UNIVERSITATEA BACĂU FACULTATEA DE INGINERIE SPECIALIZAREA:INGINERIA PRODUSELOR ALIMENTARE
PROIECT TEHNOLOGII FERMENTATIVE
COORDONATOR: PROF. DR. ING. ADRIANA DABIJA
STUDENT: GRUPA:1032
-2008-
Cuprins 1.Tehnologia fabricării alcoolului etilic..........................................................pag.6 1.1. Proprietăţile alcoolului etilic....................................................................pag.6 1.2. Variante tehnologice de fabricare a alcoolului din cereale......................pag.7 1.3.Fabricarea alcoolului din cereale cu fierbere sub presiune.......................pag.7 2. Materii prime amidonoase...........................................................................pag.11 2.1. Porumbul..................................................................................................pag.11 2.2.2.Secara.....................................................................................................pag.12 2.2.3.Grâul.......................................................................................................pag.13 2.2.4.Orzul.......................................................................................................pag.13 2.2.5.Ovăzul.....................................................................................................pag.13 2.3.Materii prime auxiliare..............................................................................pag.14 2.3.1. Malţul verde...........................................................................................pag.14 2.3.2.Preparate enzimatice microbiene............................................................pag.15 2.3.3.Substanţe nutritive şi factori de creştere.................................................pag.16 2.3.4.Acid sulfuric............................................................................................pag.18 2.3.5.Substanţe antispumante...........................................................................pag.18 2.3.6.Substanţe antiseptice şi dezinfectante.....................................................pag.19 2.3.7.Alte materii auxiliare..............................................................................pag.19 2.3.8.Apa..........................................................................................................pag.20 2.3.9.Aerul tehnologic......................................................................................pag.20 2.3.10.Energia electrică şi aburul.....................................................................pag.21 3. Procesul tehnologic adoptat..........................................................................pag.21 3.1.Recepţia materiilor prime...........................................................................pag.21 3.2.Depozitarea materiilor prime......................................................................pag.22 3.3.Pregătirea cerealelor....................................................................................pag.23 3.4.Fluidificarea materiilor prime.....................................................................pag.23 3.4.1.Fierberea porumbului...............................................................................pag.25 3.5. Zaharificarea materiilor prime...................................................................pag.26 3.5.1.Procesul tehnologic de zaharificare a plămezilor de cereale...................pag.27
2
3.6.Fermentarea plămezilor din materii prime.................................................pag.35 3.6.1.Consideraţii generale...............................................................................pag.35 3.6.2.Factorii care influenţează desfăşurarea procesului de fermentare.......pag.35 3.7.Distilarea plămezilor fermentate.............................................................pag.41 3.7.1.Instalaţii de distilare a plămezilor fermentative...................................pag.43 3.7.2.Conducerea procesului de distilare......................................................pag.44 3.8. Rafinarea alcoolului brut........................................................................pag.45 3.8.1.Rafinarea discontinuă...........................................................................pag.46 3.8.2.Rafinarea continuă................................................................................pag.47 9.Valorificarea subproduselor şi a deşeurilor de la fabricarea alcoolului.....pag.48 9.1.Dioxidul de carbon..................................................................................pag.48 9.2.Alcoolul tehnic........................................................................................pag.50 9.3.Uleiul de fuzel.........................................................................................pag.51 9.4.Borhotul de cereale.................................................................................pag.51 10.Calculul bilanţului de materiale...............................................................pag.52 11.Bibliografie..............................................................................................pag.60
3
Memoriu justificativ
Lucrarea are ca obiect prezentarea unei tehnologii de fabricare a alcoolului din materii prime amidonoase şi anume din cereale. Structura lucrării urmăreşte succesiv procesul tehnologic de obţinere a alcoolului din materii prime amidonoase , cu prezentarea materiilor prime şi auxiliare necesare, prezentarea variantelor tehnologice de obţinere a alcoolului ca produs finit care permite justificarea metodelor aplicate. Procesul utilizat pentru realizarea producţiei este cel de fabricare cu fierbere sub presiune. Industria spirtului ocupă un loc important în cadrul industriei fermentative prelucrătoare de materii prime agricole vegetale(cartofi, cereale, melasă etc.). Aceste industrii se bazează pe însuşirea unor microorganisme (drojdii selecţionate) care prin enzimele ce le conţin, transformă substanţele utile din materii prime prelucrate, în anumite condiţii tehnologice în alcool sau masă de drojdii ca produse principale şi dioxid de carbon ca produs secundar. Alcoolul produs pe cale industrială este denumit spirt, acesta având în componenţă, în principal, alcool etilic (95-96,6% din volum), alţi alcooli, aldehide, eteri, esteri şi apă. Alcoolul se obţine fie pe cale fermentativă, fie sintetică. Pe plan mondial cea mai mare parte din alcool se obţine prin fermentaţie, materiile prime frecvent folosite fiind: melasa, cereale(porumb), cartofi, sfeclă de zahăr etc. Pe cale industrială alcoolul se obţine din gaze naturale fiind întrebuinţate în scopuri tehnice. Industria alcoolului valorifică importante cantităţi de pierderi agricole alterate (ex: porumb necopt, cereale depreciate şi melasa rezultată la fabricile de zahăr).Alcoolul se foloseşte în scopuri industriale, drept combustibil, precum şi în industria alimentară la prepararea băuturilor. El reprezintă materia primă pentru prepararea unor produse ca: eterul etilic, eterii etilici ai acizilor formici, butirici, lactic, ftalic, la fabricarea esenţelor cu aromă de fructe, precum şi parfumerie, mai este folosit şi în industria farmaceutică şi la prepararea cloruri de etil. Apele de toaletă, cosmeticele şi săpunurile transparente
4
utilizează mari cantităţi de alcool. Este folosit şi la fabricarea de insecticide în industria celulozei, a explozivilor, a lacurilor, a cloroformului, a iodoformului şi a cauciucului sintetic. Alcoolul etilic se mai foloseşte la fabricarea oţetului pe cale fermentativă şi a alcoolului sanitar. Din cozile de la rafinare se prepară alcoolul denaturat. Alcoolul de calitate a II a este utilizat la fabricarea lichidului antigel, care împiedică apa din radiatoarele maşinilor să îngheţe. O largă utilizare are alcoolul etilic în băuturile industriei alimentare, a rachiurilor, lichioruri, vinuri lichioroase etc. Subprodusele rezultate de la fabricarea alcoolului etilic: CO 2 cu utilizări diferite în industria alimentară la fabricarea băuturilor răcoritoare şi asomarea porcilor. Amestecul de alcool frunţi şi cozi numit şi alcool tehnic este utilizat în industria de lacuri şi vopsele şi la fabricarea alcoolului denaturat. Uleiul de fuzel este utilizat pentru determinarea grăsimilor din lapte şi la fabricarea de esteri. Deşeul rezultat este borhotul de cereale care este utilizat ca furaj pentru hrana animalelor. Spirtul absolut, la concentraţia de 99,8 volume, se utilizează în ţările lipsite de zăcăminte petroliere, drept carburant, în amestec de 20-30% cu benzină căruia îi măreşte totodată şi cifra octanică.
5
Fabricarea alcoolului din cereale cu fierbere sub presiune 1. TEHNOLOGIA FABRICĂRII ALCOOLULUI ETILIC 1.1 Generalităţi Industria alcoolului se bazează în principal pe activitatea fermentativă a drojdiilor , care transformă glucidele fermentescibile din substrat în alcool etilic ca produs principal de fermentaţie şi respectiv în biomasă. Cuvântul alcool provine de la cuvântul arab ,,al-kohol’’ care înseamnă lucru, obiect subtil şi este pentru prima oară citat în Europa în secolul al XIII-lea de alchimistul italian Taddeo Aldoretti. Adoptarea cuvântului alcohol, respectiv alcool este apoi completată de Arnoldo da Villanova. În secolele XIV-XVI, obţinerea alcoolului devine din ce în ce mai obişnuită şi apar o serie de denumiri cum ar fi cele de alcool din vin sau spirito di vino, având semnificaţia părţii celei mai subtile a vinului reprezentată prin alcool. În secolul al XVIII-lea se fac primele studii privind formarea alcoolului prin fermentarea plămeziior zaharoase, sfârşitul acestui secol marcând un deosebit progres al cunoştinţelor despre natura alcoolului, formarea şi constituţia sa precum şi în privinţa controlului său analitic. Secolul al XVIII-lea marchează aprofundarea fenomenelor de transformare a amidonului în glucide şi apoi a acestora în alcool, un rol deosebit având vestitul chimist Lavoisier. Studiile efectuate de Fabroni, Thenard, Appert, Gay-Lussac, Cagniari de Latour, Schwan, Turpin, Liebig şi de celebrul Pasteur, în secolul al XlX-Iea, cu privire la fermentaţia alcoolică, au condus la obţinerea alcoolului pe scară industrială din diferite materii prime. Tot în secolul al XlX-Iea se produce pentru prima oară alcoolul pe cale sintetică sau prin compunerea elementelor obţinute din substanţe minerale. În prezent se produc cantităţi mari de alcool atât pe cale naturală cât şi pe cale sintetică. Alcoolul etilic se produce în prezent pe plan mondial, în cea mai mare parte prin fermentarea plămeziior care conţin glucide fermentescibile, cu ajutorul drojdiei. Alcoolul etilic obţinut pe cale biotehnologică mai poartă denumirea de bioalcool, deosebindu-se astfel de alcoolul etilic de sinteză. Alcoolul etilic rafinat are multiple
6
utilizări în diferite industrii. În industria alimentară este folosit pentru fabricarea băuturilor alcoolice şi a oţetului, în industria chimică pentru obţinerea cauciucului sintetic şi ca dizolvant, în industria farmaceutică pentru prepararea anumitor substanţe (eter, cloroform, ş.a.), iar în medicină ca dezinfectant. Alcoolul absolut, la concentraţia de 99,8% vol., se utilizează în ţările lipsite de zăcăminte petrolifere, drept carburant, în amestec de 20-30% cu benzina căreia îi măreşte totodată şi cifra octanică. Cel mai ambiţios program privind folosirea alcoolului în scopuri energetice îl are Brazilia care, sub denumirea de PROALCOOL, urmăreşte a înlocui 15-21% din cantitatea de benzină cu alcool obţinut din trestie de zahăr. În Japonia s-a elaborat programul RAPAD (Research Association for Petroleum Alternatives Developements) care urmăreşte realizarea de etanol şi acetonă-butanol-etanol prin procedee biotehnologice, folosind ca materie primă celuloza. În Franţa programul Carburol urmăreşte realizarea alcoolului etilic din sfeclă şi a butanolului din paie. Noua Zeelandă a efectuat studii pentru obţinerea etanolului din lactoserum. 1.2.Variante tehnologice de fabricare a alcoolului din cereale Fabricarea alcoolului din cereale se poate face prin două procedee şi anume : - cu fierbere sub presiune a materiei prime (HDV) ; - fără fierbere sub presiune (DSA). Procedeele clasice de producere a alcoolului din cereale se bazează pe fierberea sub presiune a materiei prime, care se face în scopul gelificării şi solubilizării amidonului, astfel încât acesta să poată fi atacat de către amilaze la zaharificare. Aceste procedee prezintă următoarele dezavantaje : - consumul de energie termică este ridicat ; - modul de lucru este discontinuu, iar posibilităţile de recuperare a căldurii sunt reduse ; - datorită solicitării termice ridicate a materiei prime (150...165o C) se formează melanoidine şi caramel ; - plămezile obţinute nu sunt omogene, iar borhotul rezultat are o valoare furajeră mai scăzută. Procedeele de prelucrare fără presiune se bazează pe faptul că energia termică necesară pentru fierberea sub presiune este înlocuită, în mare parte, prin energia de 7
mărunţire a materiei prime, astfel încât amidonul granular să poată fi fluidificat şi zaharificat. Necesarul de energie electrică pentru mărunţire variază, în funcţie de gradul de mărunţire dorit şi procedeul folosit, între 16 şi 30 kWh/ t cereale, fiind mult mai scăzut decât necesarul de energie termică de la fierberea sub presiune. 1.3. Fabricarea alcoolului din cereale cu fierbere sub presiune a materiilor prime Fabricarea alcoolului din materii prime amidonoase (cereale) se desfăşoară după schema tehnologică prezentată în figura 1. În ordinea succesiunii lor, fazele procesului tehnologic şi operaţiile care se execută în cadrul acestora sunt următoarele : 1) Curăţirea materiei prime constă în îndepărtarea din cereale cu instalaţii speciale a prafului, a corpurilor metalice, a corpurilor străine (bulgări de pământ, piatră, paie, coceni etc.) care au dimensiuni mai mari decât ale bobului de porumb. 2) Fierberea cerealelor se realizează în recipienţi cu regim de funcţionare sub presiune (4-4,5 at), în scopul eliberării granulelor de amidon din celulele endospermului (bobului de cereale) pentru a putea fi zaharificate. 3) Zaharificarea amidonului din cerealele se realizează cu ajutorul laptelui de slad, care conţine o enzimă specifică numită diastază sau amilază, cu însuşirea de a scinda amidonul până la maltoză şi dextrine. Zaharificarea se efectuează cu ajutorul utilajului numit zaharificator. Sladul se fabrică după schema tehnologică inclusă în figura 1. 4) Fermentarea plămezilor zaharificate în care maltoza şi dextrinele rezultate din procesul de zaharificare sunt scindate de către enzimele specifice din drojdiile de fermentare, în glucoză, iar aceasta din urmă în alcool şi bioxid de carbon. Utilajul specific pentru realizarea fermentării se numeşte lin de fermentare. Drojdiile pentru fermentare(cuibul de drojdie) se prepară după o tehnologie stabilită, în vase de construcţie specială, denumite şi lidnere. Din procedeul de fermentare rezultă ca produs secundar bioxidul de carbon care, la cele mai multe fabrici, este captat, purificat şi îmbuteliat, fiind apoi folosit în scopuri alimentare sau industriale. 5) Distilarea este faza procesului tehnologic în care se separă alcoolul etilic şi alţi produşi volatili folosind căldura vaporilor de apă. Această operaţie se efectuează în
instalaţii
complexe
de
distilare 8
(coloane
de
distilare
şi
anexele
respective).Lichidul alcoolic obţinut prin distilare se numeşte spirt brut. Plămada dezalcoolizată se numeşte borhot, acest subprodus fiind un furaj valoros pentru animale, atunci când provine de la fabricarea spirtului din porumb. 6) Rafinarea este ultima fază a procesului
tehnologic prin care, în instalaţii
speciale, se realizează separarea alcoolului etilic care este componentul principal (minimum 96%) din spirtul rafinat. Din procesul de rafinare rezultă ca produse secundare spirtul frunţi, alcătuit din produşi mai uşori volatili şi spirtul cozi, compus din produşi mai greu volatili (alcooli superiori) decât alcoolul etilic.Amestecul de spirt frunţi şi spirt cozi este cunoscut sub denumirea de alcool (spirt) tehnic.
9
Materii prime amidonoase(cereale)
Impurităţi
CO2
Borhot
Curăţire separare (spălare)
Curăţire Sortare
Cântărire
Cântărire
Fierbere sub presiune
Spălare
Zaharificare
Înmuiere
Însămânţare
Germinare
Fermentare
Măcinare cu apă- lapte de slad
Impurităţi
CO2
Distilare spirt brut Rafinare
Frunţi
Spirt rafinat
Cozi
Apă de luter
Ulei de fuzel
Fig.1. Schema tehnologică de fabricare a spirtului din cereale cu fierbere sub presiune
10 9
2. MATERII PRIME UTILIZATE LA FABRICAREA ALCOOLULUI În funcţie de natura substanţelor utile pe care le conţin, materiile prime folosite la fabricarea alcoolului se pot clasifica astfel: 1. Materii prime amidonoase: 9 -cereale: porumb, secară, grâu, orz, ovăz, orez, sorg, etc; -cartofi; -rădăcini şi tuberculi de plante tropicale: rădăcini de manioc, tuberculi de batate, etc. 2.Materii prime zaharoase: -sfecla şi trestia de zahăr; -melasa din sfecla şi trestie de zahăr; -struguri, fructe, tescovine dulci, etc. 3.Materii prime celulozice: -deşeuri din lemn de brad, molid, fag, etc.; -leşii bisulfitice rezultate de la fabricarea celulozei. 4.Materii prime care conţin inulină şi lichenină: -tuberculi de topinambur; -rădăcini de cicoare; -muşchi de Islanda. Materiile prime prezentate nu epuizează totalitatea materiilor prime posibile a fi folosite la fabricarea alcoolului şi drojdiei, se fac cercetări pentru descoperirea de noi surse de materii prime din care să se poată obţine în condiţii economice alcool. Materiile prime amidonoase folosite în ţara noastră la fabricarea spir tului sunt porumbul şi cartofii. Secara sau grâul se utilizează rar, atunci când, din cauza unor degradări suferite, nu li se pot da alte întrebuinţări (în alimentaţie sau la furajarea animalelor). Orzul este materia prima pentru fabricarea sladului necesar zaharificării plămezilor de porumb sau cartofi. 2.1 Porumbul Porumbul este o plantă 9 supraterană care creşte în zonele temperate, limita nordică a culturii fiind paralela 50.
11
După conţinutul în amidon şi randamentul în alcool, porumbul este materia primă cea mai valoroasă din acest punct de vedere. Fructul plantei îl constituie coceanul de porumb cu boabele împlantate în el. Din fruct, utilizabile pentru fabricarea spirtului sunt boabele (seminţele). Bobul de porumb conţine două elemente principale : - germenele, care constituie 12-15°/o din masa bobului ; - endospermul (rezerva de amidon, zahăr, proteine) care ocupă circa 84% din masa bobului. Amidonul din porumb conţine ca principali componenţi 10-15% amiloză şi 85 -90% amilopectină. În germene, se află concentrate grăsimi sub formă de acizi graşi, grăsimi ce pot fi valorificate, fie în ulei comestibil de porumb, dacă germenii sunt prelucraţi în fabrici de ulei, fie prin borhotul de porumb rezultat de la fabricile de spirt, subprodus cu mare valoare nutritivă furajeră. Porumbul, recoltat, depozitat şi conservat corespunzător, are următoarea compoziţie chimică: substanţe neazotoase 68%, substanţe azotoase 10%, substanţe grase 5%, celuloză brută 2%, cenuşă 1%, umiditate 14%. Porumbul este deci o materie primă foarte valoroasă, datorită posibilităţilor de a se obţine alcool, ulei vegetal şi borhot cu valoare nutritivă ridicată.
2.2 Secara Secara face parte din familia gramineelor, cu tulpină înaltă şi frunze subţiri având lungimea de 13-20 cm .Este o secară puţin pretenţioasă la sol şi climat. Bobul de secară are unele trăsături comune cu cele ale grâului, are însă bobul mai alungit decât acesta. Bobul de secară se caracterizează prin: culoarea învelişului verde, galbenă şi uneori cenuşie. Din punct de vedere a legăturii straturilor, secara prezintă unele deosebiri faţă de grâu : învelişul secarei are o concreştere mai avansată cu aleuronul şi corpul făinos. Suprafaţa exterioară a bobului de secară privită cu lupa apare cu striuri transversale fine, iar şănţuleţul ventral este mai puţin evident decât la grâu. Învelişul bobului de secară este mai gros şi mai elastic, de aceea secara se macină greu şi rezultă mai multă tărâţă.
12
2.3. Grâul Grâul este folosit în principal la fabricarea făinii de diferite tipuri, a crupelor sub formă de griş şi arpacaş, a expandatelor şi aplatizatelor de tipul pufarinului şi a fulgilor, a pastelor făinoase, glucozei şi alcoolului. Principalele părţi componente ale bobului de grâu sunt : endospermul, învelişul şi embrionul. Endospermul este format din două părţi : corpul făinos şi stratul aleuronic.
2.4. Orzul Orzul este o plantă cultivată din cele mai vechi timpuri. În ţara noastră, orzul este a treia cultură după grâu şi porumb, iar din întreaga suprafaţă folosită pentru cultura orzului, peste 25% este ocupată cu orz de toamnă. Orzul obişnuit (Hordeum L) este o graminee şi are 4 sau 6 rânduri de boabe pe spic. Este folosit la fabricarea sladului pentru spirt. Planta de orz este constituită din rădăcină, tulpină, frunze şi fruct. Fructul sau bobul de orz este constituit din trei părţi principale:coajă sau tegument, miezul sau endospermul şi embrionul bobului. Endospermul este separat de embrion printr-un strat de celule numit scutelum şi prin epiteliu absorbant. În endosperm se mai află un strat de celule aleuronic, unde se produc o parte din enzimele ce solubilizează în prezenţa apei o parte din substanţele de rezervă. Printre aceste enzime se deosebesc diastazele, proteazele, citazele, fitazele, lipazele şi altele care au un rol important în zaharificarea plămezilor de porumb. 2.5. Ovăzul Ovăzul este o plantă anuală din familia gramineelor cu fructul fusiform, îmbrăcat în palee, cu un şanţ pe faţa inferioară, acoperit pe toată suprafaţa cu perişori scurţi şi fini. Părţile componente ale ovăzului cuprind următoarele proporţii medii: 25% pleavă, 3-4% înveliş, 1,4% stratul aleuronic, 3% embrion, 54% endosperm. În afară de industria alcoolului, ovăzul este folosit la fabricarea crupelor sub formă granulară, sau fulgi şi mai rar la fabricarea unor sorturi de făină care împreună cu făina de grâu, secară sau orz intră în compoziţia unor sortimente de panificaţie. Produsele de ovăz sunt destinate în special copiilor, vârstnicilor şi în unele cazuri intră în dieta unor persoane suferinde.
13
2.3. MATERII AUXILIARE ŞI UTILITĂŢI FOLOSITE LA FABRICAREA ALCOOLULUI Principalele materii auxiliare care intervin în procesul tehnologic de fabricare a alcoolului sunt: malţul verde, preparatele enzimatice microbiene, substanţele nutritive, acidul sulfuric, factorii de creştere, antispumanţii, substanţele antiseptice şi dezinfectante. Dintre principalele utilităţi se pot menţiona apa şi aerul tehnologic. 2.3.1. Malţul verde Malţul verde este folosit în tehnologia alcoolului din materii prime amidonoase ca agent de zaharificare, datorită enzimelor amilolitice acumulate în timpul germinării. Fabricarea malţului verde pentru alcool este mai simplă în comparaţie cu producerea malţului pentru bere, deoarece în acest caz interesează în principal obţinerea unei activităţi amilazice cât mai ridicate. Procesul tehnologic de obţinere a malţului verde este asemănător cu malţul pentru bere, dar durata de germinare este mai mare. Se foloseşte pentru conţinutul său în enzime amilolitice, enzime de lichefiere şi zaharificare a plămezilor. Din punct de vedere al calităţii, malţul verde se apreciază după : - aspectul exterior; - activitatea α−amilazică (unităţi SKB care reprezintă grame de amidon solubil, dextrinizat de către 1 g malţ verde, timp de 60 minute, la 20°C, în prezenţa unui exces de β−amilaza); - activitatea β−amilazică (unităţi Windisch-Kolbach - °WK), care reprezintă grame de maltoză rezultată prin acţiunea extractului provenit din 100 g malţ verde asupra unei soluţii de amidon solubil 2%, în timp de 30 minute, la 20°C şi la pH = 7,4. Dozarea raţională a malţului verde la zaharificarea plămezilor din materii prime amidonoase trebuie să se facă în funcţie de capacitatea sa amilolitică. Mărunţirea malţului verde Înainte de utilizarea sa la zaharificare, malţul verde trebuie să fie cât mai bine mărunţit, astfel încât enzimele să fie trecute integral în soluţie şi să poată acţiona cât mai repede asupra amidonului în cadrul operaţiei de zaharificare. Mărunţirea malţului se poate efectua în două moduri: - în stare uscată cu ajutorul zdrobitoarelor cu valţuri şi a maşinilor de tocat cu
14
cuţite; - în stare umedă cu ajutorul morilor centrifugale sau a morilor cu ciocane, când se adaugă apă la măcinare. Măcinarea uscată este un procedeu mai vechi, care nu se mai practică în prezent în fabricile de alcool datorită manoperei ridicate şi faptului ca în timpul măcinării produsul se încălzeşte, favorizându-se dezvoltarea microorganismelor aderente. Aceste dezavantaje se elimină prin mărunţirea umedă a malţului prin care se realizează, în afară de operaţia de mărunţire propriu-zisă şi trecerea enzimelor în soluţie. Pentru măcinarea a 100 kg malţ verde sunt necesare 250-300 l apă. Pentru a se evita contaminarea cu microorganisme în cursul zaharificării datorită încărcăturii microbiologice a malţului verde, laptele de slad obţinut se poate dezinfecta prin adaos de soluţie de formalina 10% în cantitate de circa 3 litri la 1000 l lapte de slad cu cel puţin 30 minute înainte de utilizare. Aldehida formică este eficientă numai în primele ore de fermentare, deoarece în continuare este oxidată până la acid formic sau redusă până la metanol. 2.3.2. Preparate enzimatice microbiene Însuşirea anumitor mucegaiuri şi bacterii de a produce în cursul dezvoltării lor, ca de altfel şi cerealele care germinează, enzime amilolitice este de mult timp cunoscută în ţările din Asia, în special Japonia şi China. Astfel pentru prepararea băuturii sake din orez se foloseşte un amestec de mucegaiuri producătoare de enzime. Primul procedeu de zaharificare a porumbului pentru obţinerea alcoolului, care s-a bazat pe folosirea enzimelor microbiene, procedeul Amylo, a apărut la sfârşitul secolului trecut în Franţa, servindu-se de o cultură pură din mucegai Amylomyces rouxii, ca agent de zaharificare în locul malţului. La scurt timp, japonezul Takamin a obţinut pe un mediu cu tărâţe de grâu prin cultivarea mucegaiului Aspergillus oryzae, a unui preparat enzimatic brut, din care, prin extracţie cu apă şi precipitare cu etanol, a rezultat un preparat enzimatic brut cu activitatea amilazică ridicată denumit takadiastază. Aceste rezultate au reprezentat începutul fabricării enzimelor tehnice din microorganisme. Odată cu apariţia procedeelor submerse de cultivare a mucegaiurilor şi bacteriilor după 1945 s-a creat posibilitatea de a se obţine enzime microbiene la scară industrială mare.
15
Preparatele enzimatice de origine microbiană care trebuie să conţină enzimele de degradare a amidonului la glucide fermentescibile, se pot utiliza în următoarele scopuri: - pentru lichefierea prealabilă a materiilor prime în vederea zaharificării; - pentru înlocuirea parţială a malţului; - pentru înlocuirea totală a malţului. În comparaţie cu malţul verde, ele prezintă următoarele avantaje: - activitate enzimatică standardizată, care se modifica puţin la depozitare; - sunt mai sărace în microorganisme dăunătoare; - se obţin randamente mai ridicate în alcool deoarece pot hidroliza şi alte poliglucide; - sunt necesare spaţii mai reduse de depozitare şi transport; - se economisesc cheltuieli legate de producerea şi mărunţirea malţului verde. Pentru obţinerea de preparate enzimatice se folosesc microorganisme din genul Bacillus cu speciile Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, care produc α-amilaze termorezistente, active chiar la 90-100°C, astfel fermentaţia este protejată şi sunt inactivate microorganismele contaminante. Mucegaiurile selecţionate pot produce αamilaze si glucoamilaze folosite pentru zaharificarea plămezilor amidonoase sub formă de preparate brute. Se folosesc mucegaiuri din genul Aspergillus. Preparatele enzimatice brute se adaugă în proporţie de circa 10% în plămada ce urmează a fi zaharificată, care trebuie răcită la temperatura de 60oC. La această temperatură se menţine o pauză de zaharificare de o oră după care se răceşte plămada la 25-30°C şi se însămânţează cu drojdie. Creşterea de randament în alcool care se obţine prin folosirea preparatelor enzimatice microbiene se datorează faptului că acestea hidrolizează până la glucide fermentescibile, substanţe care în mod normal la zaharificare cu malţ nu suferă transformări. Este însă necesar ca la utilizarea lor să se ţină seama de condiţiile optime de acţiune (pH, temperatură) în funcţie de tipul de enzime pe care le conţin, astfel încât potenţialul lor enzimatic să fie folosit integral. 2.3.3. Substanţe nutritive şi factori de creştere La fabricarea alcoolului este necesară adăugarea de substanţe nutritive care conţin azot, fosfor, magneziu, cât şi factori de creştere pentru a compensa deficitul
16
substratului în aceste substanţe necesare în cantităţi bine determinate pentru nutriţia drojdiei. Sulfatul de amoniu, (NH4)2S04, se utilizează ca sursa de azot asimilabil. Este o pulbere alb-gălbuie, cristalină, solubilă în apă, care se prepară industrial prin tratarea acidului sulfuric cu amoniac gazos. Conţinutul de azot variază între 20-21%. FosfatuI diamoniacal tehnic (îngrăşământul complex), se utilizează ca sursa de fosfor şi azot asimilabil în procesul de multilplicare a drojdiei. Este un amestec de mono şi diamonofosfaţi, (NH4)H2P04 şi (NH4)2HP04, cu un conţinut foarte ridicat de fosfor (54% P205) şi de azot (21% N2). Este solubil în apă (42 g/100 ml la 25°C, 47,5 g/100 ml la 50°C şi 51,5 g/100 ml la 70°C). Este insolubil în alcool etilic. Sulfatul de magneziu (MgS0 4 • 7H20), se utilizează ca sursa de magneziu la multiplicarea drojdiei. Produsul pulbere trebuie să conţină 16,3% MgO şi să nu conţină arsen mai mult de 0,0005%. Amoniacul se comercializează sub formă de soluţie de amoniac de sinteză dizolvat în apă, cu o concentrate minimă de 25%. Se utilizează ca sursa de azot şi pentru corectarea pH-ului. Amoniacul se adaugă, de regulă, sub formă de apă amoniacală obţinută prin diluarea amoniacului cu apă în raport de 1:5. Superfosfatul de calciu se obţine prin tratarea făinii de oase cu acid sulfuric şi este un amestec format din 3 moli de fosfat monocalcic şi 7 moli sulfat de calciu. Este o sursă de fosfor ce conţine 16-18% P205. Conţinutul în arsen trebuie să fie de maximum 0,006. Ureea este o sare solubilă în apă ce conţine circa 46% azot din s.u., utilizându-se sub formă de soluţie prin diluare cu apă în cantitate de 10-12 litri la 1 kg de substanţă. Factori de creştere. Pentru multiplicare, drojdiile sunt dependente de prezenţa în mediul de cultură a unor substanţe numite factori de creştere. Biotina intervine în multe din reacţiile metabolismului glucidelor şi azotului şi în biosinteza proteică (în carboxilarea acidului piruvic, în sinteza acizilor nucleici, în formarea bazelor purinice şi pirimidinice) şi în sinteza acizilor graşi. Riboflavina este sintetizată de către toate drojdiile. Derivaţii riboflavinei, cum ar fi flavinadenindinucleotidul(FAD), flavinmononucleotidul(FMN) şi alţii, sunt cofactorii multor oxidoreductaze şi joacă un rol important în reacţiile de oxidoreducere. Produse biostimulatoare. Extractul de porumb. Extractul de porumb obţinut prin concentrarea apelor de înmuiere ale porumbului şi obţinerea de amidon poate fi o 17
sursă de microelemente şi vitamine din grupul B. În extract se află aminoacizi cu rol de biostimulatori şi vitamine, dintre care biotina este prezentă în cantităţi apreciabile (150-200 mg/100 g). . Germenii de cereale (grâu şi porumb) Germenii de cereale sunt subproduse rezultate din procesul de măcinare, în proporţie de până 10% din greutatea cerealelor supuse prelucrării. Germenii de cereale conţin pe lângă lipide, protide, numeroase substanţe care îndeplinesc rolul de factori de creştere pentru drojdii (vitamine şi aminoacizi), şi conţin în cenuşă, microelemente cu rol de activatori ai enzimelor celulare participante la metabolismul fermentativ/oxidativ al drojdiei. Germenii de grâu sunt utilizaţi şi ca sursă de vitamina E. Valorificarea principală a germenilor de porumb o constituie extragerea uleiului care are un conţinut ridicat de acid linoleic şi, prin aceasta, proprietăţi dietetice. Germenii de porumb se caracterizează şi prin conţinut deosebit de valoros în substanţe minerale, cu rol de biostimulatori. 2.3.4. Acidul sulfuric Acidul sulfuric se utilizează pentru neutralizarea melaselor şi acidularea acestora, până la un pH optim activităţii drojdiilor. În industria fermentativă, la fabricarea spirtului din cereale se foloseşte numai acidul sulfuric de contact care nu trebuie să conţină mai mult de 0,001%arsen. Acidul sulfuric este un lichid vâscos, incolor sau slab colorat, având o concentraţie de 96-98%. Se dizolvă în apă în orice proporţie, degajând foarte multă căldură. Din cauza energiei reacţiei dintre acidul sulfuric şi apa, nu trebuie să se toarne niciodată apa în acid sulfuric.
2.3.5. Substanţe antispumante La fabricarea alcoolului şi în special a drojdiei de panificaţie şi furajere se formează cantităţi mari de spumă datorită coloizilor din melasa care se dispun la suprafaţă bulelor de aer care barbotează în mediu, stabilizând spuma formată. Substanţele antispumante se utilizează pentru împiedicarea formării spumei sau pentru
18
distrugerea spumei deja formate. Ca antispumanţi se utilizează acidul oleic, uleiul siliconic, octadecanolul, hidrocarburi parafinice, ş.a. Substanţele antispumante folosite trebuie să fie inofensive pentru drojdie sau chiar asimilabile, să nu producă murdărirea utilajelor şi conductelor tehnologice şi să nu influenţeze negativ asupra aspectului exterior, gustului şi mirosului drojdiei de panificaţie. 2.3.6. Substanţe antiseptice şi dezinfectante Atât la fabricarea alcoolului cât şi a drojdiei sunt folosite o serie de substanţe cu acţiune antiseptică sau dezinfectantă. Substanţele antiseptice se folosesc pentru combaterea microorganismelor de contaminare în cursul fermentaţiei plămezilor, în doze bine stabilite, la care să nu fie influenţată negativ activitatea fermentativă a drojdiei. Dintre antisepticii mai des utilizaţi sunt acidul sulfuric, formalina şi pentaclorfenolatul de sodiu. Prin adăugare de acid sulfuric în plămezile de drojdie se creează o aciditate ridicată care inhibă dezvoltarea bacteriilor de contaminare, în timp ce activitatea drojdiei este puţin influenţată. Prin tratarea laptelui de drojdie cu acid sulfuric până la un pH scăzut de 2,0-2,4 se realizează, de asemenea, o purificare a drojdiei în vederea însămânţării. Formalina se foloseşte ca antiseptic în special la fermentarea plămezilor din cereale, fiind utilizată în doze de 0,015-0,02% faţă de plămadă. Pentaciorfenolatul de sodiu se utilizează ca antiseptic la fermentarea plămezilor de melasă în cantităţi de 60-90 g/tona de melasa, sub forma unei soluţii alcoolice cu concentrate de 12-17% substanţă pură. Prin adaos de pentaclorfenolat de sodiu se pot fermenta plămezile din melasa fără sterilizare termică. Nu se recomandă folosirea acestui antiseptic atunci când din borhotul obţinut de la fabricarea alcoolului din melasă urmează să se producă drojdie furajeră, deoarece antisepticul se acumulează în drojdie şi este dăunător pentru animale şi păsări. Substanţele dezinfectante cele mai des utilizate pentru combaterea microflorei de contaminare la fabricarea alcoolului şi a drojdiei sunt: formalina, clorura de var, laptele de var, soda caustică şi soda calcinată. 2.3.7. Alte materii auxiliare - acid lactic concentrat (90%) - acid ascorbic 19
- acid acetic concentrat (96%) - acidul formic - apa oxigenată - clorura de amoniu - clorura de magneziu 2.3.8.Apa Este folosită în cantităţi mari atât ca apă tehnologică pentru diluarea melasei şi a acidului sulfuric, dizolvarea substanţelor nutritive şi spălarea biomasei de drojdie, spălarea utilajelor, cât şi ca apă de răcire a linurilor de fermentare şi multiplicare a drojdiilor. Apa tehnologică trebuie să îndeplinească condiţiile unei ape potabile. Apa folosită în operaţii fără transfer de căldură, îndeosebi la spălări, fără tratare cu dezinfectanţi trebuie să aibă un grad de puritate microbiologică ridicat. Conţinutul mare de săruri din apă influenţează negativ înmulţirea drojdiei. Apa este supusă şi unui control microbiologic pentru stabilirea conţinutului în germeni dăunători fermentaţiei: bacterii lactice, drojdii salbatice, bacterii coliforme, ş.a. În ceea ce priveşte apa de răcire, care ocupă o pondere foarte mare în consumul de apă în fabricile de alcool şi drojdie, aceasta nu trebuie să îndeplineasca condiţiile apei potabile. Se cere însă să aibă o temperatură şi o duritate cât mai scăzute. Cu cât temperatura apei de răcire este mai scăzută cu atât este necesar un consum mai mic de apă. Apa cu duritate mare depune piatră pe suprafeţele de schimb de căldură micşorând astfel coeficientul de transfer de căldură, ceea ce necesită mărirea debitului de apă. 2.3.9. Aerul tehnologic În fabricile de alcool şi drojdie aerul este folosit în primul rând pentru asigurarea necesarului de oxigen al drojdiei în cursul fermentării plămezilor din melasă sau a multiplicării drojdiei de panificaţie sau a drojdiei furajere. Aerul comprimat mai este utilizat pentru aerarea grămezilor în cursul germinării orzului pentru alcool şi pentru transportul pneumatic al porumbului, orzului şi a acidului sulfuric.
20
Pentru obţinerea aerului comprimat se folosesc compresoare, suflante de aer, turbosuflante. Ele trebuie să fie dimensionate încât să poată acoperi necesarul de aer în orele de vârf de consum. Aerul este aspirat din zone cu aer mai curat şi trecut mai întâi printr-un filtru grosier, după care este sterilizat prin trecerea printr-un filtru cu vată şi ulei bactericid, în cazurile în care nu se poate purifica întreaga cantitate de aer, este necesar ca cel puţin aerul folosit în secţia de culturi pure să fie steril. 2.3.10. Energia electrică şi aburul În general, fabricile de alcool sunt alimentate cu energie electrică din sistemul naţional. Pentru acţionarea motoarelor electrice se întrebuinţează curentul electric la tensiunea de 380 V, iar pentru iluminat la tensiunea de 220 V. În fabricile de alcool, aburul este produs în centralele termice proprii, sau este livrat de către cea mai apropiată centrală electrică. Aburul se utilizează pentru sterilizarea melasei, a utilajelor şi a conductelor tehnologice, la fierberea materiilor prime amidonoase, precum şi la distilarea plămezilor fermentate şi rafinarea spirtului brut. Pentru folosirea raţională a aburului este necesar ca la fiecare consumator să fie montat câte un debitmetru. De asemenea, în vederea reducerii consumului, toate conductele şi aparatele care utilizează abur trebuie să fie izolate termic.
3. Procesul tehnologic adoptat 3.1. Recepţia materiilor prime Porumbul care se livrează fabricilor de spirt se recepţionează în baza condiţiilor de calitate prevăzute în standard. Fabricile de spirt sunt aprovizionate şi cu porumb degradat care nu are alte utilizări. Elementele care stau la baza stabilirii valorii de facturare a porumbului sunt umiditatea şi corpurile străine care se determină de către laboratorul fabricii, după metodele prevăzute în standard. În afară de umiditate şi corpuri străine, fabricile de spirt determină, în mod obligatoriu, la loturile de porumb recepţionate cât şi la cele introduse în fabricaţie, conţinutul de amidon care este elementul principal pentru calculul consumului specific sau al randamentului. Conţinutul de amidon se determină în laboratorul fabricii după metoda Ewers.
21
3.2. Depozitarea şi conservarea cerealelor Depozitarea şi păstrarea corespunzătoare a cerealelor constituie una dintre problemele principale şi uneori dintre cele mai dificile ale unei fabrici de spirt. La o gospodărire bine chibzuită, balanţa activităţii fabricii de spirt este completă şi reflectă realitatea, dacă cuprinde pe de o parte cât amidon s-a introdus în fabrică, ca materie primă, şi cât spirt s-a produs din acesta, într-o anumită perioadă. Un randament bun în spirt dovedeşte că, începând de la depozitarea materiei prime şi până la ultima fază a procesului tehnologic, s-a manifestat preocuparea necesară pentru desfăşurarea corespunzătoare a activitaţii de producţie, în sensul obţinerii randamentului maxim din amidonul supus prelucrării. La depozitarea porumbului, în funcţie de umiditatea şi temperatura boabelor, precum şi de condiţiile de păstrare, pierderile de substanţă utilă (amidon) pot fi minime sau foarte mari, în acest ultim caz rezultatele economice ale fabricii de spirt putând fi grav afectate. Pentru a se evita pierderile mari de amidon, la depozitarea porumbului boabe trebuie să se respecte următoarele reguli : - Înainte de depozitare, porumbul să fie supus unei operaţii de curăţire (vânturare), pentru îndepărtarea plevei şi a mătăsii care împiedică o aerisire bună. - Să fie depozitat, în strat subţire şi pe toată suprafaţa magaziei. - Să se controleze periodic temperatura porumbului depozitat cu ajutorul termometrelor cu tijă lungă şi, când aceasta depăşeşte 20- 25 °C, să se procedeze la lopătarea lui, care trebuie să se efectueze în funcţie de gradul de umiditate. După 25 °C (între 25-30 °C) se consideră prima fază de autoîncălzire a cerealelor, după care apare cea de-a doua, între 34 -38 °C, când boabele se închid la culoare şi încep să acţioneze microorganismele, iar în faza a III-a, temperatura creşte şi peste 50 °C. Aceasta este starea cea mai gravă a autoîncălzirii porumbului şi cerealelor.La temperaturi ridicate, pierderile de amidon sunt foarte mari, iar cerealele intră în procesul de putrezire. - Când, din cauza umidităţii prea ridicate a porumbului, se ajunge la încingerea unei zone şi acest proces nu poate fi frânat, porumbul din zona periclitată se izolează şi se trece imediat în fabricaţie.
22
- Pentru reducerea la minimum a pierderilor de depozitare este indicat ca porumbul să fi e în prealabil uscat până la umiditatea de lO—12%. - Umiditatea relativă a aerului din spaţiul de depozitare trebuie să fie urmărită cu ajutorul higrometrului. - Nu este admisă depozitarea la un loc a cerealelor umede cu cele uscate, deoarece umiditatea migrează, crescând astfel şi umiditatea cerealelor care iniţial au fost uscate.
3.3.Pregătirea cerealelor Înainte de introducerea în fabricaţie este necesar ca cerealele (porumb, secară, grâu sau orz) să fie curăţate de impurităţile pe care în mod obişnuit le conţin. Cel mai des întâlnite sunt bucăţi de coceni, pleavă, paie, praf, nisip, pietriş, cuie, bucăţi de sârmă etc. Prezenţa acestora poate duce la deteriorarea instalaţiilor (pompe, ventile) şi la înfundarea conductelor, a ventilelor, fierbătoarelor, precum şi a coloanelor de distilare. Îndepărtarea prafului, a plevei, nisipului, pământului şi pietrişului se realizează cu ajutorul separatoarelor (tararelor), iar a impurităţilor metalice cu ajutorul magneţilor sau al electromagneţilor, ale căror principii de funcţionare au fost descrise la curăţirea orzului.
3.4. Fierberea materiilor prime amidonoase Amidonul ca atare, din boabele de cereale nu poate fi transformat de catre drojdii în alcool. Din această cauză, materiile prime amidonoase folosite la fabricarea spirtului, înainte de faza de fermentare, se supun unor prelucrări spe-ciale, în scopul transformării amidonului pe care îl conţin în zaharuri fermentescibile (maltoză, glucoză), prin fierbere şi apoi prin zaharificare. Pentru a putea fi zaharificate sub acţiunea diastazei din malţ, este necesar ca granulele de amidon să fie mai întâi cleificate şi solubilizate. Aceasta se realizează prin fierberea cerealelor sub presiune. Tehnica de fierbere este marcată în evoluţia sa de două etape : Prima etapă corespunde începutului perioadei de fabricare a spirtului pe scară industrială, când fierberea cerealelor se realiză la presiunea ambiantă, şi deci la temperatura de 100 °C. Cerealele se fierbeau în apă în vase deschise. În aceste 23
condiţii, pe de o parte fierberea materiilor prime amidonoase necesită foarte mult timp, iar pe de altă parte, aceasta nu se realiză complet. Ca urmare, pierderile de amidon din materia primă supusă prelucrării se ridicau până la 10%, diminuânduse corespunzător şi randamentul în spirt. A doua etapă în evoluţia tehnicii şi a metodelor de fabricare începe cu anul 1873, când s-au folosit pentru prima dată în industria spirtului autoclave sub presiune. Fierberea sub presiune a cerealelor a diminuat dezavantajele fierberii la presiunea normală, fiind reduse în măsură importantă timpul de prelucrare şi pierderile de amidon. În prezent, atât în ţara noastră cât şi pe plan mondial, la prelucrarea materiilor prime amidonoase se aplică în exclusivitate procedeul de fierbere sub presiune. Superioritatea acestuia constă în faptul că dezagregarea avansată a materiei prime se realizează nu numai prin ridicarea temperaturi care creşte prin creşterea presiunii, ci şi printr-un efect mecanic. Acesta se produce în momentul golirii fierbătorului. Trecerea bruscă a masei din fierbător de la 3-4 at la presiunea ambiantă (1 at) în momentul golirii acestuia determină plesnirea celulelor din care se eliberează granulele de amidon (care se cleifică şi se solubilizează), precum şi fărâmiţarea prin detentă (destindere) a boabelor de cereale întregi. În autoclavă (fierbător), materia prima este fiartă cu abur sub presiune. Pentru dezagregarea cerealelor două elemente sunt hotărâtoare : temperatura şi durata de fierbere. a) Temperatura Deoarece temperatura şi presiunea aburului stau într-un raport determinat, în practică se indică şi se urmăreşte numai presiunea de fierbere. În acest scop, la fiecare autoclavă este montat câte un manometru. b) Durata de fierbere În ceea ce priveşte durata de fierbere trebuie să se reţină că nerespectarea acesteia, care se stabileşte în raport cu felul şi starea materiei prime, duce la pierderi mai mari de substanţă utilă (amidon) decât cele normale.
24
3.4.1.Fierberea porumbului Regimul de fierbere a porumbului este diferenţiat, în funcţie de starea în care se află. Astfel, porumbul sănătos se fierbe la o presiune mai ridicată decât cel care s-a degradat parţial în timpul depozitării. La fierberea porumbului uscat se adaugă mai multă apă decât pentru porumbul cu umiditate ridicată.De asemenea, regimul de fierbere este influenţat şi de starea integrităţii boabelor (procentul de boabe sparte). Fierberea porumbului nsănătos". În cazul porumbului cu umiditate până la 16%, cu boabele întregi, regimul de fierbere este următorul : Se introduce mai întâi apa în fierbător, în raport cu cantitatea de porumb care se supune fierberii. Pentru fiecare 100 kg porumb se adaugă 280-300 l apă. În perioadele când se fierbe porumbul de calitate aproximativ constantă şi cantitatea de apă introdusă în fiecare fierbător este constantă, în practică se folosesc rigle gradate prin care se stabileşte nivelul apei necesare în fierbător. Pentru măsurarea apei, mai indicat este folosirea de debitmetre de apă care nu necesită spaţii de producere ca în cazul utilizării de rezervoare-măsurătoare. În cazul fierbătoarelor mijlocii şi mari, în ultimii ani s-a răspândit practica folosirii apei calde la fierberea porumbului care provine din altă fază a procesului tehnologic. La fabricile la care se lucrează cu două zaharificatoare în paralel, de obicei apa caldă, care rezultă de la răcirea masei fierte provenite de la o baterie de fierbătoare recent golită, se foloseşte pentru a doua baterie de fierbătoare pregătită pentru reluarea ciclului de fierbere. Folosirea apei calde la fierbere are mai multe avantaje, care constă în economie de căldură şi de apă, în reducerea gradului de încărcare a canalizării etc. După introducerea apei se potriveşte, la gura fierbătorului, conducta rabatabilă a buncărului cu porumb cântărit. Prin deschiderea şuberului, porumbul trece în fierbător. Se închide gura de încărcare, se deschide circa 1/4 ventilul de pe conducta de aerisire şi se admite aburul în fierbător. La o durată de fierbere care în mod normal este de două ore, în primele 60 min, presiunea se ridică la 3 at, în următoarele 30 min la 3 1/2at, iar în ultima jumătate de oră la 4 at. Cu circa 10 min înainte de expirarea timpului de fierbere, se scoate o probă din fierbător. O porţiune din aceasta se pune pe o sită şi se spală apoi cu apă rece. Când cojile rămase pe sită sunt transparente şi lipsite de resturi de amidon aceasta este o indicaţie că fierberea s-a terminat şi se procedează la descărcarea autoclavelor. 25
La fierberea porumbului nsănătos" cu conţinut ridicat de umiditate, deosebirea constă în folosirea unei cantităţi mai reduse de apă. De regulă, la stabilirea cantităţii de apă în raport cu umiditatea porumbului se urmăreşte ca plămezile zaharificate să aibă un conţinut de 15%—16% substanţă uscată. Cantitatea de apă care se foloseste la fierbere pentru 100 kg porumb de diferite umidităţi este cuprinsă între 260 1, pentru porumb cu 26% umiditate, până la 300 1 pentru porumb cu 14% umiditate. Fierberea porumbului degradat sau cu procent ridicat de spărturi. Fierberea porumbului care a suferit din cauza autoîncălzirii în timpul depozitării se efectuează la o presiune mai redusă, deoarece acesta conţine un procent mai ridicat de zaharuri, care la presiune ridicată se pierde prin formare de melanine şi caramel. Din aceste considerente, presiunea maximă de fierbere este de 3,5 at timp de 2 ore (1 oră până la atingerea presiunii de 2,5 at, 1/2 oră până la 3 at si 1/2 oră până la 3 1/ 2 at).
3.5. Zaharificarea materiilor prime În industria spirtului, transformarea amidonului în zaharuri fermentescibile poartă denumirea de zaharificare. Această fază din procesul tehnologic este necesară, deoarece, drojdiile nu conţin enzimele care să desfacă amidonul în zaharuri mai simple pe care apoi să le fermenteze. Zaharificarea amidonului se poate executa pe cale chimică cu ajutorul acizilor minerali (acid clorhidric sau acid sulfuric) şi pe cale enzimatică cu ajutorul enzimelor din slad sau a preparatelor enzimatice. Metodele de zaharificare pe cale chimică se aplică în industria glucozei. Din cauza inconvenientelor pe care le prezintă (efectuarea zaharificării sub presiune, durata mare de zaharificare, necesitatea neutralizării excesului de aciditate etc.), zaharificarea pe cale chimică nu se foloseşte în fabricile de spirt în care se practică în exclusivitate zaharificarea cu ajutorul sladului sau a preparatelor
enzimatice. În fabricile de spirt care
prelucrează materii prime amidonoase, operaţia de zaharificare se mai numeşte şi plămădire. Aceasta constă din amestecarea intensă, la o anumită temperatură, a masei fierte cu lapte de slad (slad măcinat amestecat cu apă), adăugarea drojdiilor
26
de fermentare după o prealabilă răcire şi apoi răcirea în continuare până la temperatura la care masa zaharificată se pompează în vasele de fermentare. Prin urmare, plămezile sunt lichide care conţin toate componentele materiei prime şi ale sladului, spre deosebire de musturi, care sunt medii de fermentare filtrate clar sau limpezite, cum sunt, spre exemplu, musturile de bere sau cele de melasă. Pentru o înţelegere mai uşoară a proceselor fizice şi chimice care au loc în timpul zaharificării, în cele ce urmează se prezintă principalele consideraţii teoretice, a căror cunoaştere are o importanţă deosebită în activitatea practică. Structural, amidonul, care din punctul de vedere al compoziţiei chimice, este format din unirea unui număr necunoscut încă de molecule de glucoză (C6 H10 O5)n nu este o substanţă omogenă. El este alcătuit din doi componenţi principali, amiloza si amilopectina. Deosebirea dintre acesti doi componenţi este de ordin structural, şi anume de felul cum sunt alcătuite moleculele rezultate prin unirea (condensarea) mai multor molecule de glucoză. Amiloza este formată din unirea a circa 60-300 de molecule de glucoză, care sunt angajate linear sau în formă de spirală. Amiloza este solubilă în apă caldă, find o soluţie coloidală, opalescentă, fără să cleifice. Reacţionează cu iodul dând o coloraţie albastră. Este complet lipsită de fosfor. Amilopectina are molecula formată din unirea a circa 300-6000 de moleculă de glucoză . Spre deosebire de amiloză, molecula amilopectinei prezintă o puternică ramificare, în sensul că la lanţul continuu sunt ataşate lanţuri laterale mai scurte, de amiloză. În apă caldă, amilopectina formează un clei gelificându-se. Viscozitatea masei fierte de cereale, înainte de zaharificare, se datorează amilopectinei. Cu iodul dă o coloraţie violetă. Sub acţiunea amilazei din slad rezultă o cantitate mai redusă de maltoză şi în majoritate dextrine. 3.5.1. Procesul tehnologic de zaharificare a plămezilor de cereale Procesul de zaharificare a masei fierte de cereale constă în executarea următoarelor operaţii : - spălarea şi dezinfectarea zaharificatorului ; - pregătirea laptelui de slad pentru zaharificare ; - zaharificarea propriu-zisă a plămezilor ;
27
- răcirea plămezii, însămânţarea cu cuibul de drojdii şi pomparea plămezilor zaharificate în vasele de fermentare. a)Spălarea şi dezinfectarea zaharificatorului Spălarea şi dezinfectarea zaharificatorului sunt operaţii deosebit de importante. Oricât de conştiincios s-ar aplica măsurile de combatere a infecţiilor înainte şi după zaharificare, infectarea plămezilor în această fază a procesului tehnologic poate cauza pagube prin diminuarea randamentului în spirt. Infecţiile frecvente în intreprinderile de spirt sunt cele cu bacterii lactice termofile (Bacillus Delbriicki), care vor fi descrise mai pe larg în cele ce vor urma. Acestea găsesc un mediu prielnic de dezvoltare în resturile de plămadă rămase în diferite puncte ale zaharificatorului, creând focare de infecţie. Pentru îndepărtarea lor se execută spălări şi dezinfectări. Spălările sunt sumare şi de fond. Cele sumare se execută după fiecare golire a zaharificatorului cu un jet puternic de apă, care se îndreaptă asupra pereţilor zaharificatorului, asupra capacului, clopotului de suflare, serpentinelor şi agitatorului. Apa de spălare se evacuează la canal. Spălarea de fond este obligatorie o dată în 24 de ore şi se execută de obicei în schimbul III. După spălarea cu furtunul se execută curăţirea tuturor suprafeţelor interioare ale zaharificatorului şi ale exhaustorului cu o pastă de superfosfat de calciu, folosind cârpe şi perii. Astfel se îndepărtează orice rest de plămadă, după care zaharificatorul se clăteşte cu apă curată. Urmează apoi operaţia de dezinfectare a zaharificatorului cu forma lină sau cu clorură de var. Se stropesc pereţii zaharificatorului cu 4-5 l soluţie de formalină 10%, după care se introduce abur în zaharificator timp de 10-15 min. Condensul format se evacuează la canal. Cea mai eficientă metodă este însă dezinfectarea cu clorura de var. Aceasta se execută astfel : se umple un fierbător cu apă, care se încălzeşte până la fierbere. În zaharificator se introduc 7-8 kg clorură de var, peste care se descarcă apa din fierbător. Se pune în mişcare agitatorul zaharificatorului, timp de circa 10 min. Apa cu clorură de var este trecută prin conducta de golire, prin pompa de plămadă (care în prealabil sunt spălate) şi se evacuează la canal prin conducta de încărcare a linurilor de fermentare, după care tot sistemul se clăteşte cu apă potabilă.
28
b) Pregătirea laptelui de slad pentru zaharificare Necesarul de slad pentru zaharificare. La fabricarea spirtului din cereale sunt necesare 7-8 kg orz, ca slad verde, la 100 kg materie primă, ceea ce corespunde la 12-13kg orz, ca slad verde pentru 100 kg amidon. Cantitatea de slad verde prescrisă se calculează înmulţind cantitatea de orz cu coeficientul 1,4. La fabricile de spirt din ţara noastră, consumul de orz pentru slad este stabilit pentru 1 hl spirt rafinat absolut. Astfel, la 1 hl spirt rafinat din cereale, norma de consum este de 24-25 kg orz cu 87% putere de germinare. Măcinarea sladului Prin măcinarea sladului se urmăreşte ca diastaza să fie eliberată din bobul de orz încolţit şi prin trecerea ei în soluţie să poată acţiona cât mai rapid asuora amidonului. În întreprinderile de spirt din ţara noastră, pentru măcinarea sladului sunt folosite, cu bune rezultate, morile cu ciocane. c) Dezinfectarea sladului Sladul constituie una din principalele surse de infectare a plămeziilor zaharificate cu bacterii lactice. PE lângă celelalte măsuri de dezinfecţie şi sterilizare aplicate in diferite faze ale procesului tehnologic, dezinfectarea sladului este absolut necesară. Aceasta se realizează cu formalină de concentraţie 40%. În mod obişnuit, în fabricile de spirt din ţara noastră se adaugă pentru dezinfecţie 3I formalină în soluţie de 10% concentraţie la 1000 1 lapte de slad. Pentru ca acţiunea formalinei să fie cât mai eficientă, sladul trebuie măcinat fin.. Formalina diluată în soluţie de 10% se introduce în laptele de slad cu cel puţin 30 min înainte de folosire şi se dispersează uniform în masa acestuia cu ajutorul agitatorului cu palete cu care este prevăzut rezervorul-tampon de lapte de slad. Pentru combaterea infecţiilor în timpul fermentării, plămezile zaharificate trebuie să conţină 0,015—0,020% formalină.
29
d) Zaharificarea plămezilor La prelucrarea materiilor prime amidonoase s-au practicat mai multe metode de zaharificare. Cu timpul au fost abandonate acelea care prezentau mai puţină sigurantă, fiind menţinute procedeele de zaharificare cele mai eficiente. În fabricile de spirt din cereale se aplică unul din următoarele procedee : - zaharificarea în timpul descărcării fierbătorului ; - zaharificarea după descărcarea fierbătorului la 60-61 °C sau la 57 °C ; Procedeul de zaharificare în timpul descărcării fierbătoarelor. Acesta constă în următoarele : o treime din cantitatea necesară de slad se introduce în zaharificator, în puţină apă, inainte de descărcarea fierbătorului. Agitatorul este pus în stare de funcţionare şi se începe evacuarea lentă a masei fierte din fierbător. Când plămada ajunge la serpentina de răcire şi temperatura din zaharificator nu trece de 55°C, se intensifică descărcarea fierbătorului. Ventilul de golire a fierbătorului se manipulează astfel ca temperatura plămezii să se menţină între 55 şi 60°C. A doua treime de lapte de slad se introduce în plămadă, când zaharificatorul este umplut pe jumătate. În timpul introducerii sladului în plămadă se opreşte descărcarea fierbătorului pentru a se evita opărirea diastazei. Ultima treime de lapte de slad se adaugă după golirea completă a fierbătoarelor. După
omogenizarea
răcirea,
plămada
plămezii,
fiind
lăsată
agitatorul în
repaus
este
oprit
pentru
şi
se
zaharificare
opreşte
şi
timp
de
10-20 min. Se verifică dacă zaharificarea este terminată (după metoda ce se va descrie în cele ce vor urma), apoi se reia răcirea plămezii. La temperatura de 30°C se
adaugă
cuibul
de
drojdie,
iar
răcirea
se
continuă până la 18°C, când plămada zaharificată se pompează în linul de fermentare.
.
Această metodă de zaharificare care mai este practicată de unele fabrici de spirt prezintă dezavantajul că diastaza este inactivată în măsură mai mică sau mai mare, prin temperatura ridicată a masei fierte din fierbător în zona în care aceasta pătrunde în zaharificator. Dacă zaharificarea nu se execută cu deosebită atenţie şi conştiinciozitate, diastaza poate fi inactivată în asemenea măsură, încât în faza de 30
fermentare finală a plămezilor nu mai poate avea loc zaharificarea dextrinelor, care rămân nefermentate, aceasta constituind o însemnată pierdere, randamentele în spirt putând să scadă cu 20—30%. Din aceste motive, acest procedeu de zaharificare a început să fie abandonat de către fabrici şi înlocuit cu alte procedee mai simple şi sigure. Procedeul de zaharificare după descărcarea fierbătoarelor Acest procedeu este cel mai răspândit, deoarece pe de o parte riscul distrugerii diastazei este mult mai redus, iar pe de altă parte este mai simplu şi necesită o durată mai redusă. Zaharificarea plămezilor după descărcarea fierbătoarelor se execută astfel : Se introduce în zaharificator o cantitate redusă de apă (până la paletele agitătorului), în care se adaugă 5-7% din cantitatea de lapte de slad pregătită. După ce s-a închis gura de vizitare de pe capacul zaharificatorului, se începe descărcarea fierbătoarelor, care se execută fără întrerupere şi fără a urmări temperatura în zaharificator. Concomitent cu descărcarea fierbătoarelor sunt puse în funcţiune agitatorul şi sistemul de răcire a zaharificatorului. După acest procedeu, o baterie de trei fierbătoare este descărcată în circa 15 min, faţă de 4550 min, în cazul procedeului de zaharificare descris anterior. Când descărcarea fierbătoarelor este terminată, se începe urmărirea temperaturii. La 72-73 °C se adaugă circa 1/3 din laptele de slad rămas, iar agi tarea şi răcirea plămezii continuă până la temperatura de 63-64°C, la care se adaugă restul de lapte de slad, temperatura scăzând după o agitare de circa 5 min la 60-62 °C. La această temperatură se opreşte agitătorul şi răcirea, plămada fiind lăsată în pauză de zaharificare timp de 30 min. După expirarea timpului pentru zaharificare se execută proba de zaharificare. Plămada se răceşte apoi la 30°C, temperatură la care se adaugă cuibul de drojdie, şi în continuare până la temperatura de 18°C, apoi este pompată la linurile de fermentare. Procedeul modern de zaharificare Acest procedeu a fost elaborat după numeroase cercetări şi determinări practice şi se caracterizează prin faptul că laptele de slad se adaugă dintr-o singură dată, neporţionat, iar pauza de zaharificare de 30 min a fost eliminată.
31
Pentru aplicarea în practică a acestui procedeu trebuie îndeplinite următoarele condiţii : - materia primă trebuie să fie fiartă corespunzător ; - sladul folosit să fie fin mărunţit, să aibă o bună putere diastatică (să provină dintr-un orz cu cel puţin 90% capacitate de germinare) şi să fie dezinfectat înainte de folosire. Modul de lucru este următorul : după expirarea timpului de fierbere, autoclava sau autoclavele (dacă sunt mai multe) se descarcă fără întrerupere şi fără a ţine seama de temperatura din zaharificator. Răcirea plămezii continuă neexistând pericolul cleificării dacă fierberea a fost bine executată până la temperatura de 57 °C, la care se adaugă întreaga cantitate de lapte de slad. Zaharificarea plămezii se efectuează în mers în intervalul de tem peratură între 57 şi 45 °C. La temperatura de 30 °C a plămezii se introduce în plămadă cuibul de drojdie, iar la 18°C acesta se pompează la linuri. Acest procedeu prezintă avantajul esenţial al unei importante economii de timp. Spre exemplu, o fabrică de spirt care efectuează 10 zaharificări în 24 de ore, dacă renunţă aplicând acest procedeu la pauza de zaharificare, realizează o economie de 300 min (6 ore) în 24 ore, adică aceeaşi producţie se realizează în numai 18 ore. În fond acest procedeu pune în evidenţă o importantă rezervă de capacitate în fazele de fierbere şi zaharificare, contribuind substanţial la îmbunătăţirea indicilor economici ai fabricii. Este de reţinut de asemenea că şi în cazul când prin acest procedeu se formează cu circa 10% mai puţină maltoză, diastaza care practic a rămas intactă la temperatura convenabilă de zaharificare acţionează energic în faza de fermentare, iar în final randamentul în spirt este acelaşi ca în cazul procedeului clasic de zaharificare. Un alt procedeu care a început să se răspândească pe scara mondială este procedeul de zaharificare cu preparate enzimatice amilolitice. Acesta constă în folosirea mucegaiului Aspergillus orizae sau Aspergillus niger (care conţine diastază) în locul sladului. Cultura pură de mucegai se înmulţeşte în condiţii speciale în cantităţi necesare şi se introduce apoi în zaharificator peste plămezile fierte şi răcite la temperatura de 60°C. Zaharificarea durează circa 1 oră, după care restul operaţiilor se desfăşoară ca şi în cazul zaharificării cu slad.
32
Principalul avantaj al acestui procedeu constă în eliminarea sladului, a cărui producere este mai scumpă decât a fabricării preparatelor amilolitice. Controlul zaharificării La operaţia de zaharificare se verifică următorii parametri ai plămezii : gradul de zaharificare, gradul Balling (Bllg), temperatura şi aciditatea. Deosebit de acestea, periodic, se efectuează şi controlul microbiologic al plămezilor zaharificate. a) Gradul de zaharificare se controlează cu o soluţie de iod-iodură de potasiu, care se prepară dizolvând 1 g iod (I) şi 2 g iodură de potasiu (KI) în 300 cm3 de apă. Pe o placă de porţelan sau de faianţă de culoare albă se pun 2-3 picături de plămadă filtrată din proba care s-a luat cu circa 5 min. înainte de expirarea pauzei de zaharificare. Peste plămada filtrată se adaugă 2-3 picături de iod. Dacă după amestecare culoarea nu se schimbă, aceasta este o indicaţie că zaharificarea este bună. Dacă apare însă o culoare violetă sau roşie, rezultă că în plămadă mai sunt dextrine nezaharificate din cauza unei greşeli care s-a făcut anterior (putere diastazică redusă a sladului, opărirea diastazei la zaharificare). De cele mai multe ori, aceste plămezi nu se pot corecta corespunzător, astfel că în final rămâne substanţa utilă sub formă de dextrine, care, nefiind fermentată, determină scăderea randamentului. b) Concentraţia plămezii în substanţă uscată se exprimă în grade Balling, un grad Balling reprezentând 1 g substanţă uscată dizolvată în 100 cm3 soluţie. Concentraţia plămezii zaharificate se determină într-o probă de plămadă zaharificată şi se măsoară cu areometrul Balling. După adăugarea cuibului de drojdie, o plămadă zaharificată nu trebuie să aibă mai puţin de 14 °Bllg sau mai mult de 18 °Bllg. În primul caz, nu se utilizează economic linurile de fermentare, la acelaşi volum de fermentare rezultând o cantitate mai mică de spirt, iar în al doilea caz, concentraţia prea mare a plămezii măreşte viscozitatea plămezii, iar fermentarea se prelungeşte peste durata medie normală a unui ciclu. Cea mai potrivită concentraţie a plămezii este de 16-17 °Bllg. Aceasta se realizează în faza de fierbere prin stabilirea unei proporţii juste, între apa şi cerealele supuse fierberii. c) Aciditatea naturală a plămezii zaharificate trebuie să fie de maximum 0,2 °Dlb, iar în cazul materiilor prime care au suferit alterări, 0,3—0,4 °Dlb. Având în vedere
33
importanţa respectării diferitelor intervale de temperatură este necesar ca să se folosească numai termometre verificate de metrologie. Pe lângă cele de mai sus, controlul tehnic de calitate trebuie să cu prindă şi controlul microbiologic al plămezilor zaharificate. Acesta se efectuează cu ajutorul microscopului sau prin analiza de laborator folosind o metodă care va fi descrisă la capitolul privind fermentarea plămezilor zaharificate. Controlul microbiologic la zaharificare poate da de la început o indicaţie, dacă infecţia cu bacterii provine din această fază a procesului tehnologic. e) Însămânţarea plămezilor zaharificate cu cuibul de drojdie Cantitatea optimă de drojdie pentru plămezile zaharificate care se supun fermentarii este de 6% (sub formă de plămadă de drojdie) raportată la plămada care urmează să fie însamânţată. Trecerea drojdiei din vasul de multiplicare în zaharificator se realizează prin scurgerea liberă, când drojdierele sunt montate la un nivel superior, sau cu ajutorul pompelor centrifuge, când se află pe acelaşi palier cu zaharificatoarele. Distanţa între drojdiere şi zaharificator trebuie sa fie cât mai mică, pentru a avea un traseu cât mai scurt de conductă. Conductele de drojdie lungi şi cu multe coturi fac mai anevoioasă spălarea şi sterilizarea cu abur. În cazul când prepararea drojdiilor de cuib decurge în cele mai bune condiţii şi ca rezultat drojdia este viguroasă, cantitatea care se însămânţează poate fi redusă la 3,5-4% în raport cu plămada care se fermentează. În aceste situaţii, când se lucrează cu linuri de mare capacitate în care se introduce conţinutul a mai multor zaharificatoare, se obţin rezultate bune alternând zaharificatoarele cu drojdii cu cele fără drojdii. Dacă spre exemplu un lin de fermentare (vas de fermentare) poate prelua 5 zaharificatoare, primul, al treilea şi al cincilea zaharificator vor fi cu drojdii, iar al doilea şi al patrulea fără drojdii. Introducerea cuibului de drojdie în zaharificator şi nu în linul de fermentare este mai indicată, deoarece în zaharificator prin agitare celulele de drojdie sunt uniform răspândite în plămadă, astfel că nu există zone fără drojdie, fermentaţia declanşându-se simultan în toată masa plămezii.
34
3.6. Fermentarea plămezilor din cereale 3.6.1. Consideraţii generale Fermentarea plămezilor zaharificate de cereale constituie o fază foarte importantă a procesului tehnologic. Se poate spune că prepararea drojdiei şi fermentarea sunt centrul de greutate al procesului tehnologic şi oglinda mersului fabricaţiei într-o fabrică de spirt. Într-o fermentaţie defectuoasă se pot recunoaşte toate greşelile executate în fazele anterioare ale procesului tehnologic (slad de slabă calitate cu putere diastatică
mică,
fierberea
incompletă
a
materiei
prime,
zaharificarea
necorespunzătoare a plămezilor, drojdii de însămânţare de cuib slăbite, lipsa de preocupare pentru dezinfectări şi sterilizări). Importanţa conducerii corecte a procesului de fermentare este întărită şi de faptul că, chiar dacă toate operaţiile în fazele precedente ale procesului tehnologic au fost executate ireproşabil, când se fac anumite greşeli la fermentare rezultatele finite pot fi din cele mai defavorabile. Caracteristic unei fermentării bune este transformarea totală a zahărului fermentescibil de către drojdii în alcool şi bioxid de carbon ca produse principale. Pentru aceasta, toate operaţiile din fazele tehnologice premergătoare fermentării trebuie executate corect, după cum este obligatorie şi respectarea anumitor condiţii în timpul fermentării, care vor fi arătate la Conducerea fermentaţiei. 3.6.2. Factorii care influenţează desfăşurarea procesului de fermentare Printre factorii şi condiţiile care influenţează mersul fermentaţiei, mai principali sunt următorii : - concentraţia plămezii ; - temperatura plămezilor în diferitele faze ale fermentării ; - durata de fermentare ; - puritatea microbiologică a plămezilor.
35
a) Concentraţia plămezilor Concentraţia plămezilor zaharificate poate fi variabilă (între 14 şi 20 oBalling), după cum la fierbere se utilizează o cantitate mai mare sau mai mică de materie primă în raport cu cantitatea de apă. Cu cât plămada zaharificată este mai concentrată, cu atât fermentarea durează mai mult la o temperatura dată oarecare : O plămadă concentrată este mai vâscoasă, mai puţin mobilă şi din această cauză tot procesul de nutriţie al drojdiei, care interesează dezvoltarea şi multiplicarea celulelor de drojdie, cît şi procesul de fermentare la început se desfăşoară mai anevoios. Nutriţia drojdiilor şi fermentaţia au loc în condiţii bune, atunci când stratul de lichid care este în contact cu celula de drojdie poate fi înlocuit mai repede, condiţie care se realizează cu atât mai uşor, cu cât mediul este mai mobil, adică cu cât plămezile sunt mai puţin concentrate. Din practica fabricilor de spirt se cunoaşte că fermentaţia decurge în bune condiţii când plămezile zaharificate au 16-18 grade Balling. b) Temperatura de fermentare În procesul de fermentare, temperatura este singurul factor care poate fi influenţat. Prin variaţia temperaturii de la 17-18 °C, care în mod normal este temperatura iniţială de la care trebuie să înceapă fermentarea şi până la cea maximă admisă de 32 °C, viteza de fermentare poate fi accelerată sau încetinită, în felul acesta durata de fermentare putând să fie scurtată sau prelungită. c) Durata de fermentare Durata normală de fermentare a plămezilor zaharificate este de 72 de ore. Sunt însă şi procedee de fermentare cu durată mai mică şi anume de 48 de ore, 36 de ore şi 24 de ore, care se aplică în fabrici, fie în cazul prelucrării materiilor prime degradate care trebuie consumate într-un timp cât mai scurt, fie atunci când cererile de spirt sunt mai mari şi fabricile trebuie să producă cantităţi sporite. Indiferent de durata totală de fermetare esenţial este ca în cadrul acesteia să se respecte durata de multiplicare a drojdiilor în prima fază de fermentare, iar în faza finală a fermentării, durata necesară pentru zaharificarea dextrinelor reziduale.
36
d) Puritatea microbiologică a plămezilor O condiţie esenţială pentru desfăşurarea în bune condţtii a fermentării, adică pentru transformarea totală a zaharului fermentescibil în alcool şi bioxid de carbon, este asigurarea purităţii microbiologice a plămezilor. În capitolele anterioare privind fabricarea sladului, precum şi zaharificarea şi prepararea cuibului de drojdie au fost arătate măsurile practice care trebuie luate, în vederea combaterii infecţiilor cu bacterii lactice care, dacă sunt propagate până la fermentare, pot să se dezvolte în asemenea masură încât o proporţie însemnată din zahărul fermentescibil să fie transformată în acid lactic, în dauna randamentului în alcool. Acest fenomen nedorit poate fi accentuat şi mai mult dacă nu se acordă atenţia cuvenită combaterii infecţiilor, în faza fermentării plămezilor. Pentru evitarea unor asemenea situaţii, fiecare lin înainte de introducerea plămezii pentru fermentare trebuie să fie temeinic curatat şi dezinfectat. Practic, aceasta se execută astfel : După golirea linului, acesta se spala mai intii in interior cu un jet puternic de apa pentru indepartarea resturilor de plamada. În momentul când nu se mai constată prezenţa bioxidului de carbon în lin, spălarea se continuă din interior cu peria, insistându-se asupra tuturor locurilor unde au mai rămas resturi de plămadă. După spălare şi curaţire se închide gura interioară de vizitare a linului şi ventilul conductei de golire prin care s-a evacuat la canal apa de spălare. Se stropesc pereţii linului cu 8-10 l soluţie de formalina 5% şi se introduce în lin abur timp de aproximativ 1 oră, până când se atinge temperatura de 95-98 °C. După răcire, linul este pregătit pentru începerea unui nou ciclu de fermentare. d)Utilaje folosite la fermentare - Linul de fermentare. Prin lin de fermentare se înţelege vasulîin care se desfăşoară fermentarea dirijată a plămezilor zaharificate. Linurile de fermentare au fost construite iniţial din lemn de brad sau ştejar, din beton sau zidărie, cu capacităţi între 25 -200 hl. Aceste materiale de construcţie au fost înlocuite în totalitate din cauza numeroaselor inconveniente pe care le prezentau, dintre care cele mai principale constau în pierderile importante de alcool
37
prin evaporare şi dificultăţi la menţinerea curăţeniei, a temperaturii si la întreţinerea lor. În prezent, în industria spirtului se folosesc în exclusivitate linuri metalice, care pe lângă avantajele unei uşoare întreţineri şi executării curăţeniei şi sterilizării în bune condiţi, au dus la creşterea randamentului cu 2 4 l alcool absolut la 100 kg amidon, datorită faptului că pot fi închise ermetic, reducându-se astfel la minimum pierderile de alcool prin evaporare. Linurile metalice se construiesc din tablă obişnuită de oţel. Cele mai rezistente la acţiunea corosivă a acizilor sunt linurile din oţel inoxidabil , care deşi m u l t mai scumpe în final, sunt mai avantajoase în raport cu cele d in oţel obişnuit care au o durată de funcţionare de maximum 5 ani. Forma linurilor de fermentare este cilindrică sau paralelipipedică. d) Conducerea procesului de fermentare Comparativ cu durata de fermentare a plămezilor de melasă care este de circa 36 ore (în unele cazuri de 30 de ore sau 24 de ore), plămezile din materiile prime amidonoase necesită o durată de fermentare mai mare, de aproximativ 72 de ore, deoarece transformarea dextrinelor în maltoză (zaharificarea secundară) necesită mai mult timp şi nu poate fi accelerată. La fermentarea plămezilor din materii prime amidonoase se disting trei faze cu următoarele durate : - Fermentarea iniţială circa 22 ore - Fermentatia principală circa 18 ore - Fermentatia secundară circa 32 ore Durata totală circa 72 ore În cazul fermentării, aceste faze nu se pot delimita cu precizie, ele însă se deosebesc printr-o anumită temperatură, care trebuie să se menţină în plămezi, pentru a se asigura desfăşurarea normală a procesului de fermentare. 1.Fermentarea iniţială Fermentarea iniţială durează circa 20-22 de ore de la plămezilor zaharificate în lin. În această fază a fermentaţiei se urmăreşte, în principiu, înmulţirea drojdiei, care trebuie să se acumuleze în asemenea măsuri, încât să fie captibilă să fermenteze complet tot zahărul în fazele următoare.Temperatura iniţială a plămezilor se stabi-
38
leşte în raport cu mărimea linului, cu concentraţia plămezii, cu sistemul de răcire şi durata totală de f ermentare. Între aceşti factori există o strânsă interdependenţă. Astfel, în cazul plămezilor zaharificate cu o concentraţie între 16-18 oBllg, care se fermentează în linuri cu volum mic, temperatura iniţială de fermentare trebuie să fie cuprinsă între 15 şi 17 °C. În cazul linurilor mijlocii dotate cu sistem de răcire, temperatura iniţială a plămezilor se stabileşte între 17 şi 20 °C. În situaţia linurilor de mare capacitate, în care se introduce conţinutul a 1015 fierbătoare şi care sunt prevăzute cu o suprafaţă mare de răcire, temperatura iniţială a plămezilor zaharificate poate fi de maximum 22-23°. În funcţie de concentraţia plămezilor dulci, temperatura iniţială trebuie să fie mai ridicată la plămezile de concentraţie mare şi mai scăzută la cele mai puţin concentrate, în cazul când linul de fermentare este prevăzut cu instalaţie de răcire. În situaţia intreprinderilor care nu au instalaţii de răcire la linuri, se însămânţează mai puţină drojdie (3-4% faţă de volumul plămezii), în cazul plămezilor mai concentrate şi mai multă (7-8%), în cazul plămezilor diluate. Motivul acestei inversiuni se explică prin faptul că, în timpul fermentării iniţiale, temperatura se ridică mai mult într-o plămadă concentrata şi totodată se produce şi o cantitate mai mare de alcool. Pentru a nu fi frânată dezvoltarea drojdiei ăn timpul fermentaţiei initiale, temperatura plămezii trebuie să fie menţinută între 24-25 °C. Dacă se depăşeşte această limită, fermentarea alcoolică devine mai energică şi ca urmare, în mediu se acumulează o cantitate de 4-5% alcool, care este limita până la care drojdiile se înmultesc. 2.Fermentarea principală Ca urmare a multiplicării drojdiei în fermentarea iniţială, după 20- 22 de ore urmează fermentarea principală, care se caracterizează prin creşterea intensităţii fermentaţiei. În această fază, concentraţia plămezii scade în continuare, ca urmare a transformării zahărului în alcool, iar temperatura creşte. Limita până la care este permisă creşterea temperaturii cunoscute ca maximă la 30°C este acum admisă până la 32°C, deoarece s-a constatat că la această temperatură capacitatea fermentativă a drojdiei nu scade. Este însă important să se cunoască faptul că, în timpul fermentării principale, pentru menţinerea temperaturii optime de 30°C trebuie să se intervină moderat în răcirea plămezilor. Răcirea plămezii nu trebuie să
39
se facă brusc atunci când temperatura a depăşit 32°C, deoarece prin aceasta se afectează capacitatea fermentativă a drojdiei. Fermentaţia principală durează atâta timp cât ân plămadă există cantităţi mai mari de maltoză(18-20 de ore). 3.Fermentarea secundară sau finală Fermentarea secundară este perioada cea mai lungă a fermentării, având o durată de 30-32 de ore. În timpul fermentării secundare, drojdiile transformă în alcool şi bioxid de carbon resturile de maltoză. Fenomenul caracteristic fermentării secundare este însă zaharificarea de către diastaza din plămadă a dextrinelor reziduale (zaharificarea secundară) şi fermentarea de către drojdii a maltozei rezultate. Cu toate că procesul de zaharificare secundară începe încă din fermentaţia iniţialaă, acesta este însă desăvârşit în fermentaţia finală. Fermentaţia secundară trebuie să fie condusă cu deosebită grijă, mai ales în ceea ce priveşte asigurarea temperaturii optime de fermentare. În timpul fermentării secundare, temperatura plămezii nu trebuie să depăşească 27 °C. Printr-o temperatura mai ridicată, drojdia fermentează mai energic, epuizând din mediu toată maltoza înainte de a se forma prin zaharificarea secundară alte cantităţi de maltoză. În aceste condiţii, drojdia slăbeşte, activitatea fermentativă a acesteia se diminuează sau se întrerupe, iar temperatura plămezii scade, rămânând astfel nefermentată o parte din dextrinele reziduale. Acest pericol există chiar din timpul fermentării inţtiale, dacă plămezile se fermentează la temperaturi mai ridicate decât cele prescrise. Un factor important pentru desfăşurarea în bune condiţii a fermentaţiei secundare este existenţa în plămadă a unei suficiente cantităţi de diastază care trebuie să zaharifice dextrinele reziduale. Dacă în timpul zaharificării plămezilor s-a adăugat suficient lapte de slad, iar diastaza nu a fost inactivată printr-o temperatură prea ridicată, menţinerea acesteia în timpul fermentării este condiţionată de asigurarea unui anumit nivel de aciditate a plămezii. Creşterea acidităţii se datorează, pe de o parte, activitaţii drojdiilor, iar pe de altă parte, acţiunii microorganismelor infectante. În cazul plămezilor lipsite de infecţii, aciditatea plămezilor fermentate poate creşte cu maximum 0,3 °Dlb faţă de cea iniţială, adică de la 0,2 la 0,5 oDlb. Această creştere de aciditate nu dăunează
40
mersului normal al fermentaţiei. Dacă plămezile sunt infectate (infecţiile frecvente fiind cele cu bacterii lactice), aciditatea mediului este datorită acidului lactic format.
f) Raţionalizarea în procesul de fermentare În industria spirtului din ţara noastră, pentru o cât mai bună utilizare a spaţiului din sălile de fermentare s-a ajuns la concluzia că este avantajos să se folosească linuri de mare capacitate, astfel că un asemenea lin să poată prelua plămada zaharificată provenită din 5-10 fierbătoare. În funcţie de capacitatea fabricii, în 8 ore se pot umple unul sau două linuri de mare capacitate. Această situaţie a creat posibilitatea urmăririi modului în care lucrează operatorii din fiecare schimb, anumite deficienţe putând fi localizate, fără eroare, în schimbul în care s-a produs. Un alt avantaj al folosirii linurilor de mare capacitate constă în posibilitatea de a economisi drojdie de însămânţare. Într-un lin în care se introduc 3 până la 6 zaharificatoare se poate utiliza 3-4% drojdie de cultura (în raport cu volumul total al plămezii supuse fermentării), în loc de 6-8°/o cât se foloseşte în cazul cu drojdie a fiecărei plămezi zaharificate. g) Controlul fermentaţiei Atât în timpul desfăşurării fermentării cât şi la sfirşitul acesteia se efectuează un control complex al plămezilor, care are ca scop asigurarea desfăşurării normale a procesului de fermentare şi obţinerea în final de randamente corespunzătoare. Controlul se efectuează asupra următorilor factori : - temperatura, aciditate, concentrate (grade Balling) ; puritate microbiologică ; diastaza existentă în plămadă ; zaharurile din plămadă rămase nefermentate ; conţinutul în alcool şi gradul zaharometric real ; coeficientul de plămădire. Temperatura, aciditatea şi concentraţia plămezii sunt parametri care se controlează de regulă de două ori în 8 ore la fiecare lin, rezultatele consemându-se ân registrul de fabricaţie al secţiei. 3.7.Distilarea plămezilor fermentativ Plămada fermentată este un amestec apos de diferite substanţe aflate în soluţie sau în suspensie, unele dintre ele fiind substanţe nefermentescibile provenite din materiile prime şi auxiliare, iar atele produse ale fermentaţiei alcoolice.
41
Din materiile prime rămân în soluţie în plămada fermentată cantităţi mici de zahăr rezidual, dextrine nezaharificate, acizi organici, grăsimi, substanţe azotoase neasimilate de drojdie, săruri minerale, iar în suspensie coji şi proteine coagulate. În timpul fermentaţiei alcoolice se formează ca produse principale alcoolul etilic şi dioxidul de carbon, iar ca produse secundare aldehide, esteri, alcooli superiori, alcool metilic, glicerina, ş.a. De asemenea, plămada fermentată mai conţine drojdii şi eventual microorganisme de contaminare. Concentraţia alcoolică a plămezii fermentate variază în limite largi cuprinse între 8 şi 12% în funcţie de felul materiai prime şi procesul tehnologic aplicat. Alcool etilic şi alţi componenţi volatiii din plămadă ca: aldehide, esteri, alcooli superiori, furfural, acizi volatili, se separă din plămadă prin operaţia de distilare. Distilarea se realizează prin încălzirea până la fierbere şi fierberea plămezilor fermentate în instalaţii speciale, prin care alcoolul etilic şi alţi componenţi volatili trec în faza de vapori şi sunt apoi condensaţi prin răcire cu apă. Pentru a înţelege mai bine procesul de separare a alcoolului din plămada prin distilare se poate asimila plămada fermentată cu un amestec binar miscibil format din alcool etilic şi apă, având o concentraţie alcoolică egală cu a plămezii fermentate. Separarea alcoolului etilic din acest amestec se bazează pe diferenţa de volatilitate dintre acesta şi apă. Astfel, alcoolul etilic este mai volatil decât apa, având o temperatură de fierbsere de 78,39°C, în timp ce temperatura de fierbere a apei este de 100°C la presiunea atmosferică. Întrucât separarea componenţilor din amestec prin distilare se face în ordinea volatltităţii lor, distilând mai întâi cei cu volatilitate mai ridicată, deci cu temperatura de fierbere mai scăzută, înseamnă că vaporii rezultaţi prin fierberea amestecului de alcool şi apă vor fi mai bogaţi în alcool etilic, iar amestecul supus distilării se va epuiza treptat în alcool. Pentru a obţine un produs cu un conţinut ridicat în alcool sunt necesare distilări repetate şi odată cu creşterea coţinutului în alcool al lichidului supus distilării se realizează o concentrare din ce în ce mai redusă până în momentul în care se ajunge la aşa numitul punct azeotropic, din care nu se mai poate realiza o continuare o concentrare prin distilare. Pentru amestecul de alcool etilic şi apă .acest punct azeotropic corespunde unei concentraţii alcoolice de 97,17%vol.sau 95,57% masic. Din acest motiv, pe calea distilării repetate se poate obţine un alcool cu concentraţia maximă în alcool de 97,2% vol.
42
În afară de alcool şi apă prin distilarea plămezii fermentate trec în distilat şi alte substanţe volatile conţinute, cum ar fi aldehide, esteri,alcooli superiori, acizi volatili, alcool metilic, ş.a., care îi conferă un gust şi un miros neplăcut, astfel încât se obţine asa numitul alcool brut, care trebuie purificat în continuare prin operaţia de rafinare Reziduul fără alcool rezultat de la distilare este denumit borhot. 3.7.1. Instalaţii de distilare a plămezii fermentate Distilarea plămezilor fermentate în vederea obţinerii alcoolului brut este de fapt o distilare repetată a unor condensate alcoolice cu scopul obţinerii unei concentraţii ridicate în alcool, proces care este denumit rectificare. Operaţia de distilare a plămezii fermentate se realizează în instalaţii cu funcţionare continuă în care procesul fizic care are loc este următorul: - plămada fermentată preîncalzită intră pe la partea superioară a unei coloane de plămadă prevăzută cu talere cu clopote şi se scurge prin coloana cu viteză constantă în contracurent cu aburul care se introduce pe la baza coloanei; - pe măsură ce urcă în coloană vapori se îmbogăţesc treptat în alcool, prin vaporizări repetate de component volatil (alcool) şi condensările repetate de component mai puţin volatil (apa) rezultând pe la partea superioară a coloanei de plămadă vapori alcoolici cu concentraţia în alcool în echilibru cu cea a plămezii fermentate, care sunt concentraţi suplimentar până la tăria necesară a alcoolului brut într-o coloană de concentrare; - prin scurgerea plămezii de pe un taler pe altul se realizează epuizarea treptată a plămezii în alcool, rezultând pe la baza coloanei un reziduu dezalcoolizat - borhotul. Instalaţiile de distilare continuă a plămezilor fermentate, care dateaza de peste 100 ani, se pot împărţi, în funcţie de modul de amplasare a celor două coloane, de plămadă şi de concentrare, în două grupe : - instalaţii cu două coloane suprapuse; - instalaţii cu două coloane alăturate. Regulatorul de borhot joacă rol de zăvor hidraulic, menţinând în spaţiul de la baza coloanei un nivel constant de plămadă şi nepermiţând astfel aburului să iasă odată cu borhotul. Astfel, la scăderea nivelului plămezii la baza coloanei, flotorul regulatorului coboară şi închide evacuarea borhotului şi invers. De la aparatul de control alcoolui brut este trecut prin conducte la rezervorul de colectare a alcoolului brut. 43
Această instalaţie cu coloanele suprapuse are avantajul că se manipulează mai uşor, deoarece extragerea alcoolului şi concentrarea lui se fac într-o singură instalaţie, iar consumul de abur şi pierderile în alcool sunt mai mici. Datorită acestor avantaje este instalaţia cea mai răspândită de distilare. 3.7.2. Conducerea procesului de distilare Înainte de punerea în funcţiune, se umple cu apă coloana de distilare 2, în care se introduce abur, pentru a constata dacă nu există neetanşeităţi pe la flanşe. Dacă etanşarea coloanei este bună, se demontează vizoarele din dreptul talerelor pentru scurgerea apei şi apoi se montează din nou. Se umple apoi coloana cu plămadă cu ajutorul pompei, se deschide aburul pentru încălzirea coloanei, care este terminată când conducta de alcool de la condensatorul răcitor la felinarul de control se încălzeşte. Se deschid robinetele de apă de răcire a condensatorului răcitor şi a deflegmatorului şi se reglează astfel debitul de alimentare cu plămada încât în coloană să se realizeze regimul normal de funcţionare. Printr-o corelare a debitului de plămadă, abur şi apa de răcire trebuie să se ajungă la un debit constant de alcool la felinarul de control, a cărui tărie trebuie să fie de 80-85% vol. alcool, cu temperatora de 15-17°C. Prin automatizarea complexă a instalaţiei se asigură un regim optim de funcţionare. Principalii parametrii care se pot regla automat sunt : debitut de alimentare a coloanei cu plămadă, debitul şi presiunea aburului, temperatura şi debitul apei de răcire, concentraţia şi temperatura alcoolului brut. Scoaterea temporară din funcţiune a instalaţiei de distilare se face oprindu-se mai întâi pompa de plămadă şi apoi acesul aburului. După ce a scăzut presiunea din coloană se închide şi apa de răcire. Pentru repunerea în funcţiune se dă drumul mai întăi la abur, care încălzeşte plămada acumulată la baza coloanei, iar în momentul în care a început sa curgă alcool la felinarul de control se porneşte şi pompa de plămadă. În cazul opririlor de lungă durată este necesar ca după oprirea pompei de plămadă să se fiarbă plămada din coloană până când la felinarul de control nu se mai constată prezenţa alcoolului, după care se închide accesul aburului şi a apei de răcire.
44
3.8.Rafinarea alcoolului brut În urma distilării rezultă ca produs intermediar alcoolul brut, care are o concentraţie alcoolică de 80-85% vol. şi conţine o serie de impurităţi, mai mult sau mai puţin volatile, fie provenite din plămada fermentată, fie formate chiar în cursul procesului de distilare. Rafinarea reprezintă operaţia de purificare şi concentrare a alcoolului brut, în vederea obţinerii unui produs de puritate superioară denumit alcool etilic rafinat.Prin rafinare alcoolul se concentrează, devine limpede, fără gust şi miros străin. Alcoolul rafinat trebuie să aibă o concentraţie alcoolică de minimum 96%, nu trebuie să conţină alcool metilic şi furfural, iar conţinutul său în acizi, esteri, aldehide şi alcooli superiori trebuie să fie foarte scăzut. Pentru a se realiza o purificare avansată a alcoolului este necesar ca la rafinare să se aibă în vedere două aspecte principale: temperaturile de fierbere ale impurităţilor şi solubilităţile lor în amestecul de alcool- apă. Impurităţile din alcoolul brut au temperaturi de fierbere repartizate între 20,2°C (aldehida acetică) şi 161,6° (furfural), însă în realitate distilarea lor se face într-un domeniu de temperaturi mult mai restrâns, deoarece majoritatea formează amestecuri azeotrope cu apa, cu temperaturi de fierbere mult mai joase decât a substanţei pure. Impurităţile se vor repartiza în coloană în funcţie de temperaturile lor de fierbere şi solubilitatea lor, astfel: - impurităţile mai volatile decât alcoolul etilic vor fi ridicate de vaporii alcoolici spre partea superioară a coloanei, unde vor fi evacuaţi în stare de vapori sub formă de frunţi; - impurităţile mai puţin volatile se vor concentra spre partea inferioară a coloanei formând cozile. Aşadar prin rafinarea alcoolului brut se obţin trei fracţiuni: - frunţile; - alcoolul rafinat; - cozile. Operaţia de rafinare a alcoolului brut se execută în instalaţii speciale, care în funcţie de construcţie şi modu! de funcţionare, sunt de două tipuri: - instalaţii cu funcţionare discontinuă (periodică); -instalaţii cu funcţionare continuă.
45
3.8.1. Rafinarea discontinuă Se realizează în instalaţii speciale. Conducerea rafinării discontinue se realizează astfel: - se introduce în blază o cantitate măsurată de alcool brut şi se diluează cu apă de luter până la 40-50° alcoolice; - se realizează încălzirea alcoolului brut mai întâi cu abur direct timp de 10-20 minute şi apoi cu abur indirect 30-60 minute pînă ce se încălzeşte mai mult de 2/3 din coloană, ceea ce arată că vaporii alcoolici au ajuns în deflegmator; - se dă drumul apoi la debitul maxim de apă de răcire în condensator şi deflegmator, realizându-se o condensare totală a vaporilor alcoolici ce intră în deflegmator, care se întorc în coloană sub formă de reflux extern, prin aceasta frânare a distilări, care durează 1-3 ore, se realizează o mărire a concentraţiei alcoolice spre vârful coloanei, împiedicându-se ridicarea impurităţilor grele şi concentrându-se în vârful coloanei frunţile; - se micşorează apoi debitul apei de răcire şi se începe colectarea alcoolului frunţi, timp de 2-3 ore, care are la început o concentraţie alcoolică de 92-94% vol. şi o culoare verzuie, iar spre sfârşit devine incolor, iar concentraţia creşte la 95-96% alcool vol.; - se distilă în continuare alcoolul rafinat, care trebuie să aibă concentraţia alcoolică de minimum 98% vol. La început se lucrează la capacitatea maximă a coloanei, apoi pe măsură ce se micşorează conţinutul blazei în alcool, se măreşte treptat debitul de apă de răcire, astfel încât să nu se producă o scădere a concentraţiei alcoolice pe talere. Distilarea alcoolului rafinat durează circa 40 ore; - în momentul în care concentraţia alcoolică la felinarul de control scade şi se constată organoleptic apariţia cozilor, începe colectarea acestora, operaţie care durează 1-2 ore; - când la felinarul de control alcoolul devine tulbure, datorită prezenţei uleiului de fuzel, care în soluţie alcoolică diluată emulsionează, se poate colecta şi acesta, trimiţându-se direct într-un rezervor separat, fără a se mai trece prin aparatul de control. Uleiul de fuzel poate fi purificat în continuare cu ajutorul separatoarelor de ulei de fuzel sau prin tratare cu o soluţie de clorură de sodiu, astfel încât concentraţia sa în ulei de fuzel să fie de minimum 85%;
46
- la sfârşitul rafinării, când concentraţia lichidului de la felinarul de control scade sub 2% alcool vol. se goleşte apa de luter din blază şi se începe o nouă şarjă. Durata totală a unei şarje este de circa 48 ore. Alcoolul etilic rafinat este trecut în aparate de control speciale pentru alcool rafinat şi apoi în rezervoarele de depozitare, iar alcoolul frunţi şi cozi sunt trecute prin aparatul de control aferent într-un rezervor comun de depozitare formând alcoolul tehnic. Rafinarea discontinuă are dezavantajul unei productivităţi mai scăzute, a unui consum specific de abur mai ridicat şi a unor pierderi mai mari de alcool. 8.3.2. Rafinarea continuă Cele mai răspândite instalaţii de rafinare a alcoolului brut sunt instalaţiile cu două coloane tip Barbet, care se caracterizează printr-o productivitata mai ridicată, un consum mai redus de abur şi obţinerea unui alcool de calitate superioară, constantă, cu pierderi mai scăzute în alcool. Alcoolul brut diluat cu apă de luter în rezervor este preîncălzit în schimbătorul de caldură cu apă de luter fierbinte de la coloana de rafinare şi intră apoi la mijlocul coloanei de frunţi sau epurare. În coloana de frunţi se realizează în partea inferioară talerului de alimentare antrenarea aldehidelor şi esterilor care formează frunţile din alcoolul brut, care se concentrează în partea superioară a coloanei şi a deflegmatorului , sunt trecute apoi în condensatorul răcitor şi apoi la felinarul de frunţi. Pe la partea inferioară rezultă un lichid alcoolic eliberat de frunţi, denumit epurat, cu o tărie alcoolică de circa 40% vol., care trece apoi în coloana de rafinare. Coloana de epurare este prevăzută de obicei cu 12 talere în partea inferioară de epuizare şi 12 talere în partea superioară de concentrare a frunţilor. Epuratul rezultat din coloana de frunţi este introdus pe talerul de alimentare a coloanei de rafinare. Aceasta este încalzită la bază cu abur direct care epuizează total epuratul în alcool în obţinându-se pe la bază apă de luter care se evacuează prin regulatorul de apă de luter. Vaporii alcoolici rezultaţi din epurat care mai conţin încă resturi de frunţi, se concentrează la partea superioară a coloanei de rafinare pe un număr mare de talere (50-60) şi sunt trecuţi apoi în deflegmatoru unde se face concentrarea resturilor de frunţi, care sunt trecute apoi în condensato şi reîntoarse în coloana de frunţi.
47
Alcoolul rafinat se separă sub formă lichidă de pe talerele primului segment de sus al coloanei de rafinare şi este trecut în răcitorul de alcool rafinat şi apoi la felinarul de control, după care ajunge la aparatul de control şi în rezervorul de alcool rafinat. O parte din impurităţile grele se separă sub formă lichidă ca ulei de fuzel de pe talerele coloanei de rafinare unde concentraţia alcoolică este de 47-48% vol. Uleiul de fuzel rezultat este trecut în răcitor, apoi la felinarul de control şi în final la separatorul de ulei de fuzel, lichidul alcoolic separat de ulei reîntorcându-se în coloana pentru recuperarea alcoolului. Alcoolul cozi se colectează tot sub formă lichidă de pe talerele inferioare ale zonei a coloanei de rafinare şi este trecut tot în răcitor şi apoi la felinarul de cozi. În practică frunţile şi cozile de la felinar sunt trecute împreună la acelaşi aparat de control a cantităţilor rezultate şi apoi în rezervorul de depozitare a alcoolului tehnic. În unele cazuri se renunţă în practică la colectarea uleiului de fuzel, care se evacuează astfel cu apa de luter. Apa de luter conţine acizi volatili şi alte substanţe mai puţin volatile decât alcoolul etilic. Conţinutul în alcool al apei de luter trebuie să fie de max. 0,1%.
9. Valorificarea subproduselor şi a deşeurilor de la fabricarea alcoolului Din procesul tehnologic de fabricare a alcoolului din materii prime amidonoase rezultă ca principale subproduse dioxidul de carbon, alcoolul tehnic (frunţi şi cozi) şi uleiul de fuzel, iar ca deşeuri recuperabile borhoturile de cereale. Prin valorificarea integrală şi complexă a subproduselor şi deşeurilor rezultate, fabricile de alcool beneficiază de avantaje economice apreciabile, rezolvându-se parţial sau chiar integral şi problema apelor reziduale. 9.1. Dioxidul de carbon În timpul fermentării plămezilor din materii prime amidonoase se degajă dioxid de carbon, care antrenează şi cantităţi mici de alcool, produse secundare de fermentaţie cât şi apa din plămadă, impurităţi care formează 0,5-5-1% din cantitatea de gaz degajată. Cantitatea de dioxid de carbon care rezultă teoretic prin fermentare reprezintă 48,8% din masa glucozei fermentate, 50,3% din masa maltozei şi 54,3% din masa
48
amidonului prelucrat. Dacă se admite că randamentul practic în alcool reprezintă 80% din cel teoretic vor rezulta următoarele cantităţi de dioxid de carbon: -din 100 kg glucoză sau fructoză -din 100 kg maltoză sau zaharoză -din 100 kg amidon sau dextrine
43,9 kg CO2; 45,5 kg CO2; 48,9 kg CO2.
Cantitatea recuperabilă de dioxid de carbon depinde de materia primă folosită, procesul tehnologic aplicat şi mărimea linurilor de fermentare. Astfel, la prelucrarea cerealelor prin procedeul discontinuu, dioxidul de carbon este recuperat în proporţie de circa 70%. În cazul fermentării continue a plămezilor cantitatea recuperată este mult mai mare. Dioxidul de carbon poate fi prelucrat în următoarele moduri: - prin purificare, comprimare şi eventual lichefiere pentru fabricarea băuturilor răcoritoare carbogazoase şi în alte industrii; - pentru fabricarea carbonatului de calciu sau a carbonatului de amoniu. Procesul tehnologic de purificare, comprimare şi lichefiere a dioxidului de carbon se realizează cu ajutorul unor instalaţii speciale prezentate la fermentarea berii. Dioxidul de carbon lichid trebuie să aibă o puritate de minimum 98%, să conţină maximum 0,1% apă, să nu conţină urme de ulei şi alte gaze şi să nu prezinte mirosuri străine. El se livrează în butelii speciale din otel cu capacitatea de încărcare de 10 şi 20 kg, rezistente la presiune ridicată până la 100 at. Dioxidul de carbon se mai foloseşte în industria cărnii pentru asomarea porcilor, la fabricarea gheţii carbonice (prin evaporarea dioxidului de carbon lichid în aparate speciale, când are loc o răcire puternică şi solidificarea la temperatura de 78,9°C), care se utilizează la transportul alimentelor cu perisabilitate ridicată, în industria metalurgică la turnarea metalelor, în industria constructoare de maşini la sudura în atmosferă de dioxid de carbon, în medicină, cercetare, etc. Carbonatul de calciu se obţine în fabricile de alcool, folosind ca materii prime varul şi dioxidul de carbon rezultat de la fermentaţie. Stingerea varului se efectuează cu apă caldă cu temperatura de 65-75°C, care să permită obţinerea unei temperaturi optime de stingere de 85-90°C, în stingătoare rotative, din care se obţine un lapte de var cu 1820% s.u. După stingere laptele de var este filtrat grosier şi fin pentru separarea
49
sterilului (părţii insolubile) şi introdus în vase de carbonatare, în care se introduce pe la partea inferioară sub agitare dioxid de carbon. Operaţia de carbonatare are loc la temperaturi de 50-60°C timp de 20-80 minute, obţinându-se o suspensie de carbonat de calciu care este concentrată mai întâi prin filtrate sub vid până la 50% s.u. şi spoi prin uscare în instalaţii tip tunel până la o umiditate finală de 0,4-5-0,6%. După uscare produsul este măcinat într-o moară cu discuri, ambalat în saci, depozitat şi livrat la beneficiari. Carbonatul de calciu se fabrică în mai multe tipuri: A, B, C, I, în funcţie de gradul de puritate şi destinaţie. Astfel, tipurile A şi I sunt folosite în industria de cosmetice, antibiotice şi industria electrotehnică, tipul B în industria materialelor plastice şi a cauciucului, iar tipul C de puritate mai redusă este destinat altor utilizări. În funcţie de tipul de carbonat de calciu fabricat, consumul specific de dioxid de carbon variază între 1000-3500 kg/tona de produs finit. Carbonalul de amoniu se obţine în urma reacţiei dintre dioxidul de carbon şi amoniac. Pe această cale se pot obţine teoretic 2,17 tone carbonat de amoniu la o tonă de C02, randamentul practic este de 2 t/t de C0 2. Carbonatul de amoniu se foloseşte ca adaos la furajarea animalelor, în cazul hranei sărace în proteine, având un coeficient ridicat de asimilare de circa 80%. 9.2. Alcoolul tehnic Alcoolul tehnic {frunţi şi cozi) reprezintă amestecul de alcool frunţi şi cozi rezultat în instalaţiile de rafinare, în care predomină frunţile. Alcoolul tehnic este folosit în industria lacurilor şi vopselelor sau la fabricarea alcoolului denaturat. În compoziţia chimică a frunţilor intră: -
alcool etilic
93-97%
-
aldehide
0,3-0,5%
-
esteri
0,3-2,6%
-
metanol
0,4-1,5%
-
acizi organici volatili
0,07-0,09%
Frunţile obţinute de la rafinare se pot întoarce la fermentare sau la distilare. Prin reîntoarcerea frunţilor în plămezi la începutul fermentării se limitează formarea de noi produse secundare de fermentaţie ce conduce la creşterea randamentului în alcool, iar
50
prin întoarcerea lor la distilare se frânează procesul de formare a esterilor, iar unii acizi trec în borhot. La rafinarea alcoolului brut din cereale în instalaţii periodice, cantitatea de frunţi este de 3,5%, iar în cele continue 2,6% faţă de alcoolul absolut. 9.3. Uleiul de fuzel Uleiul de fuzel este un produs rezultat de la rafinarea alcoolului brut, format din impurităţi cu volatilitate mai redusă din care predomină alcoolii superiori: amilic, izoamilic, izobutilic, propilic. Alături de alcooli superiori, se găsesc cantităţii mai mici de esteri ai acestora, acizi organici volatili şi furfural. Pentru livrare, el trebuie să aibă o puritate de minimum 85%. Se întrebuinţează ca dizolvant, ca atare, sau după esterificare cu acizi organici. În industria alimentară, se utilizează esterii alcoolilor amilic şi butilic pentru aromatizarea bomboanelor. 9.4. Borhotul din cereale Borhotul din cereale rezultat de la distilarea plămezilor ferrnentate coţine atât substanţe nefermentescibile din materia primă (celuloză, proteine, pectine, grăsimi, acizi nevolatili, substanţe minerale), resturi de amidon, dextrine şi uneori chiar maltoză nefermentată, produse secundare nevolatile ale fermentaţiei alcoolice (glicerina, acid lactic) cât şi celule de drojdii. Borhotul din cereale rezultat de la distilarea plămazilor fermentate, prezintă compoziţia chimică prezentată în tabelul3. Tabelul 3 Compoziţia chimică medie a borhotului din cereale Componentele
Borhot Porumb
Substanţă organică, % Proteină brută, % s.u. Grăsime brută, % s.u. Celuloză, % s.u. Substanţe
95,3 25,5 11.7 10,6 47,6
extractive neazotoase, % Substanţe minerale, % Substanţă uscată,% s.u. s.u.
4,7 8,5
Grâu BBorhotdi Orz Orez Cartofi 91,4 97,9 96,5 87,4 34,8 31,3 ■ 42,4 27,0 2,2 10,2 3,5 2,7 _ 13,7 5,9 8,1 51,0 42,7 44,7 49,9 3,4 8,6 4,2
51
2,1 26,0
3,5 8,0
12,6 6.0
Datorită substanţelor nutritive pe care le conţine, în special a substanţelor azotoase asimilabile, borhotul din cereale şi cartofi constituie un furaj valoros. Acesta se poate folosi în stare proaspată, îmbogăţit în vitamine sau în lactat de amoniu sau sub formă de borhot uscat. Digestibilitatea principalelor componente ale borhotului pentru animale şi păsări este prezentată în tabelul 4. El mai poate fi folosit la obţinerea preparatelor enzimatice fungice, a drojdiei de panificaţie şi furajere, a unor antibiotice (biomicina), a cleiului de borhot. Prin prelucrarea fără presiune a cerealelor rezultă un borhot cu o valoare furajeră mai ridicată decât în cazul fierberii sub presiune, la care au loc procese importante de degradare termică a unor substanţe valoroase din borhot. Astfel, în cazul folosirii procedeului de dispersie, valoarea furajeră a borhotului creşte cu circa 45%, iar digestibilitatea substanţei organice cu circa 24% faţă de procedeul de fierbere sub presiune. 10. Calculul bilanţului de materiale Generalităţi Pentru calculul bilanţului de materiale se au în vedere următoarele două elemente: - intrările de materii prime şi auxiliare care sunt prevăzute în reţetele de fabricaţie - ieşirile la fiecare fază tehnologică şi pierderile tehnologice. Schematic bilanţul de materiale arată astfel:
Materii prime
Produs intermediar Proces
Materii auxiliare
Pierderi
Ecuaţia generală a bilanţului de materiale este: Σmi = Σme + p Σmi = materii prime şi auxiliare intrate Σme = materii prime şi auxiliare ieşite
52
p = pierderi Calculul necesarului de cereale 1.Rafinarea Prin procesul de rafinare se obţine 80% alcool etilic rafinat, volumul de alcool etilic rafinat de 96o este 10.000 l/ 24h. Determinăm masa de alcool etilic rafinat şi pe baza acesteia cantitatea de alcool brut. ρ= m / V; m= ρ * V ρ= 801kg / cm3, reprezintă densitatea alcoolului etilic rafinat de 96o la 20o C ; m= masa de alcool etilic, exprimat în kg / 24h; V=10.000 l / 24h sau 10 m3 / 24h reprezintă volumul de alcool etilic rafinat 96o m= 801 * 10= 8.010 kg/ 24h alcool etilic rafinat 96o 8.010= 80/ 100 * x x = 10.012,5 kg/ 24h =10.013kg /24h alcool brut Alcool etilic rafinat Alcool brut
Rafinare
Alcool tehnic Pierderi (1,4%)
Ab=Ar + At+1,4/ 100 *Ab Ab= cantitatea de alcool brut, kg/24h Ar = cantitatea de alcool rafinat, kg/24h At= cantitatea de alcool tehnic, kg/24h 10.013= 8.010+ At+1,4/100 * 10.013 At= 10.013-8010-140,18 At= 1863 kg/24h alcool tehnic 2.Distilarea Alcool brut Plămadă fermentată
Distilare Borhot
53
Pf = Ab+ B Pf *Cpf = Ab * CAb+ B *CB Pf =plămadă fermentată, kg/24h Ab = alcool brut, kg/24h B = borhot, kg/24h CPf = concentraţia alcoolică a plămezii fermentate,% vol. CAb = concentraţia de alcool brut, % vol. CB = concentraţia borhotului, % vol. (Ab+ B)*CPf = Ab*CAb+B *CB (Ab+B) *8= Ab*80+ B *0,4 8Ab+8B= 80Ab+0,4B 7,6B= 80 * 10.013+8 *10.013 7,6B=801.040-80.104 7,6B=720.936 B= 94.860kg/24h borhot Pf =10.013 +94.860 Pf =104.873 kg/24h plămadă fermentată 3.Fermentare Plămadă însămânţată
Plămadă fermentată
Fermentare
Pierderi (0,2%)
Pî= Pf+ 0,2/100 *Pî Pî= cantitatea de plămadă însămânţată, kg/24h Pf =cantitatea de plămadă fermentată, kg/24h (100-0,2/100) *Pî= Pf 99,8/100 *Pî= 104.873 Pî= 105.083 plămadă însămânţată, kg/24h
54
4. Însămânţarea Plămadă zaharificată
Plămadă însămânţată Însămânţare
Drojdii
Pierderi (0,1%)
Pz +D=Pî+Pz Pz *CPz+D *CD= Pî* CPî+0,1/100 *Pz Pz= plămadă zaharificată, kg/24h Pî= plămadă însămânţată, kg/24h D =drojdie, kg/24h CPz=concentraţia plămezii zaharificate(16-18oBllg) CPî= concentraţia plămezii însămânţate(6-8oBllg) CD= concentraţia drojdiei(5-8oBllg) 16Pz +6D=8Pî+0,1/100 *Pz D= Pî-Pz 16Pz+(Pî-Pz) *6= 8Pî+0,1/100 *Pz 16Pz-6Pz-(0,1/100) *Pz =8Pî -6Pî (999,9/100) *Pz=2 *105.083 Pz=21.019 plămadă zaharificată kg/24h D=105.083-21.019 D=84.064 drojdie kg/24h 5.Zaharificare Plămadă fluidificată Enzimă zaharificare
Plămadă zaharificată Zaharificare
Acid sulfuric
55
Pierderi (0,1%)
Se adaugă o proporţie de 2% enzime de zaharificare şi 0,4% H 2SO4 din cantitatea de plămadă fluidificată: Pf +Ez+As=Pz+(0,1/100) *Pf Pf= plămadă fluidificată, kg/24h Pz= plămadă zaharificată, kg/24h Ez= enzime de zaharificare, kg/24h As=acid sulfuric, kg/24h Pf+2/100 *Pf+ 0,4/100 *Pf= Pz+0,1/100 *Pf (100+2+0,4-0,1/100) *Pf=21.019 Pf=20.546 plămadă fluidificată, kg/24h Ez=(2/100)*20.546 Ez=411 enzimă de zaharificare, kg/24h As=(0,4/100) *20.546 As=82 acid sulfuric, kg/24h
6.Fluidificare Materie primă măcinată
Plămadă fluidificată Fluidificare
Enzimă fluidificare
Pierderi (0,2%)
Se adaugă 1% enzime de fluidificare din cantitatea de materie primă măcinată. MPm+Ef =Pf+P5 MPm+(1/100) *MPm=Pf+ (0,2/100) *MPm MPm= cantitatea de materie primă măcinată, kg/24h Ef =cantitatea de enzime de fluidificare, kg/24h Pf =cantitatea de plămadă fluidificată, kg/24h P5 =pierderi 100-1-0,2/100 *MPm =Pf
56
MPm=20.383 materie primă cântărită, kg/24h Ef =(1/100)* 20.383 Ez=204 enzimă de fluidificare, kg/24h 7. Măcinare Materie primă cântărită
Materie primă măcinată Măcinare
Apă
Pierderi (0,2%)
Se adaugă 30% apă din cantitatea de materie primă cântărită MPc+A= MPm +P6 MPc=materia primă cântărită, kg/24h MPm=materia primă măcinată, kg/24h A= cantitatea de apă adăugată la măcinare P6= pierderi MPc+(30/100)*MPc=MPm+(0,2/100)*MPc 100+30-0,2/100*MPc=MPm MPc=15703 materie primă cântărită, kg/24h A=(30/100) *15703 A=4.711 kg/24h 8. Cântărire
Materie primă depozitată
Materie primă cântărită Cântărire Pierderi (0,2%)
57
MPd=MPc+P7 MPd=materie primă depozitată, kg/24h MPc=materie primă cântărită, kg/24h P7= pierderi 100-0,2/100 *MPd=15.703 MPd=15.734 kg/24h materie primă depozitată 9. Depozitare
Materie primă recepţionată
Depozitare
Materie primă depozitată Pierderi (0,2%)
MPr=MPd+(0,2/100) *P8 MPr=materie primă recepţionată, kg/24h MPd=materie primă depozitată, kg/24h P8=pierderi, kg/24h 100-0,2/100 *MPr=15734 MPr=15.766 kg/24h porumb recepţionat
58
Bilanţ de materiale- tabelat Nr. crt. 1.
2. 3. 4. 5.
6.
7.
Produse intrate Produse ieşite Operaţia Denumire Simbol Cantitate Denumire Simbol Cantitate material material Alcool Rafinare Alcool brut Ab 10013 rafinat Ar 8010 Alcool tehnic At 1863 Pierderi P1 175 Plămadă Alcool brut Distilare fermentată Pf 104873 Ab 10013 Borhot B 94860 Plămadă Plămadă Fermentare însămânţată Pî 105083 fermentată Pf 104873 Pierderi P2 Plămadă Plămadă Însămânţare zaharificată Pz 21019 însămânţată Pî 105083 Drojdie D 84064 Pierderi P3 Plămadă Zaharificare fluidificată Pf 20546 Plămadă zaharificată Pz 21019 Enzime zaharificată Ez 411 Acid sulfuric As 82 Pierderi P4 20 Materie Plămadă Fluidificare primă fluidificată măcinată Mpm 20383 Pf 20546 Enzimă fluidificare Ef 204 Pierderi P5 41 Materie Materie Măcinare primă primă cântărită Mpc 15703 măcinată
8. Cântărire 9. Depozitare
Apă Materie primă depozitată
A
4710
Mpd
15734
Materie primă recepţionată
Mpr
15766
Total
418592
59
Pierderi Materie primă cântărită Pierderi Materie primă depozitată Pierderi Total
Mpm P6
20383 31
Mpc P7
15703 31
Mpd P8
15734 32 418592
Bibliografie
1. Dabija A., 2002, Tehnologii şi utilaje în industria alimentară fermentativă, Ed. Alma Mater, Bacău 2. Rotaru V., Filimon N., 1976, Tehnologii în industria alimentară fermentativă, Ed. Didactică şi Pedagogică, Buc.
3.Hopulele T., 1980, Tehnologia berii, spirtului şi a drojdiei, vol.II, Universitatea din Galaţi 4.Banu C., coordonator, Manualul inginerului de industrie alimentară, Ed.Tehnică, Buc., 2002, vol.II
60
