Разработка ресурсосберегающей технологии этанола из зерна пшеницы на основе ик-обработки сырья

На правах рукописи

Стребкова Ольга Сергеевна

РАЗРАБОТКА ресурсосберегающей ТЕХНОЛОГИИ

ЭТАНОЛА из зерна пшеницы НА ОСНОВЕ

ИК-ОБРАБОТКИ СЫРЬЯ

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 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств».

Научный руководитель:	кандидат технических наук, доцент Крикунова Людмила Николаевна
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Иванова Людмила Афанасьевна ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» кандидат технических наук Жабкина Татьяна Николаевна ФГУП «Росспиртпром»
Ведущая организация:	Московский Государственный Университет технологий и управления

Защита состоится «14» ноября 2007 года в 1200 ч., ауд. III-101 на заседании Диссертационного Совета Д 212.148.04 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское ш., 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП.

Автореферат разослан «___» ____________ 2007 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета

д.т.н., проф. Крюкова Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди приоритетных в спиртовой отрасли активно развивается направление, посвященное совершенствованию технологий, основанных на подготовке сырья к сбраживанию с использованием низкотемпературных схем его переработки. Имея несомненные преимущества, данные технологии характеризуются своими сдерживающими их широкое внедрение факторами.

Во-первых, жесткие требования к качественным характеристикам помолов.

Во-вторых, для достижения хорошей подготовленности крахмала в схемах механико-ферментативной обработки сырья требуется применение достаточно высоких норм дозировок ферментных препаратов, при этом процесс проходит многоступенчато, а это связано с усложнением аппаратурно-технологической схемы производства.

В-третьих, классическая технология механико-ферментативной обработки сырья не предусматривает способов, повышающих микробиологическую чистоту исходного сырья. Вместе с тем общеизвестно, что на спирт перерабатывается фуражное зерно, характеризующееся повышенным содержанием бактериальной и грибной микрофлоры.

Решение перечисленных проблем может быть осуществлено при внедрении в спиртовое производство стадии высокотемпературной микронизации зерна. Данный способ нашел широкое применение при производстве продуктов в ряде отраслей пищевой промышленности. Для его осуществления отрасль имеет промышленно выпускаемое отечественное оборудование, постоянно совершенствующееся как с позиции энергоемкости, так и достигнутой производительности аппаратов.

Метод ИК-обработки позволяет целенаправленно изменять исходные технологические свойства сырья. Причем, глубина и характер данных изменений зависят от режимных параметров нагрева, характеристик обрабатываемого материала и требований конкретной отрасли. В технологии спиртового производства способу ИК-нагрева зерна до настоящего времени не уделялось должного внимания.

Учитывая всё вышеперечисленное, исследования по разработке научно-практических основ создания новой ресурсосберегающей технологии этанола из ИК-обработанного зерна пшеницы, несомненно, актуальны и перспективны.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка ресурсосберегающей технологии этанола из зерна пшеницы с целенаправленно измененными при установленных режимах ИК-обработки технологическими свойствами, позволившими получать осахаренное сусло повышенного качества по одноступенчатой низкотемпературной схеме переработки сырья.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:

- провести сравнительную характеристику методов оценки прочностных свойств зерна;

- исследовать влияние исходной влажности зерна и режимов ИК-обработки пшеницы на процесс измельчения контрольных и опытных образцов зерна с использованием приставки-твердомера к фаринографу;

- провести оценку состояния углеводно-амилазного комплекса зерна по амилограммам;

- оценить влияние режимов ИК-обработки зерна на его биохимические характеристики, в том числе ферментативную атакуемость крахмала и белка пшеницы;

- установить влияние режимов ИК-обработки зерна на содержание эпифитной и субэпидермальной микрофлоры пшеницы;

- разработать низкотемпературный одноступенчатый способ получения сусла и установить влияние дозировок ферментных препаратов разжижающего и осахаривающего действия, а также микробных протеаз на основные показатели его качества;

- определить факторы, влияющие на процесс сбраживания сусла, полученного из ИК-обработанной пшеницы; провести сравнительный анализ образцов зрелой бражки на содержание этилового спирта и вредных летучих примесей;

- оптимизировать процесс сбраживания пшеничного сусла из ИК-обработанного зерна;

- разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола из пшеницы с включением стадии высокотемпературной микронизации зерна.

Научная новизна. Проведена сравнительная характеристика методов оценки прочностных свойств зерна, по результатам которой рекомендованы ранее не используемые в спиртовой отрасли методы по исследованию гранулометрического состава помолов и определению по кривым дробления «Условной работы дробления».

Впервые исследован процесс измельчения пшеницы с использованием приставки-твердомера к фаринографу и показано, что энергозатраты на получение мелкого помола зависят от исходной влажности зерна и температур его ИК-обработки.

Получены новые данные по оценке состояния углеводно-амилазного комплекса контрольных и опытных проб пшеницы по основным параметрам амилограмм (энергия деструкции крахмала, в том числе фракций амилозы и амилопектина, а также максимальное усилие перемешивания и соответствующая ему температура клейстеризации).

Установлено влияние глубины и характера процессов деструкции в углеводном и белковом комплексах пшеницы от режимов ИК-обработки зерна.

Научно обоснованы различия в воздействии способов конвективного и ИК-нагрева зерна на эпифитную и субэпидермальную микрофлору пшеницы.

Выявлена корреляционная зависимость между реологическими, биохимическими и микробиологическими характеристиками ИК-обработанной пшеницы и качественными показателями полупродуктов спиртового производства.

Исследованы процессы и научно обоснованы режимы при получении и сбраживании сусла из ИК-обработанного зерна пшеницы, на основании которых предложен новый способ производства этилового спирта, защищенный Патентом РФ № 2265663.

Практическая ценность. Экономически обоснована перспективность включения в технологическую схему производства этанола из зерна аппаратов по ИК-обработке сырья, позволяющих, в зависимости от режимных параметров процесса, целенаправленно изменять технологические свойства сырья, а именно:

- снижать прочность зерна и, как следствие, получать мелкие и равномерные помолы из пшеницы со сниженными на 40-50 % против контроля энергозатратами;

- повышать за счет деструкции ферментативную атакуемость крахмала и белка сырья;

- значительно снижать содержание в зерне эпифитной и субэпидермальной микрофлоры, в результате чего получать возможность перерабатывать сырье по низкотемпературным схемам без ухудшения микробиологических показателей бражки.

Разработана ресурсосберегающая технология этанола из ИК-обработанного зерна пшеницы, позволяющая:

- совместить стадии водно-тепловой обработки замеса и осахаривания разваренной массы, что значительно упрощает технологический процесс;

- снизить энергозатраты при получении сусла за счет обработки замеса при более низких температурах (58-60 С, вместо пауз при 65-70 С и 95-98 С);

- уменьшить дозировки осахаривающих ферментных препаратов в среднем на 20-25 %;

- увеличить выход спирта из 1 т условного крахмала сырья на 0,3 дал и снизить на 20 % содержание в бражке летучих примесей.

Разработан опытно-промышленный регламент получения этилового спирта из зерна, подвергнутого ИК-обработке ОПР 013-06.

Проведена опытно-промышленная проверка новой технологии этанола из ИК-обработанного зерна пшеницы в условиях спиртзавода «Ариана-С».

По результатам опытно-промышленной проверки рассчитана условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции по проектируемому варианту, которая для спиртового завода мощностью 3000 дал/сут составила 3,61 млн. руб. при сроке окупаемости капитальных затрат 1 год и 3 месяца.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на студенческой научной конференции «НИРС-2004» (М., 2004 г.), на II Всероссийской научно-технической конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (М., 2004 г.), на III Юбилейной международной выставке-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (М., 2005 г.), на V Ежегодной международной молодежной конференции «ИБХФ РАН-ВУЗЫ» (М., 2005 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития пищевой промышленности России» (Оренбург, 2005г.), на VI Международной научно-практической конференции «Перспективные направления научно-технического развития спиртовой и ликероводочной отрасли пищевой промышленности» (М., 2007 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 13 публикациях, включая 4 статьи и 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной и экономической частей, выводов, списка литературы из 198 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 164 страницах машинного текста, содержит 23 рисунка и 41 таблицу.

1. Обзор литературы

В обзоре литературы приведены данные о возможных способах совершенствования существующих технологий переработки сырья в этанол. Дана характеристика физических методов, позволяющих целенаправленно изменять исходные технологические свойства зерна. Рассмотрены примеры использования метода ИК-нагрева зерна в ряде отраслей пищевой промышленности для улучшения качественных показателей сырья.

2. Экспериментальная часть

2.1. Материалы и методы исследования

Исследования осуществляли в лабораторных и промышленных условиях на базах ГОУ ВПО МГУПП и ООО «ПК Старт». Объектом исследования являлось зерно пшеницы урожаев 2003-2006 гг., поступившее в производство на спиртовые заводы РФ.

ИК-обработку зерна проводили на промышленной установке марки УТЗ-4.

На стадии получения сусла применяли ферментные препараты зарубежного производства: Ликвамил 1200, Конверзим АМГ-300, Нейтраза 0,5 Л, Алкалаза 2,4 Л ФГ.

Анализ биохимических показателей исходного и ИК-обработанного зерна пшеницы проводили с использованием: химического метода для определения условной крахмалистости зерна; метода Попова М.П.-Шаненко Е.Ф. для анализа содержания декстринов; метода Шомодьи-Нельсона для определения свободных редуцирующих сахаров; метода Къельдаля для определения общего белка; метода формольного титрования для определения содержания аминного азота.

Реологические свойства зерна исследовали с использованием приборов «Амилотест АТ-97», «Структурометр СТ-1», «Приставка- твердомер к фаринографу».

Контроль микробиологического состояния зерна и полупродуктов спиртового производства осуществляли путем идентификации и подсчета бактериальной и грибной микрофлоры при высеве на чашки Петри с селективными питательными средами, а также методом самозакисания проб.

Анализ полупродуктов спиртового производства проводили с применением общепринятых в отрасли методов.

2.2. Результаты исследований и их обсуждение

2.2.1. Термообработка зерна пшеницы ИК-излучением

Термообработка зерна ИК-излучением относится к одному из перспективных способов целенаправленного изменения технологических свойств зерна и достаточно широко используется при производстве ряда продуктов. В технологии переработки зерна в этанол она до настоящего времени не применялась.

Настоящая работа предусматривала выполнение целого комплекса исследований по изучению основного сырья спиртового производства путем определения его физических, реологических, биохимических и микробиологических характеристик.

Параметрическая схема процесса целенаправленного изменения технологических свойств пшеницы при ИК-обработке зерна представлена на рисунке 1. Перечисленные в схеме показатели, определяющие технологические свойства зерна, оценивались в аспекте использования пшеницы в технологиях производства этанола, основанных на низкотемпературных схемах его переработки. В качестве объектов исследования использовали четыре пробы зерна (W=12,0%; 14,0%; 16,0%; 18,0%). Обработку зерна проводили при температурах 110-150 С и мощности лучистого потока Е=22-24 кВт/м2.

Первый этап работы посвящен изучению реологических характеристик исходного и ИК-обработанного зерна. В целом, реологическое поведение материалов – достаточно емкое понятие. В спиртовом производстве термин «реологический» связывают, в основном, только с подвижностью сред.

Возмущающие параметры

ПВС ХС ТО

Кр

Wз Гр.с.

tн Адр

Ауд

Е

КОЕ

Фат

Н П Гр.с. М Адр F Ауд Ауд* Ауд** КОЕ Кр Д Б Фат

Измеряемые и рассчитываемые параметры

Wз-влажность зерна; tн-температура ИК-нагрева; Е-интенсивность ИК-нагрева; ПВС-параметры внешней среды; ХС-химический состав сырья; ТО-технологические отклонения; Н-натура зерна; П-плотность зерна; Гр.с.-гранулометрический состав помолов; М-модуль крупности; Адр-условная работа дробления; F-максимальное усилие перемешивания замеса; Ауд-удельная энергия деструкции крахмала; Ауд*-удельная энергия деструкци амилозы; Ауд**-удельная энергия деструкции амилопектина; КОЕ-уровень микробиологической чистоты зерна; Кр-условная крахмалистость зерна; Д-массовая доля декстринов; Б- массовая доля растворимого белка; Фат-ферментативная атакуемость крахмала и белка зерна.

Рис. 1. Параметрическая схема процесса целенаправленного изменения технологических

свойств пшеницы при ИК-обработке зерна

Вместе с тем, структурно-механические свойства зерна, ответственные за процесс измельчения сырья, также относятся к реологическим.

По мнению специалистов выполненные до настоящего времени исследования, и полученные экспериментальные данные не позволяют объяснить сложные явления, происходящие в процессе измельчения, установить все влияющие на них факторы. Для определения последних необходимо в первую очередь выбрать достоверные методы оценки прочностных свойств зерна.

Сравнительная характеристика методов оценки прочностных свойств зерна

В настоящей работе в качестве оценки прочностных свойств зерна были выбраны: классический для спиртовой отрасли метод (проход помола через сито с d=1 мм), метод определения гранулометрического состава помолов и расчета модуля крупности, а также методы исследования прочностных свойств зерна на приборе «Структурометр СТ-1» и определения доступности зерна к дроблению с использованием приставки-твердомера к фаринографу.

Показано, что классический метод оценки помолов не позволяет объективно оценить прочностные свойства зерна.

Среди изученных методов самыми объективными и точными являются: метод исследования гранулометрического состава помолов и расчета модуля крупности и метод определения доступности зерна к дроблению с использованием приставки-твердомера к фаринографу. Последний (табл. 1), характеризующийся максимальной относительной ошибкой на уровне 2–3 %, позволяет достоверно выявить влияние исходной влажности зерна на показатель Адр. ср.

Таблица 1.Влияние влажности пшеницы на показатель «Адр»

Показатели		Влажность зерна
		W=12%	W=14%	W=16%	W=18%
Адр, усл.ед. (номер пробы)	1	72,0	76,5	88,0	109,5
	2	71,0	78,9	87,1	103,7
	3	74,5	76,8	91,0	105,8
Адр.ср, усл.ед.		72,5	77,4	88,7	106,3
Максимальная относительная ошибка ()		2,8	1,9	2,6	3,0
Интервал варьирования Адр.ср с учетом , усл. ед.		70,574,5	75,979,4	86,491,0	103,1109,5