авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Интенсификация технологии спирта с использованием ультразвука в процессе водно-тепловой обработки пшеницы

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СМИРНОВА ИРИНА ВИТАЛЬЕВНА

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СПИРТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА В ПРОЦЕССЕ

ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПШЕНИЦЫ

Специальность 05.18.07 – «Биотехнология пищевых продуктов»

(пивобезалкогольная, спиртовая и винодельческая промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена на кафедре «Процессы ферментации и промышленного биокатализа» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств».

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат технических наук, доцент

Кречетникова Александра

Николаевна

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор

Щербаков Сергей Сергеевич,

Московский государственный

университет пищевых производств

кандидат технических наук

Скрябин Владимир Игоревич,

ООО «Биотехпродукт»

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Московский государственный

университет технологий и

управления

Защита состоится «14» ноября 2007 года в 1400 на заседании Диссертационного Совета Д 212.148.04 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, 11, ауд. III-101

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП.

Автореферат разослан « » октября 2007 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета,

д.т.н., проф. Крюкова Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одним из основных направлений развития спиртовой промышленности является интенсификация технологического процесса получения спирта, в том числе стадии водно-тепловой обработки сырья, позволяющая получить спирт высокого качества. Спиртовая промышленность относится к одной из самых материалоемких пищевых отраслей, в которой статьи затрат на сырье и материалы составляют 70- 80 % калькуляции себестоимости готовой продукции. Стремление к максимально полному использованию сырья и повышению выхода спирта влечет за собой повышение требований к процессу подготовки крахмала зерна к осахариванию и сбраживанию.

Механико-ферментативный способ обработки сырья по сравнению со способами разваривания под давлением позволяет снизить технологические потери, уменьшить расход пара, улучшить условия труда. Но продолжительность водно-тепловой обработки сырья при этом увеличивается по сравнению со способами разваривания при высоких температурах. Следует учитывать, что при пониженных температурах необходим мелкий и равномерный помол, что значительно усложняет технологический процесс и повышает энергозатраты. При водно-тепловой обработке сырья при пониженных температурах возрастает риск контаминации сусла. Использование дорогостоящих ферментных препаратов приводит к повышению себестоимости спирта. В традиционной технологии спиртового производства до настоящего времени не предлагались пути решения перечисленных проблем.





Наиболее эффективным и перспективным является способ с использованием электрофизической обработки сырья. За последние годы в пищевой промышленности разработаны высокоинтенсивные технологии и аппаратура, основанные на применении электрических методов обработки зерна: электротермия, включая токи ВЧ и СВЧ, инфракрасный нагрев, электростатическое поле, ультразвук, импульсная техника. Ультразвуковая обработка сырья в производстве спирта позволит интенсифицировать процессы переработки крахмалсодержащего сырья, увеличить содержание сбраживаемых углеводов в сусле, увеличить выход спирта, сократить количества вносимых ферментных препаратов, снизить расход теплоэнергоресурсов и подавить развитие микроорганизмов – вредителей производства спирта.

Поэтому разработка способа интенсификации технологии спирта с использованием ультразвука в процессе водно-тепловой обработки пшеницы является актуальной задачей.

Цель и задачи исследований

Цель работы - разработка способа интенсификации производства спирта при воздействии ультразвука на ферменты растительного и микробного происхождения в процессе водно-тепловой обработки сырья и улучшения качества бражки за счет снижения летучих примесей спирта.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- исследовать влияние ультразвукового воздействия на активность ферментов зерна и ферментных препаратов;

- исследовать влияние продолжительности ультразвуковой обработки разваренной массы в дискретном режиме на качество сусла;

- разработать способ интенсификации процесса водно-тепловой обработки пшеницы с использованием непрерывного воздействия ультразвука на разваренную массу;

- изучить влияние степени помола пшеницы на физико-химические показатели сусла при ультразвуковой обработке разваренной массы;

- исследовать влияние ультразвуковой обработки разваренной массы на контаминацию сусла;

- изучить показатели зрелой бражки, полученной при разных режимах ультразвуковой обработки разваренной массы, снизить содержание летучих примесей и на основании сравнительного анализа выбрать наиболее эффективный вариант;

- провести опытно-промышленную апробацию результатов исследований.

Научная новизна

Изучено влияние ультразвуковой обработки на активность амилазы и протеазы пшеницы и различных ферментных препаратов.

Установлен синергизм биокатализа крахмала пшеницы под действием ферментов зерна и ферментных препаратов в процессе водно-тепловой обработки пшеницы ультразвуком.

Установлена зависимость между продолжительностью воздействия ультразвука и снижением инфицированности сусла в производстве спирта.

Установлена зависимость между активацией ферментов в процессе водно-тепловой обработки сырья ультразвуком и интенсификацией процесса брожения со снижением содержания летучих примесей спирта в бражке.

Практическая значимость

На основании многофункциональности действия ультразвука разработан способ интенсификации технологии спирта с использованием ультразвукового воздействия в процессе водно-тепловой обработки пшеницы с одновременным уменьшением летучих примесей спирта в бражке, позволивший:

- сократить продолжительность приготовления сусла на 2 ч,

- уменьшить количество ферментного препарата на 47 %,

- уменьшить степень помола пшеницы до 65 % прохода через сито с d = 1,0 мм по сравнению с 90-95 % в контроле,

- сократить процесс брожения на 8 ч,

- увеличить выход спирта на 0,2 дал/т условного крахмала,

- снизить содержание летучих примесей в бражке на 43-45 %.

Способ позволяет исключить из традиционной схемы производства спирта часть технологического оборудования (АФО2, контактную головку).

Разработанный способ интенсификации технологии спирта защищен патентом «Способ подготовки крахмалсодержащего сырья при производстве спирта» (Патент РФ № 225 22 57).

Разработанный способ интенсификации технологии спирта с использованием ультразвука в процессе водно-тепловой обработки пшеницы апробирован в условиях УСВК «Золотой век» филиала ОАО «Башспирт».

Экономический эффект от внедрения разработанного способа составит 11317 тыс. рублей в год для завода производственной мощностью 2000 дал спирта в сутки.

Апробация работы

Основные экспериментальные результаты были доложены на:

1. Юбилейной студенческой научной конференции, посвященной 75-летию МГУПП (Москва, 25 марта – 15 апреля 2005 г);

2. Шестой Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (Уфа, «Реактив», 2006 г);

3. Первой Всероссийской научно-практической конференции «Молодые ученые в реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» (Уфа, изд-во БРАУ, 2006 г).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 патент, в которых отражены основные положения диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы из 197 наименований и приложений.

Основное содержание работы изложено на 131 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 15 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость результатов исследований.

  1. Обзор литературы

В обзоре литературы рассмотрены основные технологические аспекты производства спирта. Представлена характеристика используемого сырья. Обобщены материалы по способам водно-тепловой обработки зерна, направленным на интенсификацию технологии спирта и улучшение качества готовой продукции. Рассмотрены способы электрофизической обработки сырья в производстве спирта.

Рассмотрены перспективы использования достижений нового направления в пищевой промышленности – ультразвуковая обработка сырья. Систематизированы данные по действию ультразвука на биомакромолекулы, на физико-химические процессы. Обоснованы цель и задачи исследования.

2 Экспериментальная часть

2.1 Объекты, материалы и методы исследований

Объектами исследования служили пшеница, образцы осахаренного сусла и зрелой бражки, ферментные препараты.

Аминокислотный состав сусла определяли методом ионно-обменной хроматографии на автоматическом аминоанализаторе марки «BIOTRONIK» по ГОСТ 13496.21-87 и ГОСТ 13496.22-90.

Физико-химические показатели сусла и бражки контролировали с использованием общепринятых в технологии спиртового производства методов. Определение содержания летучих примесей спирта в дистилляте бражки осуществляли на газовом хроматографе «HP 6850 Agilent Series GC System» фирмы «Хьюллет-Паккард».

Для проведения эксперимента использовали лабораторную ультразвуковую установку, снабженную дисковым излучателем ультразвуковых волн и мешалкой. Основными параметрами работы установки являлись частота колебаний 22 кГц и интенсивность колебаний 1,0 Вт/см2.

Обработку результатов экспериментов проводили с применением стандартного пакета программ.

2.2 Результаты исследований и их обсуждение

2.2.1 Исследование влияния ультразвукового воздействия на активность ферментов зерна и ферментных препаратов

Одним из основных факторов, влияющих на эффект действия ультразвука, является продолжительность обработки. Для изучения продолжительности действия ультразвука на активность ферментов зерна ультразвуковой обработке подвергали замес. В процессе обработки контролировали изменение температуры и активности ферментов зерна.

Обработку начинали проводить при температуре 20 0С. В процессе ультразвукового воздействия замес нагревался за 1 мин на 1-1,2 0С. С увеличением продолжительности ультразвуковой обработки активности -амилазы (рисунок 1) и -амилазы (рисунок 2) и протеолитическая активность (рисунок 3) возрастали и достигали максимального значения в течение 40-70 мин, 30-50 мин и 20-35 мин соответственно. Температура замеса при этом достигала 68-92 0С, 55-75 0С и 45-55 0С соответственно. При дальнейшей обработке ультразвуком активности ферментов зерна снижались.

Для выявления действия теплового эффекта ультразвуковой обработки на активность ферментов зерна проводили отдельно нагревание замеса в указанном температурном интервале. По сравнению с ультразвуковым при тепловом воздействии в течение 50-60 мин активность -амилазы зерна в 2 раза ниже, активность -амилазы и протеолитическая активность ферментов зерна в 2,5 раза меньше.

 Влияние продолжительности-0

Рисунок 1 - Влияние продолжительности ультразвукового и теплового воздействия на активность -амилазы зерна

 Влияние продолжительности-1

Рисунок 2 - Влияние продолжительности ультразвукового и теплового воздействия на активность -амилазы зерна

 Влияние продолжительности-2

Рисунок 3 - Влияние продолжительности ультразвукового и теплового воздействия на протеолитическую активность ферментов зерна

Следовательно, увеличение активности ферментов зерна объясняется не только действием нагревания в процессе ультразвуковой обработки.

Далее изучали влияние продолжительности ультразвукового и теплового воздействия на активность ферментов ферментных препаратов.

1 – ультразвуковое воздействие на активность термостабильной амилазы; 2 – тепловое воздействие на активность термостабильной амилазы; 3 - ультразвуковое воздействие на активность нетермостабильной амилазы; 4 – тепловое воздействие на активность нетермостабильной амилазы.

Рисунок 4 - Влияние продолжительности ультразвукового и теплового воздействия на активность амилазы ферментного препарата

Максимальное увеличение активности термостабильной амилазы ферментного препарата (ФП) наблюдали при ультразвуковом воздействии в течение 45-50 мин, которое в 3,5 раза больше, чем при тепловом воздействии (рисунок 4).

На основании полученных результатов готовили сусло с использованием ультразвукового воздействия при температуре 68-73 0С в дискретном режиме в течение 2 ч без применения ФП (опыт 1). Продолжительность ультразвуковой обработки составила 50 мин. В качестве контрольного варианта использовали сусло, приготовленное по механико-ферментативной схеме водно-тепловой обработки сырья с внесением ФП в количестве 1,5 ед.АС/г условного крахмала. Получали сусло аналогично контролю, но без внесения ФП (опыт 2). Содержание редуцирующих сахаров (РС) в сусле, полученном с использованием ультразвука без внесения ФП, уменьшилось на 28 % по сравнению с контролем, и увеличилось на 50 % по сравнению с опытом 2 (рисунок 5).

 Влияние ультразвуковой-4

Рисунок 5 - Влияние ультразвуковой обработки разваренной массы на содержание РС в сусле, полученном без внесения ФП

Следовательно, ультразвуковая обработка массы позволила активировать ферменты пшеницы. Однако их активность была ниже по сравнению с контролем, и поэтому требуется внесение ферментного препарата.

2.2.2 Исследование влияния продолжительности ультразвуковой обработки разваренной массы в дискретном режиме на качество сусла

Дальнейшее исследование было направлено на интенсификацию процесса водно-тепловой обработки сырья и улучшение качества сусла. Для этого ультразвуковую обработку разваренной массы осуществляли при температуре 68-73 0С аналогично варианту, полученному в п.2.2.1, с внесением ферментного препарата в количестве 1,5 ед.АС/г условного крахмала. После обработки температуру массы понижали до 58-62 0С и осахаривали как в контроле.

 Динамика накопления РС в-5

Рисунок 6 - Динамика накопления РС в процессе ультразвуковой обработки разваренной массы

Максимальное содержание РС наблюдали при суммарной продолжительности ультразвуковой обработки, равной 50 мин (рисунок 6), которое выше, чем в контроле на 21-22 %. При дальнейшей обработке содержание сахаров оставалось на таком же уровне.

При анализе сусла было установлено, что содержание РС в опытном варианте превышало на 15,5 % по сравнению с контролем. Содержание аминного азота увеличилось на 7-8 % по сравнению с контролем. Количество декстринов в образце наблюдали на уровне контроля (рисунок 7).

 Влияние ультразвуковой-6 Влияние ультразвуковой-7

Рисунок 7 - Влияние ультразвуковой обработки разваренной массы в дискретном режиме на накопление продуктов гидролиза крахмала

(% от СВ сусла)

Общая продолжительность приготовления сусла составила 2 ч 40 мин, что на 40 мин меньше, чем в контроле (рисунок 8).

Таким образом, предложенный режим ультразвукового воздействия позволил сократить продолжительность приготовления сусла на 40 мин и улучшить физико-химические показатели сусла по сравнению с контролем.

 Схема процесса приготовления-8

Рисунок 8 - Схема процесса приготовления сусла при обработке разваренной массы ультразвуком в дискретном режиме

2.2.3 Разработка способа интенсификации процесса водно-тепловой обработки пшеницы с использованием непрерывного воздействия ультразвука на разваренную массу

Для дальнейшего сокращения продолжительности процесса получения сусла ультразвуковую обработку разваренной массы проводили в непрерывном режиме с использованием термостабильной амилазы. Для приготовления образца замес помещали в ультразвуковую установку и доводили температуру массы до 90-95 0С в течение 45 мин, затем понижали температуру и проводили осахаривание.

Максимальное содержание РС наблюдали при обработке ультразвуком в течение 45 мин (рисунок 9). Содержание сахаров в опытном варианте на 76-78 % выше, чем в контроле. При дальнейшей обработке массы ультразвуком содержание РС оставалось неизменным.

 Динамика накопления РС в-9

Рисунок 9 - Динамика накопления РС в процессе непрерывной ультразвуковой обработки разваренной массы

Содержание моно-, дисахаров в сусле, полученном при непрерывном режиме ультразвуковой обработки массы в течение 45 мин, увеличилось на 12-13 % по сравнению с контролем (рисунок 10). Содержание амилодекстринов в опытном варианте на 32-34 % меньше, чем в контроле, и на 28-30 % меньше, чем в образце, полученном с использованием ультразвука в дискретном режиме.

  Влияние ультразвуковой-10

Рисунок 10 – Влияние ультразвуковой обработки разваренной массы в непрерывном режиме на накопление продуктов гидролиза крахмала

(% от СВ сусла)

Общая продолжительность приготовления сусла составила 1 ч 25 мин, что на 2 ч меньше, чем в контроле (рисунок 11).

 Схема процесса приготовления-11

Рисунок 11 - Схема процесса приготовления сусла при обработке разваренной массы ультразвуком в непрерывном режиме

Дальнейшие исследования были направлены на уменьшение дозы внесения ферментного препарата. Для определения изменения количества РС в зависимости от дозы внесения ФП с использованием УЗ в процессе водно-тепловой обработки сырья готовили сусло по выше описанному способу. Дозу внесения ФП изменяли в интервале от 0 до 1,5 ед.АС/г условного крахмала.

Ультразвуковая обработка разваренной массы с дозой внесения ФП 0,4 ед.АС/г условного крахмала позволила получить сусло с содержанием РС, равным контролю (рисунок 12).

При дозе ФП свыше 0,8 ед.АС/г условного крахмала содержание РС практически не увеличивалось. Аналогичные изменения происходили при определении содержания аминного азота в сусле (рисунок 13).



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.