Водно-тепловая обработка замесов из зерна, обработанного на экструдере-гидролизаторе

Водно-тепловая обработка замесов из зерна, обработанного на экструдере-гидролизаторе

Содержание

Введение

. Литературный обзор

.1 Анализ способов водно-тепловой обработки зерновых замесов

.2 Анализ способов диспергирования сырья

1.3 Механохимическая деструкция сырья

1.4 Ферментные препараты, применяемые при ферментативном гидролизе замесов

. Материалы, объекты и методы исследования

.1 Материалы исследования

.2 Объекты исследования

.3 Методы исследования

.4 Методы исследования

3. Экспериментальная часть

.1 Исследование влияния степени дисперсности помола на качественные показатели осахаренного сусла

.2 Исследование возможности получения осахаренного сусла из экструдированной пшеницы с низким гидромодулем замеса

.3 Исследование возможности снижения температуры водно-тепловой обработки замесов из экструдированной пшеницы

.4 Исследование влияния ферментных препаратов на качественные показатели высококонцентрированного сусла из экструдированной пшеницы

. Описание технологической схемы производства

. Технико-экономический расчет

.1 Расчет затрат на проведение исследований

.2 Расчет стоимости сырья и основных материалов

.3 Расчет затрат на химические реактивы и вспомогательные материалы

.4 Расчет стоимости лабораторной посуды

.5 Расчет расходов на амортизацию приборов и оборудования

.6 Расчет затрат на электроэнергию

.7 Расчет заработной платы обслуживающего персонала с отчислениями на социальный налог

.8 Накладные расходы

.9 Прочие расходы

. Безопасность жизнедеятельности

.1 Анализ опасных факторов

.2 Анализ пожаро- и взрывоопасности

.3 Анализ вредных факторов

.4 Анализ отходов, стоков и выбросов

.5 Мероприятия по обеспечению безопасных условий труда

.6 Мероприятия по пожарной профилактике

.7 Мероприятия по обеспечению безвредных условий труда

.8 Природоохранные мероприятия

.9 Расчеты

.10 Конструктивные и технологические схемы экспериментальных стендов

.11 Инструкция по работе на стендах

. Гражданская оборона

.1 Отравляющие вещества

.2 Основы дегазации

.3 Обеззараживание лаборатории в случае возникновения ЧС, связанной с химическим заражением ипритом

Заключение

Список литературы

Введение

Среди приоритетных направлений развития спиртовой отрасли на первое место в настоящее время выдвигаются разработки, посвященные созданию энерго- и ресурсосберегающих технологий получения этанола из зерна. Для получения и сбраживания осахаренного зернового сусла необходимо крахмал и другие компоненты сырья перевести в растворённое состояние. Выбор режимов и технологических параметров получения осахаренного сусла при разработке новой технологии этанола базируется на экономических и аппаратурно-технологических аспектах производства и во многом определяется свойствами перерабатываемого сырья.[35]

В существующих технологиях спиртового производства все методы перевода крахмалсодержащего сырья в растворимое состояние основаны на смешивании измельченного зерна с водой и последующей многооперационной водно-тепловой обработкой замеса под избыточным давлением пара в агрегатах непрерывного разваривания или по технологии низкотемпературного режима с использованием гидродинамической и ферментативной обработки с применением термостабильной α-амилазы.

Важным технологическим показателем процесса приготовления зернового замеса является степень и однородность помола зерна, определяющая такие параметры, как гидромодуль, температура и продолжительность водно-тепловой обработки. Чем большей деструкции сырье было подвергнуто перед обработкой, тем более экономичными могут быть эти режимы. В результате тонкого измельчения сырья увеличивается реакционная поверхность контакта частичек зерна, все компоненты сырья становятся более доступными воздействию тепла, воды, ферментных препаратов.[27]

Для разрушения структуры сырья можно использовать различные способы: измельчение сырья на измельчительных машинах с получением помола разной степени дисперсности, обработка сырья волнами различной природы (ИК-нагрев, ультразвук), а также экструзия сырья. Экструзия (от латинского extrudo -выталкивание, выдавливание) - процесс, совмещающий термо-, гидро- и механохимическую обработку сырья с целью получения продуктов с новой структурой и свойствами. [36]

Механохимическая деструкция высокомолекулярных соединений дает возможность использования более экономичных режимов, т.е. снижения температуры водно-тепловой обработки замесов, а также получения сусла с высокими качественными показателями: с большим количеством сбраживаемых веществ (мальтоза и глюкозы) и меньшим количеством декстринов, что позволяет сокращать количество осахаривающих материалов и сокращать время сбраживания осахаренного сусла. Наряду с крахмалом происходит диспергирование других высокомолекулярных веществ в составе зерна, в том числе некрахмалистых полисахаридов (целлюлозы и др.) до низкомолекулярных углеводов (глюкозы), что повышает количество сбраживаемых веществ и, как следствие, увеличивает количество получаемого спирта. Деструкция белка дает возможность получать сусло с аминокислотами, которые используются дрожжами при сбраживании в качестве азотсодержащего питания.[25]

Этот эффект может быть усилен применением комплекса ферментных препаратов. В настоящее время ферментные препараты стали мощным средством трансформации практически любых продуктов. Их применение позволяет регулировать физико-химические свойства получаемых полупродуктов и таким образом влиять в целом на показатели всего спиртового производства.

Высокая степень диспергирования сырья дает возможность более эффективного действия ферментных препаратов разжижающего действия и ферментных препаратов, гидролизующих некрахмалистые полисахариды, что вызывает снижение вязкости замесов. Снижение вязкости замесов в свою очередь дает предпосылки к возможности получения сусла с низким гидромодулем. Поэтому использование зерна, обработанного на экструдере, с измененной структурой с целью получения спирта, может стать предпосылкой для интенсификации спиртового производства.

Исследования и выбор режимов водно-тепловой обработки экструдированного сырья для производства спирта являются актуальными и ранее не проводились.

Целью данной исследовательской работы явился выбор оптимальных технологических параметров водно-тепловой обработки замесов из зерна, обработанного на экструдере-гидролизаторе.

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

·   исследовать влияние степени дисперсности помола на технологические показатели осахаренного зернового сусла;

·   исследовать возможность получения осахаренного сусла из зерна, обработанного на экструдере, с низким гидромодулем замеса;

·   исследовать возможность снижения температуры водно-тепловой обработки высоконцентрированного замеса из экструдированного зерна;

·   исследовать влияние ферментных препаратов различного действия на качественные показатели высококонцентрированного сусла из экструдированной пшеницы.

1. Литературный обзор

.1 Анализ способов водно-тепловой обработки замесов

Основная цель водно-тепловой обработки сырья при получении спирта - подготовка к осахариванию крахмала амилолитическими ферментами солода или микробными препаратами. Осахаривание наиболее полно и быстро происходит тогда, когда крахмал доступен для их действия (не защищён клеточными стенками), оклейстеризован и растворён, что возможно достичь следующими способами: развариванием - тепловой обработкой цельного зерна при повышенном давлении; сверхтонким механическим измельчением сырья на специализированных машинах; механическим измельчением сырья до определенных размеров частиц и последующим развариванием под давлением или без давления (комбинированный способ).

На спиртовых заводах широко распространен один из комбинированных способов - механико-ферментативная обработка сырья. Сущность его заключается в том, что измельченное сырьё (проход 80…90% через сито с отверстиями 1 мм) смешивается с водой и разжижающими ферментами, преимущественно α-амилазой, и нагревается до 60..100˚С для клейстеризации, растворения, частичного ферментативного гидролиза крахмала. Обработку проводят при постепенном или ступенчатом повышении температуры в течение нескольких часов[35]. Такая обработка сырья имеет значительные преимущества (экономическая выгодность, уменьшенные потери сбраживаемых веществ) по сравнению с развариванием целого зерна.

Все более существенное значение приобретает проведение процессов ферментативной обработке в более «мягких условиях» при оптимальной продолжительности и пониженной температуре, способствующих снижению интенсивности химических реакций между основными компонентами среды, приводящих к образованию побочных, в том числе трудновыводимых в процессе брагоректификации вредных веществ.

При механико-ферментативной обработке основное воздействие ферментных препаратов различного типа происходит в две стадии:

на стадии ферментативной обработки, направленной на декстринизацию водно-зерновой суспензии (стадия разжижения) посредством мезофильных и термостабильных α-амилаз, которая осуществляется в последовательно установленных аппаратах различных типа и конструкций;

на стадии осахаривания, с помощью ферментов осахаривающего действия при гидролизе декстринов и олигосахаридов, полученных на первой стадии до сбраживаемых сахаров [19].

При такой комбинированной обработке без разваривания под давлением сырьё хорошо подготавливается для дальнейшего осахаривания глюкоамилазой или солодом. Так как разваривание происходит при температуре ниже 100˚С, то это значительно снижает потери сбраживаемых веществ от перевара, существенно сокращает расход пара и повышает безопасность труда вследствие отсутствия аппаратов, работающих под давлением.

В соответствии с принятым на отечественных спиртовых заводах типовым Регламентом процесс получения осахаренного сусла по механико-ферментативному способу включает следующие стадии:

смешивание измельченного зерна с водой при гидромодуле 1:3-1:4 и внесение ферментного препарата разжижающего действия;

предварительная выдержка замеса при температуре 45…50˚С в течение 20-30 мин;

поднятие температуры до 65…70˚С и выдержка в течение 1,5-2 ч;

увеличение температуры до 90…95˚С, пауза при указанной температуре в течение 1,5..2ч (дополнительная стерилизация массы при 102…105˚С предусматривается только для дефектного сырья).

Затем полученную разваренную массу охлаждают до температуры 56…60˚С, вносят препараты осахаривающего действия и проводят осахаривание в течение 30 минут.

При «мягком» режиме разваривания, который осуществляется при температуре ниже 100°С, процесс теплового растворения, безусловно, не является значимым, и должен быть восполнен любыми другими альтернативными способами деструкции веществ зерна, при этом очень важна степень механического и гидромеханического измельчения сырья, активность смешивания водно-зерновых масс, длительность гидротепловой и ферментативной обработки замеса, достаточность ассортимента ферментных препаратов и условия их оптимального функционирования.

Обработка сырья без использования жестких условий его подготовки (повышенное давление, температура 120 - 140˚С) предъявляют высокие требования к качеству помола: он должен быть мелким и равномерным.

Существует еще один способ водно-тепловой обработки сырья, имеющий принципиальные отличия от других способов как по аппаратурному оформлению, так и по виду и глубине физико-химических изменений, протекающих в обрабатываемом сырье - это экструзионно-гидролитический способ.

Экструзионная обработка крахмалсодержащего сырья - универсальный, экологически безопасный и ресурсосберегающий процесс, позволяющий получать легкоусвояемые стерилизованные продукты с улучшенными вкусовыми свойствами. [36] Однако этот процесс также нашел свое применение и в спиртовой промышленности. На данный момент проводится большое количество исследований в области внедрения в производство экструдера-гидролизатора как самостоятельного аппарата для проведения в одну стадию процессов механической обработки зерна, водно-тепловой обработки и осахаривания замеса.

Этот способ переработки сырья, новый для спиртовой промышленности, а также техническое обеспечение, были предложены ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии. Они полностью исключают известные процессы разваривания крахмалсодержащего замеса при высоких температурах и охлаждение полученной массы до 60⁰С и соответственно заменяют крупногабаритную емкостную аппаратуру на специальную одностадийную установку - экструдер-гидролизатор (патент РФ №2264473 «Способ получения гидролизата из крахмалосодержащего сырья и установка для его осуществления»).[33]

Возможность объединить сложные, многооперационные процессы водно-тепловой обработки, осуществляемые разрозненной существующей технологической аппаратурой, в одностадийный многофункциональный метод получения зерновых гидролизатов различной концентрации базировалась на фундаментальных исследованиях фазового изменения состояния гетерогенного сырья на различных стадиях и видах его переработки с оценкой степени деструкции полисахаридов модифицированного крахмала, кинетики их растворения в присутствии биокатализатора (фермента).

Процесс получения разваренной разжиженной разжиженной массы зернового сырья в экструдере-гидролизаторе осуществляется следующим образом. Измельченное зерно поступает в камеру установки, где под действием вращающихся шнековых рабочих органов при установившемся термомеханическом режиме происходят последовательно процессы доизмельчения сырья, его увлажнение, клейстеризация крахмала с последующей деструкцией биополимеров перерабатываемого материала. На этой стадии в ходе термомеханического воздействия при температуре процесса 180…190⁰С и давлении 3,0-6,0 МПа зерновое сырье претерпевает глубокие качественные изменения. В результате полученный деструктированный крахмалсодержащий продукт наряду с вновь приобретенными свойствами отличается высокой степенью растворимости в воде и ферментативной атакуемости, т.е. крахмал и другие биополимеры полностью подготовлены к ферментативному гидролизу.

В следующую зону камеры экструдера-гидролизатора вместе с расплавом деструктированной крахмалсодержащей массы поступают разжижающий фермент α-амилаза и вода через специальный гидродинамический узел с форсунками в необходимом соотношении к сырью для получения требуемого гидромодуля гидролизата; при стабилизированном температурном режиме (60…70⁰С) происходят растворение, ферментативный гидролиз с образованием разжиженной разваренной массы необходимой концентрации. При этом обеспечивается высокая стерильность полученной разваренной массы, гомогенной консистенции и однородной реологической структуры. Далее крахмалсодержащая масса поступает в сборник-осахариватель, куда одновременно дозируется глюкоамилаза по нормированному режиму. [33]

Таким образом, в одной установке одновременно последовательно протекают термомеханический биохимический процессы переработки зернового сырья в гидролизат с возможностью регулирования содержания растворимых сухих веществ, прежде всего углеводно-белковой составляющей получаемого сусла.

Экструзионная технология - один из самых перспективных и высокоэффективных процессов, совмещающий термо-, гидро- и механическую обработку сырья и позволяющий получать продукты нового поколения с заранее заданными свойствами, управляя исходным составом экструдируемой смеси, механизмом физико-химических, механических, биохимических и микробиологических процессов, протекающих при термопластической экструзии пищевых масс.

При использовании экструзионно-гидролитического метода приготовления сусла в спиртовом производстве обеспечивается:

1)   Высокая технологичность производства, которая заключается в непрерывном одностадийном получении гидролизата зернового сусла в одном аппарате - экструдере-гидролизаторе, без снижения уровня биохимических показателей сбраживаемого сусла;

2)   Полное исключение различных основных процессов водно-тепловой обработки: смешение зерна с водой, разваривание сырья, охлаждение разваренной массы до температуры осахаривания и другие межстадийные процессы;

3)   Гибкое получение стерильного зернового сусла гомогенной консистенции и однородной реологической структуры любой концентрации, в том числе высококонцентрированного - 30% и более, с достаточной текучестью для перекачивания центробежным насосом, без опасности образования высоковязкого клейстера;

4)   Упрощение аппаратурного оформления технологической линии - исключение крупногабаритной емкостной аппаратуры водно-тепловой обработки;

5)   Сокращение производственных площадей и строительных объемов зданий и капитальных затрат для вновь строящихся спиртовых заводов;

6)   Снижение общих энергозатрат: исключаются полностью теплозатраты греющего пара на разваривание зернового сырья, исключается процесс охлаждения разварной массы до 60⁰С, с соответствующим высвобождением охлаждающей воды на этот процесс;

7)   Высокие эксплуатационные и санитарно-гигиенические условия по обслуживанию линии приготовления крупногабаритного емкостного оборудования;

8)   Улучшение экологической обстановки производства, условий его обслуживания и управления.[34]

Качественно проведенная водно-тепловая обработка замеса может стать предпосылкой для сокращения сроков сбраживания сусла и в целом интенсификации всего производства.

Одним из способов интенсификации процессов осахаривания и сбраживания сусла является также повышение концентрации сухих веществ в сусле. Если повысить содержание сухих веществ в сусле на 1,5-2 %, то тем самым можно увеличить производительность бродильного отделения на 10-15 % без дополнительных капитальных затрат. Уменьшение гидромодуля замеса эффективно для спиртового производства, так как позволяет сократить расход электроэнергии, поскольку на нагрев 1 кг зерна необходимо лишь третья часть энергии, требуемой на нагрев 1 кг воды [34].

Однако известно, что замесы из помолов зерна с концентрацией сухих веществ выше 18% при нагревании имеют повышенную вязкость и их трудно перекачивать. Если вязкость замесов не превышает 3,0 Па·с, то замесы достаточно текучи и их транспортировка по коммуникациям не вызывает затруднений. [25]

В спиртовом производстве вязкость замесов играет первостепенную роль в процессе водно-тепловой обработки замесов, поскольку подвижность замеса определяет возможность использования вторичного пара при подваривании замеса, величину расхода электроэнергии на перемешивание и транспортировку замеса. Также снижение вязкости дает множество других положительных эффектов, таких как улучшение условий для протекания ферментативных реакций гидролиза при водно-тепловой обработке замеса и его осахаривании, а также сокращение длительности брожения в результате положительного влияния менее вязкой среды на физиологию дрожжей.

Чем меньше крупка, тем быстрее вода достигает крахмальных гранул, и, следовательно, набухание, клейстеризация крахмала и связанное с ней повышение вязкости происходит быстрее и при более низкой температуре. При механико-ферментативной обработке, т.е. при нагреве измельченного сырья с одновременной обработкой α-амилазой, процесс еще больше ускоряется и, кроме того, параллельно идет интенсивный гидролиз крахмала до декстринов и сахаров, что способствует еще лучшей подготовке сырья к дальнейшему осахариванию и сбраживанию.

Максимум вязкости соответствует температуре клейстеризации, которая зависит от гидромодуля замеса. Чем меньше гидромодуль, тем выше концентрация крахмала в замесе, тем плотнее структура крахмальной сетки при клейстеризации. Однако применение ферментных препаратов позволяет сдвинуть пик максимальной вязкости в сторону уменьшения температур.[21]

За счёт тонкого помола зерна при невысокой температуре обработки создаются благоприятные условия для активного действия как собственных, так и вносимых ферментов. Таким образом, при использовании технологии высококонцентрированного сусла важно получить тонкий и равномерный помол для повышения эффективности применения ферментных препаратов.

Таким образом, очевидно, что механическая обработка сырья (диспергирование) является обязательным условием для эффективного применения экономичных и малоэнергоемких способов водно-тепловой обработки. Все они требуют определенной степени измельчения зерна. При этом желательной является также и равномерность помола, т.к. в случае его высокой гетерогенности повышаются потери сбраживаемых углеводов. Во многом именно степень измельчения определяет используемый способ водно-тепловой обработки. При низкотемпературной схеме обработки зернового сырья помол должен быть мелкодисперсным для обеспечения достаточной полноты растворения крахмала. Также растворение крахмала происходит лучше в случае, если он уже прошел стадию клейстеризации до стадии водно-тепловой обработки. Такие процессы происходят в процессе экструзии сырья. Таким образом, при использовании экструзионно-гидролитического метода водно-тепловой обработки замесов создаются предпосылки к получению сусла с меньшим содержанием нерастворенного крахмала.

1.2 Анализ способов диспергирования сырья

Для разрушения оболочки зерна необходимо приложить немалые усилия. Величина разрушающих усилий зависит от культуры зерна, его состава, влажности, направления приложения усилий (по длине и ширине зерна) и колеблется от 9,4 до 31 МПа. В связи с неоднородностью строения зерна прочность отдельных слоев зерна различна.

Наиболее прочной является оболочка, так как она в основном состоит из клетчатки (целлюлозы), а также минеральных соединений, в том числе и солей кремневой кислоты.

Соотношение анатомических частей зерна пшеницы: плодовая и семенная оболочки составляют 5,5…7,5%; алейроновый слой 7,5…10%; зародыш 1,5…3%; эндосперм 81…83%.[36]

Эндосперм имеет мелкозернистое строение и состоит главным образом из крупных тонкодисперсных клеток с крахмальными зернами (гранулами), промежутки которых заполнены белком клейковины (комплекс белков глиадина и глютенина). Внутренний слой эндосперма богаче крахмалом и беднее белком. Содержание крахмала и клейковины различно не только в отдельных слоях эндосперма, но и в отдельных зернах. Эндосперм имеет тонкое и хрупкое строение. Он имеет наименьшую прочность из всех составных частей зерна. Консистенция эндосперма влияет на измельчение зерна. При измельчении пшеницы с мучнистым эндоспермом промежуточный белок отделяется значительно легче, освобождая крахмальные гранулы с прикрепленным к нему белком. Если же измельчается пшеница со стекловидным эндоспермом, то промежуточный белок разрушается вместе с прочно вкрапленными в него зернами крахмала. Разрушающие усилия при сжатии пшеницы с мучнистым эндоспермом значительно ниже, чем пшеницы со стекловидным эндоспермом. Наибольшее сопротивление эндосперм оказывает усилиям сжатия 1,7…3,2 МПа, сопротивление скалыванию 0,3..0,9 МПа.

Зародыш зерна в смысле прочности ведет себя иначе, чем оболочки и эндосперм. Вследствие значительного содержания жира (до 12-14% к его массе) в зародыше преобладает механическое свойство пластичности, ухудшающее условия разрушения, что проявляется при помоле или дроблении зерна. На механических машинах, работающих по принципу сдавливающих усилий, зародыш, как и алейроновый слой не дробится, а сплющивается.

Эндосперм окружен алейроновым слоем, состоящим из мельчайших клеток, которые содержат белковые и минеральные вещества и жир. Внутренняя поверхность каждой клетки этого слоя выслана плотной оболочкой. Алейроновый слой характеризуется значительными эластичностью и сопротивляемостью как механическим, так и химическим воздействиям. [35] Клетки алейронового слоя в процессе помола не разрушаются. Алейроновый слой, состоящий преимущественно из белков, характеризуется значительными эластичностью и сопротивляемостью как механическим, так и химическим воздействиям.

Составные элементы зерна обладают высокой механической прочностью. Но прочность зерна как комплексной конструкции зависит не только от количества и прочности отдельных частей, но и их взаиморасположения, структурно-механических свойств и взаимодействия. Если массу сухого вещества зерна пшеницы принять за 100%, то на долю эндосперма приходится приблизительно 80%, оболочки с алейроновым слоем 17,5%, и зародыша со щитком 2,5%. Крахмальные зерна и белковые вещества находятся в определенных морфологических взаимоотношениях. Около половины всех белковых веществ составляют основу - подложку, в которую включены крупные и мелкие крахмальные зерна. Крахмал - вещество кристаллической структуры, аналогичное клетчатке, которая в значительном количестве содержится в оболочке зерна. Белковые вещества имеют аморфную структуру.

Механические свойства зерна в значительной степени зависят от содержания в нем влаги. Сухое зерно ведет себя как хрупкое тело, влажное - как пластическое. Изменение механических свойств зерна в зависимости от влагосодержания связано с изменением коллоидных свойств содержащихся в нем крахмала и белков.

Целлюлоза и гемицеллюлоза - главные составные части клеточных стенок: ими богаты оболочки и беден эндосперм. В межклеточных пространствах откладывается склеивающее вещество - пектин. В одревесневевших клеточных стенках роль цементирующего вещества играет лигнин, который скрепляет полисахаридные структуры и заполняет пустоты между фибриллами (тончайшими волокнами) целлюлоз и гемицеллюлоз. Клеточные оболочки, инкрустированные лигнином, обладают большей устойчивостью, т.к. в дополнение к прочности на растяжение, которую придают им целлюлозные микрофибриллы, они приобретают еще значительную прочность на сжатие.

При действии нагретого воздуха давлением 0,12-0,18 МПа на зерновую массу, находящуюся в герметически закрытой камере, в зерне возникают высокие напряжения. При соединении полости этой камеры с наружным воздухом происходит перепад давления, который вызывает резкое изменение структуры зерна, и растительные клетки разрываются. Крахмальные зерна, заключенные в клетках эндосперма, под давлением сильно набухают. Линейное расширение зерен при этом достигает 2 - 2,5, а объем их увеличивается в 8 - 10 раз, т.е. зерна сильно вспучиваются [21].

Однако такая обработка целого зерна является очень энергоемкой и экономически невыгодной по сравнению с механико-ферментативной схемой водно-тепловой обработки, при которой крахмал извлекается из зерна путем измельчения последнего.

На спиртовых заводах зерно измельчают чаще всего с помощью молотковых дробилок различных конструкций или вальцовых станков. Степень измельчения зерна с помощью этих машин характеризуется проходом через сито с диаметром отверстий 1 мм 60-80%. Такой помол неоднороден по размерам частиц, поэтому мелкая часть его подвергается излишней тепловой обработке, образуется значительное количество продуктов оксиметилфурфурольной и меланоидиновой реакций, а крахмал крупных частиц не полностью переходит в растворимое состояние и вследствие этого имеются значительные потери сбраживаемых веществ.

На некоторых заводах для получения более высокодисперсных и равномерных помолов зерно измельчают в две стадии [20]. Первую стадию проводят на молотковой дробилке. Полученный помол пневматическим транспортом или системой механических транспортеров направляют на сита для разделения его на две фракции с различной крупностью частиц - более и менее 1 мм. Крупную фракцию помола (вторая стадия) подают для повторного измельчения на вальцовые станки.

Двухстадийный способ измельчения зерна позволяет получать более тонкий и равномерный помол. Однако использование двухстадийного способа усложняет технологическую схему, требует дополнительного оборудования и производственных площадей, увеличивает расход электроэнергии на измельчение зерна и транспортирование помола.

В связи с многообразием требований к измельчающим машинам и аппаратам создано значительное количество их конструкций, отличающихся принципом действия и устройством.

Для диспергирования материалов применяют следующие типы мельниц: шаровые; вибрационные; шаровые электромагнитные; реактивные; дезинтеграторы и дисмембраторы; ролико-маятниковые; струйные; ультразвуковые: биссерные; аппараты с вихревым слоем ферромагнитных частиц и др. Экструзионная обработка зерна имеет принципиальные отличия от остальных методов диспергирования.

Шаровые мельницы просты по конструкции, надежны в эксплуатации, но громоздки и энергоемки. Продолжительность тонкого измельчения материалов в них составляет несколько часов (иногда и десятки).

Вибрационные мельницы значительно эффективнее по скорости измельчения шаровых, но также очень энергоемки. Установлено, что полученные высокодисперсные помолы зерна можно развивать при температуре 100 °С.

Шаровые электромагнитные мельницы двойного действия и реактивные более эффективны в работе, чем другие гравитационные и вибрационные мельницы: меньшие габаритные размеры и удельные затраты энергии, небольшая продолжительность пребывания измельчаемого материала в измельчительной камере.

Дезинтеграторы и дисмембраторы относятся к мельницам ударного действия. Исследования по использованию их для измельчения зерна показали, что можно получать помолы, степень измельчения которых характеризуется 100 %-ным проходом через сито с диаметром отверстий 1 мм. Одной из важных особенностей работы дезинтеграторов является то, что обрабатываемый в них материал подвергается механической активации. Активация веществ посредством большой механической энергии является новым прогрессивным видом совершенствования технологических процессов в различных отраслях промышленности. Дезинтеграторы могут иметь достаточно высокую производительность - 5, 10, 30 или 60 т/ч.

Ролико-маятниковая мельница с сепаратором применяется, в основном, для измельчения буровых материалов, кокса, известняка и удобрений, а также зернового сырья. Измельчение материала в этой мельнице происходит путем раздавливания его роликами в процессе качения их по специальному кольцу. Под действием центробежной силы ролики оказывают на поверхность размольного кольца, а следовательно, и на размалываемый материал давление 130-190 МПа. С помощью сепаратора, помещенного над мельницей, можно регулировать дисперсность помола.

Струйные мельницы просты по устройству. Измельчение материала в них осуществляется при столкновении встречных потоков частиц материала или при их ударе об отбойную плиту. Кинетическая энергия частицам передается потоком воздуха или пара. При измельчении зерна можно использовать только сухой сжатый воздух, при его высокой влажности потребуются специальные устройства для удаления влаги.

Ультразвуковые мельницы применяют для получения высокодисперсных суспензий. Созданы они на основе цилиндрических магнито-стрикционных или пьезокерамических излучателей различных диаметров (от 76 до 250 мм). Обрабатываемые суспензии непрерывно проходят в аппарате через ультразвуковое поле высокой интенсивности. Работают они при заданных регулируемых давлениях и температурах на разных частотах: 4,8; 8; 16-18 кГц.

Биссерные мельницы применяют для получения высокодисперсных суспензий. Частицы суспензии измельчаются в них под действием истирающих и ударных воздействий мелющих тел.

Перспективными являются аппараты, в которых на обрабатываемую суспензию воздействует вихревой слой ферромагнитных частиц, который создается воздействием на них вращающегося электромагнитного поля. При этом исключается проскок необработанного материала при непрерывном его прохождении через аппарат.[20]

Экструзионный метод диспергирования заключается в продавливании расплава материала через отверстие в экструдере.

Основные физико-химические процессы, протекающие при экструзии: увлажнение и пластификация сырья, получение расплава биополимеров, денатурация белков и клейстеризация крахмала, структурирование расплава под действием сил сдвига и растяжения, его охлаждение и формование. Самое важное - получение расплава биополимеров, т.е. переход биополимеров в условиях экструзии в вязкотекучее состояние.

Экструзия отличается непрерывностью технологического процесса, низким удельным расходом энергии, небольшими капитальными затратами, малыми производственными мощностями, компактностью, универсальностью, высокой степенью механизации и автоматизации.[36]

Таким образом, экструзионный метод диспергирования сырья является новым перспективным методом, и особый интерес представляет выяснить, насколько глубокие изменения в физико-химических свойствах сырья протекают при обработке в экструдере-гидролизаторе.

При измельчениизернового сырья любым из рассмотренных методов происходит не только разрушение целостности структуры зерна и его клеток, но также и механохимическая деструкция высокополимерных соединений в его составе.

1.3 Механохимическая деструкция сырья

Механохимические превращения в полимерах являются сложным многостадийным процессом, который начинается с механического деформирования макромолекул под действием приложенных напряжений и приводит к существенному изменению их реакционной способности в процессах присоединения, замещения, деструкции и др.

Как известно, основным условием протекания любой химической реакции является уменьшение свободной энергии в ходе реакции. Очень часто термодинамически разрешенные реакции не происходят из-за значительных кинетических затруднений. Применяют различные методы активации реагентов (нагревание, облучение, применение катализаторов, в том числе и биологических - ферментов и др.). Одним из возможных и весьма интересных методов активации реакций является диспергирование - воздействие механической энергии.

Часть химических процессов, возникающих при механических воздействиях, имеет в качестве посредников и возбудителей быстрые электроны. Именно они могут легко возбуждать химические процессы, порождать активные радикалы, вызывая в одних случаях деструкцию, в других, наоборот,- полимеризацию.

В условиях механодеструкции путем измельчения гетероцепных полимеров, сложных по характеру нагружения и температурному состоянию, возможны два пути разрыва макромолекул: свободнорадикальный распад и гетеролитические реакции разрыва макромолекул влагой (гидролиз) или низкомолекулярными примесями.

При механодеструкции полимеров возбуждаются в первую очередь скелетные, главновалентные связи макромолекул, а тепловая энергия возбуждает все связи.

По мере развития деформации возрастает потенциальная энергия на всем деформируемом участке и достигает такой максимальной величины, которая соизмерима с энергией диссоциации химической связи.[20]

Образование новой поверхности при диспергировании связано с созданием на поверхности и во всем объеме частичек диспергированного вещества дефектов. Для тонкого диспергирования характерно создание большого количества дефектов, в результате чего существенно нарушается кристаллическая решетка твердого тела. Это вызывает изменение физических свойств и химической активности вещества.

В зависимости от сочетания различных факторов МХД в диспергируемом веществе создаются различные типы дефектов в различном их сочетании. Поэтому изменения свойств веществ, происходящие в результате диспергирования, весьма разнообразны.

Свойства полимеров изменяются в зависимости от условий проведения процесса МХД: температуры, интенсивности подвода механической энергии (амплитуды и массы мелющих тел, их скорости и др.), степени заполнения аппарата и т.д. В результате МХД высокополимеров изменяются их механические свойства, снижается молекулярная масса, изменяется растворимость, ускоряются химические реакции с участием этих веществ и их составляющих, увеличивается биологическая активность и др.

МХД подвергаются крахмал, клетчатка, белки и другие высокомолекулярные соединения зерна.

При МХД зерна происходит механокрекинг крахмала по связям α-1,4 и α-1,6, и в сбраживаемые сахара его превращается от 30 до 50 % в зависимости от типа мельниц и продолжительности обработки зерна.

В высокоднеперсном помоле пшеницы, полученном на реактивной мельнице, суммарное содержание крахмала и сахаров на 1,3 % больше, чем содержание их в грубом помоле. Это объясняется тем, что МХД подвергаются и некрахмалистые полисахариды, например, клетчатка расщепляется на 58%. Крахмал превращается в растворимые сахара на 49%, из которых почти половина- спирторастворимые.

В процессе МХД происходит расщепление пентозанов до пентоз. Содержание пентоз в высокодисперсных помолах зерна достигает 6,5-7%, в то время как в зерне они в свободном состоянии не содержатся.

Подвергаются МХД целлюлоза и гемицеллюлоза зерна. Например, в высокодисперсном помоле пшеницы, полученном на шаровой мельнице двойного действия, целлюлозы содержится в пять раз меньше, чем в исходном зерне. В результате МХД целлюлозы образуется дополнительное количество сбраживаемых сахаров - от 1 до 3 % к СВ в зависимости от вида зерна и типа мельницы. [20]

В результате таких физико-химических превращений создаются предпосылки к изменению углеводного состава получаемого сусла в зависимости от степени дисперсности помола и от применяемого метода измельчения.

При диспергировании зерна деструкции подвергаются и белковые вещества, которые в результате МХД превращаются в аминокислоты. Количество аминного азота в высокодисперсных помолах зерна увеличивается примерно на 40%. Аминный азот используется дрожжами при сбраживании сусла в качестве азотсодержащего питания, а остаток аминокислот - в качестве углеродсодержащего питания. Все это благоприятно сказывается на жизнедеятельности дрожжей и па выходе спирта.

Метод диспергирования зернового сырья путем экструзии имеет свои особенности, связанные с физико-химическими превращениями в процессе механохимической деструкции. В результате экструзии происходят не только существенные изменения и текстурирование на клеточном уровне, но и сложные, микробиологические (стерилизация), физические процессы и явления. [36]

Основными компонентами зернового сырья являются крахмал и белки. Изменение совокупности их свойств лежит в основе процесса экструзии.

Продукты, полученные путем термопластической экструзии, характеризуются высокой пищевой ценностью, т.к. в процессе экструзии инактивируются антипитательные вещества, уничтожаются микроорганизмы, в то время как реакции уменьшения активности витаминов минимизируются. Это достигается высокотемпературной обработкой (100...200°С) увлажненного экструдируемого сырья при достаточно малом времени (30...60 секунд) его пребывания в экструдере. Именно вследствие этого процесс термопластической экструзии получил название высокотемпературной кратковременной обработки. Учитывая, что в технологии получения экструдированных продуктов происходит варка сырья, этот процесс именуют также варочной экструзией.

В процессе экструзионной обработки крахмалосодержащего сырья наибольшие изменения происходят с его углеводным комплексом, идет интенсивная декстринизация и желатинизация крахмала с образованием крахмального геля, декстринов и сахаров. [34]

Крахмал - высокомолекулярный полисахарид, состоящий из двух различающихся структурой, молекулярной массой, физико-химическими свойствами компонентов: амилозы и амилопектина.

Крахмал составляет примерно 75% от сухих веществ зерна, и в процессе термопластической экструзии при воздействии влаги, температуры, механических напряжений подвергается сложным превращениям, что приводит к изменению его физико-химических свойств. [36]

Наиболее важным в структуре окончательного продукта является то, что крахмал теряет свою естественную кристалличность, подвергается молекулярной деградации и часто связывается липидами обрабатываемой смеси. На трансформацию крахмала экструзией значительно влияют следующие факторы: сдвиг, температура и влажность подаваемого состава. Полная желатинизация крахмала достигается при температуре более 120°С и влажности 10-20 %.

Освобожденные частично или полностью амилоза и амилопектин имеют совершенно разные характеристики при экструзии. Амилоза имеет меньшую, чем амилопектин, линейную структуру и подвержена механическому разрушению, находясь в потоке внутри экструдера. При 220°С значительно возрастает продольное расширение и резко снижается плотность. Расширенный, богатый амилозой крахмал имеет белый цвет, его текстура тонкая и равномерная.

Амилопектин расширяется, начиная с более низкой температуры (170°С для продукта), однако это расширение быстро снижается с увеличением температуры. Амилопектин не может сам выстраиваться вдоль потока в шнеке и в фильере из-за величины молекулы, в результате чего при низкой влажности получается большее механическое повреждение и уменьшаются размеры молекулы. Эти поврежденные крахмалы характеризуются как менее когезионные, чем желатинизированный неповрежденный крахмал. Следовательно, они меньше экспандируются в основном в продольном направлении, образуя продукты с более мягкими структурами, большей растворимостью. Экструдаты высокой влажности отличаются большими размерами пор и утолщенными стенками ячеек. Измерение молекулярной массы и вязкости показали, что амилоза и амилопектин частично гидролизуются до мальтодекстринов в результате сильного сдвига при экструзии.

Составляющие крахмала в зерновой муке могут легче гидролизоваться, чем в очищенных крахмалах, потому что эндогенные амилозы активны во время первых этапов экструзии. Из-за желатинизации крахмала и частичного его гидролиза экструзия используется для приготовления муки, крахмалов с различными функциональными и реологическими свойствами (пониженная вязкость, повышенная растворимость и др.). Установлено, что ферментативная атакуемость крахмалов под влиянием экструзионной обработки повышается. Это связано с инактивацией эндогенного α-амилазного ингибитора, уменьшением размера зерен и увеличением поверхности крахмала, частичным отделением от отрубей и белка. [36]

Белки. При экструзионной обработке зернового сырья на белки одновременно действует целый комплекс факторов, вызывающих денатурацию: нагревание, механические напряжения сдвига, сжатия, а также различные химические денатурирующие реагенты. Денатурация представляет собой внутримолекулярное явление, характеризующееся, скорее всего, физической перегруппировкой внутренних связей. Происходит нарушение упорядоченности внутреннего строения молекулы, количественно характеризуемое изменением физико-химических свойств белков (растворимости, вязкости растворов, устойчивости к действию ферментов и др.). Считается, что денатурация связана с нарушением вторичной, третичной, четвертичной структур нативного белка с сохранением его первичной структуры.

Белки являются компонентами, чувствительными к теплу и сдвигу, они могут вступить в реакцию с различными составляющими продукта. Влажная температурная обработка и механическое воздействие вызывают структурное разворачивание белка с разрывами ионных, дисульфидных и водородных связей естественной третичной структуры. Экструзионная обработка зерна приводит к увеличению количества пептидов и свободных аминокислот. Следствие этого процесса - повышение перевариваемости белка и частичное или полное разрушение антипитательных факторов, таких как ингибиторы трипсина.

При денатурации белок из гидрофильного состояния переходит в гидрофобное. Наблюдается изменение оптической активности белков, увеличение реактивности химических групп, ранее экранированных внутри глобулы. Глобулярные белки зернового сырья, устойчивые к действию протеолитических ферментов, после денатурации легче образуют фермент-субстратный комплекс.

Одновременно со структурным разворачиванием белков происходит и их агрегация. Это подтверждается снижением растворимости белков, электрофоретическими исследованиями, текстуризацией белковой молекулы.

Температура экструзии также влияет на белковые компоненты экструдатов. Ее повышение приводит к увеличению водосвязывающей способности, к снижению жиропоглотительной способности, доли растворимых азотсодержащих веществ и белков, растворимых в воде и солевом растворе.

В связи с тем, что сырьевые материалы подвергаются высокотемпературной обработке, а также то, что белковые вещества используются для изготовления продуктов, сбалансированных по основным пищевым компонентам, особое внимание уделяется исследованию пищевой ценности экструдатов. Практически во всех работах, посвященных этому вопросу, отмечается повышение пищевой ценности после экструзии. Это связано главным образом с повышением перевариваемости белка в результате тепловой денатурации белков и инактивации ингибитора трипсина. [36]

Липиды. Экструдируемое сырье должно содержать небольшое количество жиров, не более 5 %. Наличие жиров вызывает падение давления внутри экструдера, что может привести к полному прекращению экспандирования (расширения струи выходящего из фильеры продукта). В то же время при этом инактивируются липазы, оказывающие отрицательное влияние на продукты в процессе хранения. [37]

Большинство экструдированных зерновых продуктов содержит менее 6-7 % липидов. Небольшие уровни липидов (менее 5%) обеспечивают ровную экструзию и улучшают структуру.

Исследование влияния липидов на свойства экструдированных продуктов показало, что усилие среза увеличивалось при снижении содержания липидов с 3,9 до 1,8% , но снова возрастало при концентрации последних 0,2%. Водоудерживающая способность и коэффициент расширения возрастали при снижении содержания липидов. Концентрация их не влияла на насыпную плотность готового продукта. Инактивация экструзией липазы и липоксигеназы помогает предупреждать окисление во время хранения, хотя пористость экспандированных продуктов способствует окислительной порче. [35]

Вследствие того, что в процессе экструзии происходит увеличение поверхности крахмала и частичное отделение его от отрубей и белка можно говорить о том, что использование экструдированной пшеницы в сочетании с ферментными препаратами создает предпосылки для:

. Получения сусла с более высокими качественными показателями (т.е. с большим количеством сбраживаемых веществ и α-аминного азота);

. Снижения вязкости замесов и возможности их приготовления с более низким гидромодулем;

. снижения температуры водно-тепловой обработки замесов.

1.4 Ферментные препараты, применяемые в процессе водно-тепловой обработки замесов

В настоящее время ферментные препараты стали мощным средством трансформации практически любых продуктов. Их применение позволяет значительно повысить глубину переработки пищевого сырья за счёт частичной модификации, приводящей к модификации периферийных частей зерна [36].

Ферменты представляют собой специфические катализаторы белковой природы. Как и неорганические катализаторы, они изменяют (обычно увеличивают) скорость только таких химических реакций, самопроизвольное протекание которых термодинамически возможно, т.е. реакций с уменьшением свободной энергии. Влияя на скорость, ферменты не «расходуются» - не входят в состав конечных продуктов реакции.

Продуцентами ферментов могут быть бактерии, грибы, дрожжи и актиномицеты. Для промышленного получения ферментных препаратов используют как природные штаммы микроорганизмов, выделенные из естественных сред, так и мутантные, отселекционированные в результате воздействия на природные штаммы физических и химических мутагенов.[35]

В спиртовом производстве используются следующие группы ферментов:

ферменты амилолитического действия (гидролиз крахмала: это альфа-амилаза, глюкозидаза (гидролиз до моносахаридов) и пуллуланаза, гидролизующая α-1,6-связи в декстринах).

ферменты целлюлолитического действия (гидролиз некрахмалистых полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок и оболочек зерна - это целлюлазы, гемицеллюлазы, бета-глюканазы, ксиланазы и пр.)

ферменты протеолитического действия (гидролиз пептидных связей белка)

Все эти ферменты относятся к классу гидролаз. Для их действия необходима вода.

Амилолитические ферменты содержатся во многих высших растениях, но наиболее богато ими пророщенное в определённых условиях зерно растений семейства мятликовых (злаков), называемое солодом. Способность солода осахаривать крахмал известна с древнейших времён. Также давно известно свойство микроскопических грибов осахаривать крахмал. Главным критерием оценки любого амилолитического препарата, рекомендуемого для применения в технологии спиртового производства, служит способность комплекса быстро и полно гидролизовать крахмал до сбраживаемых углеводов. Важная роль в этом процессе отводится таким амилолитическим ферментам, как α-амилаза и глюкоамилаза.

Роль α-амилазы в спиртовом производстве заключается в быстром разжижении крахмала на стадии водно-тепловой обработки сырья, а также на первой стадии осахаривания, декстринизации и накопления сахаров, что делает сусло более подвижным и подготовленным к действию других ферментов, в частности глюкоамилазы.

Фермент глюкоамилаза, входящая в состав ферментных препаратов различного происхождения, обладая общими свойствами, отличается при этом некоторыми индивидуальными особенностями. Важное свойство глюкоамилаз - их способность гидролизовать α-1,4-; α-1,6-и даже α-1,3- связи с отщеплением глюкозы, что ставит этот фермент на первое место по эффективности гидролиза крахмала с целью дальнейшего сбраживания образовавшихся сахаров. В связи с этим применение культур микроорганизмов, продуцирующих активную глюкоамилазу для замены солода в спиртовом производстве, имеет большое практическое значение [37].

В состав сухих веществ зерна злаковых культур, применяемых при получении спирта, наряду с крахмалом входят полисахариды другой природы - это β-глюканы, целлюлоза, гемицеллюлоза и другие, которые получили название некрахмалистые полисахариды.

Целлюлоза зерна представляет собой сложный полимер глюкозы, что делает основание рассматривать ее как важный источник получения дополнительного количества углеводов, сбраживаемых спиртовыми дрожжами. В основе строения гемицеллюлоз лежат линейные цепи из глюкозы, к которым примыкают боковые цепочки β-глюкана, ксилозы и арабинозы. От растворимых гумми-веществ гемицеллюлоза отличается нерастворимостью в воде и величиной молекулы.

Ферментные препараты, содержащие целлюлазы (эндоглюканазы, целлобиогидролазы, β-глюкозидазы), β-глюканазы и ксиланазы, необходимы для гидролиза некрахмалистых полисахаридов, таких как целлюлоза, что позволит получить дополнительный источник сбраживаемых углеводов, а воздействуя на растворимую фракцию гемицеллюлоз - снизить вязкость замесов. Ферменты, гидролизующие некрахмалистые полисахариды, играют значительную роль в производстве спирта из крахмалсодержащего сырья, так как они способны интенсифицировать процесс его расщепления. Они осуществляют гидролиз клеточных стенок и оболочек сырья, что улучшает доступ амилолитических ферментов к крахмалу и повышает степень его использования. В целом такие ферменты относятся к классу карбогидраз.

Для повышения содержания аминного азота в сусле на стадии осахаривания вносят нейтральную протеазу. Обогащение сусла легко ассимилируемыми компонентами азотистого питания позволяет дрожжам размножаться интенсивнее. При этом повышается не только плотность дрожжевой популяции, но и бродильная активность. Это связано с обогащением сусла легко ассимилируемыми компонентами азотистого питания, которые используются дрожжевыми клетками непосредственно для построения биомассы. Прямая ассимиляция аминокислот не только обеспечивает интенсификацию синтеза белка, но и активирует содержащиеся в дрожжевой клетке ферменты, что обусловливает интенсификацию развития и размножения дрожжей.

Культуры микроскопических грибов или ферментные препараты применяют в спиртовой и других отраслях промышленности большинства зарубежных стран [21].

Ферментные препараты, применяемые в спиртовой промышленности, представляют собой либо нативные неочищенные глубинные или высушенные поверхностные культуры микроорганизмов, либо неочищенные концентрированные препараты. Возможность использования неочищенных препаратов объясняется тем, что в конечный продукт - спирт - не попадают взвешенные высокомолекулярные и нелетучие примеси, присутствующие в культурах микроорганизмов. Все составные части практически остаются в барде[37].

Культуры микроскопических грибов имеют ряд преимуществ по сравнению с солодом. Их выращивают на пшеничных отрубях или в составе питательной среды используют обычную кукурузную муку, в то время как для приготовления солода расходуется 14-20% кондиционного (96% прорастаемости) зерна в расчёте на массу крахмала сырья. При солодоращении теряется 16-18% крахмала, часть крахмала солода в процессе производства целевого продукта остаётся неосахаренной и, следовательно, не сбраживается. Кроме того с солодом вносят посторонние микроорганизмы, вследствие чего в большей мере протекают и другие виды брожения, отрицательно отражающиеся на выходе спирта [21].

Ферментные препараты, которые применяют в спиртовом производстве в неочищенном виде, часто бывают комплексными, т.е. содержат более одного фермента. Применение такого препарата для осуществления специфического процесса, катализируемого одним ферментом, неизбежно сопровождается действием других сопутствующих ферментов. Комплексность неочищенных ферментных препаратов объясняется тем, что микроорганизмы-продуценты часто синтезируют не один, а несколько ферментов.

Широкий интерес представляют термостабильные ферментные препараты, т.к. они способны вести гидролиз сырья при высоких температурах (90-105°С). При этом совмещаются 2 процесса - клейстеризация крахмала и его гидролиз. Значительно снижается стоимость процесса за счёт сокращения дозировки фермента и продолжительности процесса гидролиза крахмала. Обеспечивается высокая степень расщепления крахмала, и как следствие этого увеличение выхода целевого продукта[34].

Таким образом, с помощью ферментных препаратов можно влиять на все технологические параметры водно-тепловой обработки замесов: снижать температуру и продолжительность обработки, а также понижать гидромодуль замесов.

2. Материалы, объекты и методы исследования

.1 Материалы исследования

Материалами проведенного исследования являлись ферментные препараты и дрожжи.

В ходе экспериментов применялись ферментные препараты, производимые фирмой ERBSLOEH. Характеристики применяемых ферментных препаратов приведены в табл. 1.

Таблица 1 Характеристика ферментных препаратов

Дрожжи сухие спиртовые «Фермиол» производства «DSM Food Specialties Beverage Ingredients» (Германия).

2.2 Объекты исследования

Объектами данного исследования являлась пшеница различной степени диспергирования:

помол пшеницы, полученный методом механического истирания на лабораторной мельнице - размер частиц 0,8 - 1,0 мм, проход через сито диаметром 1мм 50% - крупный помол;

помол пшеницы, полученный на лабораторном дезинтеграторе DESI-11 (ГУП ЦНИИКМ «Прометей» - Государственное унитарное предприятие центральный научно-исследовательский институт композиционных материалов)- размер частиц 0,1 - 5,0 мкм, проход через сито диаметром 1 мм - 100% - мелкий помол;

пшеница, обработанная на экструдере-гидролизаторе (ГНУ ВНИИПБТ - Всероссийский научно-исследовательский институт исследования пищевых биотехнологий).

Физико-химические показатели помолов пшеницы представлены в табл.2.

Таблица 2 Физико-химические показатели объектов исследования

2.3 Методы исследования

·   Определение массовой доли влаги в зерне проводилось на приборе Чижовой [26]

·   Определение крахмалистости зерна проводилось согласно ГОСТ Р 52 934 -2008 «Зерновое крахмалсодержащее сырьё для производства этилового спирта. Методы определения массовой доли сбраживаемых углеводов» поляриметрическим методом на поляриметре СУ-3.

·   Определение массовой доли сухих веществ в гидролизатах зерновых помолов, осахаренном и бродящем зерновом сусле осуществлялось рефрактометрическим методом на рефрактометре ИРФ-454Б2М. При этом учитывались поправки покзаний рефрактометра на температуру.[26]

·   Определение содержания α-аминного азота - медным способом [26].

·   Определение растворимых сбраживаемых углеводов (РВ) и суммарного содержания сбраживаемых углеводов (ОРВ) осуществлялось колориметрическим антроновым методом и проводилось на фотоэлектроколориметре КФК-3[19].

·   Определение доли нерастворённого крахмала [26].

·   Определение углеводного состава осахаренного сусла - методом Зихерда - Блейера в модификации Смирнова

·   Подсчёт клеток дрожжей в камере Горяева [19]

·   Вязкость замесов определялась на вискозиметре VISCO Basci Plus R

·   Размер частиц помола зерна пшеницы определяли на лазерном экспресс-анализаторе распределения размеров частиц LA-950 (производитель - фирма HORIBA).

Определение углеводного состава осахаренного сусла методом Зихерда - Блейера в модификации Смирнова

Реактивы

. 0,1Н КМп0₄(фиксанал).

. Раствор Фелинга I: 69,28 г CuS0₄ · 5Н₂0 поместить в колбу вместимостью 1 дм3 и довести до метки дистиллированной водой.

. Раствор Фелинга II для определения концентрации мальтозы и декстринов: 200 г KNaC₄H₄O₆·4H₂O (KNa-виннокислый) и 150 г щелочи (NaOH) растворить в 1дм дистиллированной воды.

. Железоаммонийные квасцы (ЖАК): 120 г ЖАК + 100 см³ H2SO4 (конц.) перенести в колбу вместимостью 1 дм и довести до метки дистиллированной водой.

. НСl, 20%-ная или 25%-ная.

. NaOH, 10%-ный раствор.

Определение концентрации глюкозы в среде

Ход определения

см³ исходного раствора помещают в мерную колбу вместимостью 100 см , доводят объем до метки дистиллированной водой и перемешивают. Полученный раствор центрифугируют -10 мин. при 2000 об/мин. Для исследования берут надосадочную жидкость.

В колбу вместимостью 250 см³ поместить:

см³ раствора Фелинга I, 20 см³ раствора Фелинга II,

см³ исследуемого раствора (надосадочной жидкости), 10 см³ дистиллированной воды.

Колбу поместить в кипящую баню на 20 мин. Затем содержимое колбы профильтровать в горячем виде через асбест под разряжением в трубке (чтобы медь осталась на поверхности асбеста, над осадком должна выть вода). Асбест перенести на другую колбу, медь растворить с помощью ЖАК (10 см³). Затем раствор оттитровать раствором КМn0₄ до появления слабо-розовой окраски.

Количество глюкозы рассчитывается по формуле (I):

lg (g - 4,5) = 0,75859 + 0,058379 n,

где g - количество глюкозы в растворе, взятом для анализа, мг;

n - объем раствора КМп0₄, пошедшего на титрование, см³.

Учитывая разведения, (g·10³·100)/2 = Q,

где Q - содержание глюкозы в исходном растворе, %.

Определение концентрации мальтозы в питательной среде

Ход определения

см3 исходного раствора помещают в мерную колбу вместимостью 100 см³, доводят объем до метки дистиллированной водой и перемешивают. Полученный раствор центрифугируют 10 мин. при 2000 об/мин. Надосадочную жидкость разводят: 15 см³ помещают в мерную колбу на 100 см³, доводят объем до метки дистиллированной водой и перемешивают. Полученный раствор берут для анализа.

В колбу вместимостью 250 см³ поместить: 25 см³ раствора Фелинга I, 25 см³ раствора Фелинга II, 15 см³ исследуемого раствора, 10 см³ дистиллированной воды. Колбу поместить в кипящую баню на 20 мин. Затем содержимое колбы профильтровать в горячем виде через асбест под разряжением в трубке (чтобы медь осталась на поверхности асбеста, над осадкам должна быть вода). Асбест перенести на другую колбу, медь растворить с помощью ЖАК (10 см³). Затем раствор оттитровать раствором КМnО₄ до появления слабо розовой окраски.

Количество мальтозы рассчитывается по формуле (3):

С = 3,22505 · (m - 0,5),

где С - количество мальтозы и глюкозы в растворе, взятом для анализа, мг; - объем раствора КМnO₄, пошедшего на титрование, см .

Учитывая разведения,

(С·10^-3·100)/0,45= А,

где А - содержание глюкозы и мальтозы в исходном растворе, %.

M = 2 · (A - Q),

где М - содержание мальтозы в исходном растворе (без поправочного коэффициента), %.

а = 3,28 (Q + 0,61·М - А),

где а - поправочный коэффициент для нахождения количества мальтозы.

М' = М - а,

где М' - содержание мальтозы, %.

Определение концентрации декстринов в питательной среде

Ход определения.

20 см³ исходного раствора поместить в колбу вместимостью 100 см³ довести до метки дистиллированной водой и перемешать. Отобрать 20 см³ полученного раствора, прибавить 2 см³ НС1 (20%-ная или 25%-ная), перемешать. Поместить колбу в кипящую водяную баню на 3 часа. Затем колбу охладить. Добавить индикатор (метилоранж или фенолфталеин). Нейтрализовать до желтой (метилоранж) или малиновой (фенолфталеин) окраски с помощью NaOH (10%-ный раствор). Довести объем до метки дистиллированной водой и перемешать. Полученный раствор берут для анализа.

В колбу вместимостью 250 см³ поместить: 25 см³ раствора Фелинга I, 25 см³ раствора Фелинга II, 5 см³ исследуемого раствора, 20 см³ дистиллированной воды.

Колбу поместить в кипящую баню на 20 мин. Затем содержимое колбы профильтровать в горячем виде через асбест под разряжением в трубке (чтобы медь осталась на поверхности асбеста, над осадком должна быть вода). Асбест перенести на другую колбу, медь растворить с помощью ЖАК (10 см³). Затем раствор оттитровать раствором КМп0₄ до появления слаборозовой окраски.

Количество декстринов рассчитывается по формуле (8):

d = 3,22505·(m - 0,5),

где d - количество глюкозы, мальтозы и декстринов в растворе, взятом для анализа, мг; - объем раствора КМnО₄, пошедшего на титрование, см³.

Учитывая разведения,

(d· 10³·100) /0,2 = В,

где В - содержание глюкозы, мальтозы и декстринов в исходном растворе, %.

D = 0,9 · (Q + В - 2 · А),

где D - содержание декстринов в исходном растворе (без учета поправочного коэффициента), %.

а = 3,28 (Q + 0,61М - А),

где а - поправочный коэффициент для нахождения количества мальтозы.

D’ = D + а,

где D^’ - содержание декстринов в исходном растворе, %.

Общее содержание cахаров рассчитывается по формуле (12):

Σ = Q + M' + D’

где Σ - общее содержание сахаров в исходном растворе, %. Часть глюкозы от общего содержания сахаров рассчитывается по формуле (13):

где G - часть глюкозы от общего содержания Сахаров, %. Часть мальтозы и декстринов от общего содержания сахаров рассчитывается аналогично.

3. Экспериментальная часть

.1 Исследование влияния механохимической деструкции сырья на технологические показатели осахаренного зернового сусла

Для определения влияния степени дисперсности помола на качество получаемого осахаренного сусла были приготовлены образцы с различной степенью деструкции пшеницы. Влияние степени деструкции сырья на качество осахаренного сусла определяли по выходу сухих веществ, растворимых углеводов и α-амиинного азота, а также по углеводному составу сусла.

Для проведения экспериментов готовились образцы замесов с гидромодулем 1:3. Выбор гидромодуля 1:3 соответствует гидромодулю, рекомендуемому Типовым Регламентом производства этилового спирта из зернового сырья.[3] Водно-тепловую обработку замесов проводили по следующей схеме.

В воду при температуре 50˚С вносились ферментные препараты разжижающего действия: Дистицим БА-Т Специал (доза внесения 0,3 едАС/г крахмала) и ферментный препарат Дистицим XL (доза внесения 0,5 ед КС/г крахмала. Затем в воду вносились навески образцов сырья. Время выдержки замеса при этой температуре составляло 30 минут.

После этого температуру замесов повышали до температуры 70˚С и выдерживали в течение 1,5 часов. Затем температуру повышали до 90˚С и выдерживали в течении 1 часа. Осахаривание сусла проводили с использованием ферментного препарата Дистицим АГ, содержащего глюкоамилазу (доза внесения 7 ед/г крахмала) в течение 0,5 часа при температуре 60˚С. После проведения процесса осахаривания был произведен анализ полученного осахаренного сусла, результаты которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 Технологические показатели осахаренного сусла

Из таблицы 1 видно, что в образце №3, полученном из экструдированной пшеницы, содержится максимальное количество растворенных сухих веществ, максимальное количество растворимых углеводов и α-аминного азота. Таким образом, при одном и том же виде сырья, при одинаковых режимах приготовления сусла и одинаковой дозировке ферментных препаратов экструзия дает возможность получения сусла с более высокими качественными показателями. Анализ углеводного состава осахаренного сусла показал также, что образец №3 содержит минимальное количество декстринов, что создает предпосылки к сокращению сроков сбраживания сусла.

Для подтверждения этого были проведены опыты по сбраживанию полученных осахаренных сусел. Для проведения процесса брожения были подготовлены дрожжевые разводки из активированных сухих дрожжей. Начальная концентрация дрожжей в сусле составляла 15 млн/мл. Брожение проводили при температуре 30˚С. В процессе брожения ежедневно измерялись количество выделяемого углекислого газа и определялось содержание сухих веществ. Полученные данные приведены в таблице 2.

Таблица 2 Показатели спиртового брожения

Из таблицы 2 видно, что в образце №3, полученном из экструдированной пшеницы, процесс выделения углекислого газа и уменьшения содержания сухих веществ прекратился через 60 часов от начала брожения, что позволяет сократить время сбраживания сусла из экструдированной пшеницы по сравнению с образцами №1 и 2на 12 часов.

Для оценки влияния степени дисперсности помола на эффективность проведенной водно-тепловой обработки был произведен анализ полученных зрелых бражек. В них определяли содержание этилового спирта и нерастворенного крахмала. Расчет выхода спирта производился по формуле

 (1)

де вес зрелой бражки, г;

V_сп - объемная концентрация спирта, %;

m_кр - вес крахмала сырья, г.

Результаты анализа представлены в таблице 3.

Таблица 3 Физико-химические показатели зрелой бражки

Из таблицы видно, что максимальный выход спирта был получен в образце из экструдированной пшеницы, и составил 78,8 мл/100г крахмала. Также в образце №3 было обнаружено минимальное количество нерастворенного крахмала, что говорит о более высокой степени растворения крахмала по сравнению с другими образцами. Таким образом, при одном и том же виде сырья, при одинаковых режимах приготовления сусла и одинаковой дозировке ферментных препаратов экструзия дает возможность более эффективного проведения водно-тепловой обработки, получения бражки с более низким содержанием нерастворенного крахмала и возможность сокращения сроков сбраживания сусла и увеличения выхода спирта.

3.2 Исследование возможности получения осахаренного сусла из экструдированной пшеницы с низким гидромодулем замеса

Использование технологии высококонцентрированного сусла является одним из способов интенсификации спиртового производства. Уменьшение гидромодуля замеса эффективно, так как позволяет сократить расход электроэнергии, поскольку на нагрев 1 кг зерна необходимо лишь третья часть энергии, требуемой на нагрев 1 кг воды [4].

При получении высококонцентрированного сусла из крахмалсодержащего сырья возникают проблемы, связанные с повышением вязкости замесов. Уменьшить вязкость замеса, получить сусло с необходимыми реологическими свойствами возможно путем применения ферментных препаратов, способствующих гидролизу высокомолекулярных веществ.

Для определения возможности получения высококонцентрированного сусла из экструдированной пшеницы было проведено исследование влияния ферментного препарата, содержащего α-амилазу разжижающего действия и ферментного препарата, содержащего ксиланазу и β-глюканазу для гидролиза ксилана и β-глюкана, на вязкость замеса.

Были приготовлены образцы замесов из экструдированной пшеницы с гидромодулем 1:2,5. Исследование вязкости проводили при температуре 60˚С. Данная температура соответствует оптимальной температуре действия изучаемых ферментов.

Была измерена начальная вязкость приготовленного замеса, и сразу же после этого был внесен ферментный препарат Дистицим БА-Т Специал (доза внесения 0,5 ед/г крахмала). Через 8 минут после внесения фермента была снова измерена вязкость и был внесен ферментный препарат Дистицим XL (доза внесения 0,5 ед КС/г крахмала). Еще через 2 минуты был снова произведен замер вязкости. После этого замес выдерживался еще 140 минут, и производился замер конечной вязкости. Результаты эксперимента представлены на рис.3.

Рис.3. Изменение вязкости замеса из экструдированной пшеницы во времени

Из рисунка видно, что внесение ферментного препарата Дистицим XL дало больший эффект на снижении вязкости замеса по сравнению с ферментным препаратом Дистицим БА-Т Специал, а суммарное их действие позволило за 140 минут обработки снизить вязкость почти в 5 раз по сравнению с начальным значением вязкости без ферментных препаратов.

Начальная вязкость замеса превышает 3 Па·с, что является препятствием для его транспортировки по коммуникациям и нормального сбраживания дрожжами[40]. Снижение вязкости сусла создает предпосылки для более эффективного проведения процессов осахаривания и сбраживания, а в целом для снижения энергозатрат и интенсификации спиртового производства. Таким образом, получение замеса из экструдированной пшеницы с низким гидромодулем и необходимыми реологическими свойствами возможно при применении комплекса ферментных препаратов.

Полученные низкие значения вязкости создают предпосылки для эффективного проведения ферментативного гидролиза крахмала ферментами осахаривающего действия. Для подтверждения этого был проведен следующий эксперимент.

Для получения осахаренного сусла был приготовлен образец замеса с применением комплекса ферментов разжижающего действия и произведена его водно-тепловая обработка по следующей схеме, соответствующей Типовому Регламенту производства спирта из крахмалсодержащего сырья.

В подогретую до 60˚С воду вносили сначала описанные ферментные препараты разжижающего действия в указанных дозировках, а затем пшеницу, обработанную на экструдере-гидролизаторе. При 60˚С замес выдерживали в течение 1 часа.

Затем замес нагревали до температуры 90˚С (скорость нагрева составляла 1˚С/мин) и выдерживали при данной температуре в течение 1 часа. По истечении этого времени замес охлаждали до 60˚С со скоростью 1˚С/мин.

Осахаривание сусла проводили в течение 0,5 часа при температуре 60˚С с помощью ферментного препарата Дистицим АГ (доза внесения 8 ед/г крахмала).

Затем температуру сусла понижали до 58˚С и вносили ферментный препарат протеолитического действия Протацид Экстра (доза внесения 0,3 ед/г крахмала). Выдержка при данной температуре составляла 30 минут.

Водно-тепловая обработка замеса производилась при постоянном перемешивании.

Результаты анализа качественных показателей полученного сусла представлены в табл. 4.

Таблица 4 Технологические показатели замеса и осахаренного сусла

В ходе эксперимента было установлено, что существует возможность получения высококонцентрированного осахаренного сусла из экструдированной пшеницы с приемлемыми технологическими показателями.

3.3 Исследование возможности снижения температуры водно-тепловой обработки замесов из экструдированной пшеницы

Снижение температуры водно-тепловой обработки замесов может стать эффективным средством повышения экономичности производства спирта. Известно, что режим водно-тепловой обработки во многом определяется степенью измельчения зернового сырья.[20] При экструзии сырья происходят физико-химические изменения в структуре сырья, которые создают предпосылки для снижения температуры водно-тепловой обработки замесов.

Для подтверждения этого был поставлен эксперимент, в ходе которого были приготовлены образцы замеса с гидромодулем 1:2,5, и водно-тепловая обработка проводилась при температуре 60^оС.

Для проведения эксперимента были приготовлены образцы замесов из экструдированной пшеницы. Водно-тепловая обработка производилась по следующей схеме:

В доведенную до 60˚С воду вносились ферментные препараты разжижающего действия Дистицим БА-Т Специал (доза внесения 0,5 ед/г крахмала) и Дистицим XL (доза внесения 0,5 ед КС/г крахмала). Затем в воду вносилось экструдированное сырье. Замес выдерживали при 60˚С в течение 180 минут. Ферментный препарат осахаривающего действия Дистицим АГ (доза внесения 8 ед/г крахмала) вносился через 2,5 часа после начала обработки. Затем температуру замеса понижали до 58˚С, вносили ферментный препарат протеолитического действия Протацид Экстра (доза внесения 0,3 ед/г крахмала) и выдерживали при этой температуре в течение 30 минут. В течение всей водно-тепловой обработки замеса и осахаривания осуществлялось его непрерывное перемешивание.

В результате водно-тепловой обработки и осахаривания сырья было получено сусло с показателями, которые представлены в табл. 5.

Таблица 5 Технологические показатели сусла

В предыдущем эксперименте, при котором использовались максимальная температура водно-тепловой обработки замеса составляла 90˚С, было получено значение концентрации растворимых сухих веществ в сусле, равное 24,0%, и значение концентрации растворимых углеводов, равное,

Из табл. 5 видно, что полученное сусло имеет более низкое содержание растворимых сухих веществ и растворимых углеводов по сравнению с суслом, полученным при более интенсивной тепловой обработке. Это значит, что растворение сухих веществ было проведено в недостаточной степени.

Т.к. ферментные препараты дают возможность более глубоко провести растворение и гидролиз веществ сырья, повышение дозировок ферментных препаратов может стать предпосылкой для получения сусла с необходимыми качественными показателями.

Поэтому был проведен эксперимент с увеличением дозировок ферментных препаратов:

Дистицим БА - доза внесения 8,6 ед/г крахмала,

Дистицим XL - доза внесения 20 ед КС/г крахмала,

Дистицим АГ - доза внесения 25 ед/г крахмала,

Протацид Экстра - доза внесения 6,4 ед/г крахмала.

В результате проведения эксперимента было получено сусло с технологическими показателями, представленными в табл. 6.

Таблица 6 Технологические показатели осахаренного сусла с повышенной дозировкой ферментных препаратов

Сводная таблица результатов экспериментов 3.2 и 3.3 представлена в таблице 7.

Таблица 7

Из таблицы 7 видно, что при увеличенных дозировках ферментных препаратов содержание растворимых сухих веществ в фильтрате сусла достигло уровня, соответствующего более интенсивной тепловой обработке, и даже превысило его.

Таким образом, при приготовлении высококонцентрированного зернового сусла по экструзионно-гидролитической технологии возможно снижение максимальной температуры обработки до 60˚С без потери сухих веществ, переходящих в растворимое состояние, однако при этом следует использовать повышенные дозировки ферментных препаратов. Выбор оптимальных дозировок ферментов остается объектом дальнейших исследований.

3.4 Исследование влияния ферментных препаратов на качественные показатели высококонцентрированного сусла из экструдированной пшеницы

К качественным показателям сусла относятся содержание растворимых сухих веществ, растворимых углеводов, α-аминного азота и вязкость. Качественные показатели сусла зависят от степени дисперсности помола сырья и от дозировок ферментных препаратов, которые также являются средством деструкции высокомолекулярных веществ сырья.

Типовым Регламентом производства спирта из крахмалсодержащего сырья предусмотрено применение ферментных препаратов амилолитического действия. Применение ферментного препарата для гидролиза некрахмалистых полисахаридов и белка не предусмотрено данным документом. Целью эксперимента было определение влияния этих двух ферментных препаратов на качественные показатели.

Для проведения эксперимента были приготовлены 4 вида образцов замесов гидромодулем 1:2,5. Во все образцы вносился ферментный препарат Дистицим БА-Т Специал (доза внесения 0,5 ед АС/г крахмала). осахаривание всех образцов проводили с помощью ферментного препарата Дистицим АГ (доза внесения 7 ед/г условного крахмала).

Дополнительно вобразцы № 2,4 одновременно с ферментным препаратом Дистицим БА-Т вносился ферментный препарат Дистицим XL (доза внесения 0,3 ед КС /г условного крахмала), в образцы №3,4 после проведения осахаривания по достижении температуры 58 ˚С вносился ферментный препарат Протацид Экстра для гидролиза белка (доза внесения 0,2 едПС/г условного крахмала) (время выдержки замеса приданной температуре составляло 30 минут).

Получение осахаренных сусел проводили при температуре 60˚С в течение 3 часов.

Качество получаемых сусел оценивали по начальной вязкости, по содержанию растворимых сухих веществ, содержанию растворимых углеводов и α-аминного азота.

Физико-химические показатели полученных образцов приведены в табл.8.

Таблица 8 Технологические показатели образцов сусла

Из таблицы видно, что применение как ферментных препаратов, содержащих протеазу, так и ферментных препаратов, содержащих ксиланазу и β-глюканазу, позволяет повысить содержание в фильтрате сусла растворимых сухих веществ, α-аминного азота и растворимых углеводов и снизить вязкость, что говорит о целесообразности использования этих препаратов при приготовлении сусла из экструдированной пшеницы.

Наибольшее снижение вязкости при получении осахаренного сусла из экструдированной пшеницы происходит при добавлении комплекса ферментных препаратов, включающих ксиланазу. Наибольшее накопление α-аминного азота происходит при внесении ферментного препарата, содержащего протеазу.

4. Описание технологической схемы производства

Зерно поступает на завод железнодорожным или автомобильным транспортом. При этом осуществляется входной контроль сырья. Кроме органолептических показателей в спиртовом производстве контролируют такие показатели сырья как засоренность, крахмалистость и влажность. Для разгрузки автомашин используют автомобилеразгрузчики с платформой. При поступлении на завод зерно принимается в приемный бункер. Из него с помощью вертикального транспортера нории зерно подается в силос, где оно хранится. Хранят зерно в хранилищах элеваторного типа.

Перед подачей в производство зерно повергают очистке от пыли, земли, камней, металлических и других примесей на воздушно-ситовых и магнитных сепараторах. Затем зерно измельчают на молотковой дробилке, подвергается рассеву, и крупная часть помола доизмельчается на вальцоой дробилке.

Дробленое зерно поступает в экструдер-гидролизатор, в который также подается вода и ферментные препараты. В этом аппарате происходит экструзия сырья и его водно-тепловая обработка. Затем полученный зерновой гидролизат поступает в осахариватель, где его обрабатывают амилолитическими ферментами с целью гидролиза крахмала до сбраживаемых сахаров. В результате осахаривания разваренной массы получают сусло. После охлаждения в пластинчатом теплообменнике основную часть сусла направляют в батарею для сбраживания, а часть сусла перекачивают в дрожжанки для приготовления засевных дрожжей и в возбраживатель для выращивания производственных дрожжей.

Сусло, предназначенное для размножения дрожжей, называют дрожжевым суслом. Дрожжевое сусло, в котором при его сбраживании содержание сухих веществ снизилось на 2/3 от их первоначальной концентрации, называют производственными дрожжами.

После введения производственных дрожжей в основное сусло начинается размножение дрожжей почкованием. При этом брожение протекает медленно. Эта стадия называется возбраживанием. Количество сухих веществ в сбраживаемом сусле в этой стадии уменьшается на 3-5% от их первоначального содержания.

Вторая стадия, характеризующаяся окончанием процесса размножения дрожжей и сбраживанием большей массы сахара, называется главным брожением. В этой стадии брожения наблюдается интенсивное выделение углекислого газа, а содержание сухих веществ в сбраживаемом сусле уменьшается на 10-12% от первоначального.

В ходе брожения количество сахара в сбраживаемой среде уменьшается, а количество спирта соответственно возрастает. Создаются условия, затормаживающие процесс брожения. Наблюдается резкое замедление сбраживания сахаров в сбраживаемом сусле. Эту последнюю стадию. характеризующуюся медленным сбраживанием сахаров при их незначительной концентрации, но при значительной концентрации спирта в среде, называют дображиванием.[21]

Сбраживаемое сусло спиртового производства с дрожжами называют бражкой, а сброженное сусло - зрелой бражкой.

Главное брожение и дображивание проводят при температуре 27-30⁰С в течение 56 - 72 часов.

Сбраживание сусла осуществляется непрерывно-проточным способом. При этом дрожжи вводятся в головной аппарат бродильной батареи и осуществляется непрерывный приток осахаренного сусла. Бродильная батарея состоит из нескольких последовательно соединенных между собой чанов. Сбраживание сусла осуществляется непрерывно, и отток зрелой бражки происходит из последнего, концевого, аппарата. Концентрация дрожжей в батарее поддерживается на определенном уровне скоростью притока сусла.

Далее зрелую бражку разделяют на ректификованный этиловый спирт, примеси и барду путем противоточного взаимодействия потоков пар, зрелой бражки и полупродуктов. Этот процесс называют брагоректификацией и осуществляют его на брагоректификационных установках. В результате брагоректификации получают спирт-ректификат I сорта, высшей очистки или экстра, эфиро-альдегидную фракцию, содержащую легколетучие примеси (эфиры, альдегиды), сивушное масло, в состав которого входят высшие спирты изоамиовый, изобутиловый, амиловый, пропиловый и пр.), барду - остаток после отгонки этилового спирта из зрелой бражки, и лютерную воду - остаток после выделения этилового спирта и его примесей из спирта-сырца, который получают при перегонке зрелой бражки. [21]

5. Технико-экономический расчет

.1 Расчёт затрат на проведение исследования

Расчёт затрат на проведение исследования проводился с учётом затрат на приобретение необходимых материалов, реактивов и других расходов. Смета, составленная по всем статьям материальных затрат, приведена в таблице 1.

Таблица 1 Смета материальных затрат на проведение исследований.

5.2 Стоимость сырья и основных материалов

Расчёт стоимости сырья и основных материалов производится методом прямого счёта. Общий расход сырья на все опыты равен произведению количества опытов на расход сырья.

Сумма затрат равна произведению цены за единицу на общий расход. Расчёт сведён в таблицу 2.

Таблица 2 Стоимость сырья и основных материалов

5.3 Расчёт затрат на вспомогательные материалы

При расчёте затрат на вспомогательные материалы умножаем цену за единицу на количество вспомогательных материалов.

Расчёт затрат представлен в таблице 3.

Таблица 3 Расчёт затрат на вспомогательные материалы

5.4 Расчёт стоимости лабораторной посуды

При расчёте стоимости лабораторной посуды умножали цену за единицу определённой лабораторной посуды на используемое количество данной посуды. Цена за единицу лабораторной посуды взята на момент проведения исследования в каталоге компании «Нева Реактив».

Расчёт стоимости лабораторной посуды приведён в таблице 4.

Таблица 4 Расчёт стоимости лабораторной посуды

Для лабораторной посуды устанавливается процент боя в размере 1,5 % от её стоимости. Бой посуды - 76,97 руб.

.5. Расчёт расходов на амортизацию приборов и оборудования

Расходы на амортизацию рассчитывается по формуле:

А = (С×Н×Р) ∕(100×258), где

С - стоимость приборов и оборудования, руб.,

Н- норма амортизации, руб. (14%),

Р - количество дней эксплуатации, сут.

Цена приборов и оборудования взята на момент проведения исследования. Расчёт расходов на амортизацию приборов и оборудования представлен в таблице 5.

Таблица 5 Расчёт расходов на амортизацию приборов и оборудования

5.6 Расчёт затрат на электроэнергию

Стоимость одного кВт/ч составляет - 2,55 руб.

Расход электроэнергии на работу оборудования рассчитывается по формуле:

Е = U×В×К, кВт/ч, где

U - потребляемая мощность, кВт,

В - время работы оборудования, часы,

К - количество единиц оборудования.

Стоимость электроэнергии, затраченной на работу оборудования рассчитывается по формуле:

С= Е×Р, где

С - стоимость электроэнергии, руб.,

Е - расход электроэнергии, кВт•ч,

Р - цена электроэнергии кВт/ч.

Полученные данные сведены в таблицу 6.

Расчёт расхода электроэнергии на освещение проводится с учётом работы тринадцати люминесцентных ламп (мощностью 30 Вт каждая) по 8 часов в сутки в течение 30-ти суток.

Таблица 6 Общая стоимость электроэнергии, затраченная на работу оборудования

5.7 Расчёт заработной платы обслуживающего персонала с отчислениями на социальные нужды

Данная работа может быть выполнена одним младшим сотрудником. Заработная плата младшего сотрудника составляет 10000 рублей в месяц. Единый социальный налог принимается равным 26% от суммы заработной платы, т.к. 2600 рублей в месяц. Сумма отчислений и затрат на заработную плату (с учётом продолжительности работы 1 месяц) составляет:

+2600 = 12600 рублей.

5.8 Накладные расходы

Накладные расходы применяются в размере 40% от заработной платы, т.е. 4000 рублей в месяц.

5.9 Прочие расходы

Прочие расходы применяются в размере 25% от заработной платы, т.е. 2500 рублей.

6. Безопасность жизнедеятельности

.1 Анализ опасных факторов

К опасным факторам при работе на экспериментальном стенде относится зерновая пыль. При вдыхании воздуха, содержащего зерновую пыль в высокой концентрации, существует опасность торможения дыхательного центра, удушья, острого отравления. Опасная концентрация зерновой пыли в воздухе рабочей зоны составляет 400 мг/м³.

Также некоторые опасные вещества выделяются в процессе брожения в случае проведения бродильной пробы сусла и в процессе проведения перегонки. Это этанол и углекислый газ. Этанол обладает наркотическим действием, углекислый газ в больших концентрациях - удушающим. Воздействия опасных концентраций углекислого газа на человека можно разделить на следующие:

учащение дыхания и увеличение частоты пульса, тошнота: углекислый газ - 3 %,

головные боли и потеря зрения: углекислый газ - 5 %,

потеря сознания, возможный летальный исход: углекислый газ - 10 %.

При выполнении химических анализов используется ряд опасных веществ. В первую очередь к ним относятся концентрированные щелочи и кислоты. Опасная концентрация в воздухе паров серной кислоты 0,008 мг/л, паров гидроксида натрия - 0,004 мг/л.

При определении кислотности зернового сусла, а также при приготовлении некоторых других реактивов используется гидроксид натрия (едкий натр). Едкий натр опасен при вдыхании, проглатывании, попаданию на кожу и слизистые оболочки. При попадании на кожу вызывает химические ожоги, а при длительном воздействии может вызвать язвы и экземы. Сильно действует на слизистые оболочки. Опасно попадание в глаза. Вызывает кашель, стеснение в груди, насморк, слезотечие, долго не заживающие ожоги слизистой оболочки полости рта, пищевода, желудка и тяжелые ожоги слизистой глаз до потери зрения. Относится к веществам второго класса опасности.[6]

Серная кислота - очень едкое вещество. Она поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывает химические ожоги). При вдыхании ее паров они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко - ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Класс опасности II.[6] ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин).

Соляная кислота - едкое вещество, при попадании на кожу вызывает сильные ожоги. Особенно опасно попадание в глаза. При открывании сосудов с соляной кислотой в обычных условиях образуется туман и пары хлороводорода, которые раздражают слизистые оболочки и дыхательные пути. Концентрации в воздухе 75-150 мг/м³ непереносимы.

При выполнении анализа углеводного состава осахаренного сусла в качестве фильтрующего материала используется асбест. Пыль асбеста является канцерогенным веществом (при попадании в дыхательные пути).

Медный купорос (медь сернокислая) опасен при вдыхании, проглатывании, попадании в глаза. Может вызывать кашель, першение в горле, затрудненное дыхание, сердцебиение, боли в животе, тошноту, рвоту, покраснение кожи, боль, отек, красноту, слезотечение, в тяжелых случаях - потерю сознания. При нагревании может разлагаться с образованием токсичных газов. Опасная концентрация 4 мг/м³.[2]

На лабораторном стенде отсутствуют зоны повышенного давления. Но используемые режимы обработки сырья могут быть опасными. Температурные режимы обработки сырья и полуфабрикатов могут быть различными, но находятся в диапазоне температур 50 - 90 ⁰С. Такая обработка сырья производится в водяной бане.

В используемом оборудовании можно выделить несколько опасных зон

зона внутри лабораторной мельницы (движущиеся детали измельчения), мощность привода 750 Вт, окружная скорость валков равна 2-3 м/с.

внутри кофемолки, используемой для доизмельчения зерна, в которой находится вращающийся нож, мощность привода 180 Вт, скорость вращения ножа 450 об/мин.

зона внутри водяной бани для обработки замеса из-за опасности получения ожогов при контакте с паром или с горячей водой.[11]

Также в процессе измельчения зерна на лабораторной мельнице существует опасность накопления статического электричества. [9]

Единственным источником энергии служит электрический ток. Поэтому среди опасных факторов можно выделить также опасность поражения электрическим током, т.е. электротравм, т.к. в процессе работы на стенде работником регулярно используются некоторые электроустановки (лабораторная мельница, водяная баня, электрический чайник, рН-метр, вискозиметр и пр.).[28] Помещение, в котором располагается стенд, можно отнести к категории «без повышенной опасности» [28], т.к. в нем отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность (отсутствует токопроводящая пыль, температура в помещении не превышает 35⁰С, влажность не превышает 75%, покрытие пола не проводит ток - линолеум). Отсутствуют обстоятельства, усугубляющие опасность поражения электрическим током.

6.2 Анализ пожаро- и взрывоопасности

Пыль, выделяемая при измельчении зерна, является взрывоопасным фактором. Взрывоопасная концентрация зерновой пыли в воздухе рабочей зоны - 40 мг/м³ .[17]

Спирт, содержащийся в бражке и дистилляте и его пары при перегонке зрелой бражки являются пожароопасным фактором работы на стенде. Этиловый спирт - легко воспламеняющаяся жидкость, т.к. температура вспышки его паров 13°С, что меньше 28°С. Температура самовоспламенения спирта 295°С. С воздухом этанол образует взрывоопасные смеси (3,28-18,95% по объему). [17]

Оборудование может накапливать статическое электричество, что также является пожароопасным фактором, т.к. разряд статического электричества является потенциальным источником возникновения огня.[4] В частности, опасность накопления статического электричества существует в процессе измельчения зерна на лабораторной мельнице. [9]

Помещение лаборатории является помещением категории В (пожароопасная) по взрывопожарной и пожарной опасности. [28] Это значит, что в помещении присутствуют горючие и трудногорючие вещества и материалы, а количества пыли и легковоспламеняющихся жидкостей недостаточны для образования взрывоопасных пылевоздушных и паровоздушных смесей. В лаборатории имеются пожароопасные зоны класса П-IIа - зоны, расположенные в помещениях, в которых обращаются твердые горючие вещества.[28]

6.3 Анализ вредных факторов

Зерновая пыль, выделяемая при дроблении зерна является вредным веществом. ПДК пыли в ВРЗ составляет 4 мг/м³.[31]

К вредным веществам относятся некоторые реактивы, необходимые для проведения химического анализа объектов исследования: кислоты, щелочи.

ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин).

ПДК гидроксида натрия в воздухе 0,5 мг/м³.

ПДК этанола - 1000 мг/м³.

ПДК углерода диоксида (двуокиси углерода, углекислого газа) составляет: максимальная разовая - 27000 мг/м³, среднесменная - 9000 мг/м³.

В лаборатории необходимо читать, писать и снимать показания с приборов, имеющих стрелки и риски толщиной 0,3 - 0,5 мм. Цвет стрелок и рисок черный, фон - белый. Разряд зрительных работ принимается III [31] (высокой точности), подразряд г (высокий контраст). Согласно нормам [31] при данном разряде и подразряде работ освещенность при системе общего освещения должна составлять Е_но=200 лк.

Категория работ по тяжести: легкая Л II. К категории Л II относятся работы, производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением.[31]

Работа на стенде не отличается монотонностью.

6.4 Анализ отходов, стоков и выбросов

К отходам относятся отработавшие реактивы и остатки осахаренного зернового сусла, в также сбродившее сусло, т.е. бражка.

При этом особую опасность представляют кислоты и щелочи.

Осахаренное зерновое сусло в составе сточных вод повышает их БПК и ХПК. Также в бражке содержится значительное количество дрожжей, которые также создают определенные трудности в обработке сточных вод.

.5 Мероприятия по обеспечению безопасных условий труда

Количества этанола и углекислого газа, выделяемые в ВРЗ при брожении сусла в лабораторных условиях, очень малы, и не могут быть опасными для человека. В зоне брожения, т.е. у термостата обеспечен местный отсос воздуха (аспирация). Поэтому не требуется применение каких-либо дополнительных устройств защиты от этих факторов.

Для исключения воздействия на работников опасных факторов при работе с опасными веществами предусмотрены индивидуальные средства защиты (халат, резиновые перчатки, защитная маска).[11] Для выполнения работ предусмотрен вытяжной шкаф. Для работы на лабораторной мельнице предусмотрены маски. Также предусмотрены безопасные способы хранения опасных веществ.[11]

Для обеспечения безопасности в опасных зонах лабораторного стенда (зоны внутри лабораторной мельницы и кофемолки) установлены блокирующие устройства.[13] Опасные зоны обозначены соответствующими знаками безопасности в соответствии с нормами [14].

Для обеспечения безопасности при работе с водяной баней должны выполняться условия герметичности ее работы (неиспользуемые места в бане должны быть закрыты).[11,24]

Должно быть произведено обучение работающих, проверка их знаний и навыков безопасности труда в соответствии с нормами.[3]

В целях исключения возможности разряда статического электричества предусмотрено зануление лабораторной мельницы.[9]

Для исключения опасности поражения электрическим током предусмотрены устройства автоматического отключения согласно нормам [36]. Токоведущие элементы оборудования имеют изоляцию. Изоляция частей изделия, доступных для прикосновения, обеспечивает защиту человека от поражения электрическим током. [12] Защитное заземление должно обеспечивает защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям оборудования (металлический корпус водяной бани, мельницы и пр.), которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции.[10]

6.6 Мероприятия по пожарной профилактике

Мероприятия по реализации профилактики возгораний:

Количество взрывоопасных и горючих веществ (например, спирта) в лаборатории ограничено. В помещении их должно находиться не более суточной нормы.

Организация местного отсоса (аспирации) в зоне лабораторной мельницы для ограничения поступления зерновой пыли в воздух рабочей зоны.

Заземление лабораторной мельницы, на корпусе которой может скапливаться статическое электричество.[9]

Защита электрических сетей от воспламенения при перегрузке и коротком замыкании - установка предохранителей. [10]

Защита от молнии. [32]

Мероприятия, направленные на локализацию очагов пожара:

Создание преград на пути распространения огня: дверных тамбуров, огнестойких перекрытий и покрытий, брандмауэров (огнестойких стен), огнепреградительных короб, заслонок и шиберов.

Горючие и взрывоопасные реактивы и материалы (спирт, зерно) должны храниться в отдельных помещениях в ограниченных количествах.

Мероприятия, обеспечивающие своевременную эвакуацию людей при чрезвычайной ситуации:

обеспечение достаточного количества эвакуационных выходов,

обеспечение освещения на путях эвакуации,

обеспечение негорючих материалов для дверей на путях эвакуации,

обеспечение поступления свежего воздуха в помещение и удаления дымовых газов при эвакуации людей,

использование сигнализации о пожаре и необходимости эвакуации,

использование материалов, не образующих под действием огня ядовитых газов и паров,

применение индивидуальных средств защиты при пожаре.

Для обеспечения своевременного обнаружения возгорания предусмотрены датчики дымовой индикации.

В качестве технических средств пожаротушения могут использоваться вода или воздушно-пенные и химические пенные генераторы, доставляемые на пожарных машинах. В лаборатории установлен комплект первичных средств пожаротушения: ОП - пенный огнетушитель, мешки с песком, совки, топоры, багры и асбестовые одеяла.

1.      Установка в лаборатории огнетушителя.

.        Обязательно наличие запасного выхода.

.        Заземление того оборудования, где может скапливаться статическое электричество.

.        Установка предохранительных устройств в электрическом щите.

.        Обеспечение нужного режима смазки деталей мельницы.

.        Ограничение количества горючих и взрывоопасных реактивов в помещении лаборатории.

.        Работа с горючими и взрывоопасными веществами должна производиться только в вытяжном шкафу.

.        При проектировании вентиляции необходимо обеспечить местные отсосы воздуха в областях с повышенным выделением тепла, а также в области измельчения зерна для обеспечения аспирации зерновой пыли.

6.7 Мероприятия по обеспечению безвредных условий труда

Работы с вредными веществами должны производиться в вытяжном шкафу, и работник должен обязательно использовать индивидуальные средства защиты. Для предотвращения выделения вредных веществ в ВРЗ емкости с ними необходимо всегда плотно закрывать.

6.8 Природоохранные мероприятия

Предусмотрена специальная посуда, в которую помещаются отработавшие кислоты и щелочи. После нейтрализации они сливаются в канализацию.

Перед сбросом в канализацию стоки, содержащие живые дрожжевые клетки, обязательно хлорируются.

6.9 Расчеты

Расчет освещения

Экспериментальный стенд для проведения исследований располагается в лаборатории. Размеры лаборатории 5,4×3,4×3м. В лаборатории необходимо читать, писать и снимать показания с приборов, имеющих стрелки и риски толщиной 0,3 - 0,5 мм. Цвет стрелок и рисок черный, фон - белый. Разряд зрительных работ принимается III (высокой точности), подразряд г (высокий контраст).

Параметры микроклимата по нормам [31]: температура > 19^оС, относительная влажность воздуха < 70%, скорость движения воздуха < 0,2 м/с.

Содержание в воздухе капель жидкости, паров и газов, способных образовывать взрывоопасные смеси, не допускается.

Выбираем тип источника света: газоразрядные лампы (t > 10^оС).

Выбираем тип светильников: открытые, онрмального освещения для газоразрядных ламп.

Согласно нормам [31] при данном разряде и подразряде работ освещенность при системе общего освещения должна составлять Е_но=200 лк.

Коэффициент минимальной освещенности принимаем Z_min=1,1, предполагая использовать 3 фазы для питания ламп. Коэффициент запаса принимаем равным K=1,2.

Потолок и стены лаборатории окрашены в белый цвет (потолок - мел, стены - кафель). Тогда ρ_п=70%, ρ_ст=50%. Располагаем светильники равномерно в 2 ряда по 3 светильника в каждом, в каждом светильнике - 2 лампы.

N=2×3=6 шт., n=2.

Высоту подвеса принимаем равной высоте потолка, т.е. H_p=3м. Тогда показатель помещения i будет равен

Исходя из этих данных, находим коэффициент использования [10] η=0,38.

Подбираем ближайшую по световому потоку лампу [5] ЛДЦ 30 с F_л=1110 лм и находим относительную величину избытка

Выбранная лампа пригодна, т.к. -10%< +4,4% < +20%

Расчет комбинированного освещения.

На рефрактометре, расположенном на стенде №2, находится специальный ртутный термометр для установления поправки показаний рефрактометра на температуру. Зрительные работы на этом термометре оцениваются разрядом зрительных работ III (высокой точности, размер рисок и цифр δ=0,3 - 0,5мм), подразрядом в (средний контраст, ртуть на белом фоне)[10].

Согласно нормам [8] при комбинированном освещении общая освещенность при данном разряде зрительных работ должна составлять 400лк.

E_но = 300лк > 200лк, Енк=750 лк.

Тогда дефицит освещенности составляет

ΔE= 750 - 200 =550лк.

Располагаем лампу на высоте h=0,8 м с углом падения луча α=45⁰, размер рефлектора выбираем φ=π/2, ρ=0,9, тогда требуемая сила света

Требуемая величина светового потока

Подбираем люминесцентную лампу для местного освещения ЛБ30 Fл=1740 лм [10].

Расчет общеобменной вентиляции

Помещение имеет размеры: L=5,4 м, B=3,4 м, H=3 м.

Вещества, выделяемые в ВРЗ: вода m=70 г/ч,

зерновая пыль m=5 г/ч.

Число постоянных рабочих мест: n=3.

Теплопритоки: - от электронагревательных приборов N₁=3,5 кВт, η=0,9

- от остальных электроприборов N2=1 кВт, η=0,5

Категория работ по тяжести: легкая Iб

Наружные условия: t = +9⁰C, φ= 45%.

Решение.

. Расчет потребного воздухообмена

.1. Необходимый расход воздуха для разбавления примесей G₁

В ВРЗ поступает зерновая пыль в количестве 5г/ч. ПДК=4 мг/м3 [31].

С₁/С₂ = 0,3; С₁=0,3 С₂=0,3 ПДК

.2. Необходимый расход воздуха для обеспечения оптимальной температуры G₂

где i₂’’ - энтальпия удаляемого воздуха,

i₁’’ - энтальпия приточного воздуха

N_Σ - мощность теплопритоков.

N_Σ =N_обор=N’₁+N’₂

N’₁=N₁·η₁=3,5·0,9=3,15кВт

N’₂=N₂·(1-η₂)=1(1-0,5)=0,5кВт

N_Σ =3,15+0,5=3,65 кВт

Требования к воздуху рабочей зоны: температура 22⁰С, влажность φ=50% [31].

i₂’’=36 кДж/кг [21].

Т_в1=273+9=282 К

.3. Необходимый расход воздуха для обеспечения оптимальной влажности воздуха G₃

Поступления воды в ВРЗ m=70 г/ч

d₁=3,5 г/кг - влагосодержание наружного воздуха,

d₂=7,6 г/кг - влагосодержание отсасываемого воздуха.

.4. Необходимый расход воздуха для обеспечения людей кислородом G₄ определяем по нормам вентиляции. Объем помещения равен

V_n=L·B·H=5,4 · 3,4 · 3=55,08 м³.

Количество постоянных рабочих мест n=3.

V_n / n =55,08 / 3 = 18,4 м³/чел.

V_n / n < 20 м³/чел, поэтому на каждого человека необходимо подать в рабочую зону Li=30 м³/ч·чел свежего воздуха. [21]

G₄ = 3 · 30 = 90 м³/ч.

.4. Принимаем потребный расход воздуха G = G_max = 1786 м³/ч.

м³/ч - расход холодного воздуха (при 20⁰С). Рассчитаем расход теплого воздуха

G_т=1786 / 1,28 = 1395 м³/ч.

. Расчет естественной вентиляции

) Определяем напор естественной вентиляции

Δр_Σ=Δρ·g·ΔH=(ρ_x-ρ_т)·g· ΔH

Δр_Σ =(1,34-1,28)·9,81·3=1,77 Па

) Определяем скорость воздуха в нижнем проеме

) Определяем сопротивление нижнего проема

Принимаем ξ_нп=1,5

) Сопротивление верхнего проема

Δр_вп≤ Δр_Σ - Δр_нп=1,77 - 0,062=1,71 Па

) Допустимая скорость воздуха в верхнем проеме

) Необходимая площадь сечения (живого) верхнего проема

) Полная площадь верхнего проема

F_вп= 0,29 / 0,7 = 0,414 м²

) Принимаем размер решетки 0,3·0,4=0,1 м²

) Число необходимых решеток n = 0,414/ 0,12 ≈ 4 шт.

6.10 Конструктивные и технологические схемы стендов

замес экструдированное зерно сусло

Конструктивная схема стенда №1

«Установка для измельчения сырья»

Оборудование

Конструктивная схема стенда №2 «Приготовление осахаренного сусла»

Технологическая схема стенда №1

Технологическая схема стенда №2

6.11 Инструкция по работе на стендах

1.      Осмотреть и проверить исправность инвентаря, блокировочных устройств, защитных крышек, защитного заземления оборудования, входящего в состав стенда.

.        Привести в порядок рабочее место, убрать посторонние и мешающие предметы, подготовить место для безопасного расположения материалов и тары, освободить подходы к участку.

.        При выполнении работ на стенде использовать средства индивидуальной защиты: халат, перчатки, маску.

.        Работать на стенде разрешается только при исправности приточно-вытяжной вентиляции, наличии в помещении средств пожаротушения и индивидуальной защиты.

.        Работать на стенде могут только работники, допущенные к такой работе и ознакомившиеся с техникой безопасности и с эксплуатационной документацией.

.        Работник обязан применять безопасные приемы работы с оборудованием, соблюдать требования эксплуатационной документации и технологических режимов.

.        Работник должен соблюдать правила санитарии, личной гигиены и пожарной безопасности. Курить, пить и принимать пищу разрешается только в специально отведенных для этого местах.

.        Запрещается:

.1.     Находиться на рабочем месте в болезненном состоянии, употреблять напитки и препараты, содержащие алкоголь или наркотики.

.2.     Продолжать работу на стенде при появлении отклонений в работе оборудования, при обнаружении в нем дефектов.

.3.     Отключать блокировочные и снимать ограничительные устройства.

.4.     Снимать защитные крышки, кожухи и ограждения с работающего оборудования, самостоятельно производить ремонт электрооборудования и механизмов.

.5.     Применять в процессе работы на стенде не предусмотренные инструменты, приспособления и инвентарь.

.6.     Проникать в зону действия работающего оборудования частями тела и непредусмотренными для этого приспособлениями.

.        По окончании работы на стенде отключить оборудование от источника электроэнергии, убрать рабочее место: помыть и убрать посуду, убрать на место химические реактивы; выполнить требования личной гигиены.

.        При работе со стеклянной посудой и стеклянными приборами необходимо соблюдать меры предосторожности. Их следует держать осторожно, не сжимая сильно пальцами. Мыть стеклянный инвентарь ершами и стеклянными палочками надо также осторожно, т.к. ими можно легко пробить дно или стенки.

.        Токсичные и едкие вещества запрещается набирать в пипетку ртом.

.        Нагревание пробирок и других стеклянных сосудов следует проводить постепенно, направляя их отверстиями в сторону от работающего оборудования.

.        Перегонку низкокипящих огнеопасных веществ следует проводить в толстостенных круглодонных колбах из тугоплавкого стекла.

.        Нельзя приливать концентрированные кислоты к концентрированным щелочам (или наоборот), до проведения нейтрализации их необходимо сначала разбавить водой.

.        Отработавшие кислоты и щелочи следует помещать в специальную посуду отдельно и после нейтрализации сливать в канализацию.

.        При работе со спиртом, например, при перегонке, нельзя пользоваться открытым пламенем.

.        Во избежание несчастных случаев при возникновении пожара необходимо выполнять следующие правила:

.1.     Не оставлять без присмотра электронагревательные приборы.

.2.     При возникновении пожара выключить рубильник и засыпать пламя песком.

.3.     При загорании одежды пострадавшего следует обернуть плотной тканью, лучше мокрой.

.4.     При разливе огнеопасной жидкости сначала выключить электронагревательные приборы, а затем убрать жидкость.

7. Гражданская оборона

.1 Отравляющие вещества

Химическое оружие - это оружие массового поражения, действие которого основано на токсических свойствах отравляющих веществ (ОВ) и средства их применения. Современные ОВ представляют собой специально синтезируемые токсические соединения, способные при определенных условиях их применения вызывать массовые поражения людей как путем непосредственного воздействия этих веществ на организм, так и через зараженную окружающую среду - почву, воду, пищу и пр.

По своим поражающим свойствам ОВ отличаются от других боевых средств: они способны проникать вместе с воздухом в различные сооружения, в танки и другую боевую технику и наносить поражения находящимся в них людям.

ОВ могут быть применены в виде паров и туманов, а также в различном агрегатном состоянии (например, вязкие рецептуры и капельножидкие ОВ, дымы). [29]

Наиболее широкое признание получила тактическая и токсикологическая классификация отравляющих веществ.

По тактической классификации ОВ делятся на смертельные, временно выводящие из строя, и раздражающие (полицейские) ОВ.

смертельные ОВ. К этой группе относятся отравляющие вещества серии G. Важнейшими из них является зарин (GB) и зоман (GD). Сюда не относятся вещества серии V(VX), серии Н - иприт (НD) и ботулинический токсин.

временно выводящие из строя ОВ. Из веществ этой группы наиболее важными считаются BZ, LSD и стафилококковый энтеротоксин.

раздражающие ОВ. К ним относятся хлорацетофенон, адамсит, CS, CR.

Действие ОВ на организм человека может быть общим или местным. Длительное местное действие может привести к общему поражению.

По токсикологическому действию отравляющие вещества делятся на

нервно-паралитические (зарин, зоман, V-газы) ОВ. Вызывают расстройство функций нервной системы, мышечные судороги, паралич и смерть.

кожно-нарывные (иприт, азотистый иприт) ОВ, для которых характерным является способность поражать кожные покровы с образованием нарывов и язв;

общеядовитые (синильная кислота, хлорциан). Эти ОВ вызывают общее отравление организма, нарушая некоторые процессы обмена веществ и функции сердечно - сосудистой системы.

удушающие (фосген, дифосген) ОВ. Эти вещества поражают лёгочные ткани, что приводит к гибели организма.

психохимические (вещества типа BZ) ОВ, которые нарушают нормальную психическую деятельность, функцию отдельных органов и нормальное восприятие окружающей среды.

раздражающие (CS, хлорацетофенон, адамсит) ОВ. Эти ОВ вызывают раздражение органов дыхания и глаз.

токсины (ботулинический типа А, Е, стафилококковый и др.)[1].

Первичное обнаружение ОВ в воздухе на местности, различных предметах и сыпучих материалов, в том числе и продовольствии, производится помощью приборов БПХР и ПХР - МВ (последнее определяет и наличие ОВ, АХОВ в воде). Химический анализ взятых проб продовольствия, сырья, воды для определения вида ОВ, степени заражённости производится с помощью полевых химических лабораторий ПХЛ - 54, ПХЛ - ЗГ и др. или в стационарных условиях (химические лаборатории). Обнаружить наличие ОВ в воздухе на различных предметах продовольствии, можно в ряде случаев и с помощью органов чувств, по внешнему виду, цвету, запаху и другим признакам. Для обнаружения заражённости ОВ с поверхности продовольствия, готовой пищи берутся пробы в установленных объёмах:

пробы продуктов, находящихся в упаковке, берутся из верхнего слоя толщиной 1 - 2 см (упаковочный материал разрезается) и не менее, чем из 3 упаковок.

пробы жидких продуктов (молоко, сметана, растительное масло и т.д.) отбираются после тщательного перемешивания.

Основные пути проникновения ОВ: через дыхательные пути, кожные покровы, желудочно-кишечный тракт и кровяной поток при ранениях зараженными осколками. Они могут сохранять свое поражающее действие в воздухе, на местности и в различных объектах на протяжении некоторого, иногда довольно продолжительного, времени, распространяясь в больших объемах воздуха и на больших площадях. Пары ОВ способны распространяться по направлению ветра на значительные расстояния от районов непосредственного применения химического оружия.

Заражение сырья, материалов, помещений и технологического оборудования происходит в наибольшей степени ОВ, находящимися в парообразном (газообразном) состоянии, а также в виде аэрозолей, частицы которых способны длительное время оставаться в воздухе во взвешенном состоянии. Паро- и газообразные ОВ сорбируются порами штукатурки, кирпича и бетонных блоков, деревянных деталей (оконные переплеты, двери и пр.), масляными красками и удерживаются в них довольно длительное время. Капли ОВ впитываются в штукатурку на глубину 4 - 7мм, в дерево - до 2 - 5 мм. В детали из стекла, стеклоблоков, металла ОВ не впитываются и быстро с них испаряются. Комочки вязких ОВ длительное время остаются на всех строительных деталях, постепенно испаряясь с них.

Степень заражения пищевых продуктов зависит от температурных условий, физического состояния и химического состава продуктов, характера упаковки или тары и других факторов. При сравнительно низкой температуре воздуха (порядка 0 - 5⁰С) пищевые продукты заражаются ОВ менее интенсивно по сравнению с заражением при температуре 20 - 25⁰С (для зомана и иприта в 2 - 3 раза).

При заражении помещения ОВ необходимо проводить его дегазацию.

7.2 Основы дегазации

Дегазацией называют обеззараживание (нейтрализация) отравляющих веществ или удаление их с заражённой местности и различных объектов.

Дегазируют, главным образом, объекты и предметы, заражёнными стойкими отравляющими веществами. Задачей дегазации сырья и других объектов является полное удаление ОВ, АХОВ или снижение содержания их до или ниже предельно допустимой заражённости (ПДЗ). Отравляющие вещества хорошо сорбируются пищевыми продуктами и длительное время сохраняются в них. Особенно большую опасность представляют стойкие ОВ - зарин, зоман, V-газы, которые могут вызывать опасное заражение пищевых продуктов с длительностью действия от нескольких суток до нескольких недель и даже месяцев.

Для дегазации помещений можно применять различные дегазирующие вещества: хлорную известь, хлорамин, щелочи и др. К числу дегазирующих веществ можно отнести и воду, которая разлагает ОВ с различной скоростью, причём наиболее быстро и полно при кипячении. Поэтому воду используют только для дегазации одежды и некоторых средств индивидуальной противохимической защиты, однако чаще всего в этих целях применяется 2% содовый раствор.

При попадании в воду капли иприта медленно растворяются, постепенно распадаясь: в холодной воде через 4 - 5 ч, в теплой - через 1 ч. В рассолах и водных растворах сахара иприт более стоек.

В квартирах (домах) и на рабочих местах, в том числе и в лаборатории, для дегазации деревянных и металлических предметов, стен, потолков и полов применяют тряпки, смоченные дегазирующими растворами.[16]

При работах, связанных с дегазацией (а также с дезактивацией и дезинфекцией), нужно осторожно обращаться с обеззараживающими растворами. Обтирочные материалы, использованные при таких работах, следует складывать в специально отведенные места, а затем сжигать. После проведения работ, связанных с дегазацией, нужно пройти полную санитарную обработку.

7.3 Обеззараживание лаборатории в случае возникновения чрезвычайной ситуации, связанной с химическим заражением ипритом

Производить дегазацию лаборатории от иприта можно с помощью дегазирующего раствора №1.

Дегазирующий раствор № 1 представляет собой 2% (по массе) раствор дихлорамина (ДТХ-2, ДТ-2) в дихлорэтане и предназначен для дегазации вооружения и военной техники, средств индивидуальной защиты кожи, а также отдельных участков местности и помещений, зараженных VХ и ипритом.

Раствор № 1 применяется из комплектов ИДК-1, ДКВ-1 и АДДК, а также из авторазливочных станций при температуре от плюс 40 до минус 35°С. Норма расхода раствора 0,5-0,6 л/м².

Для приготовления раствора № 1 в емкость заливается дихлорэтан и засыпается расчетное количество дихлорамина. Смесь перемешивается в течение 10-15 мин. Срок годности раствора при хранении в технических средствах специальной обработки 5-7 сут.

Принимаем норму расхода раствора равной 0,6 л/м².

Помещение имеет размеры (5,4×3,4×3) м.

Суммарная площадь обрабатываемых поверхностей:

F= 5,4·3,4·2 + 3,4·3·2 + 5,4·3·2 = 36,72+20,4+32,4 = 89,52 м².

Количество дегазирующего раствора №1, необходимого для дегазации лаборатории, равно:

,52 · 0,6 = 53,7 л.

Заключение

) Зерно, обработанное на экструдере-гидролизаторе, в силу того, что оно прошло дополнительную механохимическую деструкцию, дает возможность получения осахаренного сусла с более высокими качественными показателями (углеводным составом, содержанием растворимых сухих веществ, растворимых углеводов и α-аминного азота) по сравнению с зерном пшеницы, измельченном на других измельчающих машинах.

) Использование экструдированного сырья дает возможность более эффективно провести растворение всех компонентов сырья, получить сусло с более высоким содержанием растворимых сухих веществ, меньшим количеством нерастворенного крахмала и меньшим количеством декстринов, что дает возможность сократить время сбраживания сусла и увеличить выход спирта.

) В результате проведения экспериментов была установлена возможность получения высококонцентрированного сусла из экструдированной пшеницы с приемлемыми для спиртового производства реологическими характеристиками и качественными показателями при условии использования ферментных препаратов, содержащих α-амилазу разжижающего действия и ферментных препаратов, содержащих ксиланазу и β-глюканазу для гидролиза растворимых некрахмалистых полисахаридов.

) В результате проведения экспериментов была установлена возможность проведения водно-тепловой обработки высококоцентрированных замесов из экструдированного зерна при температуре 60⁰С при условии повышения дозировок ферментных препаратов относительно дозировок, рекомендуемых Типовым регламентом производства спирта из крахмалсодержащего сырья для неконцентрированных замесов.

) Определена степень влияния вносимых ферментных препаратов на качественные показатели высококонцентрированного осахаренного сусла из экструдированной пшеницы.

Список литературы

1. Боровский Ю. В., Жаворонков Г. Н., Шубин Е. П. Гражданская оборона: учеб. для студентов пед. ин-тов. - М.: Просвещение, 1991. - 223с.

. Вредные вещества в промышленности /Под ред. Н.В.Лазарева и И.Д.Гадаскиной: В 3 т. - Л.:Химия, 1977. - 608 с.

.ГОСТ 12.0.004-90 ССБТ. Организация обучения безопасности труда. Общие положения. - М.: Изд. стандартов, 1990.

. ГОСТ 12.1.004-91 (1999) ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. - М.: Изд. стандартов, 1991.

. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Воздух рабочей зоны. Общие требования безопасности. - М.: Изд. стандартов, 1988.

. ГОСТ 12.1.007-76 ССБТ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. - М.: Изд. стандартов, 1976.

. ГОСТ 12.1.009-76 (1999) ССБТ. Электробезопасность. Термины и определения. - М.: Изд. стандартов, 1976.

. ГОСТ 12.1.011-78 (1999) ССБТ. Смеси взрывоопасные. Классификация и методы испытаний. - М.: Изд. стандартов, 1978.

. ГОСТ 12.1.018-93. ССБТ. Пожаровзрывобезопасность статического электричества. Общие требования. - М.: Изд. стандартов, 1993.

. ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление и номенклатура видов защиты. - М.: Изд. стандартов, 1981.

. ГОСТ 12.2. 003-91. ССБТ. Оборудование производственное. Общие требования безопасности. - М.: Изд. стандартов, 1991.

. ГОСТ 12.2.007.0-75 ССБТ. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности. - М.: Изд.

стандартов, 1975.

. ГОСТ 12.2. 124-90 ССБТ. Оборудование продовольственное. Общие требования безопасности. - М.: Изд. стандартов, 1990.

. ГОСТ 12.4.026-76 (1987) ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности. - М.: Изд. стандартов, 1976.

. ГОСТ 12.4.155-85 ССБТ. Устройства защитного отключения. Классификация. Общие требования безопасности. - М.: Изд. стандартов, 1985.

. Гражданская оборона: пособие / Под ред. А.Т.Алтунина. - М.: Воениздат, 1982.

. Долин П.А. Справочник по технике безопасности. - М.: Энергия, 1982. - 799 с.

18. Евдокимов А.А. Безопасность жизнедеятельности. Примеры расчетов: Пособие. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2007. - 72 с.

19. Инструкция по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства. - М., 2007г.

. Интенсификация спиртового производства / В.А. Маринченко [и др.]. - К.: Техника, 1983. - 128 с.

. Мальцев П.М. Технология бродильных производств. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 560 с.

. НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. - М.: Деан, 2004.

. Осина Г.И. Выполнение технико-экономической части дипломных проектов (работ): Методические указания для студентов специальности 270500 всех форм обучения. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2005. - 29 с.

. ОСТ 27.00.216-75. ССБТ. Машины и аппараты продовольственные. Техника безопасности.

. Полуянова М.Т., Устинников Б.А. Интенсификация спиртового производства путем повышения концентрации сусла // Ферментная и спиртовая промышленность. - 1975. - №1. - С.8-11.

. Полыгалина Г.В. Технохимический контроль спиртового и ликероводочного производств. - М.: Колос, 1999. - 336 с.

. Полякова В.А., Андриенко Т.В., Крикунова Л.Н. Получение осахаренного сусла из ИК-обработанного зерна ржи // Хранение и переработка сельхозсырья, 2003. - №7. - С.21

. ПУЭ-86. Правила устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

. Руководство по защите сырья и готовой продукции пивобезалкогольной промышленности от оружия массового поражения. - Харьков, 1986. - 79 с.

. Сидоркин В.Ю. Оптимальная схема водно-тепловой и ферментативной обработки зернового сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. - №12. - С. 73-75.

. СНиП П-4-79. Строительные норм и правила, ч.II. Нормы проектирования. Гл.4. Естественное и искусственное освещение. - М.: Стройиздат, 1983. - 800 с.

. СО 153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. - М.: Стройиздат, 2003.

. Справочник проектировщика. Вентиляция и кондиционирование воздуха. 3-е изд./ Под ред. И.Г.Староверова. - М.: Стройиздат, 1978. - 510 с.

. Степанов В.И., Римарева Л.В., Иванов В.В., Шариков А.Ю. Метод переработки крахмалсодержащего сырья при получении концентрированного зернового сусла // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2007. - №3. - С.16-17.

. Технология спирта / В.Л.Яровенко [и др.]. - М.: Колос, 2002. - 463 с.

. Технология экструзионных продуктов / А.Н. Остриков, Г.О. Магомедов, Н.М. Дерканосова, В.Н. Васиенко, О.В. Абрамов, К.В. Платов. СПб: «Проспект Науки», 2007. - 202 с.

. Типовой регламент производства спирта из крахмалсодержащего сырья. - М.: Стройиздат, 1985.

. Цед Е.А., Волкова С.В., Королева Л.М., Кузьмина А.А. Исследование биохимических особенностей получения и сбраживания спиртового сусла // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2007. - №4. - С.27-28.

. Шульман М.С. Исследования в области физико-химии крахмала и крахмалсодержащего сырья. «Труды ВНИИ ферментной и спиртовой промышленности», 1961, вып.10.