Сбраживание мелассного сусла

Ферментные препараты получают на ферментных заводах или в специализированных цехах при спиртовых и пивоваренных заводах.

В спиртовой промышленности используют ферментные препараты плесневых грибов и бактерий. Ферментный препарат отличается от фермента тем, что помимо активного белка содержит различные балластные вещества. Как заменители солода с успехом применяются ферментные препараты из плесневых грибов рода Aspergillus видов огуzae, usamii, awamori, batatae, бактерий Вас. mesentericus, Вас. subtilus, дрожжеподобных грибов Endomycopsis.

МИКРООРГАНИЗМЫ - ПРОДУЦЕНТЫ ФЕРМЕНТОВ

Наиболее часто в качестве продуцентов амилолитических фер­ментов в спиртовом производстве используют микроскопические грибы, реже — дрожжеподобные организмы и споровые бактерии.

МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ГРИБЫ

Для получения амилаз широко применяют микроскопические грибы рода Aspergillus, видов: niger, oryzae, usamii, awamori, bata­tae, рода Rhizopus, видов: delemar, tonkinensis, niveus, japonicum и др., а также отдельные штаммы Neurospora grassa и Mucor.

Микроскопические грибы очень широко распространены в природе; основное место их обитания — почва. Несмотря на на­личие многих родов и видов микроскопических грибов, все они характеризуются нитевидным строением тела и специфическим строением плодоносящих органов. Тело гриба состоит из длин­ных переплетенных нитей сероватого или белого цвета, называе­мых гифами. Они распространяются по поверхности питательно­го субстрата, образуя мицелий, и частично врастают в него. Некоторые гифы, поднимающиеся над поверхностью в виде лег­кого пушка, имеют более сложное строение и представляют собой органы плодоношения, называемые конидие- или споран- гиеносцами. У мукоровых грибов на конце спорангиеносца нахо­дится шаровидное вздутие, окруженное оболочкой, внутри кото­рого образуются споры. У аспергиллов конец конидиеносца имеет булавовидное утолщение, от которого отходят удлиненные клетки, называемые стеригмами; от стеригм отшнуровываются более мелкие круглые клетки — конидии.

Отделившиеся конидии или споры, попадая в благоприятные условия, начинают прорастать, затем гифы ветвятся, образуя ми­

целий; при истощении питательных веществ в среде гриб пере­ходит в стадию споро- или конвдиеобразования. Споры и кони­дии микроскопических грибов содержат пигменты, что и придает зрелым культурам характерную окраску.

На рис. 46 показана морфология микроскопических грибов. Для осахаривания на спиртовых заводах чаще используют аспер- гиллы; при поверхностном культивировании — Asp. oryzae и Asp. awamori, при глубинном культивировании — Asp. awamori 446 и иногда ВУД-Т2. На спиртовых заводах США применяют высоко­активный штамм Asp. awamori NRRL-3112.

Аспергиллы — типичные аэрофилы, поэтому они могут раз­виваться только на поверхности твердой или жидкой среды или в жидкой, достаточно аэрируемой среде. Оптимальная температура для большинства аспергиллов 25...30 ^вС, для неко­торых — до 35 'С. Большинство грибов при поверхностном культивировании могут переносить кратковременное повыше­ние температуры до 40 *С и даже 45 *С без заметной потери активности ферментов. Оптимальная влажность среды для них около 65 %.

Для питания аспергиллов необходимы углеводы, азотистые и минеральные вещества. В качестве источника углевода, кроме моносахаридов, многих олиго- и полисахаридов, могут служить спирты и органические кислоты, однако для накопления ами­лазы в среде обязательно должны присутствовать крахмал, дек­стрины или мальтоза. В средах, содержащих другие сахара, в том числе глюкозу, грибы не образуют амилазы. Источником азота могут быть белки и их гидролизаты, аммонийные соли и нитраты.

Среда должна содержать соединения, в состав которых входят сера, фосфор, калий, магний и микроэлементы. Большинство микроскопических грибов усваивают серу из сульфатов, а фос­фор — из фосфатов. Аспергиллы не нуждаются в готовых вита-

Рнс. 46. Микроскопические грибы: 2 — Asp. oryzae; 2 — Asp. awamon; 3 — Pemcillium, 4 — Mucor, a — мицелий, б — конндие- иосцы, в — конидии и споры

минах и факторах роста, так как способны сами синтезировать их из более простых соединений, имеющихся в среде. Препараты ферментов из микроскопических грибов включают, как правило, широкий набор ферментов, поэтому могут полностью заменять зерновой солод.

На спиртовых заводах стали широко применять высокоактив­ный по глюкоамилазе штамм Asp. awamori 466 и ВУД-Т2, выра­щиваемые на концентрированном кукурузном сусле (18 % сухих веществ). Готовая культура имеет активность до 250 ед. ГлА на 1 мл, других ферментов образует мало.

ДРОЖЖЕПОДОБНЫЕ ОРГАНИЗМЫ

Амилолитические ферменты синтезируют также некоторые дрожжи и дрожжеподобные грибы родов Saccharomyces, Candida, Endomycopsis и Endomyces.

В спиртовом производстве нашли применение End. bispora и End. species 20-9, выращиваемые глубинным способом и проду­цирующие главным образом активную глюкоамилазу; а-амилаз- ная активность проявляется слабо. Высокоактивный End. bispora имеет разветвленный мицелий, образует бластоспоры; гифы — септированные, зернистые; на твердых агаризованных средах об­разуют колонии с воздушным серовато-белым мицелием, на жидких питательных средах — гифы и некоторое количество бластоспор.

Дрожжеподобные грибы в спиртовом производстве самостоя­тельно не применяют, так как они не содержат других фермен­тов, необходимых для нормального осахаривания сусла из крах­малсодержащего сырья. Обычно их используют в смеси с фер­ментными препаратами из микроскопических грибов или бактерий.

БАКТЕРИИ

Активные амилазы способны синтезировать многие бактерии: Вас. subtilis, Вас. diastaticus, Вас. mesentericus, Вас. macerans и Вас. polymycus и др.

Бактерии — продуценты амилолитических ферментов пред­ставляют собой палочки длиной 1,2...1,3 мкм и диаметром 0,6...0,8 мкм. Палочки соединяются по две, три, иногда образуют цепочки. Цикл развития бактерий короче, чем микроскопичес­ких и дрожжеподобных грибов. Например, культуру Вас. dias­taticus выращивают в глубинных условиях при температуре 60 ”С в течение 10... 12 ч.

Бактерию Вас. subtilis-82, применяемую в настоящее время на спиртовых заводах как продуцент а-амилазы в смеси с препара­тами глюкоамилазы, выращивают в течение 48...60 ч при темпе­ратуре 30...35 'С.

Особенность бактерий — их способность образовывать высо­коактивную термостойкую а-амилазу, необходимую для разжи­жения и декстринизации крахмального клейстера на стадии под- варивания замесов и осахаривания сусла.

НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ

Ферменты микробного происхождения применяют в спирто­вом производстве в вице естественной культуры — сухой поверх­ностной или жидкой глубинной, а также в виде концентрирован­ных препаратов. При определении названия ферментного пре­парата учитывают только основной фермент, активность которого в препарате превалирует. Название каждого препарата образуется из сокращенного названия этого фермента, вида мик- роорганизма-продуцента и оканчивается во всех случаях на «ин». Например, если продуцентом глюкоамилазы является Asp. batatae или Asp. awamori, то препарат называется соответственно глюко- бататин или глюкаваморин; если продуцент а-амилазы — Asp. oryzae или Вас. diastaticus, то препарат называется амилоризин или амилодиастатин. Для препарата, полученного глубинным культивированием, после названия ставится буква «Г», при по­верхностном — «П».

Условно количество фермента в стандартной глубинной или поверхностной культурах обозначается буквой «х». При этом под «стандартной культурой» понимается готовая культура продуцен­та, обладающая строго определенной активностью на единицу массы. Так, глубинную культуру End. bispora называют глюкоэн- домикопсин Гх, а поверхностную культуру Asp. oryzae — амило­ризин Пх.

Цифры перед буквой «х» в наименовании препарата показы­вают степень очистки фермента: Пх и Гх — это стандартная ис­ходная культура продуцента без какой-либо очистки; П2х и Г2х — жидкий концентрат растворимых веществ исходной куль­туры, освобожденный от нерастворимой фазы, с содержанием сухих веществ 40...50 %; ПЗх и ГЗх — сухие ферментные пре­параты, полученные высушиванием экстракта из поверхностной культуры или культуральной жидкости при глубинном культиви­ровании; ШОх и ПОх — сухие препараты, полученные осаждени­ем ферментов из водных растворов органическими растворителя­ми или высаливанием; П15х и Г15х — препараты ферментов, очищенных различными методами; П25х и Г25х — высокоочи- щенные, но не кристаллические ферментные препараты, содер­жащие до 20...25 % балластных веществ.

Применение высокоочищенных препаратов от 10х до 25х в спиртовой промышленности нецелесообразно, так как они слишком дороги. Для осахаривания разваренной массы исполь­зуют естественную культуру Гх или Пх или практически неочи­щенные концентрированные жидкие или сухие препараты П2х, Г2х, ПЗх и ГЗх.

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СПОСОБЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ - ПРОДУЦЕНТОВ ФЕРМЕНТОВ

Существует два способа культивирования микроорганизмов — продуцентов ферментов: поверхностный и глубинный.

Первый способ, применяемый для культивирования микро­скопических грибов, характеризуется развитием мицелия на по­верхности твердого или жидкого субстрата. На жидком субстрате образуется пленка мицелия, продуцирующего не только амило- литические ферменты, но и органические кислоты, инактиви­рующие их, поэтому используют твердые субстраты с развитой поверхностью — пшеничные отруби, дробину барды, картофель­ную мезгу и др.

Максимальная активность ферментов достигается при культи­вировании грибов на пшеничных отрубях. Дробина барды бедна питательными веществами, и активность ферментов в культурах грибов, выращенных на ней, в 4...5 раз ниже, чем на отрубях. Зрелая культура грибов вследствие обволакивания частиц отру­бей мицелием имеет вид плотной войлокообразной массы.

При поверхностном культивировании пшеничные отруби должны быть увлажнены и простерилизованы. В стерильных ус­ловиях готовят посевную культуру, но выращивают грибы в не­стерильных условиях в кюветах, устанавливаемых в негерметич­ных растильных камерах. Теплоту, выделяющуюся в процессе роста грибов, удаляют продуванием через растильную камеру стерильного кондиционированного воздуха.

Поверхностный способ выращивания микроскопических гри­бов имеет ряд преимуществ. Так как во время роста гриба отруби не перемешиваются, посторонние микроорганизмы не распро­страняются по всей их массе и вызывают лишь незначительное местное инфицирование, которое, как правило, не влияет на активность ферментов. Это, однако, не исключает необходимос­ти тщательной стерилизации воздуха, среды и оборудования. Культуру на отрубях высушивают до содержания влаги 10...11 %. В таком виде она может храниться продолжительное время без значительной потери активности. Это позволяет организовать централизованное снабжение спиртовых заводов сухой культурой микроскопических грибов, что является одним из преимуществ поверхностного способа выращивания.

Недостаток поверхностного способа — необходимость уста­навливать множество кювет, работу с которыми трудно механи­зировать. Себестоимость культуры гриба-продуцента высока, причем в основном из-за затраты большого количества ручного труда. Механизация процесса выращивания возможна путем со­здания непрерывнодействующих установок или бескюветных ап­паратов с вертикальным толстым слоем питательной среды и интенсивным продуванием воздуха через этот слой.

Глубинную культуру микроорганизмов выращивают на жид­кой питательной среде при энергичной аэрации в герметически закрытых аппаратах и в стерильных условиях. Процесс полнос­тью механизирован. Стерильность глубинной культуры микроор­ганизма — продуцента ферментов положительно отражается на результатах сбраживания сусла дрожжами.

КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ.

Глубинные культуры микроскопических грибов в жидком виде не могут сохраняться длительный срок без потери актив­ности, перевозить их на большие расстояния вследствие значи­тельного содержания в них воды (до 85...90 %) также экономи­чески не всегда оправдано. Поэтому при организации снабжения культурой спиртовых заводов целесообразно ее предварительно концентрировать.

Концентрирование культур можно осуществлять на вакуум- выпарных установках с получением сиропов при температурах, обеспечивающих сохранение ферментов, или на распылительных сушилках с получением порошкообразного ферментного пре­парата. Однако эти способы сопровождаются значительными по­терями активности (до 50 %) и поэтому не нашли распростране­ния на спиртовых заводах. Начиная с семидесятых годов во ВНИИПрБТ был разработан и внедрен на Мичуринском экспе­риментальном заводе способ концентрирования глубинных куль­тур ультрафильтрацией.

Способ основан на проведении процесса фильтрации через ряд полупроницаемых мембран, в результате чего ферменты и другие высокомолекулярные вещества задерживаются или выво­дятся из аппарата в виде ультраконцентрата (концентрированно­го сиропа). Вода и часть низкомолекулярных веществ' (пермеат) проходят через мембраны и также удаляются.

Перед подачей на установку (рис. 49) чистая жидкая культура с достаточной ферментативной активностью направляется на фильтр-пресс и суперцентрифугу. После отделения мицелия и других взвешенных частиц очищенная культуральная жидкость из сборника 2 насосом 1 через вентиль 4 подается в установку, разделенную на три циркуляционных контура, каждый из кото­рых имеет циркуляционный насос 3, пять последовательно уста­новленных ультрафильтрационных аппаратов 6 (/, II, III, IV, V), теплообменник 7, регулирующий вентиль 8, расходомер 5. Кон­туры последовательно связаны переточными коммуникациями с регулирующими вентилями. Главная часть фильтрующих элементов — полупроницаемые мембраны с определенным диаметром пор.

Режим движения жидкости по каналам — турбулентный, при этом температура ее увеличивается. Для отвода теплоты в каж­дом контуре устанавливается теплообменник 7, в котором в ка­честве охлаждающего агента применяется вода. При прохожде­нии контура А концентрация сухих веществ в культуральной жидкости увеличивается с 1...2 до 4...5 %, в контуре Б повыша­ется до 8...9 % и в контуре 5 —до 20 %. Фильтрат из каждого контура удаляется, а концентрат отводится в отдельный сборник или разливается в бачки из нержавеющей стали или полиэтиле­новые канистры и транспортируется потребителям.

Потери активности при ультрафильтрации составляют до 15 % в пересчете на первоначальную активность исходной освет­ленной культуральной жидкости.

При использовании концентрированных препаратов на стан­ции осахаривания применяют обычное оборудование для дозиро­вания ферментных осахаривающих материалов.

· 9. Стадии осахаривания, влияния технологических параметров на скорость осахаривания сырья, понятие синергического эффекта. Сравните аппаратурно-технологические схемы осахаривания (периодическое, непрерывное, с вакуум охлаждением). Технологические потери при осахаривании и пути их снижения. Физико-химические показатели зерно-картофельного сусла.

СПОСОБЫ ОСАХАРИВАНИЯ

Осахаривание разваренной массы, как правило, осуществляют непрерывным способом и лишь на некоторых заводах малой мощности — периодическим.

Независимо от способа процесс осахаривания складывается из следующих операций:

охлаждение разваренной массы до определенной температу­ры, которая после смешивания массы с солодовым молоком (микробной культурой) понизится до заданной для осахарива­ния;

смешивание разваренной массы с солодовым молоком (мик­робной культурой);

осахаривание крахмала;

охлаждение сусла до температуры «складки» — начальной тем­пературы брожения сусла;

перекачивание сусла в бродильное и дрожжевое отделения завода.

Все эти операции, кроме перекачивания сусла, при периоди­ческом процессе выполняются в одном аппарате, называемом заторным баком; при непрерывном процессе — или в отдельных аппаратах, установленных последовательно, или в одном аппара­те (сочетается несколько операций).

НЕПРЕРЫВНОЕ ОСАХАРИВАНИЕ

Способы непрерывного осахаривания с момента их возникно­вения претерпели значительные изменения, но все их варианты до сих пор применяют на спиртовых заводах

По этому способу охлаждение разваренной массы, смешива­ние с солодовым молоком (микробной культурой) и осахарива­ние ведут в одном аппарате *— осахаривателе, а сусло охлаждают в теплообменнике.

Осахариватель (рис. 57) представляет собой цилиндрический котел 12 со сферическим или коническим днищем, снабженный пропеллерной мешалкой 77, приводимой во вращение от электродвигателя 8 через редуктор 7. Частота вращения мешалки

120.. .270 об/мин. Сверху аппарат закрыт крышкой с вытяжной трубой (не показанной на рисунке) для удаления выделяющихся паров. Для организованного движения массы при перемешива­нии внутри установлен диффузор 10 с раструбом внизу. Вверху диффузор переходит в улиткообразный патрубок, через который масса выбрасывается в пространство между диффузором и кор­пусом аппарата. Масса охлаждается водой, подаваемой в змеевик 7, составленный из труб диаметром 50...70 мм, площадью около 2 м² на 1 м³ вместимости аппарата.

Разваренная масса поступает в аппарат по трубе 3> имеющей кран 4, солодовое молоко — через штуцер 9, выводится сусло по трубе 13. Равномерное поступление разваренной массы и посто­янство ее объема в аппарате обеспечиваются автоматически по­плавковым регулятором уровня 6, соединенным рычагом 5 с краном подачи разваренной массы. Для контроля за температу­рой в гильзе 2 установлен .манометрический дистанционный тер­мометр.

Аппарат заполняют массой на 75...80 % от общего его объема. Продолжительность пребывания сусла в аппарате 20...25 мин. Расход

Рнс. 57. Осжхжршатель непрерывно­го действия

воды температурой 10... 15 ‘С — 0,8..Л м на 1 м сусла.

В начале производства в чис­тый и стерилизованный осахари­ватель подают часть солодового молока и воду для покрытия ло­пасти мешалки. Приводят во вращение мешалку и из паросе- паратора спускают разваренную массу до полного покрытия зме­евика. В змеевик направляют хо­лодную воду, которая затем про­должает поступать непрерывно. При снижении температуры массы до 65 *С вводят солодовое молоко, что снижает температу­ру до 57...58 *С. Когда масса в аппарате осахарится, начинают
непрерывную подачу разварен­ной массы, солодового молока и непрерывное выведение сусла из аппарата.

Вода Рис. 58. Теплообменник типа «труба в трубе»

Поступление солодового мо­лока из расходного сборника регулируется дозатором, работа­ющим синхронно с плунжером насоса, откачивающего сусло.

Температура осахаривания под­держивается автоматически ре­гулирующим клапаном на линии подачи воды в змеевик: 57...58 ‘С при использовании со­лода, поверхностной культуры плесневых грибов, а также смеси солода и поверхностной культуры, 55...56 *С при применении глубинной культуры плесневых грибов.

Сусло из осахаривателя указанным выше плунжерным насо­сом перекачивают через теплообменник в бродильный бак. В теплообменнике типа «труба в трубе» (рис. 58) сусло движется по внутренней трубе сверху вниз, вода — по кольцевому каналу между внутренней и внешней трубами снизу вверх. Сусло охлаж­дается до температуры складки: 25...26 'С при двухсуточном и непрерывном брожении, 18...20*С при трехсуточном. Температу­ра охлаждающего сусла поддерживается автоматически, для чего у выхода его из теплообменника находится гильза для установки манометрического дистанционного термометра, связанного с ис­полнительным механизмом на трубе, подающей воду в теплооб­менник.

В зависимости от времени года (начальной температуры воды) охлаждение продолжается 5...6 мин зимой и 15 мин летом. Вследствие противоточного движения в теплообменнике сусла и воды последнюю можно нагреть до температуры 43...48 °С.

ОСАХАРИВАНИЕ С ОДНОСТУПЕНЧАТЫМ ВАКУУМ-ОХЛАЖДЕНИЕМ

При этом способе разваренную массу до поступления в одноступенчатый осахариватель охлаждают до 62...63 °С в ваку- ум-испарительной камере, затем в осахаривателе смешивают с солодовым молоком, в результате чего температура снижается до 57...58 *С.

В осахаривателе отсутствуют теплообменная поверхность и диффузор, пропеллерная мешалка расположена сбоку, а на крышке установлен фильтр для сообщения верхней части аппа­рата с атмосферой и предотвращения попадания в сусло микро­флоры.

Из паросепаратора 1 (рис. 59) разваренная масса по трубе 2 поступает в испарительную камеру 3, в которой поддерживается разрежение 0,08 МПа. Вследствие самоиспарения воды темпера­тура почти мгновенно понижается до соответствующей этому разрежению и равной 62 ^вС. Вакуум в камере создается в резуль­тате конденсации выделяющегося пара водой в конденсаторе 4. Смесь воды, конденсата и неконденсирующихся газов откачива­ется мокровоздушным насосом 5 типа РМК.

Охлажденная масса по барометрической трубке 6 стекает в осахариватель 7. Одновременно по трубе 8 в трубу 2 засасывается

10.. . 15 % сусла из осахаривателя, вследствие чего снижается вяз­кость массы, облегчается отделение пара и уменьшается унос с ним крахмала. После добавления к разжиженной массе солодо­вого молока из расходных бачков 9 с помощью дозатора 10 температура ее снижается до 57...58 ^вС и сохраняется на этом уровне все время. Продолжительность осахаривания — не менее 10 мин.

Уровень массы в осахаривателе поддерживается автоматичес­ки посредством поплавкового регулятора, связанного рычагом с заслонкой на продуктовой трубе. Солодовое молоко дозируется в

Рве. 59. Схем» непрерывного осяхартання с одноступенчатым вакуум-охлажде­нием разваренной массы

зависимости от скорости откачивания сусла насосом 77 в тепло­обменник 12. Для задержания песка перед насосом установлена ловушка 13.

ОСАХАРИВАНИЕ С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ВАКУУМ-ОХЛАЖДЕНИЕМ

Сущность способа заключается в том, что не только разварен­ную массу перед осахариванием, но и сусло охлаждают до темпе­ратуры брожения в результате создания вакуума в испарительных камерах первой и второй ступеней. Разрежение в испарительной камере второй ступени образуется пароэжекторным вакуум-насо­сом. При этом способе полностью исключаются громоздкие теп­лообменники и появляется возможность вторичного использова­ния воды для охлаждения.

Разваренная масса поступает из паросепаратора 7 (рис. 60) в испа­рительную камеру 3, в которой постоянно поддерживается разре­жение 0,08 МПа при помощи ба­рометрического конденсатора 2 и суховоздушного вакуум-насоса 4. Барометрическая вода сливается в сборник 12, а охлажденная масса температурой 62...63 *С по баро­метрической трубе 9 направляется в осахариватель 13, снабженный мешалкой. Одновременно из рас­ходных бачков 10 через дозатор 11 поступает солодовое молоко, и тем­пература снижается до 57...58 ’С. Продолжительность осахаривания не менее 10 мин.

Рас. 60. Схема непрерывного осаха- с двухступенчатым вакуум- охлаждеяяем

Из осахаривателя сусло перете­кает через ловушку 14 во вторую испарительную камеру 8, в кото­рой поддерживается разрежение 0,098 МПа, создаваемое барометрическим конденсатором 7 и па­роэжекторным вакуум-насосом 6. При этом сусло охлаждается до 20 *С и стекает в сборник- 75. Барометрическая вода собирается в сборник 18 и частично направляется насосом 77 на пароэжектор­ную установку, работающую с использованием пара, поступающего из коллектора 5 Конденсат с водой из пароэжекторной установки собирается в том же барометрическом сборнике. Охлажденное сусло из сборника 75 насосом 16 перекачивается в бродильное отделение. Сусло для приготовления дрожжей отбирают непосред­ственно из осахаривателя при температуре 57...58 °С.

При температуре воды, охлаждающей конденсатор, около

10.. . 12 *С барометрическая вода из сборника 18 может быть ис­пользована также для охлаждения конденсатора 2.

ТРЕХСТУПЕНЧАТОЕ ВАКУУМ-ОХЛАЖДЕНИЕ СУСЛА

С целью сокращения расхода воды на охлаждение сусла с

57.. .58 до 20 *С вакуум-испарительную камеру и соответственно конденсатор разделяют на три части (секции) и устанавливают четыре пароэжекторных вакуум-насоса.

Установка (рис. 61) работает следующим образом. Сусло из осахаривателя 4 через песколовушку 5 центробежным насосом 3 подают в верхнюю секцию вакуум-испарительной камеры 9,

Затем посредством боковых отводов с гидрозатворами оно стека­ет в среднюю и, наконец, в нижнюю секцию камеры, по баро­метрической трубе поступает в сборник 6, а из него насосом 7 направляется в бродильное отделение. Разрежение в вакуум-ис- парительной камере создается в результате конденсации паров, выделяющихся при самоиспарении воды в трехсекционном кон­денсаторе 10. Из верхней и средней секций конденсатора некон- денсирующиеся газы откачивают головными соответственно 12 и 11 пароэжекторными вакуум-насосами, неконденсирующиеся газы из нижней секции через концевой конденсатор 13 — паро­эжекторным насосом 15. Нормальное давление на выходе паро­эжекторного насоса 15 создается с помощью дополнительных конденсатора 14 и выхлопного пароэжекторного насоса 16.

Барометрическая вода из конденсаторов 10, 13 и 14 стекает в барометрический сборник / и откачивается насосом 2. Расход сусла и воды поддерживается с помощью клапанов 8.

При вакуумном охлаждении разваренной массы вследствие его быстроты предотвращается ретроградация амилозы, затруд-

Р*С. 61. Техволоппескжя схемж трехступенчатого шууи-охлвщяеш

няющая осахаривание. В результате вакуумного охлаждения как разваренной массы, так и сусла концентрация сусла повышается примерно на 1 % по сахарометру и содержание спирта в бражке на 0,5 %, благодаря чему увеличивается съем спирта с единицы бродильной емкости на 5,8 %. Кроме того, при этом охлаждении снижаются потери сбраживаемых углеводов в бражке в среднем на 0,3 % и соответственно увеличивается выход спирта; умень­шается содержание метанола, фурфурола и других летучих при­месей в сусле на 10... 12 %, что облегчает ректификацию и улуч­шает качество спирта; снижается обсемененность сусла посто­ронними микроорганизмами; расход осахаривающих материалов уменьшается на 10...15 %, расход воды и электроэнергии — на

30.. .35 %; улучшаются условия труда.

ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ОСАХАРИВАНИЕ

Устройство заторного аппарата мало чем отличается от уст­ройства осахаривателя первой ступени (рис. 62). Аппарат имеет чашеобразную форму, снабжен змеевиковой поверхнос­тью охлаждения и мешалкой. На крышке аппарата расположе­

ны привод мешалки, вытяжная труба, штуцер для подачи соло­дового молока и колпак, под который подведена выдувная труба разваренной массы. В нижней части имеются штуцер для выпус­ка сусла и канализационный штуцер. Разваренная масса, ударя­ясь о колпак, разбрызгивается и равномерно распределяется по поверхности. Это исключает местные перегревы и инактивацию амилазы.

Мешалка — пропеллерная или эвольвентная (частота враще­ния 80... 100 об/мин), сообщающая массе кроме круторого и по­ступательное движение снизу вверх. Вода подается в нижнюю часть змеевиков и выводится сверху. Направление движения воды противоположно направлению движения мешалки. На 1 м³ полезного объема аппарата приходится около 3 м² теплообмен­ной поверхности змеевиков. Летом, когда температура воды выше, к заторному аппарату подключают выносной холодильник типа «труба в трубе», через который сусло прокачивается центро­бежным насосом.

Осахаривание ведут в следующем порядке. В заторный аппа­рат набирают 5 % общего количества солодового молока и столь­ко холодной воды, чтобы покрылись лопасти мешалки. Затем при работающей мешалке быстро выдувают массу из разварни- ков. Когда температура выдуваемой массы достигнет 75...80 ’С, пускают в змеевики воду, продолжая выдувание и охлаждение. По окончании выдувания массу охлаждают до 62...63 *С, добав­ляют остальное количество солодового молока или грибной

культуры, перемешивают 5 мин и в течение 15...20 мин осахари- вают массу без перемешивания.

Сусло охлаждают до 30 °С, пропуская через змеевики воду, при работающей мешалке. При этой температуре в сусло, кото­рое первым подается в бродильный бак, вводят все дрожжи (6...8 % по заливаемому объему бродильного бака) и сусло с дрожжами охлаждают до температуры складки. С такой темпера­турой сусло сливают в бродильный бак и в том случае, когда дрожжи не добавляют в заторный аппарат. Конденсация сусла, как и при непрерывном осахаривании, должна находиться в пре­делах 16... 18 % по сахарометру.

КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССА ОСАХАРИВАНИЯ

Из сусла отбирают пробы: при непрерывном осахаривании

6.. .8 раз в смену через специальный кран на суслопроводе меж­ду теплообменником и бродильным баком — в случае двухсту­пенчатого процесса или из осахаривателя — в случае односту­пенчатого; при периодическом процессе — от каждого заторно­го аппарата в конце осахаривания. Из отдельных проб составля­ют средние.

Пробы сусла фильтруют через плотную хлопчатобумажную ткань и в прозрачном фильтрате определяют концентрацию су­хих веществ (сахарометром или рефрактометром), кислотность (титрованием едким натром в присутствии метилового красного как индикатора) и полноту осахаривания (по йодной пробе). Если окраска сусла с йодом не изменяется, — осахаривание прошло нормально; красная окраска свидетельствует об избытке декстри­нов, сине-фиолетовая — о присутствии неосахаренного крахмала. Такое изменение окраски с йодом характерно только при получе­нии сусла осахариванием разваренной массы солодом; при осаха­ривании ферментными препаратами плесневых грибов окраска может оставаться сине-фиолетовой и исчезает при брожении.

· 10. Характеристика производственных рас спиртовых дрожжей. Физиологические особенности рас дрожжей, культивируемых на крахмалистом сырье и мелассе. Обоснуйте перспективы применения сухих спиртовых дрожжей.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДРОЖЖЕЙ

Сахар, содержащийся в сусле, сбраживают в спирт дрожжами Saccharomyces cerevisiae, представляющими собой одноклеточные микроорганизмы, относящиеся к классу аскомицетов (сумчатых грибов).

Обычно дрожжи размножаются почкованием и очень редко (при большом дефиците питательных веществ) спорообразова­нием.

Дрожжевые клетки бывают яйцевидной, эллипсоидальной, овальной или вытянутой формы, которая, как и их длина (6...11 мкм), зависит от вида дрожжей и условий развития. Отно­шение поверхности клетки к ее объему влияет на скорость мас­сообменных процессов между клеткой и питательной средой и, следовательно, на интенсивность жизнедеятельности дрожжей.

Так, отношение поверхности клетки к ее объему дрожжей Sacch. cerevisiae расы XII равно 0,46, термотолерантных дрожжей Sacch. cerevisiae К-81 — 0,5...0,62, дрожжей Schizosaccharomyces pombe — 0,46. Дрожжи расы К-81 накапливают больше биомассы дрожжевых клеток, чем дрожжи расы XII, при различных значе­ниях pH среды (3,2...4,2) и оптимальной температуре для каждой из них.

Дрожжевая клетка состоит из оболочки, цитоплазмы и ядра. Наружная часть оболочки образована полисахаридами типа ге­мицеллюлоз, преимущественно маннаном и небольшим количе­ством хитина, внутренняя часть — белковыми веществами, фос­фолипидами и липоидами. Оболочка регулирует состояние кле­точного содержимого и имеет избирательную проницаемость, чем существенно отличается от обычных полупроницаемых мем­бран. Толщина клеточной стенки дрожжей до 400 нм.

Цитоплазматическая мембрана (плазмалемма) имеет толщину

7.. .8 нм, расположена под клеточной стенкой и отделяет ее от цитоплазмы. Плазмалемма — основной барьер, определяющий осмотическое давление в клетке, — обеспечивает избирательное движение питательных веществ из среды в клетку и вывод мета­болитов из клетки. Плазмалемма состоит из бимолекулярного слоя липидов, в который включены белковые молекулы. Липиды ориентированы неполярными концами внутрь, друг к другу, а полярными — наружу.

Перемещение веществ через цитоплазматическую мембрану происходит вследствие молекулярной диффузии (по градиенту концентрации) и в результате активного движения, в котором участвуют специфические ферменты, и в этом случае вещества могут поступать в клетку и против градиента концентрации. Например, аминокислоты легко проникают в клетку из среды, даже если их концентрация в цитоплазме в 100...200 раз выше, чем в питательной среде.

Цитоплазма имеет гетерогенную структуру и вязкую консис­тенцию. Коллоидный характер ее обусловлен белковыми вещест­вами. Кроме них в цитоплазме содержатся рибозонуклеопротеи- ды, липоиды, углеводы и значительное количество воды. Цито­плазма молодых клеток внешне гомогенна. При старении в ней появляются вакуоли, равномерная зернистость, жировые и липо­ид ные гранулы. В цитоплазме с ее органоидами (хондриосомами, микросомами, вакуолями) и включениями протекают важнейшие ферментативные процессы.

Митохондрии (хондриосомы) имеют форму зернышек, пало­чек или нитей. Митохондриальные мембраны состоят из белков (80 %) и липидов (20 %). В состав митохондрий входят также полифосфаты, РНК и ДНК. Митохондрии размножаются само­стоятельно, реплицируя собственную митохондриальную ДНК и продуцируя собственные белки. Питательные вещества, прони­кающие в клетку, адсорбируются и аккумулируются хондриосо­мами и подвергаются быстрым превращениям вследствие кон­центрации в этих участках клетки соответствующих ферментов. В митохондриях полностью осуществляются цикл трикарбоновых кислот и важнейшая энергетическая реакция — окислительное фосфорклирование. Поэтому их рассматривают как основную «силовую станцию» клетки. Здесь же происходят реакции акти­вирования аминокислот в процессе синтеза белка, липидов и других соединений.

Микросомы (рибосомы) представляют собой включения в виде субмикроскопических зернышек, состоящих из липидов, белков и рибонуклеиновых кислот (РНК), которые обеспечивают синтез белков за счет активированных аминокислот, поступаю­щих из митохондриальной системы.

Ядро — небольшое шаровидное или овальное тело, окружен­ное цитоплазмой и нерастворимое в ней. В ядерных структурах обособлены в виде включений дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и ее протеид (ДНКП), содержится большое количество РНК. ДНК способствует передаче наследственной информации, сохранению свойств микроорганизмов. В ядре осуществляются транскрипция (синтез молекул информационных РНК путем считывания информации с ДНК с помощью фермента РНК — полимеразы), а также репликация ДНК при делении клетки.

Обязательный органоид клетки вакуоли — полости, наполнен­ные клеточным соком и отделенные от цитоплазмы вакуолярнои мембраной. Форма вакуолей изменяется вследствие движения и контракции цитоплазмы. Вакуоль в молодых клетках состоит из множества мелких полостей, в старых — из одной очень боль­шой. Клеточный сок представляет собой водный раствор различ­ных солей, углеводов, белков, жиров и ферментов. В вакуолях сосредоточиваются различные соединения, которые должны под­вергаться ферментативным превращениям, образуются продукты жизнедеятельности и отбросы.

В молодых дрожжевых клетках жира обычно нет, в зрелых он содержится лишь в немногих клетках в виде мелких капелек, в старых — крупных капель.