Разработка технологии этанола из ик-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла

Вид материала

Автореферат

Содержание Крикунова Людмила Николаевна Леденев Владимир Павлович Общая характеристика работы Цель и задачи исследований. Научная новизна. Практическая значимость. Апробация работы. Структура и объем диссертации. 1 Обзор литературы 2 Экспериментальная часть 2.2 Результаты исследований и их обсуждение 2.2.2 Режимы и технологические параметры получения осахаренного сусла из исходного и ИК-обработанного зерна ячменя 2.2.4 Изучение процесса сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя Список работ, опубликованных по результатам диссертации Л.И. Сумина

Подобный материал:

• Роль эндогенных и микробных фитаз в процессе получения и сбраживания ржаного сусла, 367.49kb.
• Разработка основ технологии получения углеродного нанокристаллического материала, 347.11kb.
• Актуальные проблемы селекции кормового ячменя полонский В. И. Красноярский государственный, 107.74kb.
• Постоянные магниты на основе магнитопластов для приборов электронной техники (разработка, 308.58kb.
• Внедрение новых технологий переработки ячменя и овса для получения продуктов функционального, 94.79kb.
• Методическая разработка урока «Получение и химические свойства предельных одноатомных, 36.8kb.
• Задание на проектирование Рассчитать оборудование для стадии выщелачивания исходного, 48.05kb.
• Разработка и строительство экологически безопасной технологии производства кремния, 48.31kb.
• Разработка технологии и инструмента для непрерывного деформационного получения ультрамелкозернистой, 291.68kb.
• Методические рекомендации по написанию курсовых работ по специальности 030501. 65 (021100), 291.99kb.

На правах рукописи

Сумина Людмила Ивановна


РАЗРАБОТКА технологии этанола из ИК-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла


Специальность 05.18.07. - Биотехнология пищевых продуктов

(пивобезалкогольная, спиртовая и

винодельческая промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва – 2009

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

Научный руководитель:	доктор технических наук, доцент Крикунова Людмила Николаевна
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Иванова Людмила Афанасьевна кандидат технических наук Леденев Владимир Павлович
Ведущая организация:	Московский государственный университет технологий и управления

Защита состоится « » 2009 года в ч., ауд. III-101 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.148.04 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское ш., д. 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «МГУПП».

Автореферат разослан «___» ____________ 2009 г.


Ученый секретарь Совета

д.т.н., проф. Крюкова Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Спиртовая отрасль характеризуется низкой рентабельностью производства и сильной зависимостью от сырьевой базы. В себестоимости спирта затраты на сырье достигают 60,0-70,0 % от общих. Одним из способов повышения эффективности производства является применение более дешевых видов сырья, к которым из традиционных относится ячмень. Однако в технологии этанола переработка пленчатой культуры сопряжена с трудностями, зависящими от ее структурных особенностей, в связи с чем на заводах ячмень используют совместно с голозерными.

Для создания технологии, позволяющей перерабатывать ячмень в качестве единственного вида сырья, необходимо целенаправленно изменить его структурно-механические свойства. В настоящее время к одному из перспективных способов, приводящих к требуемому результату, можно отнести ИК-обработку зерна. Ранее данный способ уже применялся при создании новых технологий этанола из пшеницы и ржи. При переработке ячменя метод микронизации предлагается использовать впервые.

Повысить эффективность спиртового производства за счет увеличения производительности предприятий на существующем оборудовании возможно и развивая такое приоритетное направление отрасли, как создание технологий, основанных на получении и сбраживании концентрированных сред, позволяющих также решать экологические проблемы отрасли, связанные с необходимостью полной утилизации основного техногенного отхода – послеспиртовой барды, объем которой составляет 0,10-0,12 м³ на 1 дал спирта.

Однако, имея несомненные преимущества, при внедрении таких технологий возникают трудности, связанные в первую очередь с технологичностью сред: замеса, разваренной массы и сусла. Известно, что процессы, протекающие при водно-тепловой и ферментативной обработке, зависят от свойств перерабатываемого зерна. Под действием микронизации данные свойства изменяются, что может влиять на процесс получения концентрированного сусла, в том числе и из ИК-обработанного ячменя.

Традиционно переработка сырья при пониженных гидромодулях предусматривает применение дополнительных ферментных препаратов целлюлолитического действия, позволяющих решать проблемы получения технологичных сред, и, кроме того, более рационально использовать высокомолекулярные полимеры зернового сырья, обеспечивать высокую степень биоконверсии углеводов в этанол, в целом, способствуя улучшению технологических показателей брожения и повышению выхода спирта. При этом эффективность ведения процесса, научно-обоснованный выбор основных и дополнительных ферментных препаратов зависят от их субстратной специфичности.

Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке научно-практических основ создания новой технологии этанола из ИК-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла актуальны и перспективны. Официальным подтверждением этого является включение данной тематики в программу «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» в рамках стажировки в научно-исследовательском институте по пивоварению и солодоращению при Берлинском техническом университете (Германия).

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась разработка технологии этанола на основе целенаправленного изменения исходных технологических свойств ячменя при его ИК-обработке с последующим получением и сбраживанием концентрированного сусла из данного вида сырья.

В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:

• изучить влияние параметров микронизации ячменя на его технологические свойства; рекомендовать режимы ИК-нагрева;
  
• на основе изучения вязкостных свойств перерабатываемых сред обосновать выбор ферментного препарата разжижающего действия;
  
• определить взаимосвязь между параметрами ферментативной обработки ячменя и реологическими и качественными характеристиками полупродуктов производства;
  
• разработать мультэнзимные композиции для получения высокоэкстрактивных сред из ИК-обработанного ячменя;
  
• обосновать характер деструкции крахмала сырья под действием амилолитических, целлюлолитических и протеолитических ферментных препаратов, входящих в состав мультэнзимных композиций, на основе изучения свойств образцов крахмала, выделенных из исходного и микронизированного ячменя;
  
• оптимизировать процесс получения концентрированного сусла;
  
• исследовать влияние углеводного состава сусла на развитие спиртовых дрожжей;
  
• определить факторы, влияющие на процесс сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя; провести сравнительный анализ образцов зрелой бражки контрольных и опытных вариантов на содержание этилового спирта и вредных летучих примесей;
  
• разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя.
  

Научная новизна. В результате выполненных комплексных исследований по изучению технологических свойств сырья выявлены отличия в характере процессов, протекающих при ИК-обработке ячменя в сравнении с пшеницей и рожью.

На основании изучения динамики изменения реологических характеристик перерабатываемых сред научно обоснованы различия в действии ферментных препаратов с термостабильной α-амилазой.

Разработаны новые мультэнзимные композиции (МЭК-1 и МЭК-2) для решения проблемы снижения вязкости в процессе получения концентрированного сусла из микронизированного ячменя. Впервые в качестве альтернативы ферментам целлюлолитического действия, традиционно использующимся для этой цели, предложено применение ферментных препаратов с активной эндопротеазой.

Анализ образцов крахмала, выделенных из исходного и ИК-обработанного ячменя, с применением системы для микроскопии LEICA DMLM позволил научно обосновать механизм действия на субстрат мультэнзимных композиций разного состава.

Впервые выявлена взаимосвязь между содержанием отдельных сахаров, β-глюкана в образцах осахаренного сусла, полученных из исходного и микронизированного ячменя, и применяемыми на стадии водно-тепловой обработки ферментными препаратами (разжижающего действия, мультэнзимными композициями).

На основании модельных опытов по сбраживанию сред различного углеводного состава научно обоснованы выбор расы спиртовых дрожжей, стадии и нормы внесения осахаривающего ферментного препарата при получении концентрированного сусла.

Выявлена корреляционная зависимость между режимами ИК-нагрева ячменя, параметрами водно-тепловой и ферментативной обработки, составом мультэнзимных композиций, условиями сбраживания и показателями качества сусла, бражки, в том числе по содержанию вредных летучих примесей в последней.

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

• снижать прочностные свойства ячменя, и, соответственно, получать мелкие и равномерные помолы из зерна, при снижении энергозатрат до 35,0 % против контроля;
  
• повышать степень клейстеризации и ферментативную атакуемость крахмала зерна за счет деструкции полисахаридов сырья.
  

Разработана новая технология этанола из ИК-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла, позволяющая при использовании ячменя в качестве единственного более дешевого вида сырья получать с применением предложенных МЭК технологичные с позиции вязкости среды и бражку с повышенной крепостью (в среднем на 1,5-2,0 % об.) без превышения содержания в ней вредных летучих примесей по сравнению с контролем. Технические решения, положенные в основу разработанной технологии, защищены патентом РФ № 2301261.

Проведена опытно-промышленная апробация новой технологии этанола из ИК-обработанного ячменя в условиях ГУП Московский опытный завод РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ.

По результатам опытно-промышленных испытаний рассчитана условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции по разработанному варианту, которая для спиртового завода мощностью 3000 дал/сут составила 8,29 млн. руб.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях «НИРС-2006», «НИРС-2007» (М., 2006 г., 2007 г.), на IV международной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (М., 2006 г.), на V юбилейной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (М., 2007 г.), на VI международной научной конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2008 г.), на научно-практической конференции, посвященной 15-летию технологического факультета Воронежского ГАУ им. К.Д. Глинки «Актуальные проблемы развития технологии производства продуктов питания» (Воронеж, 2008 г.), на VI международной научно-практической конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» (М., 2008 г.), на научном семинаре стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» и «Эммануил Кант» (М., 2009 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 публикациях, включая 9 статей и 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников из 208 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 175 страницах машинного текста, содержит 27 рисунков и 52 таблицы.

1 Обзор литературы

В обзоре литературы приведены данные по характеристике основного сырья спиртового производства, включая свойства ячменя, представлен перечень ферментных препаратов, используемых в производстве этанола, рассмотрены теоретические основы ферментативного гидролиза полисахаридов и белковых веществ сырья. Обобщены сведения о применении метода ИК-нагрева зерна. Освещены вопросы основных преимуществ и проблем при переработке концентрированных сред.

2 Экспериментальная часть

2.1 Материалы и методы исследования

Исследования осуществляли в лабораторных и промышленных условиях на базах ГОУВПО «МГУПП», ООО «ПК Старт», ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов РАСХН, НИИ при Берлинском техническом университете. Объектом исследования являлось зерно ячменя урожаев 2006-2008 гг., поступившее в производство на спиртовые заводы России. ИК-обработку зерна проводили на промышленной установке марки УТЗ-4.

В работе применяли ферментные препараты отечественного и зарубежного производства: Термамил SC, Амилаза HT 4000, Зимаджунт НТ 340С, Амилопротолихетерм Г3х, Конверзим АМГ-300, Шеарзим 500 L, Вискоферм, Зимафилт Л-300, Брюзайм BGP, Нейтраза 0,8 L, Алкалаза 2,4 L FG, Максазим NNP DS+.

Анализ биохимических показателей исходного и ИК-обработанного ячменя проводили с использованием: химического метода Меркера для определения условной крахмалистости зерна, метода Попова-Шаненко для анализа содержания декстринов, метода Бертрана для определения редуцирующих сахаров.

Физические и структурно-механические свойства зерна изучали с использованием прибора «Амилотест АТ-97» и приставки-твердомера к фаринографу.

Исследование структуры образцов крахмала, изменений в нем при ферментативной обработке проводили с применением системы для микроскопии LEICA DMLM.

Анализ полупродуктов спиртового производства проводили с применением общепринятых методов в отрасли, а также ряда специальных методов (метод ВЭЖХ, флуорометрический метод определения β-глюкана).

2.2 Результаты исследований и их обсуждение

2.2.1 Исследование процессов при микронизации зерна ячменя

Ранее были изучены процессы при ИК-обработке пшеницы и ржи, предназначенных к получению этанола, и показано, что характер изменений технологических свойств зерна зависит от его вида. Поэтому при переработке ячменя в спиртовой отрасли на основе изучения физических, реологических и биохимических свойств сырья необходимо было уточнить режимы его ИК-нагрева. В качестве объектов исследования использовали четыре пробы зерна (W = 12,0; 14,0; 16,0; 18,0 %). Образцы ячменя подвергали ИК-облучению при мощности излучаемого потока 22-24 кВт/м².

Изучение физических характеристик микронизированного ячменя при различных значениях исходной влажности и температуры ИК-нагрева показало, что найденные зависимости не совпадают с установленными ранее для пшеницы и ржи.

Исследование структурно-механических свойств образцов ячменя на основе предложенных ранее методов их оценки: гранулометрического состава помолов по модулю крупности (М), определения доступности зерна к дроблению с использованием приставки-твердомера к фаринографу (Адр), изучения процесса деструкции крахмала ячменя с помощью прибора «Амилотест АТ-97» (Ауд) выявило, что М закономерно возрастает с увеличением влажности зерна и снижается с повышением температуры ИК-обработки; с повышением исходной влажности ячменя с 12,0 % до 18,0 % возрастают энергетические затраты при получении мелкого помола (Адр) примерно в 1,4 раза. Обсчет экспериментальных амилограмм показал, что для каждого значения влажности выявлены температуры ИК-нагрева, соответствующие минимальному значению Ауд. При сравнении с пшеницей установлена тенденция сдвига полученных значений в сторону меньших температур ИК-нагрева.

Определение биохимических показателей исходного и ИК-обработанного ячменя позволило, во-первых, на основе анализа содержания крахмала в сырье установить, что ячмень с влажностью W = 12,0-18,0 % можно обрабатывать до температур ИК-нагрева не выше t = 140 ºС, что согласуется с ранее полученными результатами для пшеницы и не совпадает с данными, полученными для ржи.

Также в качестве биохимических показателей в работе были определены степень клейстеризации крахмала сырья и его ферментативная атакуемость. Выявлено, что с увеличением исходной влажности ячменя возрастает абсолютное значение степени клейстеризации. Ее максимум (13,8 %) соответствует образцу зерна с W = 18,0 %. Изучение ферментативной атакуемости крахмала ячменя показало, что при оптимальных температурах микронизации зерна количество декстринов увеличивается за первые 20 минут до 227,0-298,0 % по отношению к контролю, что сопоставимо с данными, полученными для ржи и ниже данных по этому показателю при исследовании пшеницы. Вероятнее всего, причиной может быть наличие в ячмене повышенного количества веществ, препятствующих доступу амилаз ферментных препаратов к крахмалу, в частности растворимых гемицеллюлоз и β-глюкана.

В итоге на основе комплексных исследований по определению физических, структурно-механических и биохимических характеристик ячменя, подвергнутого ИК-обработке, рекомендованы следующие температуры его нагрева:

• влажность W = 12,0 % температура обработки t_обр = 120-130 ºС;
  
• влажность W = 14,0 % температура обработки t_обр = 120 ºС;
  
• влажность W = 16,0 % температура обработки t_обр = 110-120 ^оС;
  
• влажность W = 18,0 % температура обработки t_обр = 110 ºС.
  

2.2.2 Режимы и технологические параметры получения осахаренного сусла из исходного и ИК-обработанного зерна ячменя

В настоящей работе при создании технологии этанола из исходного и ИК-обработанного ячменя использован наиболее перспективный способ, основанный на механико-ферментативной обработке сырья, имеющий ряд существенных преимуществ перед способом с развариванием. С использованием данного способа в работе были проведены исследования по выбору ферментных препаратов разжижающего и осахаривающего действия и изучена возможность снижения их нормы дозировки.

Выбор ферментного препарата разжижающего действия

Известно, что ферментные препараты обладают субстратной специфичностью, а поэтому в связи с изменением технологических свойств зерна под действием ИК-нагрева были выполнены эксперименты по выбору термостабильных ферментных препаратов разжижающего действия: Термамил SC, Амилаза HT 4000, Зимаджунт HT 340C, Амилопротолихетерм Г3х. Изучение динамики изменения реологических характеристик сред в работе проводили на приборе «Амилотест АТ-97».

Определение влияния режимов ИК-обработки ячменя и субстратной специфичности ферментных препаратов по параметрам амилограмм, выявило (таблица 1), что все ферментные препараты, кроме Термамила SC, в разной степени понижают вязкость проб в зависимости от используемого зерна.

Таблица 1 - Влияние режимов ИК-обработки ячменя и субстратной специфичности ферментных препаратов на показатель максимального усилия перемешивания

Наименование ферментного препарата	Максимальное усилие перемешивания, Н
	W = 12 %, t = 130 оС	W = 14 %, t = 120 оС	W = 16 %, t = 120 оС	W = 18 %, t = 110 оС
Термамил SC	0,62	0,65	0,65	0,64
Амилаза HT 4000	0,80	0,96	1,71	1,98
Зимаджунт HT-340 C +	1,60	1,68	2,16	2,80
Амилопротолихетерм Г3х	0,98	1,18	1,36	1,30

Прослеживается закономерность снижения эффективности действия всех препаратов, кроме Термамила SC, при повышении исходной влажности ячменя. Напротив, последний снижает вязкость независимо от используемой пробы до определенного значения, что позволяет не учитывать отличительные особенности технологических свойств проб ИК-обработанного зерна. Поэтому именно этот препарат рекомендован к использованию при получении этанола из микронизированного ячменя.

Исследование процесса получения разваренной массы

В работе было рассмотрено влияние температурных режимов на получение разваренной массы из исходного и ИК-обработанного ячменя. Эксперименты проводились в двух вариантах: Вариант I – по Регламенту; Вариант II с измененными температурно-временными паузами: t = 45-50 ºС, τ = 60 минут; t = 95-98 ºС, τ = 150 минут. Пауза при t = 65-70 ºС отсутствует, так как далее в работе будет показано, что данная температура соответствует максимальному значению вязкости. Установлено, что Вариант II предпочтителен для переработки микронизированного ячменя с позиции перехода С.В. в растворимое состояние при получении неконцентрированного сусла.

Изучение влияния технологических параметров водно-тепловой и ферментативной обработки на показатели качества осахаренного сусла

С целью сокращения энергозатрат на стадии получения разваренной массы в работе были выполнены эксперименты, связанные с возможностью снижения продолжительности пауз при механико-ферментативной обработке микронизированного зерна по выбранному Варианту II. Показано, что продолжительность паузы при температуре t = 95-98 ºС может быть сокращена со 150 до 90 минут без снижения массовой доли сухих веществ в сусле. Также установлено, что дозировка разжижающего препарата должна составлять 0,2 ед АС/г условного крахмала сырья, а осахаривающего – может быть снижена до 5,0 ед ГлС/г условного крахмала сырья.