ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО СПИРТА ИЗ БИОЛОГИСЕСКОГО СЫРЬЯ

Кафедра БТ

 

 

Лабораторная работа

по предмету “Химия отрасли”

Получение спирта из крахмала

 

 

Выполнили:

студенты гр. ТБПиВ-91

Анохин И. С.

Шипунова Т. С.

Сандакова К. Е.

Ханмурадов Р. Г.

 

Проверил:

доцент

Митрофанов Р. Ю.

 

Цель работы: ознакомиться с методом получения спирта из крахмала при помощи дрожжей и ячменного солода.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО СПИРТА ИЗ БИОЛОГИСЕСКОГО СЫРЬЯ

Современная промышленная технология получения этилового спирта из пищевого сырья включает следующие стадии:

§ Подготовка и измельчение крахмалистого сырья - зерна (прежде всего - ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т. п.

§ Ферментация. На этой стадии происходит ферментативное расщепление крахмала до сбраживаемых сахаров. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путём - глюкамилаза, амилосубтилин.

§ Брожение. Благодаря сбраживанию дрожжами сахаров происходит накопление в бражке спирта.

§ Брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах.

Отходами бродильного производства являются углекислый газ, барда, эфиро-альдегидная фракция, сивушные масла.

Спирт, поступающий из брагоректификационной установки (БРУ) не является безводным, содержание этанола в нём до 95,6 %. В зависимости от содержания в нём посторонних примесей, его разделяют на следующие категории:

§ 1 сорт

§ высшей очистки

§ базис

§ Экстра

§ Люкс

§ Альфа

Производительность современных спиртовых заводов около 30 000-100 000 литров спирта в сутки.

 

 

ПОЛУЧЕНИЕ СОЛОДА.

 

Технология солода складывается из следующих основных про­цессов: замачивание и проращивание зерна; сушка солода и удаление ростков. На отечественных спиртовых заводах для оса­харивания используют сырцовый - несушеный солод (непра­вильно называемый «зеленым»). Этот солод не может долго хра­ниться, поэтому на каждом спиртовом заводе его готовят в коли­чествах, необходимых для текущей работы.

В спиртовой промышленности США, Германии и некоторых других стран применяют сухой ячменный солод, вырабатывае­мый специализированными солодовенными заводами. Сушка со­лода связана с большими капитальными и эксплуатационным затратами и сопровождается снижением осахаривающей (на 25-30 %) и особенно сильно (в 4 раза) цитолитической актив­ности ферментов.

Осахаривающая способность (ОС) выражает воз­можность всех амилолитических ферментов осахаривать (гидро­лизовать) крахмал до редуцирующих веществ (РВ). За единицу ОС принимают количество фермента, которое при температуре 30 °С в течение 1 ч расщепляет 1 г крахмала. Степень гидролиза субстрата не превышает 30 %.

Инвертазная активность (ИА) выражает способ­ность фермента гидролизовать сахарозу. За единицу активности принимают количество фермента, которое за 1 мин гидролизует 1,25 г сахарозы при рН 4,6 и температуре 30 °С. Степень гидро­лиза субстрата не более 50 %. Активность препарата выражена в единицах РВ на 1 г препарата или 1 мл ферментного раствора.

 

СЫРЬЕ ДЛЯ СОЛОДОРАЩЕНИЯ.

 

Основное требование, предъявляемое к солоду, - способность как можно быстрее и полнее осахаривать крахмал, для чего он должен накопить три фермента: α-амилазу, β-амилазу и декстриназу. В солоде, приготовленном из зерна различных злаков, со­держатся неодинаковые количества каждого из ферментов. Исхо­дя из этого, все злаки делят на четыре большие группы: ячменя, проса, овса и кукурузы. Группа ячменя, объединяющая ячмень, рожь и пшени­цу, дает солод с высокой α- и β-амилолитической и относитель­но низкой декстринолитической активностью.

 

ЗАМАЧИВАНИЕ ЗЕРНА.

 

Основная цель замачивания - увлажнить зерно; дополнитель­ная - отмыть от остатков пыли, удалить легкие зерновые и не­зерновые примеси и подавить микроорганизмы. Замачивание ведут с применением воздуха и воды, чередуя насыщение зерна водой и аэрацию.

 

ПРОРАЩИВАНИЕ ЗЕРНА.

 

Цель солодоращения - накопление ферментов, растворение межклеточных пластинок и стенок клеток эндосперма, что необ­ходимо для снабжения развивающегося зародыша питательными веществами и перехода ферментов в сусло. Зерно проращивают в таких условиях, чтобы расход крахмала на дыхание и образование новых вегетативных органов был ми­нимальным, при возможно меньшем обсеменении микроорга­низмами, особенно кислотообразующими.

Проращивание ячменя и овса ведут следующим образом: в течение первых 2 суток поддерживают температуру 19-20 °С, в дальнейшем ее снижают ежесу­точно на 1-2 °С и к окончанию проращивания доводят до 13-14 °С. Влажность готового солода должна быть 44-45 %. Прекращают проращивание, как правило, на 10-е сутки.

 

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ КРАХМАЛА.

 

Цель ферментативного гидролиза крахмала - получение сусла. Разваренную массу зерна или картофеля осахаривают (гидролизуют) ферментами солода или культур плесневых грибов. Получаемый в результате этого продукт (сусло) в литературе прошлых лет называли «сладкий затор», «осахаренная масса». Термин «затор» сохранился с того давнего времени, когда на спирт перерабатывали муку, которую «затирали» - смешивали с водой и солодом при определенной температуре.

 

ХИМИЗМ ГИДРОЛИЗА.

+

Независимо от природы катализатора при разрыве каждой α-1,4- и α-1,6-глюкозидной связи в крахмале по месту разрыва присоединяется молекула воды:

В амилозе при разрыве α-1,4-глюкозидной связи гидроксил воды присоединяется к пер­вому углеродному атому левого остатка глюкозы, образуя альде­гидную группу в скрытой (полуацетальной) форме, водород воды присоединяется к кислороду глюкозидной связи при четвертом углеродном атоме правого остатка глюкозы. Гидролиз амилопек­тина в точке ветвления (α-1,6-глюкозидной связи) сопровождает­ся присоединением гидроксила воды также к первому углеродно­му атому, а водорода воды - к шестому углеродному атому.

В пределе - при разрыве всех глюкозидных связей - присо­единяется n-1 молекул воды (где n - число глюкозных остатков в макромолекулах амилозы и амилопектина, или СП) и образу­ется n молекул глюкозы. Так как n очень велико, то числовое значение n-1 будет практически пренебрежимо мало отличаться от n и реакция гидролиза может быть выражена уравнением

 

(С₆Н₁₀О₅)_n + nН₂О = nС₆Н₁₂О₆

 

или применительно к одному глюкозному остатку

 

C₆H₁₀О₅ + Н₂О = C₆H₁₂О₆.

162 18 180

 

Отсюда теоретический выход глюкозы в процессе гидролиза составляет 111,11 % к массе крахмала.

Механизм действия всех ферментов основан на образовании неустойчивых промежуточных соединений - комплексов из реа­гирующих молекул субстрата и активных центров ферментов. При этом в реагирующих молекулах происходит деформация, обеспечивающая вступление их в реакцию. После реакции фер­мент и химически измененный субстрат отталкиваются один от другого и фермент может реагировать с новой молекулой суб­страта.

 

ОСАХАРИВАНИЕ.

 

Осахаривание разваренной массы, как правило, осуществляют непрерывным способом и лишь на некоторых заводах малой мощности - периодическим. Независимо от способа процесс осахаривания складывается из следующих операций: охлаждение разваренной массы до определенной температу­ры, которая после смешивания массы с солодовым молоком (микробной культурой) понизится до заданной для осахарива­ния; смешивание разваренной массы с солодовым молоком (мик­робной культурой); осахаривание крахмала; охлаждение сусла до температуры «складки» - начальной тем­пературы брожения сусла; перекачивание сусла в бродильное и дрожжевое отделения завода.

Все эти операции, кроме перекачивания сусла, при периоди­ческом процессе выполняются в одном аппарате, называемом заторным баком; при непрерывном процессе или в отдельных аппаратах, установленных последовательно, или в одном аппара­те (сочетается несколько операций).

 

СБРАЖИВАНИЕ ЗЕРНО-КАРТОФЕЛЬНОГО СУСЛА.

 

Все сусло кроме той части, что идет на приготовление дрож­жей, направляют в бродильные аппараты, и содержащийся в нем сахар сбраживается дрожжами в спирт. При сбраживании зерно-картофельного сусла одновременно происходит доосахаривание декстринов. Бродящее сусло называют бражкой, или культу­ральной жидкостью.

Показание сахарометра в фильтрате бражки - это видимая плотность, показание сахарометра в фильтрате бражки после отгонки спирта и доведения дистиллированной водой до первона­чального объема - содержание истинных сухих веществ бражки. Последние всегда больше видимой плотности. Этими терминами заменены ранее применявшиеся - соответственно ви­димый и истинный отброды.

Содержание спирта в зрелой бражке (и в водно-спиртовом растворе) в объемных процентах называют крепостью бражки (и этилового спирта). На отечественных спиртовых заводах в настоящее время при­меняют в основном непрерывно-проточный, проточно-рецирку­ляционный и циклический, а на малых заводах еще периодичес­кий способы сбраживания сусла.

 

ПЕРЕГОНКА ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ.

 

В тех случаях, когда нагревание не сопровождается распадом вещества или когда перегоняемая жидкость, имеет не слишком высокую температуру кипения, для очистки пользуются перегонкой под обыкновенным дав­лением. Для этой цели собирают прибор (рис. 1), состоящий, из колбы Вюрца, холодильника и прием­ника.

Колбу Вюрца выбирают таких размеров, чтобы под­лежащая перегонке жидкость занимала не больше ²/₃ объема колбы. Колбу снабжают термометром, присоеди­няют к холодильнику и укрепляют лапкой на штативе. Под колбу подводят водяную или другую баню, или же кольцо с асбестированной сеткой, если жидкость можно нагревать на горелке.

Отводная трубка колбы должна входить в форштос холодильника не менее чем на 4-5 см (считая от проб­ки). Убедившись в надежном соединении колбы с холо­дильником и прочности крепления колбы, в горло ее вставляют воронку таких размеров, чтобы нижний конец ее был на 2-3 см ниже отводной трубки, вливают жид­кость, подлежащую перегонке, и закрывают горло проб­кой с термометром.

Когда весь прибор собран, тщательно проверяют, хорошо ли подобраны пробки и правильно ли стоит тер­мометр. Только тогда подставляют приемник для дистил­лята и начинают нагревание. При перегонке нужно стре­миться к тому, чтобы не было сильно бурлящего кипения, так как капли жидкости могут попасть в отводную труб­ку и загрязнить дистиллят. Для создания равномерного кипения в колбу бросают несколько стеклянных капилля­ров, запаянных с одного конца. Приемником могут слу­жить химические стаканы, конические колбы и другие сосуды.

Фракционной, или дробной, перегонкой называют такой способ ведения ее, когда из смеси жидкостей с раз­личными температурами кипения выделяются некоторые отдельные компоненты.

Дробную перегонку ведут обязательно с применением дефлегматора. К круглодонной колбе соответ­ствующей емкости подбирают пробку, в которой высвер­ливают отверстие для дефлегматора. Затем к дефлегма­тору подбирают пробку для термометра и к холодильни­ку для отводной трубки дефлегматора. Тот или иной дефлегматор выбирают с учетом свойств жидкостей, об­разующих смесь. Дефлегматор вставляют в колбу, по­ставленную на баню или на асбестированную сетку и прикрепленную лапкой к штативу. При помощи другой лапки дефлегматор также прикрепляют к штативу, затем его соединяют с холодильником и уже после этого встав­ляют в дефлегматор пробку с термометром.

Вместо дефлегматоров лучше пользоваться колон­ками полной конденсации, дающими воз­можность проводить более тонкое разделение жидкостей по температурам кипения.

Жидкость, подлежащую фракционированию (дробной перегонке), наливают в колбу или перед тем как вставят дефлегматор, или через дефлегматор после того, как по­следний соединен с холодильником. Прежде чем присту­пить к перегонке, необходимо подготовить нужное коли­чество приемников, поставив на каждом из них восковым карандашом номер, затем подставляют приемники в по­рядке очередности. Одновременно следует вести запись

тех температур, в пределах которых собиралась данная фракция, например:

Фракция № 1......................... 80-86 °C

Фракция № 2....................... 86-92 °С

Если при перегонке замечаются какие-либо особен­ности, их также нужно отмечать в тетради против номе­ра фракции. В некоторых случаях вначале проводят грубое фрак­ционирование, когда отдельные фракции собирают в пре­делах 5-10 °С, а затем эти фракции разгоняют отдельно, но уже в более узких температурных пределах. Метод фракционной перегонки является весьма кро­потливым и его применяют главным образом при точных работах.

Нужно отметить, что не все смеси жидкостей с отли­чающимися друг от друга температурами кипения можно разделить дробной перегонкой. Если, например, имеется смесь, состоящая из 7 частей этилового спирта и 93 ча­стей бензола, температура кипения смеси будет 60 °С, несмотря на то, что спирт кипит при 78 °С, а бензол при 80 °С. Бывают смеси, которые имеют и более высокую температуру кипения, чем каждое из образующих их ве­ществ. Например, вода кипит при 100 °С и хлористый водород при минус 84 °С. Смесь же их, образующая соляную кислоту и содержащая 20,2 % хлористого водорода, ки­пит при 110 °С (при давлении 760 мм рт. ст.). Эти смеси нельзя разделить перегонкой, и они получили название нераздельно кипящих смесей, или азеотропных смесей.

Такие смеси в лабораторной практике встречаются довольно часто; в специальных справочниках имеются таблицы двойных и тройных азеотропных смесей с ука­занием температур кипения смесей и их процентного со­става. При работе с большими количествами диэтилового эфира нужно помнить, что эфир может содержать пере­кисные соединения; последние при отгонке эфира ос­таются на дне колбы и при накоплении могут вызвать взрыв.

Количество перекисных соединений, в эфире может быть различным. Присутствие их можно обнаружить по образованию коричневого окрашивания при смещении иодкалийкрахмального раствора с испытуемым эфиром. Для отделения перекисных соединений в эфир добав­ляют подкисленный раствор FeSO₄ и оставляют стоять в течение суток, затем эфир отделяют и перегоняют над смесью FeSО₄ • 7Н₂О и NaOH, взятой в эквимолекуляр­ном соотношении компонентов. Очищенный таким образом эфир будет свободен от пе­рекисных соединений и безопасен в работе. Накопление перекисных соединений идет очень замет­но, если эфир стоит на свету. Поэтому эфир следует хра­нить в темном месте.

Иногда одна перегонка, даже фракционированная, не дает нужной очистки продукта. В таких случаях часто совмещают перегонку с какой-либо химической обработ­кой. Например, в эфире могут быть в качестве примесей органические кислоты (уксусная, муравьиная), альдеги­ды, перекиси и ненасыщенные соединения. Наиболее простым способом очистки эфира от всех этих загрязне­ний, даже если они присутствуют одновременно, является следующий. К 500 мл эфира, содержащего примеси, до­бавляют 30 мл водного 12,5 %-ного раствора AgNO₃. и затем 50 мл водного 4 %-ного (1н) раствора NaOH. Смесь энергично перемешивают встряхиванием в тече­ние 5-7 мин. После этого дают эфиру отстояться и от­деляют водный слой. Работу нужно проводить в дели­тельной воронке. Очищенный таким образом эфир под­вергают перегонке.

Точно таким же приемом можно очистить и многие другие органические жидкости, кроме тех, которые могут диссоциировать с образованием ионов хлора.

О перегонке под обыкновенным давлением необхо­димо запомнить следующее:

1. Прибор для перегонки должен быть собран пра­вильно, красиво и аккуратно. В местах соединений не должно быть неплотностей.

2. Нагревание огнеопасных жидкостей надо вести вдали от нагревательных элементов на предварительно нагретой водяной или иной бане.

3 Термометр должен быть помещен вдоль оси горла колбы Вюрца. и не касаться стенок ее; резервуар термо­метра должен находиться на одном уровне с отводной трубкой или немного ниже ее.

4-. В колбу надо бросить 2-3 «кипелки» маленькие кусочки не глазированного фарфора.

5. При атмосерном давлении можно перегонять только те вещества, которые при нагревании не претер­певают каких-либо изменений и не разлагаются.

 

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Ход работы:

1. Отбор зерна для проращивания.

Мы отделили качественные зерна от сора и обломков зерна, после чего взвесили:

· m_{навески} = 87,54 г

· m_отобр = 82,36 г

2.Замачивание зерна.

Отобранное зерно промываем и выкладываем в чашки Петри, предварительно положив на дно чашек смоченную фильтровальную бумагу.

3.Прорастание зерна в чашках Петри происходит 3-4дня, каждый день мы промываем зерно.

4.Отделение ростков. Вручную отделяем ростки и взвешиваем солод.

· m_солода = 92,80 г

· m_{отходов} = 119,06 г

5.Определение коэффициент всхожести.

· К_всх = (59,6 / 82,36) * 100% = 72,4 %

6.Высушивание зерна.

· m_солода = 59,60 г

7.Приготовление крахмала и измельчение солода. Из высушенного солода отбираем 15 г, растираем в керамической чашке, приливаем 50 мл воды и оставляем на час при температуре 40 °С.

9.100 г крахмала картофельного залили водой и влили его в доведенную до кипения воду постоянно перемешивая. Получили гель.

10.Осахаривание крахмала. После чего определяли наличие крахмала, капая в отдельно отобранную пробу(5 мл) раствор йода до тех пор пока он не перестал менять окраску.

11. Количество мальтозы в геле определяли титрованием, затем проводим рачеты:

· V_титр1 = 0,5 мл; x_{мальт 1} = ((25-0,5)*0,0171*100*25)/10 = 105 г

· V_титр2 = 1,1 мл; x_{мальт 2} = ((25-1,1)*0,0171*100*25)/10 = 102 г

В полученный гель вливаем приготовленное заранее солодовое молочко.

12.Брожение. Полученный затор перелили в трёх литровую банку, добавив 10 г дрожжей хлебопекарных прессованных (ГОСТ 171-81) и надели на банку медицинскую перчатку и оставили для брожения. Брожение продолжалось 7 дней при комнатной температуре

13.Перегонка. Из полученной смеси спирт выделяют отгонкой. Собрав установку поместили раствор на 2/3 объема в круглодонную колбу и проводим перегонку при температуре от 81 до 92 °С. Выход спирта:

· I фракция = 190 мл (t_кип = 81-86 °С)

· II фракция = 50 мл (t_кип = 86-92 °С)

· m_погона = 193,06 г

11.Определение плотности, объемных процентов, а также коэффициента преломления спирта.

· ρ = m_погона/V_погона= 0,9810 г/дм³

· n = 1,3382

 

Вывод:

При выполнении лабораторной работы «Получение спирта из крахмала» мы ознакомились с получением солода путем проращивания ячменя. Ячмень перебрали, отделив цельные зерна (m_{навески} = 87,54 г, m_отобр = 82,36 г, m_сора= 5,18 г). После зерно промыли водой и разложили в чашки Петри для прорастания. Через 4 дня зерно проросло, мы вручную отделили ростки и определили коэффициент всхожести, равный 68 %. Солод оставили сушиться. Из высушенного солода приготовили солодовое молоко, растерев 15 г солода и добавив к нему 50 мл воды. Из 100 г крахмала получили клейстер и осахарили его солодовым молоком, после чего измерили содержание мальтозы (х_мальт ≈ 103,5 г) и получили затор. Брожение продолжалось в течении 7 дней. Из бражки путем перегонки под атмосферным давлением получили погон и спиртометром измерили содержание спирта в нем (13 % об.). Измерили плотность погона ареометром (0,9810 г/дм³), измерили массу погона (193,06 г), а также коэффициент преломления погона рефрактометром (1,3382). В справочной литературе посмотрели, какому содержанию спирта соответствует измеренная плотность погона. В результате получили, что плотность погона 0,9810 г/дм³ соответствует содержанию спирта 13,2 % об. (что не сильно отличается от измеренных нами 13 % об.). Следовательно, делаем вывод, что все измерения были проведены с достаточной точностью.