В дипломній роботі викладені науково-технічні досягнення в області спиртового виробництва. Технічним рішенням проекту являється встановлення в ректифікаційному відділенні колони кінцевої очистки, що дозволить покращити якість спирту та збільшити його вихід.

Викладені та обговорені різні сучасні методи виробництва етилового спирту за різними технологіями з різноманітної сировини.

Проведений розрахунок основного та допоміжного обладнання.

Виконано розрахунок економічної доцільності виробництва етилового спирту з меляси на даному заводі, визначені собівартість продукції та присутні при цьому витрати.

МЕЛЯСА, СПИРТ ЕТИЛОВИЙ, РЕКТИФІКАЦІЙНА КОЛОНА, ДРІЖДЖІ, СУСЛО, ДРІЖДЖЕГЕНЕРАТОР, БРОДІННЯ, САХАРОЗА.

Реферат

В дипломной работе изложены научно-технические достижения в области спиртового производства. Техническим решением проекта является установка в ректификационном отделении колонны конечной очистки, что позволит улучить качество спирта, а также увеличить его выход.

Изложены и обговорены различные современные методы производства этилового спирта по различным технологиям из различного сырья.

Проведен расчет основного и дополнительного оборудования.

Произведен расчет экономической целесообразности производства этилового спирта из мелассы на данном заводе, определена себестоимость продукта, а также расходы, сопровождающие производство.

МЕЛАСА, СПИРТ ЭТИЛОВЫЙ, РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОНА, ДРОЖЖИ, СУСЛО, ДРОЖЖЕГЕНЕРАТОР, БРОЖЕНИЕ, САХАРОЗА.

Вступ

В економіці України ринок алкогольної продукції займає вагоме місце. Сьогодні вітчизняна спиртова промисловість за рік може випускати більше 60 млн. дал спирту. Ставиться завдання покращити якісні показники спирту та горілки, знизити їх собівартість та підвищити ефективність переробки. На сьогодні усі питання, які пов'язані з виробництвом, реалізацією і споживанням етилового спирту та алкогольних напоїв в Україні, регулюються державою. Проте саме зараз доробляється законопроект про передачу спиртових заводів у приватну власність, що дозволяє будівництво спиртових заводів у безпосередній близькості до підприємств-виробників лікеро-горілчаних виробів.

З одного боку, виробництво спирту забезпечує економічну безпеку і технологічну незалежність країни. Таким чином, спирт - один з бюджетоформуючих продуктів. Проте, як показує практика, розвиток підприємств, що знаходяться у приватній власності, в наш час іде більш інтенсивно. До того ж алкогольні напої, виготовлені на власному спирті, відрізняються за органолептичними, економічними показниками, що робить їх більш конкурентноспроможними і відкриває ринок експорту високоякісних алкогольних напоїв.

Як приклад можна привести компанію «Nemiroff», що має у своїй власності лікеро-горілчаний та спиртовий заводи. Всі лікеро-горілчані вироби готуються з власного спирту, а надлишок продукту (спирту) підприємство має змогу продавати. Це робить виробництво лікеро-горілчаної продукції більш економічно привабливим з точки зору зниження собівартості сировини (спирту), що, в свою чергу, приводить до зниження собівартості лікеро-горілчаної продукції. А також підприємство-виробник лікеро-горілчаних напоїв отримує високоякісний спирт і має змогу сам контролювати його якість при надходженні на виробництво. Як результат, компанія «Nemiroff» за якістю алкогольних напоїв займає одне з перших місць, а також є великим експортером лікеро-горілчаних виробів на ринки країн ближнього зарубіжжя, Східної Європи та Америки.

Отже, проект передачі спиртових заводів у приватну власність має очевидні переваги, перш за все для споживачів та виробників лікеро-горілчаної продукції, а також у законі буде обумовлений державний контроль та частка прибутку, що надходитиме до державного бюджету, від виробництва спирту. Це робить проект привабливим і для держави також.

На сьогодні надзвичайно важливим фактором для спиртової промисловості є проблема зниження собівартості кінцевого продукту - харчового етилового спирту, покращення його якісних показників, а отже і покращення економічних та органолептичних показників лікеро-горілчаних напоїв.

Також етиловий спирт є привабливий у використанні з точки зору горючого для транспортних засобів. Якщо розглянути закордонний досвід використання етилового спирту як транспортного палива, то можна виділити такі позитивні моменти: перш за все - низька собівартість, по-друге - екологічно чистий вид палива, по-третє - ресурсозберігаючий фактор, в четвертих - економічна вигода від великих продажів продукту. Отже всі позитивні сторони для економіки країни освітлені. З точки зору привабливості для окремих підприємств-виробників спирту теж є свої позитивні сторони: спирт, як багатотоннажний продукт промисловості країни є велико прибутковим, до того ж відпадають витрати підприємств на повторну переробку отриманого низькоякісного спирту.

Надзвичайно велике значення в розвитку спиртової промисловості України має зниження дефіциту енергоносіїв шляхом розробки і впровадження у виробництво ресурсо- та енергозаощаджуючих технологій нового покоління. Для цього необхідний науково-обгрунтований підхід до споживання енергії виробництвами та прогнозування шляхів їхнього подальшого удосконалення. Резервом зниження витрат енергії і сировини є максимальна утилізація вторинних енергетичних ресурсів, оптимізація всіх технологічних процесів за допомогою математичного моделювання і комп'ютеризації.

Даним проектом передбачається будівництво нового спиртового заводу у смт. Немирів і знаходитиметься безпосередньо поблизу лікеро-горілчаного заводу, що теж є власністю корпорації «Немиров». Саме це передбачає покращення якості лікеро-горілчаних виробів, що виготовляються на лікеро-горілчаному заводі у смт. Немирів, а також зниження їх собівартості за рахунок зменшення витрат на сировину. До того ж корпорація отримуватиме додатковий прибуток від продажу спирту іншим підприємствам.

В умовах нестабільної ситуації на ринку енергоносіїв України все актуальнішою стає проблема зменшення витрат пари на перегонку і ректифікацію спирту. На середньостатистичному заводі її споживання складає близько 55 кг/дал, а використання запропонованої в даному проекті установки за патентом 2178 дозволить зменшити витрати пари до 35-40 кг/дал навіть при встановленні колони кінцевої очистки. Що зробить будівництво заводу економічно привабливим, з малим терміном окупності, а також дозволить виробляти спирт з малими затратами енергоносіїв, що в наш час являється найбільш актуальною темою.

Також актуальною проблемою із введенням нового ДСТУ на спирт етиловий ректифікований стало покращення якості спирту. Тому для зменшення вмісту головних домішок в спирті встановлено колону кінцевої очистки. Це дозволить не лише покращити його якість, а і збільшити вихід на 1-1,5%. Поліпшити якість спирту дозволить вода, що видобуватиметься із двох свердловин глибиною 700 м кожна, які дозволяють отримувати природно чисту питну воду, що має показники відповідно до ДСТУ. Все це дозволить збільшити прибутки. До того ж прибутки корпорації збільшаться за рахунок зручного розташування заводу (є можливість будування власної залізничної колії), зменшення витрат на транспортування спирту та сировини.

1. Літературний огляд

Сировина, що використовується для виробництва спирту, повинна щорічно відновлюватися в кількості, достатній для промислової переробки, мати високий вміст крохмалю чи цукру та добре зберігатися, що забезпечує економічну доцільність виробництва. Цим вимогам відповідають клубні картоплі, зерно рослин сімейства мятликових (злаків) та меляса.

Відповідно до географічного положення та структури господарства, що склалася, в різноманітних країнах для виробництва спирту використовують різноманітні види сировини.

Картопля. З усіх видів рослинної харчової сировини картопля в найбільшій мірі відповідає технологічним вимогам спиртового виробництва. З картоплі з одиниці посівної площі отримують в 3 - 4 рази більше крохмалю у порівнянні з зерном. Картопляний крохмаль швидше розварюється, утворюється рухливе сусло, в ньому знаходяться азотисті та фосфорні речовини в кількості, достатній для харчування дріжджів, з нього отримують найбільший вихід спирту. При переробці картоплі виробнича потужність заводу на 10% більша, ніж при переробці зерна, а витрати палива на 12% менші ніж собівартість спирту.

До недоліків картоплі як сировини для виробництва спирту відносять значні витрати праці на вирощування картоплі, погану зберігаїмость через великий вміст вологи та легке підупадання під вплив захворювань, а також великі витрати на транспортування на великі відстані.

Зернові культури. На спирт перероблюють будь-яке зерно, в тому числі й зерно, що не використовується в харчових та кормових цілях. Щорічний об'єм переробки складає (%): пшениці 50 (переважно дефектної), ячменю 20, ржі 12, кукурудзи 8, проса 5, вівса 2 та інших культур (грачихи, вікі, гороху, рису та ін.) 3. для приготування солоду використовують конвенційне високоякісне зерно.

Кукурудза. Із зернових культур кращою сировиною для виробництва спирту є кукурудза (Zea mays). В ній міститься порівняно більше крохмалю, менше клітковини, більше жиру (що підвищує харчову цінність барди). Родючість кукурудзи в 2 - 3 рази вища родючості інших зернових культур.

Пшениця, ячмінь, овес, ріж. Ріж (Secale), пшениця (Triticum), ячмінь (Hordeum) та овес (Avena) вирощуються в нашій країні та могуть використовуватися в якості сировини для виробництва спирту, проте виробництво спирту саме з цих зернових культур веде до великих грошових витрат, що в свою чергу впливає на підвищення собівартості спирту, до того ж технологічна схема виробництва спирту ускладнюється через необхідність розварювання сировини та осахарювання крохмалю.

Меляса. Мелясою називають останній маточний розчин - відтік, що утворюється при відокремленні кристалів сахарози на центрифугах. В мелясі містяться цукрі соку цукрового буряка чи цукрового тросику, що не видаляються при її хімічній очистці, та сахароза, яку виділяти класичним методом кристалізації вже економічно невигідно. При видобутку цукру з буряку вихід меляси у перерахунку на безводну коливається від 3,5 до 5% від її маси. З мелясою відходить від 10 до 15% усього цукру, що міститься в буряку, який перероблюється.

Відповідно до виду вихідної сировини для виробництва цукру розрізнюють бурячну та тросникову мелясу. В нашій країні цукровий тросник не вирощується, проте на цукрових заводах після буряку на білий цукор перероблюють імпортований цукор-сирець. Мелясу, що при цьому отримують називають сирцевою.

Меляса являє собою густу в'язку рідину темно-коричневого кольору зі специфічним запахом карамелі та меланоїдинів; бурячна меляса має також запах три метиламіну та інших летких амінів, що утворюються при розпаді бетаїну.

Для спиртового виробництва меляса - найкраща сировина. Цінність її в тому, що поряд з високим вмістом цукру в ній знаходяться всі речовини, необхідні для нормальної життєдіяльності дріжджів. При переробці меляси спрощується технологічна схема, тому що виключається операції розварювання сировини та осахарювання крохмалю ферментами солоду чи культур плісеневих грибів. В меляснім суслі відсутні декстрини та неосахарений крохмаль, тому воно швидше зброджується, при цьому зменшуються витрати вуглеводів, що зброджується, та збільшується вихід спирту у перерахунку на умовний крохмаль, знижується собівартість спирту та підвищується виробничисть праці. До того ж з мелясної барди можна отримувати великий асортимент цінних для народного господарства продуктів, які ідуть як побічні продукти при виробництві етилового спирту і на їх виробництво не потребується додаткових витрат. Що також робить економічно привабливим виробництво спирту з бурячної меляси.

Зараз в Україні при виробництві спирту із меляси заключною стадією виробництва являється перегонка бражки і ректифікація спирту.

Ректифікацію можна здійснювати в установках періодичної або безперервної дії. Ректифікаційні установки періодичної дії використовують найчастіше у виноробстві (виробництво коньяку). Недоліком установки періодичної дії є необхідність безперервного збільшення флегмового числа, тобто зменшення продуктивності установки для забезпечення заданого складу дистиляту, тоді як частина ЛЛК у кубі безперервно зменшується. Недоліком також є нерівномірність у часі споживання установкою енергії та охолодження агента.

В установках безперервної дії вихідну суміш безперервно подають у колону так само безперервно відводять дистилят з конденсатора і кубовий залишок з кубової частини колони. Обігрівання колони може бути відкритим або за допомогою кип'ятильника - так зване закрите обігрівання. Відкрите обігрівання допускається, коли конденсат водяної пари не дає шкідливих домішок. Його здійснюють за допомогою барботера, який занурюють в кубовий залишок. При закритому обігріванні поверхня теплообміну може бути розташована як безпосередньо в кубовій частині, так і поза її межами.

При одержанні ректифікованого спирту безпосередньо з бражки використовують брагоректифікаційні установки. Вони звичайно мають три основні колони та 1 - 3 додаткові, що встановлюють вразі необхідності. В залежності від способу включення бражної колони в схему розрізняють брагоректифікаційні установки прямої, непрямої та напівпрямої дії.

Принципова особливість установок прямої дії полягає в живленні спиртової колони спирто-водяною парою, що виходить безпосередньо з бражної колони. В установках прямої дії теплота граючої пари використовується дворазово.

Принципова особливість установок непрямої дії - попереднє вилучення з бражки спирту та супутніх йому домішок, в результаті чого одержується спирт-сирець (бражний дестилянт), який у рідкому вигляді направляється в елюраційну колону, а потім у спиртову для очистки.

Треба відзначити, що в установках непрямої дії колони зв'язані між собою тільки рідинними потоками, в той час як в установках прямої дії - рідинними і паровими потоками, що ускладнює регулювання їх роботи.

В установках напівпрямої дії живлення елюраційної колони водно-спиртовою парою, яка виходить безпосередньо з бражної колони, а не бражним дистилятом.

Незалежно від того яка брагоректифікаційна колона прийнята для встановлення виділення чистого концентрованого розчину етилового спирту (ректифікату) здійснюється в ректифікаційних колонах. Вони можуть працювати як під тиском так і під вакуумом. Спосіб контактування потоків може бути ступінчатим (у тарільчатих колонах) або безперервним (у насадних або плівкових).

Ректифікаційні колони можуть бути повними і неповними. Повна колона складається з відгінної і концентраційної частин. Живлення у повну колону вводиться в середню частину (на верхню тарілку відгінної частини колони).

Неповна колона має тільки відгінну частину або одну концентраційну. Живлення у неповну відгінну колону подається на її верхню тарілку, в неповну концентраційну - під нижню в пароподібному вигляді.

У колонах спеціальні контактні пристрої (тарілки, насадки) створюють умови, що сприяють максимальному наближенню взаємодіючих парового та рідинного котлів.

Конструкція контактного пристрою повинна забезпечувати якомога більш інтенсивний масообмін на ньому. Це досягається у першу чергу шляхом створення розвиненої поверхні контакту фаз. У практиці спиртової промисловості, як правило, застосовують тарілчасті контактні пристрої. Вони можуть бути ковпачковими, сітчастими, клапанними, лускоподібними та іншими [ 14].

На даний час на спиртових заводах використовують дві безперервні схеми: одно потокова і двопотокова.

Одно потоковою схемою передбачається приготування із антисептованої меляси однієї розсиропки концентрацією сухих речовин 22-24%, на якій спочатку розмножують виробничі дріжджі, а потім дозрілі дріжджі піддають подальшому зброджуванню. Одно потокову схему зброджування меляси рекомендують використовувати на спиртових заводах, де виробляють хлібопекарні дріжджі. При цьому стійкість виделиних дріжджів із дозрілої бражки вище, ніж при двохпотоковому методі переробці меляси.

Сутність двох потокової схеми зброджування меляси заклечається в тому, що перероблювану мелясу ділять на два потоки. Одну частину меляси, яку антисептують збагачують поживними речовинами, розбавляють водою до концентрації сухих речовин 12-14% і приготовану розсиропку використовують в якості поживного середовища для безперервного розмноження дріжджів в дріжджегенераторах. Іншу частину меляси без будь-якої підготовки розбавляють до концентрації 32-34% сухих речовин і направляють в головний бродильний апарат батареї, в якому змішують дозрілі дріжджі і бродильну розсиропку в співвідношенні 1:1. Проведення процесу зброджування по одно- і двох потоковій схемі принципово одинакове. Двох потокову схему доцільно використовувати на спиртових заводах, що не виробляють хлібопекарські дріжджі. Вона дає можливість отримати більш високий вихід і покращити якість спирту.

Поряд з цими методами зброджування меляси на спиртових заводах значне поширення отримав двухстадійний спосіб переробки меляси з використанням двох рас дріжджів. Він підвищує вихід спирту при переробці меляс, що містять рафінозу, а при переробці безрафінозної сировини - підвищують вихід і значно покращюють мальтозну активність хлібопекарних дріжджів. Мелясна розсиропка по цьому способу зброджується двома расами дріжджів, що вирощені в різних дріжджегенераторах. Одну расу дріжджів подають в головний бродильний апарат, іншу - в 4,5-ий. Щоб підвищити вихід спирту із меляси, що містить рафінозу, зброджування необхідно проводити в першій стадії дріжджами раси В, а у другій - дріжджами Г-75. Для отримання високих виходів дріжджів з підвищеною мальтозною активністю, мелясну розсиропку на першій стадії зброджують гібридами 112, у другій дріжджами раси В.

При одно потоковій вдосконаленій схемі застосовується знижена концентрація мелясної розсиропки для дріжджегенераторів. Одночасно для забезпечення встановленої міцності бражки необхідно внести в головні бродильні апарати необхідну кількість нерозбавленої меляси, яка недодана в дріжджегенератори. В дозрілій бражці, що отримана по такій схемі: накопичується менша кількість вторинних продуктів бродіння, особливо гліцерину, знижується величина незброджених цукрів і підвищується накопичення біомаси.

У зв'язку з викладенним вважаю доцільним зброджувати мелясу за одно потоковою вдосконаленою схемою, що вже довгий час дає гарні результати при використанні її на інших спиртових заводах.

Антисептування і стерилізацію меляси, а також додавання в неї необхідного для дріжджів фосфорного і азотного живлення проводять в апаратах антисептування переодичної дії.

Процес культивування дріжджів здійснюється в дріжджегенераторах. Вони можуть бути розміщені на одному рівні з бродильними апаратами з розмноженням дріжджів в одному-двох перших апаратах чи в групі паралельно працюючих апаратів, що розміщені над бродильною батареєю. В останньому випадку погіршується обслуговування і регулювання дріжджегенерування, необхідне більш високе виробниче приміщення, але процес розведення дріжджів проходить безперервно, без порушення роботи дріжджової і бродильної батареї при стерилізації одного із дріжджегенераторі. Така схема найбільш прийнятна для заводів, що виробляють хлібопекарські дріжджі, де необхідна більш часта затіна дріжджів.

Конструкція дріжджегенераторів повинна відповідати слідуючим вимогам:

1. Апарат повинен бути герметичним ы мати ефективний пристрій для миття і дезінфекції.

2. В апараті повинна бути мінімальна кількість внутрішніх пристроїв з простою, легкодоступною миттю і дезінфекції конфігурацією.

3. Повітря розподільча система повинна бути ефективною, нескладною по будові, стійкою і надійною в роботі з мінімальним гідравлічним опором.

4. Поживні речовини і дріжджі повинні рівномірно розподілятися по всьому культуральному середовищу.

В найбільшій мірі цим вимогам для умов спиртового виробництва конструкція дріжджегенератора з пневмоциркуляційним аератором.

Апаратурно-технологічну схему зброджування меляси на спирт необхідно вибрати таку, щоб вона забезпечувала хороший масообмін між дріжджовими клітинами і зароджуваним середовищем і створювала умови для ефективної профілактичн6ої стерилізації обладнання і трубопроводів.

Апаратурні схеми для безперервного зброджування меляси представляють собою складні системи з багатьма осередками інфікування бражки. Вони складаються з бродильних апаратів, послідовно з'єднаних в батарею системою трубопроводів для переміщення бражки по апаратам, а також насосів для перекачування бражки в період проведення періодичної стерилізації і додаткового верхнього розподільного трубопроводу. Тому стерилізація проводиться кожні 36 годин.

Установка для безперервного зброджування меляси складається з бродильних апаратів, що з'єднані між собою в батарею горизонтальними переточними трубопроводами, розміщеними між кожними двома апаратами. Переточні комунікації вварені по дотичній до циліндричної частини апарату для переміщення бражки в апаратах за рахунок енергії потоку. Внизу кожного бродильного апарату встановлені пропелерні мішалки.

При зброджуванні меляси утворюється значна кількість піни, яка викликає порушення технологічного режиму, приводить до виробничих втрат. Піну гасять хімічними і механічними методами. В якості хімічних піногасників використовують жироподібні речовини, що здатні на поверхні рідини утворювати плівку з невеликим поверхневим натягом, в результаті чого бульбашки піни лопаються. При виборі хімічних піногасників необхідно враховувати її вартість, ефективність гасіння піни і дію на дріжджі. Синтетичні жирні кислоти погіршують ріст дріжджів, тому в якості піногасників використовувати їх не бажано.

Для механічного гасіння піни в бродильних апаратах використовують недолив 7-10% до об'єму апарату. Між чотирма головними бродильними апаратами з обох сторін апарату встановлюють над рівнем бражки переточні трубопроводи для піни, яка переходить з головних апаратів в наступні і руйнуються на поверхню бражки.

Найбільш ефективним способом вловлювання спирту із газів бродіння є адсорбція його водою в спеціальних ловушках різної конструкції.

В спиртоловушках колпачкового типу подачу води регулюють так, щоб вміст спирту у виходящій водно-спиртовій рідині був 1,5-1,7%. При підвищенні міцності спиртові пари поглинаються неповністю і значна частина їх втрачається з виходящими газами.

Більш ефективна ловушка плівчато-конденсаторного типу. Ця ловушка працює по принципу абсорбції спиртових парів тонкою плівкою води із охолодженого газу, який турбулентно рухається назустріч воді в вертикальних трубах. Кінцева абсорбція спиртових парів водою проходить на сітчатих тарілках. Цією ловушкою практично вловлюється весь спирт і водно-спиртова рідина має міцність 5-7% об. Переваги такої лопушки дуже великі в порівнянні з іншими видами їх, тому її прийнято до встановлення.

Спирт-ректифікат безпосередньо із бражки отримують на установках прямого, напівпрямого і непрямої дії.

В апаратах прямої дії головні домішки виділяють безпосередньо із бражки в елюраційній колоні, яка зв'язана з бражною. Елюрована бражка надходить в бражну колону, де із неї виделяються решта етилового спирту, проміжні домішки, сивушне масло, азотні речовини і залишок головних домішок.

Спиртові пари, що виділяються в бражній колоні, розділяються на два потоки: великий надходить в ректифікаційну колону, де спирт зміцнюється і звільняється від проміжних і головних домішок, менший використовують в якості обігріваючого пару в елюраційній колоні.

Ці апарати найбільш економічні за витратами тепла, але якість спирту нижча, чим в апаратах непрямої чи напівпрямої дії. В експлуатації вони важче, так як порушення режимів в бражній і елюраційних колонах впливають на умови роботи ректифікаційної колони.

В установках напівпрямої дії бражка надходить в бражну колону, а пари з неї, пройшовши ловушку - в елюраційну колону. В ній флегма, що стікає в нижню частину колони, звільняється від головних домішок і в рідкому вигляді елюрат подається в якості живлення в ректифікаційну колону. В ректифікаційній колоні всі процеси проходять одинаково, як і в установках прямої дії.

Основним недоліком апаратів напівпрямої дії являється неправильне конструювання елюраційної колони,в якій відношення площ перерізів концентраційної і виварної частин рівні одиниці, а для забезпечення нормального режиму роботи переріз концентраційної частини повинен бути в 3-4 рази більше перерізу виварної. Тому експлуатаційні показники цих установок нижчі, ніж установок непрямої дії.

Установки непрямої дії відрізняються тим, що всі спиртові пари, що виділяються з бражної колони, конденсуються, і елюраційна колона живиться рідким конденсатом. Елюрат, звільнений майже повністю від головних домішок, надходить в ректифікаційну колону, де відбираються стандартний спирт, сивушне масло і сивушний спирт. Спирт етиловий головну фракцію відбирають з конденсатора елюраційної колони. Тепла і води в установках непрямої дії використовується приблизно стільки, скільки в апаратах напівпрямої дії. Перевагою апаратів непрямої дії являється те, що рідинне живлення всіх колон забезпечує незалежність їх роботи від зміни тиску, що забезпечує використання автоматичних приладів і регуляторів.

До установки приймаємо установку за патентом 2178. Перегонка і ректифікація при цьому буде здійснюватися в 4-х колонній БРУ: бражна, елюраційна і ректифікаційна колони, а також колона кінцевої очистки, що працює в режимі повторної ректифікації.

Це дозволить не лише зменшити витрати пари до 35-40 кг/дал, але й збільшити вихід ректифікованого спирту, так як зменшиться відбір спирту етилового головної фракції.

Використання в схемі закритого обігріву колон являється важливим джерелом економії тепла. В умовах мелясних спиртових заводів це дозволяє забезпечити живлення котлів на 90-95% конденсатом гріючого пару, різко скоротити витрати на хімічне очищення живильної води.

Отже для монтажу на даному заводі вибираємо брагоректифікаційну установку непрямої дії. Вона стабільна в роботі, легка в керуванні та регулюванні, на ній одержують спирт високої якості. Ректифікаційна колона у неї повна з багатоковпачковими тарілками і працює під тиском.

2. Біохімія та мікробіологія процесу

2.1 Загальна характеристика дріжджів

Цукор, що міститься в суслі, зброджується у спирт дріжджами Saccharomyes cerevisiae, які являють собою одноклітинні мікроорганізми, що відносяться до класу аскоміцетів (сумчастих грибів).

Зазвичай дріжджі розмножуються брунькуванням і дуже рідко (в умовах великого дефіциту поживних речовин) спороутворенням.

Дріжджові клітини бувають яйцеподібної, еліпсоїдальної, овальної чи витягнутої форми, яка як і їх довжина (6…11 мкм) залежить від умов росту та виду дріжджів. Відношення поверхні клітини до її об'єму впливає на швидкість масообмінних процесів між клітиною та поживним середовищем і, як наслідок, на інтенсивність життєдіяльності дріжджів.

Так, відношення поверхні клітини до об'єму дріжджів Sacch. cerevisiae раси XII дорівнює 0,46, термотолерантних дріжджів Sacch. Cerevisiae К-81 - 0,5…0,62, дріжджів Schizosaccharomyces pombe - 0,46. Дріжджі раси К-81 накопичують більше біомаси дріжджових клітин, ніж дріжджі раси XII, при різних значеннях рН середовища (3,2…4,2) і оптимальній температурі для кожної з них.

Дріжджова клітина складається із оболонки, цитоплазми та ядра. Зовнішня частина оболонки утворена полісахаридами типу геміцелюлоз, здебільшого мананом та невеликою кількістю хітину, внутрішня частина - білковими речовинами, фосфоліпідами і ліпоїдами. Оболонка регулює внутрішній стан клітини і має вибіркову проникливість, що суттєво відрізняє її від звичайних напівпроникливих мембран. Товщина клітинної оболонки дріжджів до 400 нм.

Цитоплазматична мембрана (плазмаламма) має товщину 7…8 нм, розміщена під клітинною стінкою і відокремлює її від цитоплазми. Плазмалемма - головна перешкода, що обумовлює осмотичний тиск в клітині, обумовлює вибірковий рух поживних речовин із середовища до клітини та вивід метаболітів із клітини. Плазмалемма складається із бімолекулярного шару ліпідів, до якого входять білкові молекули. Ліпіди зорієнтовані неполярними кінцями всередину, один до одного, а полярними - назовні.

Переміщення речовин через цитоплазматичну мембрану йде внаслідок молекулярної дифузії і в результаті активного руху, в якому беруть участь специфічні ферменти, і в цьому випадку речовини можуть проникати до клітини і проти градієнту концентрацій. Наприклад, амінокислоти швидко проникають до клітини із середовища, навіть якщо їх концентрація у цитоплазмі в 100 - 200 разів вища від концентрації у поживному середовищі.

Цитоплазма має гетерогенну структуру і тягучу консистенцію. Колоїдний характер її обумовлений білковими речовинами. Крім них у цитоплазмі містяться рібозонуклеопротеіди, ліпоїди, вуглеводи та велика кількість води. Цитоплазма молодих клітин ззовні гомогенна. При старінні в ній з'являються вакуолі, рівномірна зернистість, жирові і ліпоїдні гранули. В цитоплазмі з її органоїдами (хондріосомами, мікросомами, вакуолями) і включеннями йдуть важливі ферментативні процеси.

Мітохондрії (хондріосоми) мають форму зернинок, паличок чи ниток. Мітохондріальні мембрани складаються з білків (80%) і ліпідів (20%). До складу мітохондрій входять також поліфосфати, РНК і ДНК. Мітохондрії розмножуються самостійно, репліцирують власну мітахондріальну ДНК і продуцирують власні білки. Поживні речовини, проникнувши до клітини, адсорбуються і акумулюються хондріосомами і підпадають під швидкі перетворення внаслідок концентрації в цих осередках клітини відповідних ферментів. В мітохондріях повністю проходить цикл трикарбонових кислот і важливіша енергетична реакція - окислювальне фосфорилювання. Тому їх розглядають як основну «силову станцію» клітини. Тут же проходять реакції активування амінокислот в процесі синтезу білка, ліпідів та інших сполук.

Мікросоми (рібосоми) являють собою включення у вигляді субмікроскопічних зернинок, які складаються з ліпідів, білків та рибонуклеїнових кислот (РНК), що зумовлюють синтез білків за рахунок активованих амінокислот, які поступають із мітохондріальної системи.

Ядро - невелике шароподібне чи овальне тіло, оповите цитоплазмою та нерозчинне в ній. В ядерних структурах відокремлені у вигляді включень дезоксірибонуклеїнова кислота (ДНК) та її протеїд (ДНКП), міститься велика кількість РНК.

Обов'язків органоїд клітини вакуолі -ємкості, наповнені клітинним соком та відокремлені від цитоплазми вакуолярною мембраною. Форма вакуолів змінюється внаслідок руху і контракції цитоплазми. Вакуоль в молодих клітинах складається з великої кількості малих ємкостей, в старих - з однієї дуже великої. Клітинний сік являє собою водний розчин різноманітних солей, вуглеводів, білків, жирів та ферментів. У вакуолях скупчуються різноманітні сполуки, які повинні підпадати під ферментативні перетворення, утворює продукти життєдіяльності та відходи.

В молодих дріжджових клітинах жиру зазвичай нема, в зрілих він міститься лишень у невеликої кількості клітин у вигляді малих капель, у старих - крупних капель.

Глікоген - запасна поживна речовина, що накопичується при культивуванні дріжджів на середовищах, багатих цукром, і при нехватці його швидко витрачається. В молодих клітинах глікогену мало, в зрілих - значна кількість (до 40%).

По зовнішньому стану можна визначити фізіологічний стан дріжджів. У виробничих середовищах одночасно є молоді, зрілі, брунькуючиїся старі та відмерлі клітини. Найбільшою бродильною енергією володіють зрілі клітини.

Дріжджі, що використовують у виробництві спирту, повинні мати високу бродильну енергію (швидко і повністю зброджувати цукри) та анаеробний тип дихання, бути стійкими до продуктів свого обміну та продуктів обміну сторонніх мікроорганізмів, а також до зміни складу середовища, виносити велику концентрацію солей та сухих речовин, що містяться в суслі при переробці меляси повністю зброджувати рафінозу. При відокремленні дріжджів із зрілої бражки та використанні їх як хлібопекарських вони повинні відповідати вимогам, висунутим до хлібопекарським дріжджам по стійкості при зберіганні, підЧємної сили, зимазній та мальтозній активності.

Збільшення бродильної активності дріжджів може бути досягнуто різними шляхами: мутагенезом, гибрідізацією та ін. Для отримання рас дріжджів з властивостями, які вимагалися, найбільш ефективним виявився метод гібридизації, тому що при схрещуванні двох батьківських видів дріжджів можна підібрати раси із заздалегідь відомими властивостями.

Способами генетичної інженерії отримані високоефективні раси дріжджів, які володіють амінокислотною активністю. Промислове використання таких дріжджів дозволить суттєво прискорити процес зброджування сусла і зменшити витрати оцукрюючи матеріалів.

2.2 Умови життєдіяльності дріжджів

До умов, що забезпечують нормальну життєдіяльність дріжджів, відносяться перш за все температура, рН та склад поживного середовища.

2.2.1 Температура та рН

Дріжджі живуть і розмножуються в обмежених температурних умовах, і для нормальної їх життєдіяльності необхідна температура 29 - 30 0С. за дуже великої чи дуже низької температури життєдіяльність дріжджів послаблюється чи припиняється. Максимальна температура для розвитку дріжджів 38 0С, мінімальна 5 0С; при температурі 50 0С дріжджі гинуть.

Оптимальні температури для розвитку та виявлення максимальної бродильної активності не завжди співпадають. Дріжджі вирощені при температурі, наприклад, 17 - 22 0С, мають велику бродильну енергію. Зброджування мелясного сусла при температурах, вищих за 30 0С негативно відображається на виході та якості дріжджів, як і відокремлені із зрілої бражки та використовуються в якості хлібопекарних. Ферментативна активність, підЧємна сила та стійкість таких дріжджів при зберіганні знижується, тому для вирощування дріжджів і зброджування мелясного сусла рекомендується наступний температурний режим: 28 - 290С в дріжджегенераторах, 30 - 31 0С у двох головних бродильних апаратах і 28 - 29 0С в кінцевих апаратах.

При підвищенні температури дикі дріжджі та бактерії розмножуються значно швидше сахароміцетів. Якщо при 32 0С коефіцієнт розмноження диких дріжджів у 2 - 3 рази більше коефіцієнта розмноження сахароміцетів, то при 38 0С вже у 6 - 8 разів більше. Внаслідок прискореного розвитку бактерій збільшується кислотність бражки. В обох випадках зменшується вихід спирту.

На життєдіяльність дріжджів значною мірою впливає активна кислотність середовища. Йони водню змінюють електричний заряд колоїдів плазмової оболонки клітин і залежно від концентрації можуть зменшувати чи збільшувати її проникливість для окремих сполук та йонів. Від значення рН залежить швидкість надходження поживних речовин в клітину, активність ферментів, утворення вітамінів. При зміні рН середовища змінюється і напрямок самого бродіння. Якщо рН зсувається в лужний край, то збільшується утворення гліцерину.

Життєдіяльність дріжджів зберігається у рамках рН середовища від 2 до 8; для їх вирощування оптимальним являється рН 4,8 - 5. При рН нижче 4,2 дріжджі продовжують розвиватися, тоді як ріст молочнокислих бактерій зупиняється. Цю властивість дріжджів використовують для пригнічення розвитку бактерій в інфікованому середовищі, яке підкислюють до рН 2,8 - 4 і витримують визначений час.

2.2.2 Склад поживного середовища

Про потребу дріжджів в поживних речовинах судять за їх хімічним складом, що залежить від поживної речовини, умов культивування дріжджів та їх фізіологічних особливостей. Середній елементарний склад дріжджових клітин (%): вуглець 47, водень 6,5, кисень 31, азот 7,5 - 10,фосфор 1,6 - 3,5. вміст інших елементів незначний (%): кальцію 0,3 - 0,8, калію 1,5 - 2,5, мангану 0,1 - 0,4, натру 0,06 - 0,2, сірки 0,2. В дріжджах знайдені мікроелементи (мг/кг): залізо 90 -350, мідь 20 -135, цинк 100 - 160, молібден 15 - 65.

У пресованих дріжджах знаходиться 68 - 76% води і 32 - 24% сухої речовини. В залежності від стану колоїдів в дріжджовій клітині може бути 46 - 53% внутріклітинної вологи і 22 - 27% міжклітинної. При зміні загальної вологості дріжджів змінюється співвідношення між кількістю внутріклітинної та міжклітинної вологи. Видалення 85% води з дріжджів при температурі не вищої від 50 0С майже не впливає на їх життєдіяльність.

Сухі речовини дріжджів включають в себе 23 28% органічних сполук і 5- 7% золи. Склад органічних сполук наступний (%): білки 13 - 14, глікоген 6 - 8, целюлози 1,8 - 2, і жиру 0,5 - 2.

Білок. Дріжджі містять в середньому 50% сирого білку в перерахунку на суху речовину і близько 45% дійсного білку. До складу сирого білку входять всі сполуки азоту, до яких відносяться похідні нуклеїнових кислот, пуринові та піримідінові основи, азот вільних амінокислот.

Глікоген. При відсутності поживних речовин в середовищі глікоген перетворюється на спирт та діоксид вуглецю.

Наряду з глікогеном міститься трегалоза - дуже мобільний резервний вуглець, обумовлюючий стійкість хлібопекарських дріжджів. Вміст трегалози збільшується зі зменшенням азоту та при рН нижче 4,5.

Жир. До складу жиру входять здебільшого олеїнова, ліноленова і пальмітинова кислоти. Він містить 30 -40% фосфатидів.

Зола. Зола складається з наступних основних окислів (%): Р2О5 - 25 - 60, К2О - 23 - 40, СаО - 1 - 8, МgO - 4 - 6, Na2O - 0,5 - 2, SO3 - 0,5 - 6, SO2 - 1 - 2, Fe2O3 - 0,05 - 0,7.

Мікроелементи. Вони мають важливе значення для розмноження та життєдіяльності дріжджів, входять до складу ферментів, вітамінів та інших сполук, що беруть участь в їх синтезі. Мікроелементи впливають на швидкість та характер різноманітних біохімічних процесів. Наприклад, кобальт стимулює розмноження дріжджів, підвищує вміст в клітинах азотистих речовин небілкової природи, перш за все ДНК, РНК і вільних амінокислот. Він стимулює також синтез вітамінів - рібофлавіна та аскорбінової кислоти. Стимулююча дія мікроелементів обумовлена тим, що вони утворюють з ферментами металоорганічні та внутрішньокомплексні сполуки. Ефект, що отримаємо залежить від міцності зв'язку ферменту з молекулою субстрату чи активації субстрату в проміжному активному комплексі.

Вітаміни та інші фактори росту. Для нормального розвинення і спиртового бродіння дріжджі потребують вітаміни, які являють собою кофактори багатьох ферментів. Сахароміцети у більшій чи меншій мірі можуть синтезувати всі вітаміни, за виключенням біотину, який повинен обов'язково міститись в поживному середовищі.

Ненасичені жирні кислоти з 18 атомами вуглецю, особливо олеїнова, також являються важливими факторами росту. Стимулюючий вплив олеїнової кислоти спостерігається тільки при незначній її концентрації, не перевищуючої 0,5 мг/мл. При збільшенні концентрації швидкість росту дріжджів набагато зменшується.

2.2.3 Види та джерела харчування

Розрізняють екзогенне та ендогенне харчування дріжджів: при екзогенному харчуванні поживні речовини потрапляють до клітини із зовнішнього середовища, при ендогенному дріжджі використовують (в основному при голоданні) свої резервні речовини: глікоген, трегалозу, ліпіди азотисті сполуки.

Вуглецеве харчування. Дріжджі (Saccharomyes cerevisiae) використовують вуглець із різноманітних органічних сполук: глюкози, маннози, галактози, фруктози (D - форми). Пентози Sacch. cerevisiae не асимілюють. При відсутності гексоз джерелом вуглецю можуть бути також гліцерин, маніт, етиловий та інші спирти, органічні кислоти (молочна, оцтова, яблучна, лимонна).

Слід враховувати поліауксію - послідовність споживання різноманітних джерел вуглецю. При періодичному культивуванні в першу чергу споживаються глюкоза та фруктоза. Послідовність засвоювання жирних кислот залежить від раси дріжджів, що використовуються, та складу цих кислот. Наприклад, оцтова кислота перешкоджає споживанню молочної, а молочна - гліколевий. Оцтова кислота і глюкоза засвоюються одночасно. Як правило, в першу чергу засвоюється з суміші те джерело вуглецю, яке забезпечує найбільшу швидкість росту дріжджів.

При безперервному культивуванні дріжджів зі збільшенням швидкості розбавлення середовища в ньому залишається більше вуглецевого компоненту, який засвоюється останнім.

Дісахариди, з яких спиртові дріжджі використовують мальтозу та сахарозу, попередньо підпадають під вплив гідролізу відповідними ферментами дріжджів до моносахаридів. При переході від анаеробних умов до аеробних послаблюється можливість дріжджів зброджувати глюкозу та мальтозу, а сахарозна активність їх підвищується в 2,5 рази. Дріжджі споживають мальтозу тільки при відсутності в середовищі фруктози та глюкози. Мальтоза зброджується майже повністю під час стаціонарної фази росту дріжджів.

Органічні кислоти мають важливе значення при метаболізмі вуглецю, енергетичному обміні мікроорганізмів, синтетичних та дисиміляційних процесах. Використання кислот жирного ряду в якості джерела вуглецю залежить від виду та раси дріжджів, концентрації кислоти, довжини її вуглецевого ланцюга та ступеня електролітичної дисоціації. Непоганими субстратами служать кислоти з довжиною вуглецевого ланцюга від С2 до С4 при порівняно низькій концентрації. Калійні солі кислот, що містять у молекулі від 2 до 5 атомів вуглецю, стимулюють ріст дріжджів в 1,4 - 3,3 рази сильніше порівняно з відповідними кислотами.

Жирні кислоти з середньою довжиною вуглецевого ланцюга (від С6 до С10) в значно меншій мірі споживаються дріжджами і тільки в умовах дуже низької концентрації (0,02 - 0,05%). При більш високій концентрації розвиток дріжджів пригнічується. Жирні кислоти з 12 - 17 атомами вуглецю в молекулі засвоюються вибірково в залежності від роду та виду дріжджів.

Будь-який з проміжних продуктів циклу Кребса (піровиноградна, лимонна, янтарна, фумарола, яблучна кислоти) можуть бути єдиними джерелами вуглецю для життєдіяльності дріжджів.

Азотне харчування. Дріжджі мають можливість синтезувати всі амінокислоти, що входять до складу їх білка, безпосередньо з неорганічних азотистих сполук при використанні в якості джерела вуглецю органічних сполук - проміжні продукти розпаду вуглеводів, які утворюються при диханні та бродінні.

Дріжджі Sacch. Cerevisiae засвоюють лишень дві форми азоту: аміачний та органічних речовин. Ці мікроорганізми ефективно використовують азот сульфату і фосфату амонію, мочевини, аміачних солей оцтової, молочної, яблучної та янтарної кислот. В присутності цукрів, що зброджуються. Аміачні солі є для дріжджів джерелом лише азоту; однак при використанні його звільнюються кислоти, що змінюють рН середовища. Аміачний азот використовується дріжджами краще, ніж азот багатьох амінокислот.

Амінокислоти - одночасно джерело азоту та вуглецю, при цьому останній засвоюється з кетокислот, що утворюються в результаті відщеплення аміногруп. Можлива і безпосередня асиміляція амінокислот з поживного середовища, яке містить їх повний набір та будь-який цукор, що зброджується. Як наслідок знижуються витрати цукру середовища на харчування дріжджів та дещо збільшується вихід спирту при бродінні.

Завдяки асиміляції амінокислот забезпечується синтез білка, в тому ж числі і ферментів, активуються деякі ферменти, що вже є в клітині, прискорюється процес брунькування дріжджових клітин.

Для споживання органічного азоту (амінокислот, амідов) багатьом дріжджам необхідні вітаміни (біотин, пантотеновая кислота, тіамін, пірідоксін та ін.). дріжджі не засвоюють такі азотисті сполуки, як білки, бетаїн, холін, пурини та аміни у вигляді етіламіна, пропіл- та бутіламіна. Пептиди займають середнє положення між амінокислотами та білками. Споживання дріжджами пептидів знижується з підвищенням їх складності. Деяка кількість пептидів в середовищі поряд з іншими формами азоту сприяють використанню амінокислот.

На утворення 10 млрд. дріжджових клітин витрати азоту в умовах анаеробіозу складають 66 - 77 мг, в умовах аеробіозу 37 -53 мг. Про умови культивування та фізіологічний стан дріжджів говорять по вмісту азоту в них, який залежить від складу середовища, кількості додатково вводимих поживних речовин та від раси дріжджів. В дріжджах, що отримують на спиртових заводах, загального азоту 7 - 10% (іноді до 12) на суху речовину.

Фосфорне харчування. В анаеробних умовах дріжджі засвоюють фосфор головним чином у початковому періоді бродіння - 80-90% від максимальної кількості в дріжджах. Молоді дріжджові клітини, що енергійно розмножуються багатші на фосфор у порівнянні зі старими, що не брунькуються. Наприклад, після 6 годин бродіння дріжджі містять 2,15% фосфору на суху речовину, до кінця бродіння - лише 1%.

2.2.4 Інші фактори

Швидкість росту дріжджів залежить від різниці осмотичного тиску в клітині та в суслі: чим вона більша, тим швидше розмножуються дріжджі. В наслідок цього більш активний фізіологічний стан дріжджів спостерігається при зброджуванні меляси за двох поточною схемою.

При обробці спиртових дріжджів ультразвуком в декілька разів підвищується активність інвертази, в деяких випадках стимулюється їх ріст.

Спирти, ефіри та слабкі розчини луг розчиняють липоїдниї речовини клітин дріжджів. спирти навіть у невеликих концентраціях (3 - 4%) гальмують брунькування дріжджів. однак в безперервному потоці середовища, що зброджується, дріжджі могуть розмножуватися при відносно високій концентрації спирту (7 - 8 об. %) та продовжувати зброджування цукрів до концентрації 10 - 12 об. %. розмноження дріжджів при безперервному зброджуванні залежить головним чином від вмісту поживних речовин та менше від кількості спирту в середовищі.

Формалін, кислоти та солі важких металів відносяться до плазматичних отрут. Невелика кількість формаліна (0,09%) порушує нормальну життєдіяльність дріжджів, а доза 0,001% гальмує їх брунькування. Зазвичай дози речовин, знижують бродильну енергію дріжджів, значно вище доз, затримуючих брунькування.

Сірчаниста, азотиста та фтористоводородна кислоти й їх солі в дуже малих концентраціях перешкоджають нормальному росту дріжджів.

Вільні органічні кислоти оказують більш інгібіруючу дію на дріжджі, ніж їх солі. Летючі органічні кислоти навіть в незначних концентраціях пригнічують їх розмноження та прискорюють їх відмирання. Найбільш сильні інгібітори - мелясна та капронова кислоти. Особливо чуттєві дріжджі до летючих органічних кислот при зниженні рН середовища до 4. в цих умовах через добу в дріжджовій популяції спостерігається велика кількість плазмолізованних клітин та бруньок.

Мурашина кислота знижує коефіцієнт розмноження дріжджів, не викликаючи при цьому відмирання клітин. Оцтова кислота - порівняно слабкий інгібітор.

Деякі важкі метали в дуже малих концентраціях вбивають дріжджові клітини (срібло - 0,000001%, мідь - 0,005%), а в концентраціях, що не піддаються визначенню хімічним аналізом, гальмують ріст дріжджів. Бактерицидна дія важких металів залежить від складу середовища, її кислотності, температури та густини дріжджової популяції.

В разі присутності фурфуролу в середовищі, що зброджується, зменшується кількість клітин, що брунькуються, та їх розмір. Навіть при незначному вмісті фурфуролу знижується мальтозна і зимазна активність дріжджів, що були виділені з мелясної бражки.

Сульфонал у невеликих концентраціях (70 - 100 г на 1 т меляси) не впливає на життєдіяльність дріжджів і пригнічує молочнокислу мікрофлору. Хлор, хлорне вапно, манганокислий калій, сильно окислюючи органічні сполуки, руйнують їх.

В бражках з підвищеним вмістом йонів Са, Мg, Fe у дріжджових клітин втрачається водна оболонка, через що зменшується йонна сфера й електричний заряд на поверхні клітин і створюються умови для аглютинації дріжджів.

Спиртові раси дріжджів мають негативний електрокінетичний потенціал: від -7 до -13 мВ, через що вони адсорбують на своїй поверхні меланоїдини з позитивним потенціалом. Зі зниженням рН середовища електрокінетичний потенціал меланоїдинів зростає, у зв'язку з чим збільшується ступінь адсорбції їх на дріжджових клітинах. Меланоїдини присвоюють дріжджам темний колір, сприяють відмиранню дріжджових клітин, і, як наслідок, приводять до зниження їх ферментативної активності, а саме активності інвертази та каталази.

	НОВОСТИ

Изменения

Прошла модернизация движка, изменение дизайна и переезд на новый более качественный сервер

	СЧЕТЧИК

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА
	© 2010