Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Образование примесей в процессе биосинтеза этанола при сбраживании осветленного зернового сусла

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Мальцева, Оксана Юрьевна, Воронеж



¡s I t> i

\ . f V .ï

■ i / i t

/ / (<-— /

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

МАЛЬЦЕВА ОКСАНА ЮРЬЕВНА

ОБРАЗОВАНИЕ ПРИМЕСЕЙ В ПРОЦЕССЕ БИОСИНТЕЗА ЭТАНОЛА ПРИ СБРАЖИВАНИИ ОСВЕТЛЕННОГО

ЗЕРНОВОГО СУСЛА

Специальность 03.00.23. - Биотехнология

05.18.07. - Технология алкогольных и безалкогольных пищевых продуктов

Диссертация

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Востриков C.B. Научный консультант

кандидат технических наук, доцент Шуваева Г.П.

Воронеж -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.....................................................................10

1.1. Характеристика промежуточных и побочных продуктов брожения.........10

1.2. Влияние различных факторов на накопление побочных продуктов брожения.................................................................................................................21

1.3. Влияние примесей на органолептическую оценку спирта и бражных дистиллятов.............................................................................................................27

1.4. Роль аминокислот в процессе брожения......................................................33

1.5. Различные расы дрожжей в спиртовом производстве................................39

1.6. Рециркуляция дрожжей в спиртовом производстве....................................43

1.7. Состав и рециркуляция спиртовой барды....................................................50

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ................................56

2.1. Подготовка сырья............................................................................................56

2.2. Методика хроматографического определения содержания этилового спирта и примесей в бражке..................................................................................58

2.3. Определение концентрации аминокислот....................................................61

ГЛАВА 3. ОБРАЗОВАНИЕ ЭТАНОЛА И ПРИМЕСЕЙ В ПРОЦЕССЕ СБРАЖИВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ УГЛЕВОДНОГО СЫРЬЯ.. 62

3.1. Изучение интенсивности сбраживания различных субстратов.................65

3.2. Динамика накопления этилового спирта при сбраживании различных видов сусла..............................................................................................................68

3.3. Накопление биомассы спиртовых дрожжей при сбраживании различных субстратов...............................................................................................................71

3.4. Изменение концентрации примесей и их соотношения в зависимости от вида сбраживаемых углеводов..............................................................................75

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕКОТОРЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СБРАЖИВАНИЯ ОСВЕТЛЕННОГО ЗЕРНОВОГО СУСЛА...............................................................................................91

4.1. Сравнительная оценка эффективности сбраживания осветленного зернового сусла различными расами дрожжей...................................................91

4.1.1. Интенсивность образования диоксида углерода при сбраживании осветленного зернового сусла дрожжами 8ассЬаготусез сегеУ1з1ае

XII расы и расы ВГШ - 2....................................................................................94

4.1.2. Динамика накопления биомассы при сбраживании осветленного зернового сусла дрожжами ЗассЬагошусез сегеу1з1ае XII расы и

расы ВГШ - 2........................................................................................................96

4.1.3. Динамика накопления этилового спирта при сбраживании осветленного зернового сусла дрожжами 8ассЬаготусез сегеу1з1ае

XII расы и расы ВГШ - 2....................................................................................96

4.1.4. Динамика накопления примесей при сбраживании осветленного зернового сусла дрожжами БассИаготусез сегеу1з1ае XII расы и

расы ВГШ - 2........................................................................................................98

4.2. Изучение влияния различного количества засевных дрожжей на эффективность сбраживания осветленного зернового сусла............................99

4.2.1. Накопление биомассы при сбраживании осветленного

зернового сусла различным количеством засевных дрожжей......................103

4.2.2. Накопление этилового спирта при сбраживании осветленного зернового сусла при различном количестве засевных дрожжей..................105

4.2.3. Динамика накопления основных примесей и их соотношения в процессе сбраживания осветленного зернового сусла в зависимости от величины засева дрожжей................................................................................106

4.3. Влияние начального рН на эффективность сбраживания осветленного зернового сусла.....................................................................................................117

4.3.1. Интенсивность образования С02 сбраживания осветленного зернового сусла в зависимости от величины начального рН.......................119

4.3.2. Динамика изменения концентрации спиртовых дрожжей в процессе сбраживания осветленного зернового сусла с

различными начальными рН............................................................................119

4.3.3. Динамика накопления этанола в процессе сбраживания осветленного

зернового сусла с различными начальными рН.............................................121

4.3.4. Определение зависимости накопления примесей и их соотношения от различного начального рН осветленного зернового сусла...........................123

4.4. Влияние различной температуры брожения на эффективность накопления примесей...........................................................................................129

4.4.1. Изучение интенсивности сбраживания осветленного

зернового сусла при различных температурах...............................................130

4.4.2. Динамика накопления биомассы спиртовых дрожжей в зависимости от температуры брожения..........................................................130

4.4.3. Влияние различной температуры брожения на накопление этилового спирта...............................................................................................132

4.4.4. Зависимость накопления примесей и их соотношения от различной температуры брожения..................................................................132

4.5. Оптимизация параметров процесса брожения...........................................137

ГЛАВА 5. ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СБРАЖИВАНИЯ ОСВЕТЛЕННОГО ЗЕРНОВОГО СУСЛА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

РЕЦИРКУЛЯЦИИ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ И КУБОВОГО ОСТАТКА.....153

5.1. Изучение возможности рециркуляции 20 % спиртовых дрожжей для

сбраживания осветленного зернового сусла.....................................................153

5.2. Изучение возможности применения рециркуляции кубового

остатка на стадию затирания...............................................................................161

ГЛАВА 6. ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ..........................................................................174

ВЫВОДЫ.................................................................................................................178

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................192

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Диссертация посвящена изучению образования примесей в процессе сбраживания осветленного зернового сусла, применение которого позволит решить ряд конкретных проблем при производстве этилового спирта, таких, как обеспечение экологической безопасности спиртзаводов, повышение качества получаемого продукта, интенсификация процессов брожения за счет рециркуляции дрожжей и кубового остатка, повышение технико -экономических показателей спиртового производства.

Спиртовое производство - одна из важнейших отраслей пищевой промышленности. Этиловый спирт находит широкое применение, однако главным образом он служит сырьем для выработки водочных, ликероналивочных изделий и вин.

Уровень развития технологии производства спирта в нашей стране превышает зарубежный уровень, что нельзя сказать о технической оснащенности. Так, на некоторых заводах из-за высокой степени износа оборудования, нехватки кондиционного сырья, а также акцизной политики государства наблюдается простаивание заводов, резкое падение качества получаемого спирта. Что касается технологии производства, то в настоящее время качество ректификованного спирта может быть улучшено за счет соблюдения технологической дисциплины, а также более высокого уровня технологии подготовки сырья, перегонки и ректификации спирта. С целью повышения качества ректификованного спирта на заводах, а также для организации ресурсо- и энергосберегающей технологии разрабатываются следующие мероприятия: совершенствование подработки сырья, в том числе получения тонкого и сверхтонкого помола зерна; расширение применения ферментных препаратов, применение более совершенных схем разваривания, в частности, механико - ферментативной схемы водно-тепловой обработки сырья; применения термотолерантных рас дрожжей; непрерывно-поточного и

циклического брожения с рецеркуляцией бражки; применение косвенно-прямоточной схемы брагоректификации; максимально возможное использование барды для выработки кормовых дрожжей, получение из нее сухого концентрата, а также очистка сточных вод; организация оборотного водоснабжения, внедрение средств автоматизации контроля и управления, утилизация сивушной и головной фракций этилового спирта.

В настоящее время, в условиях перехода к рынку, роста инфляции, удорожания сырья, энергоресурсов, транспортных и заводских расходов, спиртовые заводы в нашей стране как никогда заинтересованы в создании и внедрении новых ресурсосберегающих технологий, позволяющих сократить производственные потери, обеспечивающих возможность получения максимальных прибылей, крайне необходимых для развития производства, решения социальных вопросов. Актуальной остается экологическая безопасность спиртового производства, связанная с максимальным использованием производственных отходов, полупродуктов, сырьевых и материальных ресурсов путем создания комплексной безотходной технологии, способной решить проблемы повышения качества и конкурентноспособности отечественной продукции на Российском и мировом рынках.

В современных биотехнологических процессах производства спирта из зерна значительная часть органических соединений в виде барды направляется в отходы. Предлагаемая нами технология разделения осахаренной зерновой массы на твёрдую и жидкую фракции даст возможность координально изменить спиртовое производство, максимально использовать отходы. Твердая фракция может быть высушена или непосредственно идет на корм скоту, а жидкая фракция (осветленное сусло) направляется на сбраживание.

В результате применения данной технологии предполагается увеличение выхода спирта, уменьшение образования сопутствующих примесей, сокращение количества засеваемых дрожжей, возможность применения рециркуляции дрожжей и кубового остатка, получаемого при перегонке бражки из осветленного зернового сусла.

Основными продуктами спиртового брожения являются этанол и диоксид углерода. Наряду с этими соединениями образуются другие метаболиты и прежде всего побочные продукты: высшие спирты, кислоты, эфиры, альдегиды, дикетоны (диацетил, ацетоин) и др., которые синтезируются как в результате утилизации углеводов, так и вследствие обмена аминокислот. Процесс сопровождается выделением тепла и ростом биомассы дрожжей. Важное значение имеет наличие в сбраживаемом сусле источников усвояемого, в особенности аминного азота, необходимого для нормального роста дрожжей.

Необходимо отметить, что образование этанола, по имеющимся литературным данным [36], не коррелирует с накоплением побочных продуктов обмена дрожжей, в связи с чем сброженные растворы, содержащие одинаковое количество спирта, могут резко различаться по вкусовым и ароматическим показателям.

Изучение обмена веществ дрожжей и выявление факторов, влияющих на образование ими побочных продуктов, определяющих органолептические показатели спирта, имеет большое теоретическое и практическое значение.

Целью диссертации является изучение научных аспектов технологии получения этилового спирта из осветленного зернового сусла, которая позволит сократить энергозатраты на всех технологических стадиях после осахаривания из - за отсутствия твердой фазы, уменьшить объем сусла и биомассы дрожжей, идущих на брожение, улучшить показатели зрелой бражки вследствие меньшего накопления примесей, появляется возможность выделения биомассы из зрелой бражки, а также рециркуляции дрожжей и кубового остатка в производство. Данная технология позволит улучшить экологическую обстановку вблизи спиртовых заводов из - за отсутствия главного отхода производства - барды.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие

задачи:

- исследование динамики накопления примесей при сбраживании растворов углеводов, осветленного и традиционного зернового сусла;

- изучение влияния управляющих факторов (рН, температуры, концентрации инокулята) на эффективность сбраживания осветленного зернового сусла и интенсивность образования побочных продуктов;

- оптимизация параметров процесса сбраживания осветленного сусла с целью снижения образования примесей при максимальном биосинтезе этанола;

- определение влияния расы дрожжей на эффективность сбраживания осветленного зернового сусла;

- изучение возможности рециркуляции дрожжей при сбраживании осветленного зернового сусла;

- изучение возможности рециркуляции кубового остатка, получаемого после перегонки бражки из осветленного зернового сусла на стадию затирания.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: изучена эффективность сбраживания осветленного зернового сусла в сравнении с традиционным;

построена математическая модель процесса сбраживания осветленного зернового сусла и подобраны оптимальные условия процесса брожения с точки зрения образования этанола и примесей;

осуществлено сравнительное исследование накопления этанола и примесей расами дрожжей XII и ВГШ-2 при сбраживании осветленного зернового сусла;

исследована возможность рециркуляции дрожжей и их использование в качестве засевных для сбраживания осветленного зернового сусла;

доказана возможность и целесообразность рециркуляции кубового остатка на стадию затирания.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На Лужковском спиртоводочном заводе осуществлены производственные испытания предлагаемой технологии получения и сбраживания осветленного зернового сусла, позволившей повысить выход этилового спирта, уменьшить образование примесей и отбор головной фракции, сократить удельные энергозатраты и

потребление воды на 1 дал спирта, а также в перспективе осуществить многократное использование дрожжей в качестве засевных, улучшить экологическую безопасность спиртового производства, получить новый товарный продукт - хлебопекарные дрожжи и, как следствие, повысить рентабельность спиртового производства в целом; решить проблему утилизации барды.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Характеристика промежуточных и побочных продуктов брожения

Примеси, сопутствующие этанолу, отличаются большим разнообразием. В настоящее время их идентифицировано более 70, но общее суммарное содержание невелико - обычно не превышает 0,5 % от содержания этилового спирта.

Все летучие примеси можно в основном разделить на четыре группы: спирты, альдегиды, кислоты и эфиры. Кроме того, выделяют группу азотистых соединений (аммиак, амины, аминокислоты), серосодержащих соединений (сероводород, сернистый ангидрид, сульфокислоты, меркаптаны) и некоторые другие вещества.

Состав и содержание летучих примесей зависит от вида и качества сырья, от принятых технологических режимов его переработки.

Примеси частично переходят из сырья, воды, вспомогательных материалов, частично образуются в процессе приготовления сусла, однако большая их часть появляется в процессе брожения и перегонки.

Наибольшее количество примесей (0,35 - 0,45 % к количеству этилового спирта) приходится на долю спиртов - метилового, пропилового, изобутилового, изоамилового. Последние три спирта составляют основу сивушного масла (обычно 0,3 - 0,35 % к количеству этилового спирта в бражке) [35].

В процессе брожения образуются следующие альдегиды: уксусный, пропионовый, коричный, изомасляный, изовалериановый, кротоновый, акролеин и др. [36]

Всего обнаружено 12 альдегидов, содержащих от 2 до 12 атомов углерода. Все эти соединения в той или иной мере влияют на вкус и аромат готовой продукции, и являются очень реакционноспособными, вследствие

чего следует ожидать их дальнейших превращений в процессе жизнедеятельности дрожжей. Поэтому не случайно они образуются в начале брожения как промежуточные продукты метаболизма на пути гликолитического превращения углеводов в этанол. При дображивании количество альдегидов снижается на 20-30% [31] и часто варьирует в

о

пределах 10-35 мг/дм [36].

Образование альдегидов связано с ростом дрожжей и протеканием наиболее интенсивного спиртового брожения. Максимальное количество альдегидов (3,8 мг/100 см ) отмечалось при сбраживании сусла, содержащего 19 % сухих веществ; оно достигалось за 3 сут. брожения. Естественно, что при сбраживании сусла с низким содержанием сухих веществ (6,0 %) максимальное образование альдегидов происходило за 1-е сутки брожения и составляло лишь 1,1 мг/100 см3 [31].

Основным альдегидом, образу