Теоретические предпосылки.

Влияние концентрации сахара в сусле на выход этанола

При спиртовом брожении

Цель работы: знакомство с биотехнологическим способом получения этанола и методами определения показателей бражки.

Теоретические предпосылки.

В настоящее время около 150 отраслей экономики применяют этиловый спирт.

Сырье, перерабатываемое спиртовой промышленностью весьма разнообразно. По своему химическому составу все виды сырья подразделяются на три основные группы (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Классификация сырья для производства спирта

биотехнологическим способом

Пищевой спирт получают из зерна, картофеля, мелассы, сахарной свеклы, реже – сахара-сырца. Этот спирт применяют для приготовления ликероводочных изделий, виноградных и плодовых вин, а также в производстве парфюмерных изделий и ряда медицинских препаратов. Основными стадиями получения пищевого спирта являются: подготовка сырья (рассиропка и антисептирование мелассы, очистка и разваривание крахмалистого сырья); подготовка дрожжевой разводки; брожение сусла; перегонка бражки; ректификация спирта.

Получение пищевого спирта из различных видов сырья имеет свои особенности. В частности, сахар-сырец перерабатывают в виде раствора (рассиропки) в смеси с суслом из крахмалистого сырья и мелассы. Так как в сахаре-сырце, содержащем почти одну сахарозу, отсутствуют питательные вещества и микроэлементы, то сбраживание его в смеси с мелассой в большем соотношении, чем 50%, имеет свои особенности. Основные из них – дополнительный расход азотистого питания, увеличение срока брожения и меньший выход спирта. При переработке одного сахара-сырца продолжительность брожения составляет 45-50 ч, т.е. почти в два раза больше продолжительности брожения сахара мелассы. Концентрация сусла 14-15%, температура брожения в дрожжегенераторе 28-29°С, в бродильных чанах – 30-З1°С. Отброд 0,8-1,0°, кислотность 0,3-0,4° (рН 4,3-4,6), содержание несброженного сахара в бражке 0,05-0,15 г/100см³. Расход химикатов (кг/т): карбамида 7,5; ортофосфорной кислоты или диаммонийфосфата 2,5. Целесообразно добавлять кукурузный экстракт, который является источником ростковых веществ, в количестве 20 кг на 1 т сахара.

Технический спирт получают из этиленсодержащих газов (синтетический спирт), древесины (гидролизный спирт) и сульфитных щелоков (сульфитный спирт). Технический спирт применяют как исходное соединение для дальнейшего синтеза и как растворитель в производстве синтетического каучука, синтетического волокна, искусственного шелка, искусственной кожи, пластических масс, фотопленки и кинопленки, органического стекла, взрывчатых и ядовитых веществ, лаков и красок. Кроме того, спирт используют как топливо для двигателей внутреннего сгорания и приготовления антифризов.

Этиловый спирт – прозрачная бесцветная жидкость со специфическим запахом и вкусом. Этиловый спирт более летуч, чем вода. Он смешивается с водой в любых соотношениях, при этом выделяется тепло, и температура смеси повышается. Этиловый спирт очень гигроскопичен, способен поглощать влагу из воздуха, из животных и растительных тканей, вследствие чего они разрушаются. Химически чистый спирт имеет нейтральную реакцию; спирт, выработанный промышленностью, содержит небольшое количество органических кислот, поэтому реакция его обычно слабокислая. Спирт и его крепкие водные растворы легко воспламеняются и горят бледно-голубым, слабо светящимся пламенем, без выделения копоти, образуя при горении углекислый газ и воду. Спиртовые пары образуют с воздухом горючие взрывчатые смеси; при концентрации спирта в воздухе 3,28% смесь взрывается. Спирт ядовит для человека и животных, а также для микроорганизмов. Пары спирта вредны для организма человека. Предельно допустимая их концентрация в воздухе 1 мг/л, токсическая 16 мг/л.

Спиртовые заводы выпускают спирт-сырец, спирт-ректификат (обычный) и спирт-ректификат высшей очистки. Спирт-сырец – это спирт, полученный при перегонке сброженного раствора, не очищенный от примесей, содержание которых в нем 0,4-0,5%. Крепость спирта-сырца по ГОСТу не менее 88% об.

Спирт-ректификат (обычный) – это спирт, очищенный от основной массы примесей: содержание примесей в нем составляет тысячные доли процента. Крепость обычного спирта-ректификата по ГОСТу не менее 95,5% об.

Спирт-ректификат высшей очистки – это очищенный спирт с ничтожным содержанием примесей (десятые доли процента); крепость спирта-ректификата высшей очистки по ГОСТу не менее 96,2% об.

Крепостью спирта называется процентное содержание в нем безводного спирта. Весовым процентом называется количество граммов спирта в 100 г раствора. Объемным процентом называется количество объемов спирта, выраженное в миллилитрах, в 100 мл раствора.

Согласно ГОСТа 3639-61 содержание спирта в водно-спиртовых растворах выражают в объемных процентах при нормальной температуре (20°С). Объем водно-спиртового раствора выражают в литрах при температуре 20°С. Если крепость спирта 88% об., то это значит, что в 100 л этого спирта содержится 88 л безводного спирта.

Выходом спирта называется объем его в декалитрах (дал), получаемый из одной тонны крахмала или сахарозы, содержащихся в сырье. Расчетом можно определить эту величину, используя уравнение получения спирта:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆ = 4С₂Н₅ОН + 4СО₂

сахароза вода глюкоза фруктоза этиловый углекислый

спирт газ

342,2 г 18 г 180,1 г 180,1 г 4*46,05=184,2 4*44=176

Из уравнения видно, что из 342,2 г сахарозы должно получиться 184,2 г спирта.

Соответственно, из 100 г сахарозы должно получиться спирта

184х100/342,2 = 53,8г или 53,8/0,78987 = 68,2 см³,

где 0,78927 – плотность спирта при 20 °С.

Следовательно, из 1 т сахарозы должно получиться 68,2 дал спирта. Аналогично подсчитаем количество спирта, которое должно получиться из тонны крахмала.

С₆Н₁₀О₅ + Н₂О = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

162,1 г 18 г 2x46,05=92,1 2x44=88 г

Соответственно, из 100 г крахмала должно получиться спирта

92,1х100/162,1 =56,8 г или 56,8/0,78927 = 71,98 см³

Из тонны крахмала должно получиться 71,98 дал спирта.

Фактический выход спирта из тонны крахмала составляет, в зависимости от вида перерабатываемого сырья, 62-66 дал и называется практическим выходом спирта. Для сравнения выхода из сахарозы с выходом из крахмала делают перерасчет на условный крахмал, который равен 0,95.

Важнейшими показателями бражки являютсясодержание сбраживаемых веществ (несброженных сахаров), кислотность и содержание спирта.

Различают видимый и истинный отброд. Видимым отбродом называется показание сахариметра в фильтрате бражки. Сахариметр градуирован по расходу чистой сахарозы и одно целое деление его соответствует 1% (или1°0 ) сахарозы. Истинным отбродом называется показания сахариметра в фильтрате бражки после отгона из нее спирта и доведения его до первоначального объема дистиллированной водой. Эта величина приблизительно соответствует содержанию сухих веществ. Хотя величина отброда зависит от многих факторов, практически установлено, что при соблюдении нормального технологического режима, величина отброда постоянна. Повышение этой величины свидетельствует о неполном сбраживании, поэтому измерение величины отброда принято в качестве одного из показателей, характеризующих процесс брожения.

О чистоте спиртового брожения судят по нарастающей кислотности. В процессе жизнедеятельности дрожжей кислотность среды повышается на 0,2°. Большее нарастание кислотности свидетельствует о развитии кислотообразующих бактерий. Повышение кислотности связано с прямыми потерями сахара на образование кислот и косвенными потерями, связанными с прекращением деятельности ферментов, которая прекращается при кислотности 1°. Нарастание кислотности на 1° вызывает понижение выхода спирта на 2-2,3 дал на 1 т крахмала.

В зрелой бражке определяют осахаривающую способность, показывающую насколько сохранились ферменты, и нерастворимый крахмал в пробе нефильтрованной бражки.