Способ производства этилового спирта из топинамбура

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к способу производства этилового спирта. Топинамбур измельчают, приготавливают из него замес, добавляют соль сульфата кальция и мультэнзимную композицию из ферментов протеолитического действия в количестве 3,5-4,0 ед. ПС на 1 г сырья и цитолитического действия в количестве 0,2-0,5 ед. ОЦС на 1 г сырья. Полученный замес гидролизуют в течение 4-5 часов с получением неосветленного сусла, которое затем разделяют на осветленное сусло и твердый остаток. Твердый остаток используют для производства пектинопродуктов, а осветленное сусло охлаждают, асептируют и сбраживают в течение 24-36 часов. Полученную бражку разделяют на жидкую и густую фракции, из которых густую используют для производства дрожжей, а жидкую перегоняют с получением этанола. Изобретение позволяет повысить качество этилового спирта за счет снижения содержания вредных летучих примесей и интенсифицировать процесс сбраживания благодаря увеличению степени гидролиза углеводов топинамбура и накоплению в осветленном сусле значительных количеств свободных сахаров.

 

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к способу производства этилового спирта из топинамбура.

Известен способ производства этилового спирта из топинамбура, включающий измельчение клубней, кислотный гидролиз в мягких условиях (разбавленной серной кислотой при температуре 45°С) с одновременным асептированием сусла, нагрев сусла до температуры 75-85°С, гомогенизацию в течение 3-4 часов, охлаждение и сбраживание [1].

Недостатками данного способа являются пониженный выход и качество этилового спирта из-за неполной деструкции фруктозанов топинамбура при действии разбавленной серной кислоты, возможности разрушения образовавшейся фруктозы в процессе длительной гомогенизации, перевода нерастворимого протопектина сырья в экстракт при кислотном и интенсивном механическом воздействии на измельченную массу, вследствие чего в бражке повышается содержание метанола.

Наиболее близким к предлагаемому является способ производства этилового спирта из топинамбура, предусматривающий измельчение клубней топинамбура, гидролиз измельченной массы под действием собственных инулиназ сырья, активированных вводом в среду ионов кальция в виде сульфата, асептирование сусла низином, сбраживание производственными дрожжами, полученными путем поэтапного пересева на среды со снижением в них доли традиционного крахмалосодержащего компонента [2].

Недостатками данного способа являются пониженное качество этилового спирта из-за накопления в бражке метанола и других вредных летучих примесей, причинами которых являются процессы разрушения протопектина топинамбура, происходящие на стадии сбраживания, а также процессы, идущие на стадии ректификации при перегонке бражки, полученной на неосветленном сусле.

Кроме того, способ характеризуется длительностью сбраживания (40-48 ч) и низкой эффективностью использования основного сырья.

Техническим результатом данного изобретения является повышение качества этилового спирта, интенсификация процесса сбраживания, повышение эффективности использования основного сырья.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ производства этилового спирта из топинамбура характеризуется тем, что предусматривает измельчение клубней, приготовление замеса с внесением мультэнзимной композиции из ферментов протеолитического действия в количестве 3,5-4,0 ед. ПС на 1 г сырья и цитолитического действия в количестве 0,2-0,5 ед. ОЦС на 1 г сырья, гидролиз замеса при температуре 50-55°С в течение 4-5 часов, с получением неосветленного сусла, которое разделяют на осветленное сусло и твердый остаток, последующие охлаждение осветленного сусла, его асептирование и сбраживание при температуре 28-30°С в течение 24-36 часов с получением бражки, которую разделяют на жидкую и густую фракции, первую из которых перегоняют с получением этилового спирта, а вторую - используют для производства дрожжей, при этом твердый остаток, полученный при разделении неосветленного сусла, используют для получения пектинопродуктов.

Основной трудностью получения качественного этилового спирта из топинамбура является повышенное в 3-5 раз по сравнению с картофелем и более чем в 10 раз по сравнению с зерном содержание в клубнях пектиновых веществ, являющихся потенциальными источниками накопления в бражке метанола.

При разработке способов переработки топинамбура необходимо учитывать, что основная часть пектиновых веществ клубней представлена нерастворимым протопектином, относящимся к высокоэтерифицированному, перевод которого в раствор может происходить как на стадии получения сусла, так и на стадии его сбраживания. Растворимый пектин далее под действием высокоактивной пектинэстеразы сырья гидролизуется с образованием частично или полностью деметоксилированной полигалактуроновой кислоты и метилового спирта.

Получение неосветленного сусла, предусматривающего измельчение клубней, приготовление замеса из измельченной массы и воды с добавлением в него ионов Са⁺², его гидролиз при температурах 50-55°С в течение 2-3 часов (по прототипу) практически не сопровождается разрушением протопектина клубней в связи с кратковременностью процесса и неоптимальными температурными условиями действия ферментов, принимающих участие в деструкции протопектина.

Напротив, в процессе сбраживания неосветленного сусла идет разрушение протопектина клубней, так как при температуре 30°С активность ферментов, гидролизующих протопектин выше, чем при 50-55°С, а главное значительно увеличивается длительность процесса с 2-3 ч на стадии приготовления сусла до 40-48 ч на стадии сбраживания.

Дополнительные примеси, в том числе и метанол, образуются при перегонке бражки, полученной при сбраживании неосветленного сусла, за счет термических процессов, идущих в нерастворимых веществах сырья (в твердой фазе бражки).

Поэтому основной путь снижения примесей в этиловом спирте - сбраживание и перегонка осветленного сусла.

При получении осветленного сусла все потенциально сбраживаемые углеводы сырья должны быть переведены в жидкую фазу. Однако при разделении неосветленного сусла, полученного по режимным параметрам прототипа, в осветленное сусло переходит не более 60-65% всех потенциально сбраживаемых углеводов сырья, причем значительная их часть представлена полифруктозанами, которые непосредственно плохо несбраживаются спиртовыми дрожжами.

Оставшиеся в твердом остатке 35-40% высокомолекулярных фракций полифруктозанов и инулина находятся в сырье в связанном состоянии и не доступны для действия собственных гидролаз сырья. Внесение в замес мультэнзимной композиции из ферментов протеолитического действия в количестве 3,5-4,0 ед. ПС на 1 г сырья и цитолитического действия в количестве 0,2-0,5 ед. ОЦС на 1 г сырья приводит к высвобождению углеводов, находящихся в связанном состоянии, и переводу их в жидкую фазу. Вместе с тем указанные режимы получения замеса и его гидролиза не сопровождаются разрушением протопектина сырья. После разделения неосветленного сусла на осветленное сусло и нерастворимый остаток в последний переходит основная часть пектиновых веществ клубней. А поэтому при сбраживании осветленного сусла метанол не накапливается. Кроме того, на стадии перегонки бражки, полученной при сбраживании осветленного сусла, также образуется меньше вредных летучих примесей, чем при перегонке бражки, полученной при сбраживании неосветленного сусла.

Увеличение продолжительности гидролиза замеса до 4-5 часов позволяет не только перевести в жидкую фазу все потенциально сбраживаемые углеводы сырья, но и провести их глубокий гидролиз. Содержание свободных сахаров, сбраживаемых спиртовыми дрожжами, возрастает до 70% от суммарных углеводов. Как следствие, сокращается длительность сбраживания до 24-36 часов.

Повышение эффективности использования основного сырья достигается за счет выработки трех конечных продуктов:

- высококачественного этилового спирта из жидкой фракции бражки;

- дрожжей из густой фракции бражки;

- пектинопродуктов из твердого остатка.

Способ осуществляют следующим образом. Топинамбур моют, измельчают, измельченное сырье смешивают с водой, добавляют соль сульфата кальция и мультэнзимную композицию из ферментов протеолитического действия в количестве 3,5-4,0 ед. ПС на 1 г сырья и цитолитического действия в количестве 0,2-0,5 ед. ОЦС на 1 г сырья. Полученный замес гидролизуют при естественном рН среды, температуре 50-55°С в течение 4-5 часов. Полученное неосветленное сусло разделяют на осветленное сусло и твердый остаток. Твердый остаток используют для производства пектинопродуктов, а осветленное сусло охлаждают, вносят для асептирования раствор низина из расчета 1000-2000 ед./100 мл сусла, задают 10% от объема сусла производственных дрожжей, которые готовят путем поэтапного пересева на среды со снижением в них доли традиционного крахмалсодержащего компонента. Процесс сбраживания проводят в течение 24-36 часов. Полученную бражку разделяют на фракции. Жидкую фракцию перегоняют с получением этилового спирта, густую фракцию используют для производства дрожжей.

Пример 1.

Для приготовления этилового спирта используют 10000 кг топинамбура с содержанием суммарных сбраживаемых углеводов 22% и влаги 73%. Клубни моют и измельчают на дробилке до частиц размером не более 3 мм, затем смешивают с водой в соотношении 1:0,25, задают 0,01% сульфата кальция от массы топинамбура, вносят мультэнзимную композицию из ферментов протеолитического действия (Нейтраза) в количестве 3,5 ед. ПС на 1 г сырья и цитолитического действия (Целловиридин Г20Х) в количестве 0,2 ед. ОЦС на 1 г сырья, проводят ферментативный гидролиз замеса в течение 4-х часов при 55°С. Затем неосветленное сусло центрифугируют и получают осветленное сусло и твердый остаток. Твердый остаток используют для получения пектинопродуктов.

Приготовление производственных дрожжей ведут в несколько этапов. На первом этапе дрожжи выращивают на стерильном солодовом сусле, на втором - среда состоит из 70% солодового сусла и 30% осветленного сусла из топинамбура, на третьем - 30% солодового сусла и 70% сусла из топинамбура, на четвертом - на осветленном сусле из топинамбура. При этом на стадиях приготовления производственных дрожжей осветленное сусло из топинамбура стерилизуют в течение 20 мин при 0,05 МПа.

Осветленное сусло, предназначенное к сбраживанию, асептируют раствором низина, внося его в количестве 1000 ед./100 мл сусла. Процесс сбраживания ведут при 28-30°С, продолжительность брожения составляет 36 часов. Полученную бражку сепарируют, при этом она разделяется на жидкую и густую фазы. Густая фаза используется для производства дрожжей, а жидкая фаза направляется на перегонку для получения этилового спирта.

Выход спирта из 1 тонны условного инулина топинамбура составляет 61,9 дал, содержание общих летучих примесей без учета метанола снижается на 20%, метанола - на 75%.

Пример 2.

Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но с тем отличием, что вносят мультэнзимную композицию из ферментов протеолитического действия в количестве 4,0 ед. ПС на 1 г сырья и цитолитического действия в количестве 0,5 ед. ОЦС на 1 г сырья.

Выход спирта из 1 тонны условного инулина топинамбура составляет 62,3 дал, содержание общих летучих примесей без учета метанола снижается на 22%, метанола - на 67%.

Пример 3.

Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но с тем отличием, что гидролиз замеса проводят в течение 5-ти часов, а сбраживание осветленного сусла - в течение 24 часов.

Выход спирта из 1 т условного инулина топинамбура составляет 62,0 дал, содержание общих летучих примесей без учета метанола снижается на 21%, а метанола - на 80%.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить качество этилового спирта за счет снижения содержания вредных летучих примесей, в первую очередь метанола на 67-80%, интенсифицировать на 30% процесс сбраживания из-за увеличения степени гидролиза углеводов топинамбура и накопления в осветленном сусле значительных количеств свободных сахаров. Также способ позволяет повысить эффективность использования основного сырья, так как предусматривает получение трех конечных продуктов: высококачественного этанола, дрожжей и пектинопродуктов.

Источники информации

1. Патент РФ №2064503, 27.07.96, С12Р 7/06.

2. Патент РФ №2161652, 10.01.01, С12Р 7/06.

Способ производства этилового спирта из топинамбура, характеризующийся тем, что предусматривает измельчение клубней, приготовление замеса с внесением мультэнзимной композиции из ферментов протеолитического действия в количестве 3,5-4,0 ед. ПС на 1 г сырья и цитолитического действия в количестве 0,2-0,5 ед. ОЦС на 1 г сырья, гидролиз замеса при температуре 50-55°С в течение 4-5 ч, с получением неосветленного сусла, которое разделяют на осветленное сусло и твердый остаток, последующее охлаждение осветленного сусла, его асептирование и сбраживание при температуре 28-30°С в течение 24-36 ч с получением бражки, которую разделяют на жидкую и густую фракции, первую из которых перегоняют с получением этилового спирта, а вторую - используют для производства дрожжей, при этом твердый остаток, полученный при разделении неосветленного сусла, используют для получения пектинопродуктов.