Разработка ресурсосберегающих технологий этанола из крахмало- и инулинсодержащего сырья на основе новых для спиртовой отрасли способов его переработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.07, доктор технических наук Крикунова, Людмила Николаевна

• Крикунова, Людмила Николаевна
• доктор технических наук
• 2008

Оглавление диссертации доктор технических наук Крикунова, Людмила Николаевна

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Научно-практические аспекты переработки крахмалосодержащего сырья в спиртовом производстве

1.1.1 Химический состав зерна и его анатомических частей

1.1.1.1 Структура и свойства зерновых крахмалов

1.1.1.2 Физико-химические свойства и структурные особенности белков пшеницы, ржи, ячменя

1.1.2 Способы целенаправленного изменения технологических свойств зерна

1.1.2.1 Теоретические основы ИК-обработки материалов

1.1.2.2 Практическое использование ИК-обработки зерна

1.1.3 Современные тенденции переработки зерна в спиртовом производстве

1.1.3.1 Перспективные однопродуктовые схемы переработки зерна

1.1.3.1.1 Режимы механико-ферментативной обработки сырья

1.1.3.2 Многопродуктовые схемы переработки зерна

1.1.3.3 Современные подходы к оптимизации процесса сбраживания сусла

1.1.3.3.1 Характеристика спиртовых дрожжей, применяемых в спиртовом производстве

1.1.3.3.2 Факторы, влияющие на образование примесей при брожении

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка ресурсосберегающих технологий этанола из крахмало- и инулинсодержащего сырья на основе новых для спиртовой отрасли способов его переработки»

Актуальность темы

Среди шести приоритетных научных направлений, определенных Концепцией развития науки и техники для спиртовой и ликеро-водочной отрасли на период до 2010 года, выделяют направления: «Этиловый пищевой спирт из традиционных видов сырья по новым технологиям» и «Этиловый пищевой спирт из нетрадиционных видов сырья». Такая постановка вопроса обусловлена низкой рентабельностью отечественных заводов, их большой материале- и энергоемкостью и тесной зависимостью от сырьевой базы.

В современных условиях жесткой конкуренции предприятия могут успешно работать только при условии решения экологических проблем и выпуска конечной продукции, отвечающей требованиям потребителя одновременно по двум параметрам: качество и себестоимость. Несоответствие продукции хотя бы по одному из них делает ее неконкурентоспособной.

Анализ состояния отечественной спиртовой отрасли показывает, что на данном этапе основным сдерживающим фактором существенного повышения рентабельности производства является низкая эффективность использования сырья. Поэтому решение проблемы экономии материальных ресурсов должно осуществляться путем внедрения комплексных технологий, предусматривающих переработку зерна с получением нескольких ценных конечных продуктов.

Наиболее перспективные из них основаны на разделении сырья на фракции: периферийных частей и фракцию эндосперма. Причем наибольшая часть работ посвящена технологиям с выработкой кормовых продуктов. Но, к сожалению, они в настоящее время не совершенны, так как не решен вопрос питательной ценности кормопродукта, нет способов разделения зерна на фракции, позволяющих выделить эндосперм без потерь крахмала, что обусловлено реологическими свойствами сырья. Поэтому повышение эффективности переработки зерна по данным схемам возможно путем применения способов целенаправленного изменения исходных свойств сырья и, следовательно, научно-практические основы разработки таких способов, несомненно, актуальны и перспективны.

Другой путь использования фракций периферийных частей зерна — применение их в качестве сырья для получения пищевых белковых продуктов. Научной базой для таких технологий служат работы российских ученых (Толстогузов В., Красильников В., Браудо Е., Высоцкий В., Дудкин М., Колпакова В. и др.), создавших теоретические и практические основы выделения пищевых белков из растительного сырья, включая вторичные продукты переработки зерна.

Среди однопродуктовых схем приоритетными являются технологии, основанные на низкотемпературных способах подготовки сырья к сбраживанию, в том числе схем «холодного» затирания, с успехом внедренных, к примеру, в Германии. Имея несомненные преимущества, эти технологии в отечественной спиртовой отрасли имеют и свои сдерживающие их широкое внедрение факторы, в основном зависящие от исходных свойств перерабатываемого зерна.

Для решения перечисленных проблем целесообразно изменить технологические свойства исходного зерна, путем введения в схему специального способа предобработки. Обзор литературных источников показывает, что одним из перспективных может быть способ, на основе ИК-обработки зерна. Однако, в спиртовой отрасли до настоящего времени он не использовался.

Другой путь повышения рентабельности производства этанола заключается в поиске альтернативных сырьевых ресурсов. Один из них топинамбур — инулинсодержащее сырье, которое, по мнению отечественных и зарубежных специалистов, является одним из самых дешевых видов для спиртовой отрасли.

Вместе с тем, клубни из-за структурных свойств покровных тканей плохо сохраняются, а поэтому данный вид сырья может рассматриваться только как дополнительный. Кроме того, в отличие от зерна, топинамбур содержит повышенное количество пектиновых веществ - потенциальных источников образования метанола. Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке ресурсосберегающих технологий этанола из топинамбура, в том числе комплексных, несомненно, актуальны и перспективны. Их реализация позволит расширить сырьевую базу спиртовой отрасли.

Цель и задачи исследований

Целью настоящей работы являлась разработка ресурсосберегающих, в том числе комплексных, технологий переработки крахмало- и инулинсодержащего сырья на основе перспективных способов целенаправленного изменения исходных свойств зерна; выделения и целевого использования дифференцированных фракций; изучения фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и изменений в нем при получении и сбраживании сусла. Поставленная цель потребовала решения следующих задач: сформировать современные подходы к переработке сырья спиртовой отрасли и рекомендовать новые методы для оценки его технологических свойств; разработать комплексную технологию этанола и кормопродукта на основе биотехнологической обработки зерна, включая исследования по:

• сравнительной характеристике методов выделения фракций зерна;

• определению состава фракций после изменения реологических свойств зерна и изучению процессов получения и сбраживания сусла из обработанного зерна; разработать комплексную технологию переработки зерна на этиловый спирт и пищевые белковые продукты (препараты или композиты) на основе:

• определения параметров получения белковых продуктов из фракций зерновых культур, анализа их биологической ценности и функциональных свойств;

• исследования химического состава вторичных продуктов от производства белков, изучения процессов получения и сбраживания сусла с их использованием; разработать технологию этанола на основе ИК-обработки зерна, для чего:

• выявить влияние температур микронизации сырья и его влажности на технологические показатели зерна, на основе которых разработать реологическую модель;

• установить режимы и параметры получения сусла из ИК-обработанного зерна и оптимизировать стадию сбраживания сусла; разработать ресурсосберегающую технологию этанола из топинамбура, включая:

• исследования фруктозано-пектиназного комплекса клубней и выявления экономически целесообразных способов подготовки сырья к сбраживанию;

• выбор способов асептирования сусла и установление влияния концентрации асептиков на физиологическое состояние спиртовых дрожжей;

• исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура; разработать способ получения осветленного сусла из топинамбура, в том числе:

• установить влияние обработки затора целлюлазами и протеазами на процесс;

• оптимизировать технологические режимы получения осветленного сусла.

Научная новизна

На основании разработанной Концепции развития науки и техники для спиртовой отрасли предложены принципиально новые подходы к переработке крахмало- и инулинсодержащего сырья, основанные на выявлении влияния отдельных компонентов зерна и топинамбура, а также учете их распределения по анатомическим частям сырья, на эффективность стадий производства, выход и качество конечных продуктов.

Научно обоснована целесообразность изменения исходных технологических свойств зерна и предложены эффективные способы воздействия на него (биотехнологический, ИК-нагрев и др.); выявлены зависимости, характеризующие влияние режимов обработки зерна на структуру, состав сырья, показатели качества основного и дополнительных продуктов спиртового производства.

На основании выявленных зависимостей впервые для спиртовой отрасли предложено включить в комплекс, характеризующий зерно, реологические показатели, ответственные за структурно-механические свойства сырья, позволяющие оценить его углеводно-амилазный комплекс, а также выявить влияние вида зерна, его влажности, биохимического состава, способов предобработки на процесс получения сусла и бражки с позиций энергозатрат, норм внесения ферментных препаратов, качества полупродуктов спиртового производства и характеристик конечных продуктов.

Кроме разделов научной новизны, относящихся ко всему объему выполненных исследований, также:

- установлена корреляционная зависимость между фракционным и аминокислотным составами белков дифференцированных фракций пшеницы, ржи, ячменя, их смесей и выходом белковых продуктов, а также их биологической ценностью;

- научно обоснована перспективность приема рецикла в технологии этанола двух вторичных продуктов от выработки пищевых белков (крахмало-белкового продукта и сыворотки) и выявлено их влияние на выход и качество готового продукта;

- впервые в технологии этанола для целенаправленного изменения исходных свойств сырья использован способ ИК-обработки зерна, при обосновании режимов которого выявлено влияние влажности и температур его микронизации на изменение биохимических, микробиологических и реологических характеристик сырья; разработана реологическая модель, позволяющая оценить изменения технологических свойств зерна в зависимости от режимов ИК-нагрева; впервые проведены комплексные исследования по изучению фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и изменений в нем при получении и сбраживании сусла, которые позволяют научно прогнозировать выбор рациональных способов переработки инулинсодержащего сырья в этанол, а именно: проанализировано распределение фруктозанов, пектина и протопектина по анатомическим частям клубней и проведен анализ их качественных характеристик; изучены инулиназы и пектинэстераза топинамбура, определены их активности и оптимальные условия действия; выявлен активирующий эффект ионов Са+2 на процесс самоосахаривания фруктозанов клубней под действием собственных инулиназ сырья; выбраны методы асептирования сусла из топинамбура и установлено влияние концентрации асептиков на микробиологическую чистоту процесса и состояние спиртовых дрожжей; установлена целесообразность применения технологических сред разного состава при культивировании засевных дрожжей 51 сегеугягае на этапах их получения; выявлена зависимость выхода и качества осветленного сусла из топинамбура от вида и дозировок ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия и МЭК, разработанной на их основе.

Практическая ценность

Разработана комплексная технология этанола на основе нового биотехнологического способа предобработки сырья, защищенного патентом РФ № 2162103, позволяющая без снижения выхода спирта при повышении его сортности получать дополнительно высококачественный кормопродукт.

Разработана новая технология переработки зерна с выработкой этилового спирта и пищевых белковых продуктов на основе новых технических решений, защищенных патентами РФ № 2180921 и № 2210595, позволяющая интенсифицировать процесс брожения; снизить содержание в бражке на 2030% летучих примесей; вырабатывать дополнительно белковые продукты в количестве 20-35 кг на 1 т зерна без снижения выхода этанола.

Разработана ресурсосберегающая технология этанола из ИК-обработанного зерна пшеницы, позволяющая за счет совмещения стадий водно-тепловой обработки замеса и осахаривания вывести из технологической схемы аппараты АФО-1 и АФТО-2; снизить энергозатраты за счет обработки замеса при более низких температурах; уменьшить дозировки ферментных препаратов на 20-25%; увеличить выход спирта на 0,3 дал и снизить на 20% содержание в бражке летучих примесей. Технические решения получения этанола из ИК-обработанного зерна защищены патентами РФ № 2221872, № 2265663, № 2301261.

Разработана ресурсосберегающая технология этанола из топинамбура, позволяющая снизить энерго- и материалозатраты за счет исключения из процесса стадии высокотемпературной обработки сырья; гидролиза инулина клубней под действием активированных ионами Са ~ собственных инулиназ сырья, что уменьшает содержание в бражке на 20-30% летучих примесей, в том числе в 2-3 раза - метанола.

Разработаны способы и оптимизированы технологические режимы получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура, позволяющие перевести процесс его переработки с традиционных технологий на комплексные.

Новые низкотемпературные технологии этанола из инулинсодержащего сырья защищены патентами РФ № 2144084, № 2161652, № 2301832.

Разработана техническая документация, утвержденная в надлежащем порядке:

- опытно-промышленный Регламент получения спирта высокого качества с пониженным содержанием примесей из пшеницы с отделенной некрахмалистой фракцией, ОПР 10-12999-2000;

- опытно-промышленный Регламент получения этилового спирта из зерна, подвергнутого ИК-обработке, ОПР 013-06;

- опытно-промышленный Регламент получения этилового спирта из инулинсодержащего сырья - топинамбура, ОПР 10-034-07;

- ТУ «Мука белковая из продуктов переработки зерновых культур» и ТИ на процесс.

Этапы работы апробированы в условиях: ОАО «Ключанский спиртзавод», Мичуринского, Бежецкого и «Ариана-С» спиртовых заводов.

По результатам опытно-промышленных проверок разработанных технологий рассчитана условно-годовая экономия, составляющая для завода производительностью 3000 дал/сут, в зависимости от технического решения 3,61-19,87 млн. руб.

1. Обзор литературы