СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СПИРТА Российский патент 1994 года по МПК C12P7/00 

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к производству этанола, виноматериалов, пива и других продуктов брожения, и может быть осуществлено на предприятиях, вырабатывающих спирт, пиво, виноматериалы.

Известен проточно-рециркуляционный способ производства спирта [1], согласно которому рециркуляция сбраживаемой среды из второго, третьего и четвертого аппаратов бродильной батареи производится в первый аппарат.

Недостатком этого способа является то, что не предусматривается вывод из системы метаболитов - продуктов обмена веществ дрожжей.

Известен способ сбраживания мелассного сусла при пониженном давлении [2] , по которому брожение сусла осуществляется в бродильной батарее. Не сброженная полностью бражка после третьего бродильного аппарата поступает в узел вакуумирования, а затем в последующие четыре аппарата бродильной батареи для конечного сбраживания.

Недостатком этого способа является то, что экспоненциальная и стационарная фазы размножения дрожжей происходят в присутствии метаболитов, ингибирующих процесс брожения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ производства спирта [3], согласно которому сбраживание сусла производится в батарее с рециркуляцией, где рециркулят подвергают вакуумированию с отводом спиртовых паров на брагоректификацию, а в оставшуюся сбраживаемую среду вводят ферменты и смешивают ее с исходным суслом, а перед подачей в головные ферментеры ее выдерживают под вакуумом.

Недостатком этого способа является то, что экспоненциальная фаза развития дрожжей происходит в присутствии метаболитов, что снижает синтез этанола.

Цель изобретения - интенсификация процесса производства продуктов брожения - спирта, пива, вина, кваса за счет совмещения экспоненциальной и стацио- нарной фаз роста дрожжей при сбраживании и экономия тепла при соединении метаболитного дистиллята со слабоалкогольной зрелой бражкой перед перегонкой и ректификацией спирта.

Это достигается непрерывным сбраживанием сусла в батарее, в головном контуре которой (возбраживателе и четырех - пяти ферментерах) сбраживаемую массу ставят под вакуум и осуществляют процесс брожения при совмещении фаз адаптации, а также экспоненциального и стационарного развития дрожжей, с рециркуляцией бродящей массы в локализованном контуре из 4-5 бродильных ферментеров, при этом вакуумом выводится до 80% метаболитов в момент их синтеза, а фазу затухания и автолиза дрожжей заканчивают при атмосферном давлении в последующих трех-четырех ферментерах батареи. В целях экономии тепла конденсат метаболитов соединяют со слабоалкогольной зрелой бражкой перед перегонкой и брагоректификацией.

Сопоставленный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что применяется вакуум ко всей бродящей системе, а в прототипе - лишь на фазе адаптации дрожжевых клеток, а экспоненциальная и стационарная фазы развития дрожжей, во время которых клетки размножаются с максимальной скоростью, происходят в присутствии метаболитов, что тормозит брожение. Рециркулят вакуумируется в прототипе только для перемешивания.

Рециркуляция бродящей массы по прототипу осуществляется для повышения концентрации дрожжевой биомассы. В предлагаемом решении рециркуляции подвержена бродящая масса в период главного брожения с совмещением экспоненциальной и стационарной фаз, характеризующихся интенсивным образованием метабо- литов. Совмещение фаз происходит путем создания высокой плотности дрожжей и большего объема рециркулята (100%-ного по отношению к головному ферментеру). Таким образом, локализуется стадия интенсивного образования метаболитов, а за счет вакуумирования осуществляется 80%-ное удаление продуктов обмена.

То есть в предлагаемом способе вакуум воздействует на всю сбраживаемую систему в периоды возбраживания и главного брожения, когда скорость размножения дрожжей максимальна. Удаляется 80% метаболитов, а рециркуляции подвергается большой объем бродящей массы, что приводит к совмещению фаз брожения и локализации стадии интенсивного образования метаболитов, выводимых вакуумом с давлением 0,26-0,16 МПа.

Таким образом, описываемый способ соответствует критерию "новизна".

Известно применение вакуумирования для перемешивания, но в этом случае не достигается совмещения фаз адаптации, а также экспоненциального и стационарного развития дрожжей и удаления метаболитов. В результате проведенного сравнения известных технических решений по вакуумированию с описываемым изобретением выявлено, что ни в одном из них не обеспечивается экспоненциальной и стационарной фаз, во время которых дрожжевые клетки размножаются с максимальной скоростью и не обеспечивается вывод метаболитов, тормозящих процесс брожения. Возврат конденсата метаболитов для экономии тепла ни в одном способе получения спирта не использовался.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

По предлагаемому способу происходит сокращение длительности сбраживания сусла и увеличивается выход спирта с единицы условного крахмала, что приводит к уменьшению выхода массы побочных продуктов в производстве. Поскольку в бродящей массе содержится много молодых дрожжевых клеток, в зрелой бражке присутствует меньшее количество альдегидов, чем в исходной, так как, когда клетки молодые, в среде немного аминосоединений, выделяющихся из старых автолизованных клеток.

На чертеже изображена технологическая схема осуществления способа.

Схема включает дрожжегенератор 1, батарею ферментеров (головных бродильных аппаратов) 2, 3, 4, 5, вакуум-испарительную камеру вакуум-испаритель) 6, конденсатор 7, барометрический сборник 8, ферментеры 9, 10, 11, 12 (аппараты созревания), спиртоловушку 13, насосы 14, 15, 16 и спиртоловушки 17.

Способ осуществляется следующим образом.

Крахмалосодержащее сырье в производстве спирта, пива подвергается дроблению, тепловой обработке, осахариванию ферментами солода или ферметных препаратов с получением сусла. Мелассу подвергают гомогенизации, подкислению, асептированию и разбавлению водой с получением мелассного сусла, в которое по мере надобности могут быть добавлены различные вещества для питания дрожжей.

Полученное мелассное, зернокартофельное или пивное сусло подают частично в ферментер 2 головного контура бродильной батареи, частично - в дрожжегенератор-выдерживатель 1. В ферментер 2 одновременно задают дрожжи. Бродящее сусло перетекает из одного ферментера в другой, отбор рециркулята осуществляют из ферментеров 2, 3, 4, 5, преимущественно из ферментера 5, где заканчивается фаза стационарного роста дрожжей, и направляют в первый ферментер 2, причем все головные аппараты находятся под вакуумом (остаточное давление 0,26-0,19 МПа, при температуре 28-35^оС). При этом наблюдается интенсивное кипение бражки с выделением газо-водно-спиртовой фазы, включающей газообразные диоксид углерода, спирт и спиртопродукты. В ловушках 17 улавливаются капли жидкости из вакуумированного воздуха, чтобы они не попали в вакуум-испаритель 6, куда направляютcя летучие вещества, в том числе этанол. Пары, имеющие повышенную концентрацию легколетучих примесей, проходят в барометрический сборник 8, где происходит охлаждение с помощью охлаждающего агента. Давление в сборнике 8 и вакуум-испарителе 6 1,05-1,45 МПа поддерживают с помощью вакуум-насоса. Одновременно производят выделение диоксида углерода и улавливание в спиртоловушке 13 паров спирта, проникающих в магистраль вакуум-насоса. Конденсат спирта направляют на брагоректификацию, а вакуумированную зрелую бражку - в дрожжегенератор-выдерживатель, куда задают исходное сусло, ферментные препараты, дополнительное питание, антисептики и кислоты, подавляющие жизнедеятельность посторонней микрофлоры. В дрожжегенераторе указанная смесь при температуре 25-35^оС обрабатывается вакуумом 0,01 МПа. В дрожжегенераторе обеспечивается скорость разбавления среды, определяемая как отношение протекающего через него объема среды в единицу времени к объему дрожжегенератора, равная 0,1-0,2 ч^-1.

В условиях пониженной концентрации спирта, притока исходного сусла, ферментов и наличия вакуума жизнедеятельность дрожжевых клеток повышается, плотность популяции увеличивается от 145 до 160 млн/мл, а количество почкующихся клеток от 15 до 27% и более, что свидетельствует о переходе дрожжей из экспоненциальной в стационарную фазу их развития.

Вакуумирование бродящей массы и удаление спирта, диоксида углерода и метаболитов активизируют сбраживание сахаров. Одновременно рециркулят обрабатывают ферментами, обладающими олиго-1,6-глюкозидазной, протеолитической, популлуназной и липоксигеназной активностями. Концентрация несброженных углеводов в бражке снижается до 1,5-2,0% сухих веществ. Одновременно около 80% продуктов метоболизма, в том числе этанола, ингибирующих брожение, выводят при вакуумировании в момент их синтеза, конденсируют и подают на брагоректификацию.

Фазу затухания и отмирания дрожжей ведут при атмосферном давлении в последующих трех-четырех ферментерах батареи при температуре 25-28^оС.

П р и м е р 1 (контрольный). В качестве контрольного опыт проводили на батарее ферментеров, работающих при атмосферном давлении. В первых пяти ферментерах показатели, характеризующие процесс следующие: концентрация сухих веществ в 1,2, 3,4,5 ферментерах 12,0; 9,1; 7,2; 5,0; 4,2% соответственно, концентрация дрожжей 8,5; 9,6; 115; 110; 95 млн/мл, содержание спирта 2,5; 4,8; 5,9; 6,9; 7,4 об.%, продолжительность процесса 35 ч. Затем неполностью сброженная бражка поступает в последующие пять ферментеров, также работающих при атмосферном давлении. Показатели бражки следующие:
концентрация сухих веществ 3,0; 2,1; 1,0; 0,5; 0,2%;
концентрация дрожжевых клеток 82, 65, 51, 44, 39 млн/мл;
содержание спирта 8,0; 8,2; 8,4; 8,6; 8,8 об.%;
содержание несброженных углеводов 0,35 г/100 мл, продолжительность процесса 20 ч. Общая продолжительность процесса 55 ч. Выход спирта составил 65,00 дал/т крахмала.

П р и м е р 2. Крахмалосодержащее сырье подвергают дроблению, тепловой обработке, осахариванию ферментами солода или ферментных препаратов. Полученное сусло направляют в головную часть контура батареи - дрожжегенератор, а затем в четыре бродильных аппарата, куда одновременно задают дрожжи. В процессе брожения осуществляется переток бродящего сусла из одного ферментера в другой при непрерывной обработке вакуумом. Разрежение в системе 0,26 МПа. Концентрация сухих веществ (СВ) в 1,2,3,4,5 ферментерах составляет 8,0; 6, ; 4,8; 1,85% соответственно, концентрация дрожжевых клеток в них 145, 105, 160, 140, 105 млн/мл, концентрация спирта 0,65; 0,77; 0,81; 0,85; 0,87 об. % . Продолжительность сбраживания сусла под вакуумом 18 ч. Далее бражка поступает на дозревание в 9, 10, 11, 12 ферментеры. Концентрация сухих веществ в них составляет 0,9; 0,4; 0,1; 0,09% соответственно, концентрация дрожжевых клеток 95, 82, 78, 61 млн./мл, концентрация спирта 1,6; 1,8; 2,01; 3,05 об.%. Несброженных углеводов в ферментере 12 остается 0,25 г/100 мл, продолжительность процесса 18 ч, т.е. общая продолжительность процесса 36 ч. Выход спирта составил 65,15 дал/т крахмала.

П р и м е р 3. По прототипу при вакууме 0,0068 МПа при воздействии ферментов на сусло содержание спирта в бражке 3 об.% достигается за 51 ч, количество несброженных углеводов составляет 0,4/100 мл.

При обработке по предлагаемому методу при вакууме 0,028 МПа, при начальной концентрации сухих веществ 8% концентрация спирта составила 3 об.% через 45 ч. Содержание несброженных углеводов составило 0,38 г/100 мл. Ускорение составило 6 ч.

П р и м е р 4. При разрежении 0,20 МПа концентрация спирта после сбраживания по предлагаемому способу 2,9 об.% достигается за 34 ч, т.е. ускорение достигает 11 ч.

П р и м е р 5. При разрежении 0,12 МПа концентрация спирта 3 об.% достигается за 41 ч.

Из примеров видно, что с применением предлагаемого решения продолжительность брожения сокращается на 35%.

Качество спирта-сырца - продукта перегонки бражки, полученной по предложенному способу, выше, чем по прототипу (таблица). Следовательно, спирт-ректификат тоже будет лучшего качества, особенно значительно снижается количество альдегидов.

Кроме улучшения качества получаемого продукта - спирта снижаются энергозатраты из-за сокращения продолжительности брожения и использования тепла конденсата метаболитов.

Использование: пищевая промышленность, а именно производство спирта и других продуктов брожения. Сущность изобретения: приготовление спирта путем ввода дрожжей в питательное сусло, сбраживания его при непрерывном перетоке через батарею последовательно соединенных ферментов при атмосферном давлении, отбора рециркулятора и подачи его в головной ферментер, ввода в сбраживаемую среду ферментов и вывода зрелой бражки из хвостового ферментера, путем воздействия на сбраживаемую среду вакуумом в процессе сбраживания среды в первых 4 - 5 ферментерах батареи, путем отбора метаболитов, конденсации их с получением дистиллята и перегонки или ректификации, причем перед перегонкой дистиллят смешивают со слабоалкогольной зрелой бражкой. 1 з.п. ф-лы., 1 табл., 1 ил.

1. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СПИРТА, предусматривающий ввод дрожжей в питательное сусло, сбраживание его при непрерывном перетоке через батарею последовательно соединенных ферментеров при атмосферном давлении, отбор рециркулята и подачу его в головной ферментер, ввод в сбраживаемую среду ферментов, обладающих олиго-1,6-глюкозидазной, протеолитической, пуллуланазной и липоксигеназной активностями, и вывод зрелой бражки из хвостового ферментера, воздействие на сбраживаемую среду вакуумом, отбор метаболитов, конденсацию их с получением дистиллята и перегонку или ректификацию, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса непрерывного брожения путем совмещения лагфазы с экспоненциальной и стационарной фазами роста дрожжей и экономии тепла, воздействие вакуумом на сбраживаемую среду осуществляют в процессе сбраживания среды в первых 4 - 5 ферментерах батареи, а перед перегонкой дистиллят смешивают со слабоалкогольной зрелой бражкой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие вакуумом проводят при давлении 0,26 - 0,16 МПа.