превращения крахмала. Больше половины сухих веществ зерна и картофеля составляет крахмал, из которого в процессе произ­водства получают спирт, поэтому физико-химические превраще­ния крахмала представляют наибольший интерес. Крахмал в рас­тительных клетках находится в виде микроскопических гранул многогранной или овальной формы. Размер крахмальных гранул колеблется в широких пределах — от 1 до 120 мкм. Самые крупные гранулы имеет картофельный крахмал, средний размер которых по наибольшей оси составляет 40—50 мкм. Гранулы крахмала зла­ков в среднем равны 10—15 мкм. По химическому составу гранулы крахмала неоднородны и состоят из двух полиоз — амилозы и амилопектина, распределенных равномерно.

В производстве спирта из крахмалистого сырья такие свойства крахмала, как набухание, клейстеризация и растворение, имеют первостепенное значение, от них зависит атакуемость его амило- литическими ферментами.

При нагревании в воде крахмал набухает и превращается в гель. При этом крахмальная гранула ведет себя как осмотическая ячейка, в которой роль полупроницаемой перегородки (мембра­ны) играет амилопектин. Осмотическое давление и связанная с ним степень набухания возрастают с повышением температуры. Крахмальная гранула поглощает воды в 25—30 раз больше своего объема.

В определенном температурном интервале под действием ос­мотических сил крахмальные гранулы сильно увеличиваются в объеме, ослабляются и разрываются связи между отдельными структурными элементами, нарушается целость гранул. При этом резко возрастает вязкость раствора — происходит клейстеризация крахмала.

Температура клейстеризации зависит в основном от природы крахмала, размера гранул, наличия в воде солей и от других фак­торов. Температура клейстеризации пшеничного крахмала 54— 62 °С, ржаного 50—55, ячменного 60—80, кукурузного 65—75, кар­тофельного 59—64 °С.

Изменение вязкости крахмальных суспензий в воде определяет и изменение вязкости замесов из различного сырья, так как крах­мал наиболее сильно влияет на вязкость. При нагревании суспен­зии крахмала в воде при температуре 35—45 °С ее вязкость не­сколько снижается вследствие уменьшения вязкости воды, при дальнейшем повышении температуры очень медленно увеличива­ется, при 75—85 °С резко возрастает, при 90 °С достигает макси­мального значения и при более высоких температурах резко сни­жается. Резкое повышение вязкости обусловлено интенсивным

набуханием и началом клейстеризации, главным образом круп­ных гранул крахмала. При 90 °С клейстеризация практически за­канчивается, вязкость больше не увеличивается. Последующее снижение ее связано с деструкцией трехмерной сетки клейстера в результате повышения температуры и механического переме­шивания.

При температуре 120—130 °С клейстер становится легкопод­вижным. Наиболее полное растворение амилопектина происходит у пшеничного крахмала при температуре 136—141 °С, ржаного при 121—127, кукурузного при 146—151, картофельного при 132 °С.

Наряду с физико-химическими происходят и химические из­менения крахмала, в основном гидролитические. Ферментативно­му гидролизу крахмал подвергается при подваривании сырья бла­годаря содержащимся в нем амилазам («самоосахаривание»), кис­лотному гидролизу — при разваривании в слабокислой среде. При температуре до 70 °С среди продуктов гидролиза преобладают са­хара, так как при последующем разваривании под давлением они теряются (разлагаются). Декстрины же более устойчивы, и накоп­ление их в сырье не приводит к заметному увеличению потерь сбраживаемых веществ.

В. А. Смирнов и В. П. Сотская показали, что основной реакци­ей распада гексоз (фруктозы, глюкозы) в процессе разваривания является оксиметилфурфурольное разложение. Механизм этой ре­акции окончательно не выяснен, но известно, что оксиметилфур- фурол образуется из гексоз в кислой среде в результате дегидрата­ции. Оксиметилфурфурол — нестойкое соединение, в свою оче­редь распадающееся до левулиновой и муравьиной кислот. В ана­логичных условиях из пентоз образуется фурфурол — более стойкое соединение, чем оксиметилфурфурол. Устойчивость от­дельных моносахаридов зависит от рН среды и режима разварива­ния. Для сохранения моносахаридов в процессе разваривания наиболее благоприятна слабокислая реакция среды с рН 3,4—3,6. При таком рН разлагается от 5 % (глюкозы) до 26 % (фруктозы) от первоначального количества сахара. При значении рН сырья око­ло 6,5 распадается до 80 % глюкозы и 90 % фруктозы. В условиях мягкого режима разваривания (по непрерывным способам) теря­ется 3 и 11 % глюкозы и 9—36 % фруктозы.

Вторая по интенсивности реакция разложения Сахаров в про­цессе разваривания — реакция меланоидинообразования. Среди продуктов меланоидиновой реакции найдены алифатические аль­дегиды, фурфурол и его производные, формальдегид, диацетил, метилглиоксаль, ацетоин и др. Значение этой реакции в образова­нии потерь сбраживаемых веществ при разваривании невелико по сравнению с оксиметилфурфурольным разложением Сахаров.

Скорость меланоидиновой реакции можно снизить тем же пу­тем, что и скорость оксиметилфурфурольного разложения Саха­ров, — смягчением режима разваривания и подкислением среды

до рН ~ 3,5, так как при таком значении рН скорость этой реак­ции в 3—5 раз меньше, чем при рН ~ 6,5. Основной путь снижения потерь сахара — смягчение режима разваривания в результате тон­кого измельчения сырья, а также обработка сырья а-амилазой на стадии подваривания.

Превращения целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых и белковых веществ. Стенки клеток и межклеточные вещества растительного сырья состоят из целлюлозы (клетчатки), гемицеллюлоз, пектино­вых и белковых веществ. Целлюлоза при разваривании под давле­нием 0,4—0,5 МПа практически не изменяется. Гемицеллюлозы картофеля и зерна, состоящие преимущественно из пентозанов, частично растворяются, а частично гидролизуются до декстринов и менее высокомолекулярных соединений, вплоть до пентоз (ара- бинозы, ксилозы).

Пектиновые вещества при разваривании гидролизуются с обра­зованием метанола. Чем жестче режим, тем больше образуется ме­танола, который при ректификации этанола трудно отделить, так как температура его кипения близка температуре кипения этано­ла. Поэтому применение современных мягких режимов способ­ствует улучшению качества спирта.

При температуре до 100 °С белки картофеля и зерновых зла­ков коагулируются и частично денатурируются, вследствие чего сначала наблюдается некоторое уменьшение количества раство­римого азота. При температуре 140—158 °С оно увеличивается, что объясняется пептизацией белков. По данным Д. Н. Климове - кого и С. А. Коновалова, при разваривании целого зерна в раствор переходит от 20 до 50 % азота, содержащегося в зерне.

4.2.3. СПОСОБЫ РАЗВАРИВАНИЯ ЗЕРНА И КАРТОФЕЛЯ

Крахмалсодержащее сырье разваривают непрерывным и пери­одическим способами. Наиболее распространены непрерывные способы. Установки непрерывного разваривания можно разделить на три группы: установки, работающие на паре с давлением до 0,5 МПа (установка ВНИИПрБ); установки, использующие пар высокого давления (установка УкрНИИСП); установки, произво­дящие водно-тепловую обработку при температуре не выше 100°С (установка механико-ферментативной обработки).

Необходимая подготовка крахмалсодержащего сырья к осаха- риванию при минимальных потерях нерастворенного крахмала и сбраживаемых углеводов достигается правильно выбранным соот­ношением температуры и продолжительности разваривания и равномерностью обработки массы. Если выразить зависимость между температурой и продолжительностью разваривания в полу­логарифмической системе координат, то она выглядит в виде пря-

мой, для которой справедливо уравнение

t = a/ic,

где / — температура разваривания, °С; а и с —коэффициенты, зависящие от со­стояния, вида и степени измельчения сырья; t — продолжительность развалива­ния, мин.

В уравнении зависимости продолжительности разваривания от температуры следует учитывать также конструктивные особеннос­ти аппарата, влияющие на организацию проведения процесса и степень смягчения режима разваривания. Это влияние отражается с помощью коэффициента К, названного коэффициентом смягче­ния режима.

t= а/(Кхс).

Чем сильнее диспергируется и равномернее проходит через аппарат масса, тем больше коэффициент К, мягче режим (ниже температура или меньше продолжительность разваривания). Для установки конструкции УкрНИИСП К— 1,088; конструкции ВНИИПрБ К= 1,072.

В отечественной промышленности наиболее распространенной является установка ВНИИПрБ.

Способ непрерывного разваривания зерна и картофеля на установ­ке ВНИИПрБ (рис. 4.1). Зерно, очищенное на сепараторах, элева­тором подается в приемный бункер 1, а затем поступает в молот­ковые дробилки 14.

Продукт дробления должен иметь такие размеры, чтобы 50—

Рис. 4.1. Аппаратурно-технологическая схема непрерывного разваривания зерна и картофеля на установке ВНИИПрБ

 

60 % его проходило через сито с отверстиями диаметром 1 мм. Остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм не должен превы­шать 0,1 %. Дробленое зерно направляется в смеситель 13, пред­ставляющий собой цилиндрический сосуд с эллиптическим дни­щем и плоской крышкой, имеющий вертикальную рамную ме­шалку. Измельченное в молотковых дробилках зерно через пат­рубок поступает в приемник, который выполнен в виде перфорированной камеры. Через отверстия внутренней трубы этой камеры тонкими струями подается вода. Измельченная зер­новая крупка активно смешивается с водой уже в приемнике продукта. Замес выходит через переливную коробку, состоящую из двух камер, разделенных перегородкой, обеспечивающей оп­ределенный уровень в смесителе. Переливная коробка также снабжена смотровым патрубком, через который можно отбирать пробы.

Дробленое зерно смешивается с водой температурой 40—50 °С в заданном соотношении от 1: 2,5 до 1: 3,5 в зависимости от его крахмалистое™. Количество поступающего дробленого зерна и воды регулируется дозаторами, работающими синхронно. Приго­товленный замес с помощью насоса 12 перекачивается в контакт­ную головку 4 вторичного пара, который подводится через патру­бок в центре головки и движется из нижней ее части вверх. Встречное движение теплоносителя и замеса также способствует ускорению его нагрева.

Замес нагревается вторичным паром, выделившимся из паросе- паратора 9, до 85—95 °С в зависимости от температуры в смесителе и количества этого пара, которое определяется, в свою очередь, принятым режимом разваривания.

Нагретый замес поступает в буферную емкость 3, откуда плун­жерным насосом 11 перекачивается в контактную головку б остро­го пара, где нагревается до 138—149 °С, и подается в трубчатый разварник 10. В случае разваривания кукурузы замес нагревают до 144—150 °С.

При переработке картофеля клубни после мойки ковшовым элеватором поднимаются на весы, затем подаются в промежуточ­ный бункер и оттуда дозатором на молотковые дробилки 2. Карто­фельная кашка через промежуточный сборник поступает в плун­жерный насос 5 и оттуда в греющую контактную головку б острого пара. В ней кашка нагревается до 138—140 "С и направляется в ва­рочный аппарат, который состоит из трубчатого разварника 10, выдерживателей первой 7и второй 8 ступени.

Выдерживатель 7 первой ступени предназначен для доварива­ния сырья, нагретого до температуры разваривания в контактной головке острого пара и в трубчатом аппарате.

Масса из выдерживателя 7 первой ступени перемещается по переточным трубам за счет разницы уровней в колоннах при оди­наковом давлении в паровых пространствах колонн, что достига-

ется установкой уравнительной линии. Из выдерживателя 8 вто­рой ступени масса выдувается в паросепаратор. Продолжитель­ность пребывания массы зерна в варочных колоннах обоих выдер- живателей 45—55 мин (кукурузы 60 мин). Пар из сепаратора ис­пользуется на подваривание замеса в контактной головке вторич­ного пара. В паросепараторе поддерживается постоянное избыточное давление около 0,05 МПа, что соответствует темпера­туре 105 °С. Разваренная масса находится в нем 15—20 мин.

Качество разваривания сырья на установке конструкции ВНИИПрБ, так же как и на любой другой установке, определяют по цвету сваренной массы, отобранной из пробников, установлен­ных на выдувной трубе варочного аппарата и трубе паросепарато- ра. Цвет массы из зерна должен быть темно-желтым со светло-ко- ричневым оттенком, из картофеля — светло-коричневым с зеле­новатым оттенком.

Механико-ферментативный способ обработки сырья. По ре­зультатам проведенных исследований сотрудниками ВНИИПрБ (Б. А. Устинниковым и др.) разработаны технологический режим и схема механико-ферментативной подготовки крахмалистого сы­рья к осахариванию (рис. 4.2).

По этой схеме все поступающее в переработку зерновое сырье обязательно очищается от металлопримесей на магнитном сепа­раторе, а от сорных — на зерновом сепараторе. Остаточное со­держание примесей не должно превышать 1 %. Основные требо­вания к измельчаемому зерну: проход через сито с диаметром от­верстий 1 мм должен быть не мене? 75—80 %, к зерну кукурузы — не менее 85—90 %, остаток на сите с ячейками 3 мм должен отсутствовать.

Измельченное зерно или картофель поступают в смеситель 1,

Рис. 4.2. Аппаратурно-технологическая схема механико-ферментативной подготовки крахмалистого сырья

 

где смешивается теплой водой температурой 60—65 °С и бактери­альным ферментным препаратом — источником а-амилазы (ами- лосубтилин ГХ и ГЗХ и др.). Амилосубтилин дозируется из расче­та 1,5—2,0 ед. АС/г условного крахмала и поступает в смеситель из расходного сборника а-амилазы 2.

Соотношение зерна и воды, поступающих в смеситель, состав­ляет 1: (3,0—3,2) и устанавливается в зависимости от крахмалис- тости зерна с учетом того, что концентрация сусла в осахаривателе должна быть 16—18 %. Температура замеса в смесителе поддержи­вается на уровне 50—55 °С. При необходимости подогрева замеса используют вторичный пар, который поступает из паросепаратора 9. Продолжительность пребывания замеса в смесителе 10—12 мин. В смесителе должно обеспечиваться равномерное перемешивание измельченного сырья, воды и раствора а-амилазы, а также подо­грев массы до 55 °С.

При переработке картофеля клубни тщательно моют и измель­чают. Амилосубтилин вводят из расчета 2,0—2,5 ед. АС/г условно­го крахмала картофеля.

В смесителе происходит начальная стадия разжижения крах­мала и растворения сухих веществ за счет действия бактериаль­ной а-амилазы, обеспечивается нормальная текучесть массы.

Затем замес насосом 3 подается в контактную головку 4, где подогревается паром до температуры 70—72 °С (температура выше 75 °С недопустима из-за возможной инактивации а-амилазы) и направляется в аппарат 5 гидродинамической и ферментативной обработки первой ступени ГДФО-1, где выдерживается не менее 2-2,5 ч.

После заполнения аппарата примерно на 1/3 включается цир­куляционный контур с центробежным насосом 6для перемешива­ния массы в аппарате. Коэффициент заполнения аппарата состав­ляет 0,75—0,80. Температура массы при обработке зернового заме­са должна поддерживаться в пределах 65—70 °С. На этой стадии ферментативной обработки происходят клейстеризация крахмала, разжижение замеса, декстринизация и частичный гидролиз угле­водов под действием введенной а-амилазы, а также собственных ферментов зерна, если они находятся в активном состоянии. Эти процессы сопровождаются интенсивным растворением сухих ве­ществ зерна.

При переработке кукурузы массу нагревают до 80—85 °С и вы­держивают в течение 4,5—5,0 ч, для чего подключают второй ап­парат ГДФО-1.

При переработке картофеля температуру гидродинамической обработки увеличивают до 70—75 °С.

Для лучшего сохранения активности а-амилазы ее вводят в две точки: 1 — 1,5 ед. АС/г в смеситель и 0,5 ед. АС/г в аппарат ГДФО-1.

Далее зерновой замес или картофельная кашка из аппарата ГДФО-1 самотеком или с помощью дозаторов отводятся в аппарат /гидродинамической и ферментативной обработки второй ступе­ни ГДФО-2. Этот аппарат, разделенный на три секции, может быть горизонтальной или вертикальной конструкции. В первой секции аппарата ГДФО-2 крахмалистая масса выдерживается при перемешивании в течение 15—16 мин при температуре 65—72 "С, после чего перетекает во вторую секцию, где нагревается острым паром до 72—75 °С и выдерживается также 15—16 мин. В зоне этих температур происходит более интенсивная клейстеризация крах­мала сырья с одновременным разжижающим действием на крах­мал бактериальной а-амилазы. В третьей секции температура мас­сы путем подачи острого пара поднимается до 85—95 °С. В этих условиях в течение 15—16 мин клейстеризуются наиболее трудно­доступные для воздействия воды и тепла крахмальные гранулы, причем разжижающее действие термофильной а-амилазы на крахмал хотя и ослабевает вследствие инактивации фермента, но еще продолжается.

При переработке кукурузы температура в ГДФО-2 поддержива­ется во всех секциях на уровне 90—95 "С.

Таким образом, в аппарате второй ступени осуществляются как дополнительный ферментативный гидролиз под действием сохра­нившейся а-амилазы, так и термообработка массы, т. е. стерили­зация ее паром под атмосферным давлением. При перемешивании происходит диспергирование сырья, сопровождающееся увеличе­нием содержания растворимых веществ до 90—95 % и более по от­ношению к концентрации сухих веществ в сусле. Такая масса дос­таточно подготовлена к осахариванию и с помощью насоса 8 пере­качивается в паросепаратор 9, выполняющий роль накопителя. Затем масса идет на осахаривание.

При переработке недоброкачественного дефектного сырья не­обходима более жесткая тепловая обработка массы для ее стерили­зации перед приготовлением сусла. Для этого масса насосом 8по­дается в контактную головку 10, где подогревается паром до тем­пературы 110—115 °С, а для кукурузы до 125—130 °С. Далее масса проходит через трубчатый стерилизатор 11 в течение 5—6 мин. Вводимый пар должен полностью конденсироваться. Этот эф­фект достигается установкой на выходе из трубчатого стерилиза­тора редуцирующего клапана, отрегулированного на давление 0,06—0,10 МПа. Это позволяет довести коэффициент заполне­ния трубчатого стерилизатора массой до 100 %. Затем масса отво­дится в паросепаратор 9. Качество ферментативно-тепловой об­работки определяют по пробе, отбираемой после паросепарато- ра. Обработанная масса должна быть от светло-коричневого до коричневого цвета с белесым оттенком и иметь запах неперева­ренной массы.

Для осахаривания стерилизованную массу смешивают с необ­ходимой дозой глюкаваморина ГХ или другим препаратом.

Так как предварительный гидролиз и растворение массы с по­мощью бактериальной а-амилазы практически на 90—100 % за­вершаются до стадии осахаривания, то а-амилазу в дальнейшем можно не вводить в осахариватель. Однако для успешной пере­работки дефектного и трудносбраживаемого сырья в осахарива­тель следует ввести до 30 % от общего расхода бактериальной а-амилазы.

Техноэкономический эффект при переходе на работу по схеме механико-ферментативной обработки сырья по сравнению со схе­мой разваривания и осахаривания с применением ферментных препаратов состоит в следующем:

расход пара снижается не менее чем на 40 %; расход электроэнергии на 1 т сырья увеличивается на 3,1 кВт ■ ч; выход спирта из 1 т условного крахмала увеличивается не ме­нее чем на 0,4 дал за счет снижения потерь сбраживаемых ве­ществ при разваривании, которые составляют 3—4 % от введен­ного крахмала.

Кроме того, из схемы исключаются варочные колонны, работа­ющие под давлением, обеспечиваются безопасные условия труда.

4.3. ОСАХАРИВАНИЕ РАЗВАРЕННОЙ МАССЫ

Осахаривание заключается в обработке охлажденной разварен­ной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидолиза полисахаридов, белков и других сложных веществ. Основным и наиболее важным процессом при этом является фер­ментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых Сахаров, поэто­му процесс и называют осахариванием. В результате осахаривания разваренной массы получают полупродукт — сусло спиртового производства.

В производстве спирта воздействие ферментов на составные вещества сырья осуществляется на нескольких технологических стадиях: стадии подваривания сырья; специальной стадии осаха­ривания крахмала, которая проводится при оптимальной темпера­туре для действия амилолитических сахарогенных ферментов; ста­дии брожения, где создаются условия, оптимальные для жизнеде­ятельности дрожжей, но которые не вполне благоприятны для действия амилолитических ферментов (более низкие температура и рН среды).

Сусло, полученное при осахаривании солодом, содержит 71 — 76 % мальтозы и 24—29 % глюкозы от суммы сбраживаемых Саха­ров, а осахаренное ферментными препаратами — соответственно 14-21 и 79-86 %.

В период осахаривания разваренной массы под действием про- теолитических ферментов происходит накопление аминокислот, пептонов и полипептидов. Содержание растворимого азота в раз

варенной массе увеличивается в несколько раз. Наибольшее коли­чество растворимого азота (до 75 % от общего азота сырья) образу­ется при осахаривании массы, разваренной при температуре 150 "С, а наименьшее (до 33 %) — при температуре 100 °С.

Целлюлоза, гемипеллюлоза и другие некрахмалистые полиса­хариды почти не гидролизуются ферментами солода и в большей степени, хотя и незначительно, гидролизуются ферментами мик­робного происхождения.

Процесс осахаривания осуществляется при 57—58 °С — опти­мальной температуре действия амилолитических ферментов. Раз­варенную массу охлаждают в осахаривателе со змеевым теплооб­менником или под вакуумом.

Осахаривание разваренной массы, как правило, осуществляют непрерывным способом и лишь на заводах малой мощности — пе­риодическим.

Независимо от способа процесс осахаривания состоит из следу­ющих операций:

охлаждения разваренной массы до определенной температуры, которую после смешивания массы с солодовым молоком (микроб­ной культурой) понижают до заданной для осахаривания:

смешивания разваренной массы с солодовым молоком (мик­робной культурой);

осахаривания крахмала;

охлаждения сусла до начальной температуры брожения сусла; перекачивания сусла в бродильное и дрожжевое отделения за­вода.

Один из распростра­ненных способов осахари­вания — непрерывное оса­харивание с одноступенча­тым вакуум-охлаждением разваренной массы, пред­ставленной на рис. 4.3.

Из паросепаратора 1 разваренная масса по тру­бе 2 поступает в испари­тельную камеру 3, в кото­рой поддерживается раз­режение 0,08 МПа. В ре­зультате самоиспарения температура воды почти мгновенно понижается до 62 "С. Вакуум в камере со­здается в результате кон- „.,, „ денсации выделяющегося

Рис. 4.3. Схема непрерывного осахаривания с „

одноступенчатым вакуум-охлаждением разва- пара ВОДОЙ В конденсаторе ренной массы

 

 

и неконденсирующихся газов откачивается мокровоздушным на­сосом 5 типа РМК.

Охлажденная масса по барометрической трубке 11 стекает в осахариватель 8. Одновременно по трубе 7 в трубу 2 из осахарива- теля засасывается 10—15 % сусла, вследствие чего снижается вяз­кость массы, облегчается отделение пара и уменьшается унос с ним крахмала. После добавления к разжиженной массе солодово­го молока из расходных бачков 9 с помощью дозатора 10 темпера­тура ее снижается до 57—58 "С и сохраняется на этом уровне все время. Продолжительность осахаривания не менее 10 мин.

Уровень массы в осахаривателе поддерживается автоматически посредством поплавкового регулятора, связанного рычагом с зас­лонкой на продуктовой трубе. Солодовое молоко дозируется в за­висимости от скорости откачивания сусла насосом 12 в теплооб­менник 13. Для задержания песка перед насосом установлена ло­вушка 6.

Охлаждение разваренной массы под вакуумом предотвращает

тепловую инактивацию ферментов осахаривающих средств при поступлении разваренной массы в осахариватель и обеспечивает более полное осахаривание крахмала, что позволяет увеличить вы­ход спирта. При этом способе охлаждения из сусла вместе с не­конденсирующимися газами удаляются такие летучие примеси, как метанол, фурфурол, летучие кислоты, что облегчает ректифи­кацию спирта.

Полноту осахаривания проверяют по йодной пробе. Если ок­раска сусла с йодом не изменяется, осахаривание прошло нор­мально; красная окраска свидетельствует об избытке декстринов, сине-фиолетовая — о присутствии неосахаренного крахмала. Та­кое изменение окраски с йодом характерно только при получении сусла осахариванием разваренной массы солодом; при осахарива- нии ферментными препаратами микроскопических грибов окрас­ка может оставаться сине-фиолетовой и исчезает при брожении.

Расход солода на осахаривание определяется с учетом его оса- харивающей способности (ОСп). На 1 г крахмала сырья, посту­пившего на разваривание и содержащегося в зерне, идущего на приготовление солода, требуется 0,6—0,7 ед. ОСп. Необходимое количество ОСп обеспечивается двумя или тремя солодами. При­чем доля просяного или овсяного солодов составляет 25—30 % от общего расхода.

Средний