Культивирование дрожжей в производстве спирта

ИЗ КРАХМАЛИСТОГО СЫРЬЯ

Производственными или зрелыми дрожжами в спиртовом производстве называют готовую культуру дрожжей, которую получают в результате сбраживания питательного сусла на 2/3 от первоначального содержания сухих веществ. Существуют периодический, полунепрерывный и непрерывный способы культивирования дрожжей. Рассмотрим подробно один из них.

ПЕРИОДИЧЕСКОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ

Сущность способа периодического культивирования состоит в том, что все операции — подготовка сусла, ввод посевных дрожжей, их выращивание, вывод дрожжей, промывка стенок и их стерилизация, охлаждение и повторение наполнения — осуществляют последовательно в одном дрожжевом аппарате (дрожжанке). Это герметически закрытый цилиндроконический аппарат, снабженный двумя рядами змеевиков (для пара и для воды) с мешалкой. Вместимость дрожжевого аппарата обычно около 8 % вместимости бродильного аппарата, а количество равно числу этих аппаратов (при подкислении дрожжевого сусла серной кислотой). В случае приготовления молочнокислых дрожжей число дрожжевых аппаратов примерно в 1,5 раза больше.

 

Рис. 5. Дрожжанка.

 

ПОЛУНЕПРЕРЫВНОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ

Сущность способа полунепрерывного культивирования, предложенного Е. П. Скалкиной, заключается в том, что все операции приготовления дрожжевого сусла проводят в отдельном аппарате — пастеризаторе, расположенном выше двух дрожжевых аппаратов. Устройство пастеризатора такое же, как и дрожжевого аппарата, только вместимость его на треть меньше.

 

НЕПРЕРЫВНОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ

Сущность метода непрерывного культивирования состоит в том, что он осуществляется проточно в одном или нескольких последовательно соединенных аппаратах — дрожжегенераторах. Осахаренное сусло поступает в первый (головной) аппарат, в который вносят и маточные дрожжи. Засеянная ими питательная среда перемещается по аппаратам и выводится в виде готовой культуры дрожжей из последнего (концевого) дрожжегенератора в бродильную батарею (головной ее аппарат).

Принципиальная технологическая схема установки для непрерывно-проточного культивирования дрожжей приведена на рисунке.

Сусло поступает в сборники 1, в них оно доосахаривается при температуре 55 °С в течение 45...60 мин и насосом 2 прокачивается через контактную головку 3 для нагревания до 75...78 °С, пастеризуется в течение 20...30 мин в выдерживателе 6, проходит сепаратор 5, в котором выделяющийся из сусла вторичный пар отсасывается эжектором 4 с помощью острого пара и возвращается в контактную головку 3. Далее сусло насосом 7 подается в теплообменник 8, где охлаждается до 22...24°С, а затем направляется в два головных дрожжегенератора 9. Одновременно из третьего дрожжегенератора 9 подается 19, 20 или 30 % маточной культуры дрожжей насосом 10. Непрерывное заполнение этих дрожжегенераторов в зависимости от объема маточной культуры продолжается соответственно 16, 12 и 8 ч.

Для поддержания постоянной концентрации дрожжевых клеток на уровне 80...90 млн/мл скорость притока сусла по времени должна возрастать.

 

Рис. 6. Технологическая схема установки для непрерывно-проточного культивирования дрожжей.

Во второй ступени — дрожжегенераторе 11 большего объема вместе с непрерывным притоком культуры из дрожжегенераторов 9 вводится также непрерывно сусло температурой 30 °С из общей производственной магистрали. Культивирование продолжается такое же время, как и в дрожжегенераторах 9, при этом скорость притока сусла регулируется с расчетом поддержания концентрации дрожжевых клеток на уровне 80...90 млн/мл.

По аналогичному принципу и за такое же время заполняется концевой дрожжегенератор 12, имеющий объем, равный объему головного аппарата бродильной батареи. Сразу же после заполнения концевого дрожжегенератора его содержимое насосом 13 перекачивается в указанный стерилизованный бродильный аппарат.

Благодаря расчленению процесса дрожжегенерации на три ступени, непрерывному последовательному наполнению суслом и периодическому освобождению дрожжегенераторов их можно стерилизовать через 8...16 ч, в результате чего обеспечиваются чистота и сохранность монокультуры дрожжей и не нарушается систематическая поставка посевных дрожжей для непрерывного брожения сусла в батарее бродильных аппаратов.

 

СБРАЖИВАНИЕ ЗЕРНО-КАРТОФЕЛЬНОГО СУСЛА

Все сусло кроме той части, что идет на приготовление дрожжей, направляют в бродильные аппараты, и содержащийся в нем сахар сбраживается дрожжами в спирт. При сбраживании зерно-картофельного сусла одновременно происходит доосахаривание декстринов. Бродящее сусло называют бражкой, или культуральной жидкостью.

На отечественных спиртовых заводах в настоящее время применяют в основном непрерывно-проточный, проточно-рециркуляционный и циклический, а на малых заводах еще периодический способы сбраживания сусла.

НЕПРЕРЫВНО-ПРОТОЧНЫЙ СПОСОБ

Сущность этого способа заключается в непрерывном притоке осахаренного сусла и вводе дрожжей в головной аппарат бродильной батареи, состоящей из нескольких последовательно соединенных между собой сосудов, в непрерывном сбраживании этого сусла и оттоке зрелой бражки из последнего, концевого, аппарата.

Концентрация дрожжей в батарее поддерживается на определенном уровне скоростью притока сусла, а отток идет по принципу сообщающихся сосудов.

С увеличением числа оборотов и порядкового номера аппарата в батарее возрастает продолжительность задержки старого сусла, а вместе с ним и развитие посторонних микроорганизмов, главным образом молочнокислых бактерий.

Если учесть, что полное освобождение первого бродильного аппарата от остатков старого сусла наступает через 6...7 оборотов (один оборот занимает 6...7 ч) и 6-й аппарат батареи полностью освобождается от указанного сусла только через 14 оборотов, то станет понятно влияние неравномерности перемещения сусла в батарее и его неоднородности на результаты брожения. Постепенно создается серьезный очаг инфекции, который неизбежно ведет сначала к сверхнормативному нарастанию кислотности, а затем к полному прекращению брожения. Это усугубляется еще ограниченным объемом засеваемых производственных дрожжей (8...15 %), характерным для способа периодического брожения. При движении бродящего сусла по переточным трубам из одного аппарата в другой происходит неравномерное распределение скоростей, следствием чего является задержка сусла у стенок труб и аппаратов, что также способствует развитию инфекции.

В этом отношении периодическое сбраживание сусла имеет то преимущество, что оно строго ограничено во времени и от начала до конца проводится в одном аппарате, который по завершении цикла стерилизуют паром. Проточное брожение — непрерывное, в каждом из аппаратов батареи осуществляется лишь часть общего процесса, продолжительность его теоретически не ограничена и не предусмотрена остановка для стерилизации. Однако из-за указанных выше особенностей и закономерностей проточного сбраживания необходимо проводить профилактическую стерилизацию аппаратов строго последовательно, по номерам аппаратов — от головного к концевому через определенные промежутки времени и независимо от состояния, степени и стадии брожения. При этом большое значение приобретает правильная трансформация параметров процесса брожения: продолжительность пребывания сусла в аппаратах, численность клеток дрожжей, скорость притока сусла, рН, температура.

Сущность профилактической стерилизации заключается в том, что через определенные промежутки времени (3 сут) непрерывный приток сусла в батарею переключается на второй головной бродильный аппарат 6 (рис. 7) и в него же насосом 12 перекачивается содержимое первого головного аппарата 5, который затем моют, стерилизуют паром, охлаждают, вновь засевают дрожжами из дрожжегенератора 4 и восстанавливают приток свежего сусла. Пока аппарат 5 наполняется, содержимое аппарата 6 перекачивается в аппарат 7. Аппарат 6 моют, стерилизуют, охлаждают и наполняют перетоком из аппарата 5. Далее содержимое аппарата 7 насосом перекачивается в аппарат 8, первый из них также моют, стерилизуют, охлаждают и подключают к перетоку. По такому же принципу осуществляют наполнение, освобождение и стерилизацию остальных аппаратов с их трубопроводами и арматурой. За стерилизуемым бродильным аппаратом сусло перекачивается насосом 12, а непрерывность его подачи во время стерилизации трубопровода обеспечивается таким же дублером, остальное время работающим параллельно.

В зависимости от всхожести солодового зерна, степени инфицирования солода, физиологического состояния перерабатываемого сырья и чистоты дрожжей время до очередной профилактической стерилизации батареи может увеличиваться до 5 и 10 суток или уменьшаться до 1,5 суток.

 

Рис. 7. Батарея непрерывно-проточного спиртового брожения с талом засеянных дрожжей 1, 2, 3, 4, 12:

1-маточник посевной культуры; 2-4 -дрожжегенераторы; 5,6 -головные бродильные аппараты; 7-11- аппараты дображивання (8, 9- не показаны); 12 -насосы; 13-спирт-ловушка

На инфицированность продуктов брожения сильно влияет правильность монтажа бродильной батареи. Нижняя точка концевого днища бродильного аппарата должна быть на 0,5 м выше всасывающей трубы насоса: с уменьшением этого расстояния насос не может перекачивать бродящее сусло, его приходится разбавлять водой, что приводит к инфицированию и перерасходу пара на перегонку. Продуктовые трубопроводы должны иметь уклон в сторону движения сусла и бражки, их надо систематически промывать и стерилизовать текучим паром. На переточных трубах следует устанавливать запорные диски для локализации стерилизуемых аппаратов на ходу.

Для обеспечения непрерывности брожения сусло должно поступать в батарею по двум параллельным линиям, и она питается через первый головной, а во время его стерилизации — через второй головной аппарат. Трубопроводы, осахариватели, насосы и теплообменники стерилизуют раздельно в каждой линии ежесуточно и последовательно. Стерилизация, неоднократно повторяющаяся через определенные периоды времени независимо от степени сброженности сусла, называется дробной профилактической стерилизацией.

При непрерывно-проточном способе сбраживания в головном бродильном аппарате устанавливается нормативная численность дрожжевых клеток 90... 120 млн/мл, что достигается увеличением объема засевных производственных дрожжей до объема головного аппарата и поддержанием в нем заданной концентрации таким регулированием притока свежего сусла, чтобы скорость разбавления была равной удельной скорости роста дрожжей.

 

ПРОТОЧНО-РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ СПОСОБ

При рециркуляции отсепарированной биомассы дрожжей без ее антисептирования возможно инфицирование продуктов брожения. Поэтому был разработан способ рециркуляции сбраживаемой среды. В результате снижается унос дрожжей, происходящий при непрерывно-проточном брожении, обеспечивается повторное использование дрожжей, а, следовательно, уменьшается расход сахара на синтез их биомассы, что сопровождается повышением выхода спирта на 0,1 дал/т крахмала.

При дальнейшем совершенствовании непрерывно-проточного брожения может быть использован способ обработки сбраживаемого сусла в головной части батареи действием вакуума для удаления ингибиторов брожения — спирта и промежуточных продуктов. Снижением концентрации спирта до 2 %, дополнительным вводом ферментов достигается интенсификация доосахаривания и брожения, а в конечном результате сокращение процесса до одних суток.

 

ЦИКЛИЧЕСКИЙ СПОСОБ

Циклический способ представляет собой разновидность полунепрерывных методов брожения, в которых взбраживание и главное брожение протекают непрерывно, а дображивание — периодически.

При правильной организации циклического брожения сокращается общая продолжительность процесса на 12... 15 %, увеличивается объем спирта с 1 м³ бродильных аппаратов до 2,3 дал/сут вместо 2,0 дал/сут при периодическом брожении, сахар выбраживается полнее, несколько улучшаются технологические показатели зрелой бражки, они лучше, чем при периодическом способе, но всегда хуже, чем при непрерывном способе брожения.

 

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ СПОСОБ

При периодическом способе брожения все операции от начала до конца проводят в одном аппарате. Приготовленное в осахаривателе сусло охлаждают до 30 °С, добавляют засевные дрожжи и выкачивают сусло насосом в каждый бродильный аппарат. При непрерывном способе осахаривания зрелые дрожжи сливают непосредственно в бродильный аппарат. В этом случае в стерилизованный и охлажденный бродильный аппарат сначала вводят 1...2 м³ сусла, затем 6...8 % засевных дрожжей от объема аппарата и дополняют его тем же суслом. Сусло с дрожжами оставляют на брожение в течение 72 ч.

 

 

Выделение продукта.

Бражка — сложная многокомпонентная система, состоящая из воды (82...90 мас. %), сухих веществ (4...10 мас. %) и этилового спирта с сопутствующими летучими примесями (5...9 мас. %, или 6... 11 об. %). В бражке всегда содержится некоторое количество диоксида углерода.

Сухие вещества бражки представлены как взвешенными частицами (дрожжи, дробина), так и растворенными в водно-спиртовой смеси органическими и неорганическими веществами (декстрины, несброженные сахара, белки, кислоты, минеральные вещества и др.). В зерно-картофельной бражке находится значительное количество взвешенных частиц, она более вязкая, чем мелассная, однако общее содержание сухих веществ в мелассной бражке обычно больше (8...10 %), чем в зерновой (5...7 %) и особенно в картофельной (3...4 %).

Все летучие примеси можно в основном разделить на четыре группы: спирты, альдегиды, кислоты и эфиры. Кроме того, выделяют группу азотистых веществ (аммиак, амины, аминокислоты), серосодержащих веществ (сероводород, сернистый ангидрид, сульфокислоты, меркаптаны) и др.

Спирт из бражки выделяют с помощью ректификации на сырцовых ректификационных установках. При этом вместе с ним отгоняется и значительная часть сопутствующих летучих примесей. Получаемый при этом продукт называется спиртом-сырцом (ГОСТ 131—85). Отходы производства этилового спирта – барда. Благодаря содержанию клетчатки, углеводов, белка и микроэлементов, она является вторичным сырьевым ресурсом и может служить сырьём для производства корма для животных и других полезных продуктов. Так же, барда может использоваться для получения биогаза.

Ректификованный спирт получают путем очистки спирта-сырца от примесей ректификацией. Различают четыре вида ректификованного спирта (ГОСТ 5962—85): люкс, экстра, высшей очистки, I сорта.