Технология производства спирта из мелассы

Технология производства спирта из мелассы

 

Получение мелассы.

При переработке свеклы на сахар все несахаристые вещества свеклы, не удаленные с жомом и дефекационным шламом, накапливаются в маточном растворе, получающемся после фуговки последнего продукта.

В связи с наличием значительного  количества несахаров, затрудняющих кристаллизацию сахара, этот продукт, называемый мелассой, является отходом свеклосахарного производства.

Выход мелассы составляет примерно 4,6% по весу переработанной свеклы, а содержание сахара в ней 2,4% к  весу переработанной свеклы. Выход  мелассы колеблется в очень широких  пределах и зависит от многих причин.

Меласса является побочным продуктом в производстве сахара. В зависимости от вида сырья, перерабатываемого  на сахарных заводах, меласса бывает нескольких видов:

свеклосахарная меласса – при переработке сахарной свеклы;

тростниковая меласса – при переработке сахарного тростника на сахар-песок; рафинадная меласса – при производстве сахара-рафинада из сахара-песка.

В России для производства спирта используется преимущественно  свеклосахарная меласса.

Свеклосахарная меласса  представляет собой темно-коричневую вязкую жидкость со специфическим запахом  продуктов карамелизации сахарозы и три-метиламина, содержащегося в ней в малых количествах. Плотность мелассы 1,30–1,42.

Цветность мелассы (по ФЭКу) по отношению к светопропусканию воды составляет 20–60% при разбавлении мелассы 1:10. Но с повышением содержания инвертного сахара цветность мелассы увеличивается. Так, при хранении мелассы в первом полугодии цветность колеблется в пределах 12–44% (в среднем 31%), во втором – 30–64% (в среднем 48%) к светопропусканию воды. Вязкость нормальной мелассы колеблется в пределах 3600–5600 сантипуаз. Но с повышением плотности (% СВ) вязкость мелассы увеличивается.

Химический состав мелассы.

Химический состав мелассы  зависит главным образом от сорта  и качества сахарной свеклы, почвенно-климатических  условий ее произрастания. На физико-химические и технологические показатели мелассы  влияют методы ведения производства на сахарных заводах, а также продолжительность  сезона сахароварения (таблица Химический состав и технологические показатели качества свеклосахарной мелассы).

Меласа содержит 75–85% сухих веществ, из которых около 54–63% (по весу сухих веществ) сахарозы, 14,8% азотистых веществ, 16,7% безазотистых веществ (кроме сахара) органических веществ и 8,5% золы.

При содержании около 20% воды меласса в среднем содержит 50% сахара и 30% несахаристых веществ, которые в свою очередь можно разделить на неорганические, главным образом соли калия 10%, и органические 20%.

Кроме сахарозы, нормальная меласса содержит в небольшом  количестве (до 0,25%) инвертный сахар, а также раффинозу (до 2%).

Цветность мелассы в ед. Штаммера от 327 до 1300.

В состав углеводов мелассы, кроме сахарозы и инвертного сахара, входят также трисахариды – раффиноза (0,01 – 2%) и кестоза (в незначительном количестве). Раффиноза состоит из одной молекулы сахарозы и одной молекулы галактозы. При действии инвертазы дрожжей или при слабом кислотном гидролизе раффиноза частично разлагается с образованием мелибиозы и фруктозы. Последняя сбраживается спиртовыми дрожжами. Кестоза состоит из двух молекул фруктозы и одной молекулы глюкозы, на спирт она не сбраживается.

Несахара мелассы (все соединения, кроме сахарозы) делятся на неорганические (10%) и органические (20%). Органические несахара подразделяются на безазотистые и азотсодержащие. Безазотистые несахара составляют углеводы (инвертный сахар, раффиноза и кестоза) и органические кислоты, среди которых уксусная, муравьиная, масляная, молочная, щавелевая, пропионовая, валериановая.

Общий азот нормальной мелассы  состоит из следующих видов, %:

Белковый……. 3,0

Пептонный…… 1,9

Аминокислотный…. 8,2

Нитратный……… 2,0

Бетаинный……. 73,9

С увеличением срока хранения сахарной свеклы уменьшается содержание общего и формольно-титруемого азота мелассы (табл. 5), а также аминокислот.

 

Изменение содержания общего и формольного азота мелассы в зависимости от продолжительности сезона сахарного производства

	Азот, % к весу мелассы			Азот, % к весу мелассы
Месяц	общий	формольный	Месяц	общий	формольный
Сентябрь:			Декабрь
I половина	1,9	0,42	I половина	1,6	0,28
II	2,1	0,45	II.	1,5	0,25
Октябрь:			Январь
II половина	1,7	0,35	I половина	1,3	0,20
Ноябрь:
I половина	1,7	0,35
II	1,6	0,28

 

Количество сахара к сухим  веществам (доброкачественность) меласс в значительной степени зависит  от условий произрастания свеклы и изменений ее состава при  хранении.

Так при переработке свеклы, выросшей в сухие годы, получают мелассы более низкой доброкачественности, с большим органическим коэффициентом  и с большим содержанием азотистого несахара при относительно меньшем содержании золы и большом содержании извести. Реакция меласс при длительном их хранении большей частью кислая.

При переработке свеклы, выросшей при избытке влаги и  недостатке тепла, получают мелассы  более высокой доброкачественности, с меньшим органическим коэффициентом  и с меньшим содержанием азотистого несахара при относительно большом содержании золы и малом содержании извести. Реакция таких меласс большей частью щелочная.

По мере повышения доброкачественности  меласс содержание азота в них  падает. Содержание азота в меласах зависит исключительно от содержания вредного азота в свекле. При хранении свеклы с пониженным содержанием сахара и накоплением новых несахаров вследствие разложения части сахара в свекле, которое при хранении свеклы может возрастать в 2–3 раза. Содержание инвертированного сахара в мелассах зависит, таком образом, в основном от качества перерабатываемой свеклы.

По данным Центрального Института  Свеклы, вязкость мелассы высокой  доброкачественности лежит в  пределах 4000–5000 спз. При переработке свеклы пониженного качества меласса получается низкой доброкачественности и отличается большим содержанием кальциевых солей и меньшим содержанием щелочных окислов и азота; вязкость ее вдвое и втрое выше нормальной.

Из азотистых органических веществ в мелассе содержится главным образом бетаин, аспарагиновая  и глютаминовая кислота. Из общего количества азота в мелассе (около 1,5% по ее весу) примерно 2/3 приходится на бетаин.

Глютаминовая кислота  находится в мелассе в форме  полиамида глютаина. При отщеплении аммиака от глютаминовой кислоты образуется пирролидонкарбоновая кислота, которая под действием кислот и щелочей снова превращается в глютаминовую кислоту; ее количество составляет около 2,7% от общего количества аминокислот.

В составе безазотистых органических веществ П.М. Силин отмечает пектиновые вещества и продукты их распада, составляющие примерно 3% к весу мелассы. К этой группе относятся красящие вещества (карамели и мелоидины) и продукты распада инвертного сахара – молочная, глюциновая и апоглюциновая кислоты. Количество этих продуктов составляет около 2,5% от веса сухих веществ мелассы.

В этой группе также установлено  содержание муравьиной (0,2–0,4%), уксусной (0,5–1,0%), масляной (0–0,7%) и пропионовой (0,3%) кислот.

По химическому составу  и по качеству (степени инфицирования) различаю мелассы нормальные и дефектные.

Нормальные мелассы характеризуются  невысокой щелочностью (2–6 млн. кислоты  на 100 мл мелассы), отсутствием нитритов и незначительным содержанием сернистого ангидрида (не более 0,03%), количеством  сахара 45–50% (в том числе инвертного не более 0,25%). Общее количество микроорганизмов невелико – 2000 клеток в 1 г без заметного преобладания отдельных видов.

Инфицированные мелассы.

Меласса часто инфицирована различной микрофлорой. В ней  обнаружены следующие основные бактерии – наиболее опасные вредители  спиртового брожения:

спороносные – Вас. subtillis, Вас. mesentericus, Вас. megatherium, Вас. globigil, Bac. mesentericus flavus;

неспороноспые – Leuconostoc mesenteroies, Leuconostoc agglutiaaum

Первые три спороносных  представителя микрофлоры мелассы  являют нитрообразующими бактериями. Они редуцируют нитраты в нитриты меласс ничтожные количества которых задерживают размножение дрожжей.

Дефектные мелассы.

Дефектная меласса, в отличие  от нормальной, плохо сбраживается, оставляет большой процент несброженного  сахара, дает пониженный выход спирта и дрожжей.

Дефектные мелассы поступают  на спиртовые заводы обычно после  декабря. По своему химическому составу  они характеризуются кислой реакцией (рН = 5,84–6,6), меньшей плотностью (67–78% СВ), повышенной цветностью (12 – 44% по отношению  к светопропусканию воды), большим  содержанием коллоидов (2,8–6,2%), наличием солей кальция (0,83–2,2%) и сернистой  кислоты (0,05–0,15%), повышенным содержанием  инвертного сахара (до 2% и больше), раффинозы (>1%) и органических летучих кислот (>1%). В то же время дефектные мелассы содержат меньшее количество общего азота (1,3% и ниже), формольного (0,25% и ниже), а также фосфора (<0,03%) по сравнению с мелассами, нормальными по качеству.

К дефектным мелассам для  производства хлебопекарных дрожжей  Е.А. Плевако относит кислые мелассы с общей кислотностью 0,5 град, содержащие, %:

• Летучие органические кислоты……. 1
• Сернистый ангидрид. 0,15
• Карамели…. 2,3–2,4
• Гумино-меланины. 0,6

К дефектным мелассам относятся  мелассы со следующими качественными  показателями:

• Плотность по рефрактометру, % СВ…… <75
• Цветность по (ФЭК), % к светопропусканию воды… <40
• РН < 6,8
• Азот общий, %……………. 1,3
• Инвертный сахар, %…………… 0.5
• Инфицированность по нарастанию кислотности в пробе на самоброжение через 24 ч,°Д………..> 0,3

Потери мелассы при  транспортировании и хранении.

При транспортировании мелассы  установлены определенные предельно  допустимые нормы потерь в ж/д  транспорте равные 0,72% к весу мелассы  в зимний и летний периоды.

Меласса хранится на сахарных заводах, а затем на заводах-потребителях: дрожжевых, спиртовых, лимонной кислоты  в специальных мелассохранилищах до 5–8 месяцев.

В процессе длительного хранения химический и микробиологический состав мелассы меняется, в результате чего теряется сахароза и инфицированная меласса становится дефектной. Такая  меласса становится основным источником развития бактериальной инфекции в  бродильных производствах.

Как установлено, бактериальная  микрофлора мелассы представлена тремя  группами бактерий: кислотообразующими, гнилостными и пектинообразующими.

Исследования мелассы  в процессе хранения выявили, что  потери сахарозы обусловлены действиями микроорганизмов и зависят от плотности мелассы. При плотности  мелассы в 75–80 г. Бр микрофлора в ней не развивается и потери сахара незначительны; они ежемесячно находятся в пределах 0,04 – 0,22% в пересчете на вес мелассы, содержащей сахара около 46%.

В случае наличия этих микроорганизмов  в количестве около 50000 в 1 г ежемесячные  потери сахара мелассы достигают 1,3% к весу мелассы.

При разжижении мелассы до плотности 40 Бр дрожжи, попавшие в мелассу из воздуха, активизируются и их жизнедеятельность вызывает значительные потери сахара, которые достигают ежемесячно 2,5% к весу мелассы.

Как указывалось выше, меласса характеризуется значительным содержанием несахаров. На 1 часть сбраживаемых веществ приходится 0,5 части несахаров. при высокой концентрации несахара проявляют себя как ингибиторы роста спиртовых дрожжей, затрудняя их размножение и процесс брожения. Поэтому в спиртовом производстве процесс брожения ведут и разбавленными растворами мелассы.

При сбраживании мелассы  на спирт отрицательное влияние  на дрожжи оказывает повышенное содержание в мелассе летучих кислот (более 2%). В связи с этим для выявления  степени дефектности мелассы  рекомендуется определять в ней, помимо плотности, кислотности и  сахаристости, также и содержание летучих кислот.

При переработке дефектных  меласс необходимо употреблять увеличенное  количество сильных дрожжей.

Производство этилового  спирта из мелассы в настоящее  время ведется в основном по непрерывному способу брожения. Полунепрерывная схема пере работки мелассы на спирт сохранилась только на некоторых спиртовых заводах.