Технологийэтанола из крахмало- иинулинсодержащего сырья на основеновых дляспиртовой отрасли способов его переработки

На правахрукописи

КРИКУНОВАлЮДМИЛА НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКАРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩих ТЕХНОЛОГИйЭТАНОЛА ИЗ КРАХМАЛО- ИИНУЛИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ НА ОСНОВЕНОВЫХ дляспиртовой отрасли СПОСОБОВ

ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ

Специальность 05.18.07 -Биотехнология пищевыхпродуктов

(пивобезалкогольная, спиртовая и

винодельческая промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканиеученой степени

доктора техническихнаук

Москва – 2008

Работа выполнена вГосударственном образовательномучреждении высшего профессиональногообразования «Московскийгосударственный университетпищевых производств».

Научныйконсультант:	доктор технических наук,профессор Гернет Марина Васильевна
Официальныеоппоненты:	доктор техническихнаук, профессор Иванова Людмила Афанасьевна ГОУВПО «Московский государственный университет пищевыхпроизводств» доктор технических наук,профессор Римарева Любовь Вячеславовна ВНИИпищевой биотехнологии доктор химических наук,профессор Синицын АркадийПантелеймонович Московский государственный университет
Ведущаяорганизация:	Московский Государственный Университет технологий и управления

Защитасостоится «__» _________ 2008 годав ______ ч.,ауд._______на заседании Совета по защите докторских икандидатскихдиссертацийД 212.148.04 при ГОУ ВПО «Московскийгосударственный университет пищевыхпроизводств» по адресу: 125080, г. Москва,Волоколамское ш., 11

С диссертацией можноознакомиться в библиотеке ГОУ ВПОМГУПП.

Отзыв на автореферат вдвух экземплярах, заверенных печатьюучреждения, просим направлять по адресу:125080, г. Москва, Волоколамское ш., 11, МГУПП,ученому секретарю Совета по защитедокторских и кандидатскихдиссертаций.

Автореферат разослан«___» ____________ 2008 г.

Ученый секретарь Советапо защите докторских

и кандидатских диссертаций,д.т.н.,проф.Крюкова Е.В.

ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Среди шести приоритетныхнаучных направлений, определенныхКонцепцией развития науки и техники дляспиртовой и ликеро-водочной отрасли напериод до 2010 года, выделяют направления:«Этиловый пищевой спирт из традиционныхвидов сырья по новым технологиям» и«Этиловый пищевой спирт из нетрадиционныхвидов сырья». Такая постановка вопросаобусловлена низкой рентабельностьюотечественных заводов, их большойматериало- и энергоемкостью и теснойзависимостью от сырьевой базы.

В современных условияхжесткой конкуренции предприятия могутуспешно работать только при условиирешения экологических проблем и выпускаконечной продукции, отвечающейтребованиям потребителя одновременно подвум параметрам: качество и себестоимость.Несоответствие продукции хотя бы по одномуиз них делает еенеконкурентоспособной.

Анализ состоянияотечественной спиртовой отраслипоказывает, что на данном этапе основнымсдерживающим фактором существенногоповышения рентабельности производстваявляется низкая эффективностьиспользования сырья. Поэтому решениепроблемы экономии материальных ресурсовдолжно осуществляться путем внедрениякомплексных технологий, предусматривающихпереработку зерна с получением несколькихценных конечных продуктов.

Наиболее перспективныеиз них основаны на разделении сырья нафракции: периферийных частей и фракциюэндосперма. Причем наибольшая часть работпосвящена технологиям с выработкойкормовых продуктов. Но, к сожалению, они внастоящее время не совершенны, так как нерешен вопрос питательной ценностикормопродукта, нет способов разделениязерна на фракции, позволяющих выделитьэндосперм без потерь крахмала, чтообусловлено реологическими свойствамисырья. Поэтому повышение эффективностипереработки зерна по данным схемамвозможно путем применения способовцеленаправленного изменения исходныхсвойств сырья и, следовательно,исследования, посвященные разработкетаких способов, несомненно, актуальны иперспективны.

Другой путьиспользования фракций периферийных частейзерна –применение их в качестве сырья дляполучения пищевых белковых продуктов.Научной базой для таких технологий служатработы российских ученых (Толстогузов В.,Красильников В., Браудо Е., Высоцкий В.,Дудкин М., Колпакова В. и др.), создавшихтеоретические и практические основывыделения пищевых белков из растительногосырья, включая вторичные продуктыпереработки зерна.

Среди однопродуктовыхсхем приоритетными являются технологии,основанные на низкотемпературных способахподготовки сырья к сбраживанию, в том числе«холодного» затирания, с успехомвнедренных, к примеру, в Германии. Имеянесомненные преимущества, эти технологии вотечественной спиртовой отрасли имеют исвои сдерживающие их широкое внедрениефакторы, в основном зависящие от исходныхсвойств перерабатываемого зерна.

Для решенияперечисленных проблем целесообразноизменить технологические свойстваисходного зерна, путем введения в схемуспециального способа предобработки. Обзорлитературных источников показывает, чтоодним из перспективных может быть способна основе ИК-обработки зерна. Однако, вспиртовой отрасли до настоящего времени онне использовался.

Другой путь повышениярентабельности производства этанолазаключается в поиске альтернативныхсырьевых ресурсов. Один из них топинамбур–инулинсодержащее сырье, являющееся, помнению специалистов, одним из самыхдешевых видов для спиртовой отрасли.Вместе с тем, клубни плохо сохраняются, апоэтому данный вид сырья можетрассматриваться только какдополнительный. Кроме того, в отличие отзерна, топинамбур содержит повышенноеколичество пектиновых веществ – потенциальныхисточников образования метанола.

Учитывая всевышеперечисленное, исследования поразработке ресурсосберегающих технологийэтанола из топинамбура, в том числекомплексных, несомненно, актуальны иперспективны.

Цель и задачиисследований. Целью настоящей работы являласьразработка ресурсосберегающих, в том числекомплексных, технологий переработкикрахмало- и инулинсодержащего сырья наоснове перспективных способовцеленаправленного изменения исходныхсвойств зерна; выделения и целевогоиспользования дифференцированных фракций;изучения фруктозано-пектиназногокомплекса топинамбура и изменений в немпри получении и сбраживании сусла.

Поставленная цельпотребовала решения следующихзадач:

–сформировать современные подходы кпереработке сырья спиртовой отрасли ирекомендовать новые методы для оценки еготехнологических свойств;

–разработать комплексную технологиюэтанола и кормопродукта на основебиотехнологической обработки зерна,включая исследования по:

• сравнительной характеристикеметодов выделения фракцийзерна;
• определению состава фракций послеизменения реологических свойств зерна иизучению процессов получения исбраживания сусла из обработанногозерна;

–разработать комплексную технологиюпереработки зерна на этиловый спирт ипищевые белковые продукты (препараты иликомпозиты) на основе:

–разработать технологию этанола на основеИК-обработки зерна, для чего:

• выявитьвлияниетемператур микронизации сырья и его влажности натехнологические показатели зерна, на основе которыхразработать реологическую модель;
• установить режимы и параметрыполучения сусла из ИК-обработанного зернаи оптимизировать стадию сбраживаниясусла;

– разработать ресурсосберегающуютехнологию этанола из топинамбура, включая:

• исследованияфруктозано-пектиназного комплекса клубнейи выявления экономически целесообразныхспособов подготовки сырья ксбраживанию;
• выборспособов асептирования сусла иустановление влияния концентрацииасептиков на физиологическое состояниеспиртовых дрожжей;
• исследование процесса сбраживаниясусла из топинамбура;

– разработать способ полученияосветленного сусла из топинамбура, в том числе:

• установить влияние обработкизатора целлюлазами и протеазами напроцесс;
• оптимизироватьтехнологические режимы полученияосветленного сусла.

Научная новизна. На основании разработаннойКонцепции развития науки и техники дляспиртовой отрасли предложеныпринципиально новые подходы к переработкекрахмало- и инулинсодержащего сырья,основанные на углубленных исследованияхзависимости отдельных компонентов зерна итопинамбура, их распределении поанатомическим частям сырья, наэффективность стадий производства, выход икачество конечных продуктов.

Научно обоснованацелесообразность изменения исходныхтехнологических свойств зерна ипредложены эффективные способывоздействия (биотехнологический, ИК-нагреви др.), выявлены зависимости глубиныизменений этих свойств от режимовуказанных способов на структуру, составсырья, показатели качества основного идополнительных продуктов спиртовогопроизводства.

На основании выявленныхзависимостей впервые для спиртовой отрасли предложено включить вкомплекс, характеризующий зерно,реологические показатели, ответственныеза структурно-механические свойства сырья,углеводно-амилазный комплекс, позволяющиевыявить влияние вида зерна, его влажности,биохимического состава, способовпредобработки на процесс получения сусла ибражки с позиций энергозатрат, норм внесенияферментных препаратов, качестваполупродуктов спиртового производства ихарактеристик конечных продуктов.

Кроме разделов научнойновизны, относящихся ко всему объемувыполненных исследований, также:

–установлена корреляционная зависимостьмежду фракционным и аминокислотнымсоставами белков фракций пшеницы, ржи,ячменя, их смесей и выходом белковыхпродуктов, а также их биологическойценностью;

– научно обоснована перспективностьприема рецикла в технологии этанола двух вторичных продуктов от выработкипищевых белков (крахмало-белкового продукта исыворотки) ивыявлено их влияние на выход и качествоготового продукта;

– впервые в технологииэтаноладля целенаправленногоизменения исходных свойств сырья использован способ ИК-обработкизерна, при обоснованиирежимов которого выявлено влияниевлажности и температур его микронизации наизменениебиохимических, микробиологических иреологических характеристик сырья;

–разработана реологическая модель,позволяющая оценить глубину изменениятехнологических свойств зерна взависимости от режимов ИК-нагрева;

– впервыепроведены комплексные исследования поизучению фруктозано-пектиназногокомплекса топинамбура и изменений в немпри получении и сбраживании сусла,позволившие научно прогнозировать выборрациональных способов переработкиинулинсодержащего сырья в этанол, аименно:

– проанализировано распределение фруктозанов, пектина ипротопектина по анатомическим частям клубней и проведен анализ ихкачественных характеристик;

– изучены инулиназы и пектинэстеразатопинамбура, определены их активности иоптимальные условия действия;

–выявлен активирующий эффект ионовСа+2 на процесссамоосахаривания фруктозанов клубней поддействием собственных инулиназсырья;

– выбраны методы асептирования суслаиз топинамбура иустановлено влияниеконцентрации асептиков на микробиологическую чистоту процесса и состояниеспиртовых дрожжей;

– установленацелесообразность применениятехнологических сред разного состава прикультивировании засевных дрожжей вида S. cerevisiae на этапах их получения;

–выявлена зависимость выхода и качестваосветленного сусла из топинамбура от видаи дозировок ферментных препаратовпротеолитического и цитолитическогодействия и МЭК, разработанной на ихоснове.

Практическая ценность. Разработана комплекснаятехнология этанола на основе нового биотехнологического способапредобработки сырья, защищенного патентом РФ № 2162103, позволяющая безснижения выхода спирта приповышении его сортности получать дополнительно высококачественный кормопродукт.

Разработана новаятехнология переработки зерна с выработкойэтилового спирта и пищевых белковыхпродуктов на основе новых техническихрешений, защищенных патентами РФ № 2180921 и №2210595, позволяющая интенсифицироватьпроцесс брожения; снизить содержание вбражке на 20-30% летучих примесей;вырабатывать дополнительно белковыепродукты в количестве 20-35 кг на 1 т зерна безснижения выхода этанола.

Разработанаресурсосберегающая технология этанола изИК-обработанного зернапшеницы, позволяющая за счетсовмещения стадий водно-тепловойобработкизамеса и осахаривания вывести из технологической схемы аппараты АФО-1и АФТО-2; снизитьэнергозатраты за счетобработки замеса при более низкихтемпературах;уменьшить дозировкиферментных препаратов на 20-25%;увеличить выход спирта на 0,3 дал иснизить на 20% содержание в бражкелетучих примесей. Технические решенияполучения этанола из ИК-обработанногозерна защищены патентами РФ № 2221872, № 2265663, №2301261.

Разработана ресурсосберегающаятехнология этанола из топинамбура, позволяющая снизить энерго- и материалозатраты за счетисключения из процессастадии высокотемпературной обработкисырья; гидролиза инулина клубней поддействием активированных ионами Са+2 собственных инулиназ сырья, чтоуменьшает содержание в бражке на 20-30%летучих примесей, в том числе в 2-3 раза– метанола.

Разработаны способы иоптимизированы технологические режимыполучения осветленного осахаренного суслаиз топинамбура, позволяющие перевестипроцесс его переработки с традиционныхтехнологий на комплексные.

Новыенизкотемпературные технологии этанола изинулинсодержащего сырья защищеныпатентами РФ № 2144084, № 2161652, № 2301832.

Разработана техническаядокументация, утвержденная в надлежащемпорядке:

–опытно-промышленный Регламент полученияспирта высокого качества с пониженнымсодержанием примесей из пшеницы сотделенной некрахмалистой фракцией, ОПР10-12999-2000;

–опытно-промышленныйРегламент получения этилового спирта иззерна, подвергнутого ИК-обработке, ОПР013-06;

–опытно-промышленныйРегламент получения этилового спирта изинулинсодержащего сырья – топинамбура, ОПР10-034-07;

– ТУ «Мука белковая изпродуктов переработки зерновых культур» и ТИ на процесс.

Этапы работыапробированы в условиях: ОАО «Ключанскийспиртзавод», Мичуринского, Бежецкого и«Ариана-С» спиртовых заводов.

По результатамопытно-промышленных проверокразработанных технологий рассчитанаусловно-годовая экономия, составляющая длязавода производительностью 3000 дал/сут, в зависимости оттехнического решения 3,61–19,87 млн. руб.

В диссертации обобщенырезультаты исследований, выполненных впериод с 1985 по 2007 годы лично автором или приего непосредственном участии в качестверуководителя диссертационных работ, атакже исполнителя НИР.

Апробация работы.Основные положения ирезультаты работы доложены на II Международномсеминаре «Экология человека: проблемы исостояние лечебно-профилактическогопитания», Пятигорск, 1993; Международной научно-техническойконференции, посвященной65-летию МГАПП, М., 1996; Международной научно-техническойконференции «Приоритетные технологии впищевой промышленности»,М., 1998; IIIМеждународной научно-техническойконференции«Пища.Экология.Человек»,М., 1999;Международнойнаучно-практической конференции«Индустрия продуктов здоровогопитания – третье тысячелетие»,М.,1999; Международной научной конференции«Прогрессивные пищевые технологии – третьемутысячелетию»,Краснодар,2000;III Международнойнаучно-практической конференции,посвященной 70-летию ВНИИПБТ, М., 2001;Юбилейной международнойнаучно-практической конференции «ПищевыепродуктыXXIвека», М.,2001; Всероссийскойнаучно-практическойконференции-выставке «Качество и безопасностьпродовольственного сырья и продуктовпитания», М., 2002;IVМеждународной научно-практическойконференции «Прогрессивные технологии и современноеоборудование–важнейшие составляющие успеха экономическогоразвитияпредприятий спиртовойпромышленности», М., 2003;Всероссийскойнаучно-практической конференции«Перспективы развития пищевой промышленностиРоссии», Оренбург, 2005; III Юбилейнойвыставке-конференции «Высокоэффективные пищевыетехнологии, методы и средства для ихреализации», М., 2005;Международной научно-практическойконференции «Рациональное использованиебиоресурсов в АПК», Владикавказ, 2006; VI Международнойнаучно-практической конференции«Перспективные направления научно-техническогоразвития спиртовой и ликероводочнойотрасли пищевой промышленности», М., 2007; V Юбилейнойшколе-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы исредства для их реализации»,М., 2007.

Публикации. Основные результаты работыизложены в 67 публикациях,включая 6отдельных изданий, 13 Авторскихсвидетельств и Патентов РФ, 48 статей.

Структура и объемдиссертации. Диссертационнаяработа состоит из введения, обзоралитературы, экспериментальной части,выводов, списка литературы из 425наименований и 18 приложений. Основноесодержание работы изложено на 278 страницахмашинного текста, содержит 35 рисунков и 68таблиц.

1. Обзор литературы

В обзоре литературыприведены данные о научно-практическихаспектах переработки крахмало- иинулинсодержащего сырья в спиртовомпроизводстве. Освещены вопросы исходныхсвойств зерна и способов ихцеленаправленного изменения. Рассмотренытехнологии переработки сырья по одно- имногопродуктовым схемам. Представленыматериалы о современных подходах коптимизации процесса сбраживания сусла. Раскрытыфакторы, определяющие перспективностьиспользования топинамбура в технологииэтанола и проблемы егопереработки.

2. Экспериментальнаячасть

2.1. Материалы, методыисследования и используемое оборудование

Объектами исследованийв работе являлось зерно урожаев 1998-2006 гг.,поступившеена спиртовые заводы РФ, а также клубнитопинамбура сорта Скороспелка урожаев1998-2000 гг. и 2003-2005 гг., выращенные вМосковской области.

Вкачествеосахаривающихматериалов применяли отечественныеи зарубежныеферментные препараты: Амилосубтилин Г3х,Амилолихитерм Г20х, БАН 240Л, Термамил 120Л,Ликвамил 1200,Спирицим БА-Т, Бирзим амил СТ, Бирзим амилХТ, Альфа–амилаза CORMEY AAL,Конверзим АМГ-300, САН Экстра Л.

На отдельных стадияхпереработки сырья использовали:Целловиридин Г3х, КсилоглюканофоетидинП10х, Kl mix (МГУ), Bl mix (МГУ), Пектофоетидин П3х,Бирзим Пента, Бирзим BG, Бирзим BG Супер,Спирицим BG, Целлюкласт 1,5Л, Шеарзим 500Л,Новозим 188Л, Нейтраза 0,5Л, Алкалаза 2,4ЛФГ.