РАЗМНОЖЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ДРОЖЖЕЙ

В анаэробных условиях на мелассном сусле дрожжи разви­ваются медленно, поэтому их выращивают при слабом аэри­ровании. Дрожже генерирование проводят непрерывно при тща­тельном перемешивании сусла. Свежее сусло поступает в дрож­жегенератор, и бродящее сусло выводится из него с одинаковой скоростью при постоянном объеме. При этом устанавливается динамическое равновесие между скоростью разбавления и ско­ростью размножения дрожжей. Поддерживать равенство ц = D (удельная скорость размножения дрожжей равна скорости раз­бавления бродящего сусла) можно изменением скорости при­тока, интенсивностью аэрирования (скорость насыщения кис­лородом) и перемешивания. Температуру поддерживают посто­янной — 28±1 °С.

УкрНИИСПом совместно с коллективом Андрушевского спиртового комбината разработана схема размножения производ­ственных дрожжей (рис. 69). Схема включает 4...6 дрожжегенера­торов с пневмоциркуляционным аэратором. Такое количество дрожжегенераторов позволяет поочередно выключать их для сте­рилизации без сокращения расчетного объема засевной культуры дрожжей. Для непрерывного отвода бродящего сусла из дрожже­генераторов установлены воронки 1, соединенные с наклонным коллектором 3. Дрожжевое сусло вводят в дрожжегенераторы с диаметрально противоположной стороны от места расположения воронки. Трубопровод для сусла проходит через крышку и окан­чивается над уровнем жидкости, что снижает вероятность про­скока сусла со зрелыми дрожжами. Приток сусла контролируют при помощи щелевого расходомера 2.

Воздух, поступающий по центральному трубопроводу 5, выхо­дит из воздухораспределителя 6. Газожидкостная смесь по внут­реннему цилиндру 4 устремляется вверх, а затем по межкольце-

 

вому пространству — вниз, вызывая интенсивную циркуляцию сбраживаемой среды в вертикальном направлении.

Диоксид углерода и воздух из верхней части дрожжегенерато-ров отводятся по трубопроводу в пено- и спиртоловушку. Все дрожжегенераторы соединены параллельно в батарею общим коллектором для отвода сбраживаемой среды из дрожжегенерато-ров, общей нижней спускной коммуникацией, общей газоотвод­ной линией и коммуникацией для подвода сусла. При очень бурном пенении пену в дрожжегенераторах гасят олеиновой кис­лотой или соапстоком.

Общая вместимость всех дрожжегенераторов в зависимости от направленности производства составляет 20...35 % от суммарной вместимости дрожжегенератора и бродильных аппаратов и долж­на быть равна 20...25 % при выработке только спирта, 30...35 % — при выработке наряду со спиртом хлебопекарных дрожжей.

Полезный объем дрожжегенератора (м³)

V₀ = F/D, (9.1)

где /'—объем сусла, поступающего в дрожжегенератор, м³/ч; D — скорость раз­бавления сбраживаемой среды, ч.

Удельная скорость роста дрожжей зависит от многих факто­ров — состава сырья, интенсивности массообмена, наличия ин­гибиторов и стимуляторов роста, физиологического состояния дрожжей и т. д., поэтому суммарный полезный объем всех дрож­жегенераторов рассчитывают на неблагоприятные условия. При хорошем качестве мелассы один из дрожжегенераторов может быть выключен, а скорость разбавления среды увеличена до 0, 27...0, 30 ч-1.

Интенсивное дрожжегенерирование — важный фактор для обеспечения микробиологической чистоты брожения, увеличе­ния биомассы дрожжей и их качества. Повышенное количество дрожжей способствует ускорению брожения и более полному сбраживанию Сахаров.

Известно, что в условиях аэробиоза при понижении концент­рации растворенного в среде кислорода до 0, 5... 1 мг/л, считаю­щейся критической, размножение дрожжей почти прекращается. Скорость использования растворенного кислорода дрожжами, а следовательно, и скорость размножения их не зависит от кон­центрации кислорода, если она выше критической.

По данным УкрНИИСПа, концентрация растворенного кис­лорода в мелассном сусле равна 2...4 % от полного насыщения, т. е. 0, 1...0, 2 мг/л Ог. При этом происходит умеренное размно­жение дрожжей и спиртовое брожение, причем скорость раство­рения кислорода значительно меньше скорости его потребления дрожжами.

Количество кислорода, потребленное дрожжами (м³/ч),

Qk-Qb-QbjE^, (9.2)

где Qb — расход воздуха на аэрирование, м³/ч; К_в — содержание кислорода в воздухе, доли единицы; AV — содержание кислорода в отходящих газах после поглощения из них Ог, доли единицы.

Прирост дрожжей при дрожжегенерировании (кг/г)

Од - Fx, (9.3)

где F— объем жидкостного потока, м³/ч; х — концентрация дрожжей в сбражи­ваемой среде, г/л.

При расходе воздуха на аэрирование сусла в дрожжегенерато­рах с барботажным воздухораспределением 1, 9...6, 6 м³/(м³ч) ко­личество используемого кислорода воздуха изменяется незначи­тельно и составляет в среднем 3, 12 %. Потребление кислорода на 1 кг прироста сухих веществ дрожжей изменяется от 23 до 83 г и зависит главным образом от количества воздуха, используемого на аэрирование. При расходе его от 2, 25 до 3, 5 м³/(м³ч) дрожжи потребляют в среднем 39 г/кг кислорода, при расходе 3, 8...5, 3 м³/(м³ч) — 62 г/кг. Из 1 м³ воздуха, необходимого для аэрирования 1 м³ сбраживаемой среды в дрожжегенераторах в 1 ч, на прирост 1 кг дрожжей затрачивается 13, 3 г кислорода.

Коэффициент скорости использования дрожжами кислорода, отнесенный к 1 м³/(м³ч) воздуха, составляет 2...4 е кислорода на 1 кг сухих вещеста дрожжей в 1 час, а прирост дрожжей 75 %- й

влажности на 1 м³ полезного объема дрожжегенераторов — 2.0...2.5 кг/(м³-ч).

Коэффициент полезного действия барботажного воздухорас-пределения по сравнению с другими его видами самый низкий. При использовании более совершенных аэрирующих устройств количество кислорода воздуха, используемого дрожжами, может достигать 20 %, а иногда и более.

Наибольший ограничивающий фактор при передаче кислоро­да — его малая растворимость в питательной среде. При полном насыщении воды при 30 " С в ней содержится 7, 63 мг/л 0₂- Рас­творимость кислорода уменьшается с повышением в питательной среде концентрации сухих веществ, рН и температуры. В сусле, находящемся в дрожжегенераторах, при полном насыщении его кислородом растворяется около 5 мг/л 0₂. Чем больше скорость разбавления среды, тем меньше средний возраст клеток в аппа­рате и тем выше их физиологическая активность. За единицу возраста дрожжевых клеток принимают время, в течение которо­го количество клеток удваивается.

Конструкция дрожжегенератора должна удовлетворять следу­ющим основным требованиям: обеспечивать высокую скорость массообмена, что достигается интенсивным перемешиванием сусла во всем объеме, тонким диспергированием воздуха и не­прерывным удалением пены и флотируемых дрожжей; предус­матривать герметичность аппарата и минимальное число в нем внутренних устройств простой конструкции для предотвращения инфицирования сусла посторонними микроорганизмами и до­ступность для механизированной мойки и дезинфекции. Этим требованиям отвечает конструкция дрожжегенератора УкрНИ-ИСПа.

Обычно дрожжегенератор имеет форму цилиндра с коничес­ким днищем и крышкой. Внутри него находятся воздухораспре­делительное устройство, направляющий цилиндр и змеевик с поверхностью охлаждения 0, 25 м² на 1 м³ сусла.

Удельная производительность дрожжегенератора (съем био­массы дрожжей в килограммах с 1 м³ полезного объема в 1 ч)

P=Fx/Vo, (9.4)

где F— объем сусла, поступающего в дрожжегенератор в 1 ч, м³; х — содержание биомассы дрожжей в сбраживаемой среде, кг/м³; Ко — полезный объем дрожжеге­нератора, м³.

Так как F/ V_{0 я} D, то

P=Dx. (9.5)

Удельная производительность дрожжегенератора с пневмо-циркуляционным аэратором составляет 3, 1 кг/(м³ч), а с трубча­тым — 1, 8 кг/(м³ч). В дрожжегенераторах с трубчатыми аэрато­рами удельная скорость размножения дрожжей 0, 15...0, 16 ч~1 _с пневмоциркуляционными — 0, 25...0, 27 ч~¹ и более. Таким обра­зом, объем дрожжегенераторов с эффективными аэрирующими устройствами может быть значительно уменьшен.

Расход воздуха на 1 м³ аэрируемого сусла в дрожжегенерато­рах при данном аэрирующем устройстве с учетом коэффициента использования кислорода воздуха и расхода растворенного кис­лорода на 1 кг прироста абсолютно сухих дрожжей (АСД) [mV(m³-4)]

где х— содержание АСД в сусле, г/л; ц — удельная скорость роста дрожжей, ч~'; Ок — расход растворенного кислорода на 1 кг прироста АСД, г (в зависимости от условий дрожжегенерирования изменяется от 30 до 100 г); к — коэффициент использования кислорода воздуха, %; Ог — содержание кислорода в воздухе, об. %.

Давление воздуха, обеспечивающее нормальные условия аэри­рования (кПа),

где кс — коэффициент, учитывающий сопротивление воздухопроводов, обычно равный 1, 2; Я—высота столба сусла, м; у — концентрация сухих веществ сусла, кг/м³; р₀— давление над суслом в дрожжегенераторе, кПа.

Для подачи воздуха в дрожжегенераторы используют воздухо­дувки ВК-1, ВК-12, ВК-24; турбовоздуходувки ТВ-50 применяют только на спиртовых заводах большой мощности. В них воздух подогревается до 50...60 " С, вследствие чего повышается темпера­тура аэрируемого сусла.

Даже при незначительном изменении сопротивления в одном из дрожжегенераторов (изменение уровня жидкости и др.) коли­чество воздуха, поступающего из общего воздуховода в разные дрожжегенераторы, может измениться в несколько раз, что нару­шит режим дрожжегенерирования. Общий расход воздуха и рас­ход его на каждый дрожжегенератор необходимо поддерживать постоянным и измерять. Для измерения устанавливают ротаци­онные счетчики РГ-400, РГ-600, РГ-1000 или расходомеры типа дифманометров.

Технологические показатели дрожжевого сусла и производст­венных дрожжей приведены в табл. 22. Концентрацию сухих веществ сусла регулируют вручную или с помощью автоматичес­кого рефрактометра в комплекте с вторичным прибором, выпол­ненным на базе прибора ЭПИД, воздействуя на приток холод­ной волы в смесителе.

 

22. Характеристика дрожжевого сусла и производственных дрожжей
Показатель	Одно- (1) или двухпоточная (2) схема	Подработанная меласса	Дрожжевое сусло	Производст­венные дрожжи
Концентрация СВ, %		70...75 70...75	20...23 8...12	15...17 5, 5...6, 5
Кислотность, град	1 2	1.6...2.4 3.5...4.5	0, 4...0, 5 0.9...1	0, 4...0, 5 0, 9.-1
РН		3.5...4	5.0...5.2	5.0...5.2
	2, 5	4.0...4.5	4, 0...4, 5
Содержание спирта, об. %				2...3, 5
Температура, " С		—	24...25	28...30
		—	24...23	28...30

 

В производственных дрожжах определяют видимую концентра­цию сухих веществ и кислотность через каждые 2 ч, содержание спирта и биомассу дрожжей — один раз в смену. Концентрация биомассы должна быть 12... 15 г/л, а в случае выделения хлебопе­карных дрожжей — 16...18 г/л. Температуру производственных дрожжей контролируют и регулируют автоматически при помощи многоточечных мостов и блоков реле.

Датчиками температуры служат термометры сопротивления; вторичными приборами для контроля и регулирования температу­ры — электронные мосты типа ЭМП-209. Вторичные приборы че­рез блоки реле и электродвигательные исполнительные механиз­мы типа ДР управляют работой регулирующих органов подачи хо­лодной воды в теплообменники.

 

Способы сбраживания зерно-картофельного сусла(непрерывно-проточный, проточно –рециркуляционный, циклический). Способы сбражмвания меласного сусла (однопоточный, двухпоточный., двумя рассами). Технологические потери при брожении. Показатели зрелой бражки.

Всё сусло кроме той части, идёт на приготовление дрожжей, направляют в бродильные аппараты, и содержащийся сахар сбраживается дрожжами в спирт. При сбраживании зернокартофельного сусла одновременно происходит доосахаривание декстринов. Бродящее сусло называют бражкой, или культуральной жидкостью.

Содержание спирта в зрелой бражке (и в вводно-спиртовом растворе) в объёмных процентах называются крепостью бражки.

Способы брожения

1. Периодический. Заключается в том, что все стадии брожения осуществляется в бродильном аппарате, который представляет цилиндрический резервуар с коническим днищем, оснащ. соответствующей аппаратурой (патрубки), люками, герметической крышкой. Внутри аппарата – система охлаждения (змеевики). Вначале в брод. ап-т вносят сусло, затем опр-ое кол-во засевных др-ей (при периодическом способе доза внесения 10% от объёма сусла). Брожение считают законченным при неизменяющемся значении СВ в течение 2-х часов, продолжительность – 72 часа.

2. Непрерывный. Преимущества: повышение производительности оборудования, снижение себестоимости готового продукта, автоматизация процесса, повышение выхода спирта.

Процесс осущ-ся в таких же бродильных ап-ах, которые соединены в бродильную батарею. Количество брод-х аппаратов в батарее – 8-10 штук. Соединяется она перегонными трубами наклонно или горизонтально с чередованием вверх-вниз. Для перекачивания зрелой бражки уст-ся насос. Стерилизация оборудования осущ-ся через 3-5 суток. Главное условие успешного проведения непрерывного брожения – это соблюдение равенства удельной ск-ти роста др-ей и ск-ти разбавления среды.

Удельная ск-сть роста дрожжей – это прирост биомассы в единицу времени, пересчитанной на единицу растущей культуры.

Ск-сть разбавления (константа разбавления) – ск-сть потока среды, отнесённой к единицы объёма культуры в бродильном аппарате.

Др-жи размножаются со ск-ю М*х/ск-сть.

Если М> Д, то концентрация др-ей будет расти и будет недостаток СВ в сусле. Если М< Д, то дрожжи будут вымываться и будет увеличиваться продолжительность сбраживания. Когда М=Д, dx/dt = 0.

3. Циклический.

Это разновидность полунепрерывного способа, когда процессывозбраживания и главное брожение пр-т непрерывно, дображивание – периодически. Недостаток заключается в разной продол-ти пребывания бражки в брод-ой батарее. Мах – в головных брод-х ап-ах, минимум – в концевых. Это может привести к инфицированию бродящей среды и как следствие снижение выхода спирта и себестоимости готовой прд-ии. Но при ритмичной работе предприятия исп-ие этого способа позволяет увеличить съём спирта с м³ ап-та до 2, 3 дал в сутки по сравнению с непрерывным, где съём составляет 2 дал в сутки.

4. Непрерывный способ с рецеркуляцией бродящей массы. Из 3-ого брод-ого ап-та бродящее сусло с др-ми перекачивается в 1-ый бродильный аппарат. За счёт увеличения количества др-ей в 1-ом бродильном аппарате и увеличения брод-ой активности главное брожение начинается в 1-ом бродильном ап-те.Вседствие этого интенсификация процесса сбраживания и прод-ть брожения уменьшается на 6-8 часов.

Характеристика способов брожения

Периодический: съём-2, 0 дал, н/сбрж 0, 45 г/см³, содер-ие спирта – 8, 0% об.

Циклический: съём-2, 3 дал, н/сбрж 0, 35 г/см³, содер-ие спирта – 8, 2% об.

Непрерывный: съём-3, 0 дал, н/сбрж 0, 23 г/см³, содер-ие спирта – 8, 4% об.

Непрерывный с рецеркуляцией: съём-4, 1 дал, н/сбрж 0, 17 г/см³, содер-ие спирта – 8, 5% об.

Сбраживание мелассного сусло:

1. Однопоточный. Данный способ рекомендуется для заводов, выраб-х х/б дрожжи. В этом способе исп-т мелассное сусло с конц-ей 22% СВ или 26% СВ, как для культивирования др-ей, так и для брожения. Культивирование др-ей осущ-т дрожжегенераторах при постоянном притоке сусла и постоянном аэрировании среды. Контролируемые показатели: кислотность – от 0, 5⁰ до 0, 7⁰. Начальная концентрация СВ 22-26%, т=28-30⁰С. Содержание спирта 2, 5% об. В дрожжегенераторах накапливается 120 млн. клеток в 1 мл. Из дрожжегенератора засевные др-жи непрерывно поступают в 1-ый аппарат бродильной батареи. По периточным трубам бражка последовательно перемещается по всем ап-ам. Зрелая бражка с сод-м спирта 8, 5-9% об. подаётся на сепараторы для отделения др-ей. Обездроженная бражка поступает на брагоректификацию. Выход др-ей зависит от интенсивности аэрирования среды в дрожжегенераторах. Выход др-ей составляет 6 кг на 1 дал спирта при исп-ии след-его дифф-ого режима аэрирования: 1 дрожжегенератор – 25 м³ в-ха на м³ среды в час, 2 др-р -20 м³ в-ха на м³ среды в час, 3 др-р – 15 м³ в-ха на м³ среды в час.

2. 2-х поточный способ. Два потока. Различ-ся конц-ей СВ в потоках сусла. 1-н направляется на дрожжегенерирование. Имеет конц-ию СВ 10-12%. 2-ой направляется в 1-ый бродильный аппарат с конц-ей СВ 32%.Известно, что при снижении конц-ии СВ в сусле дрожжи накапливают в меньших количествах вторичных и побочных пр-ов. В бродильный аппарат засевные дрожжи подают конц-ей 5% СВ, в 1-ый брод. ап-т поступает сусло с конц-ей 32% СВ и потоки регулируют таким образом, чтобы концентрация СВ в сусле в 1-ом брод-м ап-те составляла 16%. В зрелой бражке конц-ия спирта достигает 8-8, 5%.

При 2-х поточном способе др-жи м. использоваться многократно в результате чего снижается кол-во сахара, кот-ое затрачивается на синтез биомассы. В этом случае выход спирта повышается на 2%. Продолжительность сбраживания в обоих случаях составляет 20-24 часа.

3. Сбраживание 2-мя расами дрожжей.

Обычно исп-т расу В в качестве основной и расу Г-112 в качестве подсевной. 80% - 20%. Кроме Г-112, которая накапливает биомассу с высокой мальтазной сп-ю, исп-т Г-73 (полностью сбраживает раффинозу на 100%) Исп-т для увеличения выхода спирта расу В(80%) и расу Г-73(20%).

Вначале в брод-ую батарею подают засевные др-жи основной к-ры. По заполнению 50% ап-та батареи начинают подавать подсевную к-ру (в 5-ый или 6-ой брод-ый аппарат).

На выход и качество этилового спирта влияет много факторв: интенсивность аэрирования сбраживаемого сусла, концентрация в нём сахара, кислотность и ph сусла, температура брожения, раса применяемых дрожжей, качество перерабатываемой мелассы и др.

С повышением интенсивности аэрирования сусла в др-ах содержание спирта снижается, что связано с увеличением расхода сахара на синтез биомассы др-ей и обр-ие др-х прод-ов брожения.

При повышении концентрации сахара в исходном мелассном сусле от 9 до 14% в зрелой бражке увеличилось содержание альдегидов с 0, 15 до 0, 4 г/л, эфиров с 0, 16 до 0, 13 г/л.

Качественные показатели зрелой бражки. Нормативными пока­зателями зрелой бражки являются кислотность, количество несбро-женных углеводов и крепость. Нарастание кислотности зрелой браж­ки при нормальных условиях производства не должно превышать 0, 15—0, 20е; содержание несброженных растворимых углеводов—0, 25 г на 100 мл при отличной работе, 0, 35 — при хорошей и 0, 45 г на 100 мл — при удовлетворительной работе; количество нерастворен-ного крахмала может колебаться от 0, 03 до 0, 2%; содержание спирта должно составлять 8, 0—8, 5% об.

Для оперативного контроля процесса брожения при переработке
крахмалистого сырья определяют содержание сухих веществ в фильт­
рате бражки по сахарометру. Видимая плотность зрелой бражки в
зависимости от вида сырья и схемы разваривания должна иметь
следующие значения (в %):

Потери от 1.92% до 3.46% рачтворимых сбраживаемых углеводов от всего кол-ва введенного с сырьем.

Способы культивирования дрожжей при производстве спирта из крахмалистого сырья.

Производственными или зрелыми дрожжами в спиртовом производстве называют готовую культуру дрожжей, которую получают в результате сбраживания питательного сусла на 2\3 от первоначального содержания сухих веществ. Существуют периодический, подунепрерывный, и непрерывный способ культивирования дрожжей.

Периодический способ культивирования.

Сущность способа периодического культивирования состоит в том, что все операции- подготовка сусла, ввод посевных дрожжей, их выращивание, ввод дрожжей, промывка стенок и их стерилизация, охлаждение и повторное наполнение- осуществляются в одном дрожжевом аппарате. Это герметичнозакрытый цилиндроконический аппарат, снабженный двумя рядами змеевиков(для пара и для воды) с мешалкой.

В дрожжевом отделении устанавливают так же один-два сборника для кратковременного хранения маточных зрелых дрожжей, отбираемых из дрожжевого аппарата, содержимое которого спускают в очередной бродильный аппарат. Объем каждого сборника около 10% от вместимости дрожжевого аппарата.По мере необходимости маточные дрожжи обработывают раствором серной кислоты до ph2.5….3.0 и выдерживают 40…60 мин для очистки от посторонней микрофлоры.

Перед началом процесса культивирования дрожжевой аппарат моют горячей водой, стерилизуют парам, охлаждают, набирают сусло температурой 55…59С, добавляют в качестве азотистого питания солодовое молоко и выдерживают 1…2 часа для осахаривания крахмала солода.После этого температуру повышают до 75 С, пастеризуют сусло в течении 30 мин и охлаждают до 30 С.Затем добавляют раствор серной кислоты до кислотности 0.7….0.9 град для зернового, или 0.9…1.2 град для картофельного и ph 3.8…4.0. Большая титруемая кислотность сусла из картофеля объясняется повышенной буферностью. В случае подкисления дрожжевого сусла молочной кислотой после пастеризации (75С) еге охлаждают до 54С и вносят подготовленную культуру молочнокислых бакрерий( штамм 52 или смешанная культура 70) в количестве 2…5% от объема сусла в дрожжевом аппарате, перемешивают(при 52С) и в течении 8…10 часов происходит молочнокислое брожение до нарастания общей кислотности до 1.7…1.9град в зерновом сусле и 2.0…2.4 град в зерно-картофельном. Затем отбирают в сборник маточную культуру молочнокислых бактерий, а остаток сусла пастеризуют 25…30 мин при 76…78 С.

Приготовленное сернокислое и молочнокислое дрожжевое сусло охлаждают до 30 С и вносят засевные дрожжи до 8% объема дрожжевого аппарата, содержимое перемешивают и охлаждают до 22…23 С.Размножение дрожжей длится 18…20 часов при 27…30 С. Цель первоначального снижения температуры(складка)-угнетение посторонней микрофлоры, пока концентрация дрожжей в сусле невелика. Сточки зрения инфицирования сусла –это самый опасный период, когда численность дрожжевых клеток возрастает, вероятность инфицирования снижается, т. К. в

ежвидовой борьбе побеждает численно превосходящая микрофлора.

Концентрация сусла при культивировании снижается от 17…18 до 5…6%, а концентраця спирта возростает до 4.5…5%. Кислотность зрелых дрожжей не должна превышать начальную, определяемую при складке. При малейшем повышении кислотности дрожжи бракуют.Клетки готовой культуры дрожжей должны содержать гликоген, до5% почкующихся, не более 1% мертвых, про полном отсутствии посторонних микроорганизмов. На поверхности содержимого в дрожжевом аппарате должны прослеживаться перемещение и его некоторое движение. При обнаружении 1..2 палочек посторонней микрофлоры ее обрабатывают в сборнике раствором сернрй кислоты приуказанной кислотности(ph2.5…3.0), убивают до 50% дрожжевых клеток и соответственно увеличивают оббьем засевных дрожжей, повышают на

чальную температуру брожения на 3…4 С.

Недостаток: в периодическом культивиривании в каждом дрожжевом аппарате накопление дрожжевых клеток идет от 10…12 при засеве сусла до 100…120 млн/мл при их готовности. И это циклически повторяется через каждые 18…20 чаов. Такое резкое уменьшение дрожжевой популяции может сопровождаться инфицированием, поэтому возникает необходимость в совершенствовоние периодического способа культивирования.

Полунепрывное культивирование.

Сущность способа: все операции приготовления дрожжевого сусла проводят в отдельном аппарате- пастеризаторе, расположенном выше двух дрожжевых аппаратов. Устройство пастеризатора такое же, как и дрожжевого аппарата, только вместимость его на треть меньше. Приготовленное сусло сливают в один из дрожжевых аппаратов, добавляют дрожжи, поремешивают и размешивают их при тех же температурных условиях, что и в периодическом способе. Концентрация дрожжевого сусла вначале находится в пределах 14…15%, когда она понизится до 4.0…4.5%, половиу содержимого передают во второй дрожжевой аппарат и в оба аппарата доливают свежее сусло из пастеризатора. Когда концентрация понизится до 4.0…4.5%, из каждого дрожжевого аппарата отбираютпо 1/3 в бродилбные аппараты и дрожжевые аппараты внось доливают пастеризованным суслом; так повторяется до тех пор, пока не потребуется смена дрожжей.

В результате увеличения количества засевных дрожжей продолжительность культивирования сокращается до 6 ч и соответственно повышается производительность дрожжевого отделения. В производственных дрожжах содержится от 50 до 120 млн клеток и до 4% спирта. Но для этого способо не предусмотреннна профилактическая стерилизация оборудования, поэтому он не получил широкого распространения.

Непрерывное культивирование.

Сущность: он осуществляетсяпроточно в одном или нескольких поледовательно соединенных аппарата-дрожжегенераторах. Осахаренное сусло поступает в первый головной аппарат, в который вносят маточные дрожжи. Засеянная ими питательная среда перемещается по аппаратам и выводится в виде готовой культуры дрожжей из последнего концевого дрожжегенератора в бродильную батарею- головной ее аппарат.

Сусло поступает в сборники, в них оно доосахаривается при 55С в течении 45…0 мин и насосом прокачивается через контектную головку для нагревания до 75…78 С, пастнризуется в 20…30 мин в выдерживателе, проходит сепаратор, в котором выделяющийся из сусла втаричный пар отсасывается эжэктором с помощью острого пара и возвращается в контактную головку. Далее сусло насосом подается в теплообменник, где охлаждается до 22…24 С, а затем направляется в два головных дрожжегенератора. Одновременно из третьего дрожжегенератора подается, или 30% маточной культуры дрожжей насом. Непрерывное заполнение этих дрожжегенераторов в зависимости от объема маточной культуры продолжается соответственно 16, 12 и 8 часов. Для поддержания постоянной концентрации дрожжевых клеток на уровне 80…90 млн/мл скорость притока сусла по времени должна возрастать.

Во второй ступени-дрожжегенераторе большого обьема вместе с непрерывным притоком культуры из дрожжегенераторов вводится так же непрерывно сусло температурой 30 С из общей производительной магистрали. Культивирование продолжается такое же время как и в дрожжегенераторах, при этом скорость притока сусла регулируется с учетом поддержания концентрации дрожжевых клеток на уровне 80…90 млн/мл.

По аналогичному принцыпу за такое же время заполняется концевой дрожжегенератор, имеющий объем равный, равный объему головного аппарата бродильной батареи. Сразу же после заполнения концевого дрожжегенератора его содержимое насосом перекачивается у стерилизованный бродильный аппарат.

Благодаря расчленению процесса дрожжегенерации на три ступени, непреривному последовательному наполнению сусло и периодическому освобождению дрожжегенераторов их можно стерилизовать через 8…16 часов, в результате чего обеспечиваются чистота и сохранноть монокультуры дрожжей и не нарушается систематическая поставка посевных дрожжей для неприрывного брожения сусла в батарее бродильных аппаратов.

4.2.33. Выделение и очистка спирта.

Теоретические основы ректифкации. Сущность процесса ректификации, основные понятия (дистилят, кубовый остаток, флегма, флегмовое число.)

Выделение спирта из бражки и его очистка осуществляются путем псрсгонки и ректификации. Под перегонкой понимается разделение смеси летучих веществ, обладающих различной летучестью (или темпе-ратурой кипения), на отдельные компоненты или фракции путем частичного о испарения и последующей конденсации пара. В процессе перегонки пар обогащается легколетучими компонентами (ЛЛК), а остаток (жидкость) обогащается менее летучими или труднолетучими компонентами (ТЛК); таким образом, происходит частичное разделение смеси и летучих веществ.

Ректификация — сложный многократный процесс перегонки в противотоке пара и жидкости, который осуществляется в специальных аппартах — ректификационных колоннах — и дает возможность разделять смесь летучих веществ на чистые компоненты.

Рассмотрим процесс перегонки на примере бинарной смеси этиловый спирт — вода. При атмосферном давлении темпгратура кипения этилового спирта 78, 3 °С, а воды 100 °С, следователь­но, этиловый спирт в смеси будет ЛЛК, а вода — ТЛК. Обозначим через X концентрацию спирта в кипящей жидкой смеси, а через Уконцентра-пмю спирта в паре над кипящей жидкостью. При установившемся про­цессе отношение Y/X=К будет величиной строго определенной, которая именуется коэффициентом испарения (коэффициентом фазового равновесия) этилового спирта. Коэффициент испарения зависит от свойст смеси, давления, концентрации ЛЛК (спирта) в кипящей смеси.

Графическое изображение зависимости Y=f(X) называют кривой фа зового равновесия на диаграмме X— Y. На рис. И-1 такая зависимост] представлена для смеси этиловый спирт — вода, .

Из рис. II-1 следует, что при любой концентрации спирта в жидко сти от 0 до ХА концентрация спирта в паре больше, нежели в жидкости следовательно коэффициент испарения для спирта в этом диапазоне

Кэс> 1. Для воды коэффициент испарения будет равен Кв=(100-У)\(100-Х)< 1

Для ЛЛК коэффициент испарения всегда К > 1, для ТЛК всегда К< 1. Смесь этиловый спирт — вода обладает характерной особенностью состоящей в том, что при концентрации спирта в смеси ХА концентра ция его в паре будет такой же, как и в жидкости, т.е. YA = ХА; при эти: условиях Кэс = Кв= 1. Такая смесь называется нераздельнокипящей, илц азеотропной, а точка А на диаграмме фазового равновесия — азеотропной точкой. Для смеси этанол — вода при атмосферном давлении она соответствует концентрации спирта ХА= УЛ= 97, 2 % об. = 96, 5 % мас. =| = 89, 4 % мол. При концентрации спирта 97, 2 % об. и выше пар не обогащается ЛЛК, а следовательно, путем перегонки (даже многократной) при атмосферном давлении можно достичь максимальной концентра­ции этилового спирта не выше концентрации смеси в азеотропной точ­ке, т.е. 97, 2 % об.

Положение кривой фазового равновесия и азеотропной точки на диаграммеХ-У изменяется в зависимости от давления. С повышением давления азеотропная точка смещается по диагонали вниз, а с пони­жением давления — вверх. При давлении 9, 33 кПа, или 70 мм рт. ст. (температура кипения 27 °С), азеотропная точка смещается вверх до Х= 100 %. Следовательно, если требуется получить спирт более высо­кой концентрации, необходимо вести процесс перегонки при давле­нии ниже атмосферного.

На рис 11-2 представлена схема установки для проведения про­цесса перегонки; она состоит из куба /, холодильника 2, делитель­ного (сортировочного) крана 3 и сборников отгона (дистиллята) 4. При кипении в кубе жидкости с содержанием ЛЛК, равным X, обра-|уется пар с содержанием ЛЛК, равным У. Этот пар непрерывно отводится в холодильник, где конденсируется, образуя дистиллят.

На основании материального баланса легко установить, что по мере испарения жидкости будут уменьшаться концентрация ЛЛК в ней (т.к. Y> X) и концентрация ЛЛК в паре, а следовательно, и в дис­тилляте, что наглядно представлено на рис. П-3.

При частичном испарении кубовой жидкости будет получаться дис­тиллят, обогащенный ЛЛК, и остаток в кубе, обедненный ЛЛК, т.е. бу­дет происходить частичное разделение летучей смеси на ЛЛК и ТЛ К по сравнению с исходной смесью. Такой процесс разделения летучих сме­сей именуется простой перегонкой. Если испарить всю исходную смесь, то концентрация ЛЛК в дистилляте будет равна концентрации в исход­ной смеси.

При проведении процесса простой перегонки наперед задаются кон­центрацией ЛЛК в кубовом остатке или в дистилляте, и на основании расчета материального баланса определяют долю частичного испаре­ния, с учетом формы кривой фазового равновесия [17].

В практике часто осуществляют дробную (фракционную) перегонку. При такой перегонке первые порции дистиллята будут иметь макси­мальную концентрацию ЛЛК — около У_н, а следующие — меньшую концентрацию, например У,, У₂..., и далее концентрация дистиллята будет снижаться. Фракционная перегонка дает возможность получать дистиллят различной концентрации и собирать его в отдельные сбор­ники с помощью распределительного крана 4 (рис. П-2).

Максимальная концентрация ЛЛК в первой фракции дистиллята не

I1 ревышает У_н = КХ_Н. Так, например, при концентрации этилового спир-

III в исходной смеси 8 % об. первые порции дистиллята будут иметь
концентрацию спирта 49, 6 % об. По мере перегонки и снижения кон­
центрации спирта в кубовой жидкости до Х_к= 1 % об. концентрация
i'мирта в конечной порции дистиллята снизится примерно до 9 % об.

Простая перегонка дает возможность только частично разделить смесь летучих веществ. Для более полного разделения применяют пере­гонку сдефлегмацией. Суть ее состоит в том, что выходящий из куба пар (рис. И-4) предварительно частично конденсируется в специальном теплообменнике — дефлегматоре 5 и полученный при этом конденсат (флегма) возвращается в куб /, а оставшаяся часть несконденсирован-iioi'o пара поступает в холодильник 2, где конденсируется, образуя дис­тиллят.

При частичной конденсации пара оставшаяся часть пара обогащает­ся ЛЛК, концентрация ЛЛК (У) в оставшейся части пара больше, чем концентрация ЛЛК в исходном паре (У). Например, при концентрации щирта в исходном паре Y— 42 % мае. при частичной конденсации пара

образуется L = 0, 5 и¹ флегмы с концен­трацией около 17 % мае. и D = 0, 5 кг дистиллята с концентрацией около 67 % мае, в то время как при простой перегонке концентрация спирта в ди­стилляте будет 42 % мае.

Таким образом, перегонка с деф­легмацией обеспечивает более глубо­кое разделение летучих смесей по сравнению с простой перегонкой, но все равно не позволяет получать чис­тые компоненты.

При перегонке с дефлегмацией
отношение количества флегмы L (при
температуре кипения) к количеству
дистиллята D именуется флегмовым
числом (или числом флегмы) R = L/D.
Чем больше R, тем выше концентра­
ция ЛЛК в дистилляте, при этом бу­
дет больше и расход энергии на пере­
гонку, i

Перегонка с дефлегмацией ис­пользуется в коньячном производстве j при получении коньячных спиртов с концентрацией 65—75 % об. из вино-материалов с содержанием спирта? -11%об.

Простая перегонка и перегонка с

дефлегмацией — периодические процессы. Непрерывную перегонку осуществляют с применением ректификационных колонн (рис. II-5).

Перегонка с применением ректификационных колонн не только дает возможность вести процесс в непрерывном режиме, но и получать ком­поненты в чистом виде. Разделяемые смеси могут быть двухкомпонент-ными (бинарными) и многокомпонентными. Рассмотрим процесс рек­тификации на примере двухкомпонентной смеси.

Физическая сущность процесса ректификациизаключается в дву­стороннем массо- и теплообмене между противоточно движущимися неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулиза-ции поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар поглащается легколетучими, а жидкость — труднолетучими компонен-ыми. При определенном числе контактов можно получить пар, состоящий в основном из легколетучих компонентов, а жидкость — из труд­ном летучих компонентов.

Процесс ректификации осуществляется в специальных аппаратах — ректификационных колоннах. Способ контактирования потоков в колоннах может быть ступенчатым (в тарельчатых колоннах) или непрерывным (в насадочных и пленочных колоннах).

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: