Полунепрерывная схема разваривания и осахаривания
Сырье (рис.5.10) после взвешивания распределительным шнеком направляется в предразварники 1. Это цилиндро-конические герметические аппараты, по объему равные разварнику, работающие без повышенного давления (рис.5.11). Предразварники оборудованы загрузочными и спускными люками и парораспределительной системой. Загруженное в предразварник сырье после добавления к нему горячей воды подогревается до состояния набухания циркуляционным или сдувочным паром (экстрапаром), который поступает из выдерживателя.
Подогретое сырье из предразварника поступает в разварник 2, где при установленном режиме варится и выдувается за 10-15 мин до полной готовности в выдерживатель-паросепаратор 3.
Выдерживатель представляет собой высокий цилиндрический сосуд, объем которого не менее трех объемов разварника. Разваренная масса вводится в верхнюю часть тангенциально, сюда же вводится и циркуляционный пар. Высота пространства над вводом разваренной массы должна быть не менее 1,5 м.
В верхней части установлен паросепаратор, отделяющий экстрапар, который направляется в предразварники для подогрева сырья, а избыток в бак для подогрева воды. Выдерживатель снабжен гидравлическим затвором, поддерживающим избыточное давление 0,5 ати. В выдерживателе масса находится 40-45 мин.
Масса из разварников выдувается в выдерживатель поочередно с таким расчетом, чтобы он постоянно был заполнен. Далее начинается непрерывный процесс выдержки и поступления сваренной крахмалистой массы в осахариватель и ее осахаривание.
При непрерывном осахаривании заторно-холодильный чан называется осахаривателем. Он представляет собой аппарат типа заторного чана, но по объему значительно меньше, так как время пребывания в нем разваренной массы всего 15-25 мин. Для первоначального заполнения осахаривателя вначале задают в него 5% солодового молока, воду, чтобы покрыть лопасти мешалки, и заполняют осахариватель разваренной массой из выдерживателя при работающей мешалке.
После заполнения и охлаждения до 60°С спускают остальное количество солодового молока, рассчитанное для данного количества крахмала, находящегося в осахаривателе, и останавливают мешалку на 15-20 мин для осахаривания. Проверив полноту осахаривания, включают насос для перекачивания сусла через теплообменник в бродильный чан. Одновременно в осахариватель спускают массу из выдерживателя и солодовое молоко из расходного чана. Таким образом осуществляется непрерывное осахаривание при постоянной температуре и откачке сусла на расхолодку.
Расхолодка сусла до температуры складки осуществляется в теплообменнике типа “труба в трубе”, который устанавливается на пути движения сусла в бродильные чаны.
Важным условием хорошего осахаривания является поддержание постоянной температуры и правильной дозировки разваренной массы и солодового молока. Расход солодового молока составляет 12-15% от объема сусла. Солодовое молоко подается специальным дозатором. Лучшим видом дозировки является применение трехплунжерного насоса, один из плунжеров которого предназначен для подачи солодового молока в осахариватель, а остальные - для перекачивания осахаренной массы на холодильник. Применяются также дозаторы, выполненные в виде турникета.
Непрерывный процесс ведется до остановки на дезинфекцию.
Непрерывное разваривание
Непрерывное разваривание характеризуется тем, что обрабатываемая масса постоянным потоком движется через варочный аппарат, входя в него в сыром виде и удаляясь в готовом. При непрерывном разваривании необходимо обеспечить равномерный поток развариваемой массы в аппарат. Всякое отклонение в движении массы вызывает неравномерность ее разваривания. Поэтому для успешного проведения процесса необходимо создать условия, устраняющие проскок и запаздывания в движении отдельных частиц массы в варочном аппарате. Во всех схемах непрерывного разваривания применяют сырье в измельченном виде. Непрерывное разваривание размельченного сырья состоит из следующих операций: дробление сырья, дозирование его и воды, приготовление замеса (смеси дробленного зерна и воды) и разваривания. Процесс разваривания состоит из двух стадий: нагрев замеса (или картофельной кашки) до температуры варки и выдержка замеса при этой температуре.
Схемы отличаются друг от друга применяемыми аппаратами, а также машинами для дробления и величиной раздробленных частиц. Тонкое дробление позволяет проводить разваривание при мягком режиме, крупное дробление требует более жесткого режима. Во всех схемах непрерывного разваривания предусмотрена установка паросепаратора для отделения пара от разваренной массы.
Чемерская схема. Схемой (рис. 5.12.) предусмотрено дробление зерна и картофеля на молотковых дробилках, приготовление замеса, нагрев замеса вторичным паром, разваривание в варочном аппарате в распыленном состоянии и доваривание в выдерживателе.
Замес нагревают вторичным паром в смесителе до 50°С. Для полного использования вторичного пара производят дальнейший нагрев замеса в аппарате предварительного нагрева. Он представляет собой цилиндрический сосуд с коническими крышкой и днищем. В верхнюю часть этого аппарата вмонтирован распылительный диск, закрепленный на валу и вращающийся со скоростью 700-800 об/мин. Зерновой замес или картофельную кашку плунжерным насосом подают на распылительный диск этого аппарата; масса распыляется в горизонтальной плоскости, попадает на стенки аппарата и в виде тонкой пленки стекает вниз. Зерновой замес греют от 50 до 85-90°С. Нагрев производят быстро, клейстеризации крахмала почти не происходит, и поэтому нагретый замес перекачивают насосом в варочный аппарат без затруднений.
Варочный аппарат и выдерживатель представляют собой обычные цилиндроконические разварники. Внутри варочного аппарата в верхней части расположен распылительный диск, как и в аппарате предварительного нагрева; на высоте 1,8 м от нижнего днища установлен поплавок-регулятор, таким образом, часть емкости варочного аппарата используют для выдержки массы при заданной температуре. Пар подают в нижнюю часть аппарата и вводят непосредственно в массу. В варочном аппарате масса вторично распыляется, при смешивании с паром быстро нагревается и выдерживается здесь в течение 8-9 мин при 130°С при переработке картофеля и 140°С при переработке зерна.
Разваренная масса из варочного аппарата поступает в выдерживатель, где ее выдерживают 26-30 мин, затем - в паросепаратор. Массу из паросепаратора направляют на осахаривание.
Мичуринская схема. Зерно дробят на молотковых дробилках или вальцовых станках (рис. 5.13), картофель-на картофельных терках или молотковых дробилках. Зерновой замес или картофельную кашку нагревают в предразварнике, разваривают в варочной колонне и доваривают в выдерживателе. Зерно с нормальной влажностью дробят сухим способом. Зерно с влажностью выше 17% дробят мокрым способом. Дробление зерна крупное. Это позволяет нагревать замес до 80-85°С, благодаря чему уменьшается расход пара на разваривание. Замес нагревают в предразварнике циркуляционным и вторичным паром. Нагретый замес или картофельную кашку подают насосом в варочную колонну, которая представляет собой вертикальный стальной цилиндр, разделенный по высоте восемью наклонными перегородками на девять секций. Перегородки имеют отбортовку вниз для того, чтобы проходящий пар мог бы собираться под перегородкой и образовывать паровые подушки. Паровая подушка облегчает перемешивание массы в каждой из секций. Поступление массы в колонну производится в верхней части под первую перегородку. В верхней крышке смонтированы штуцер для отвода циркуляционного пара и штуцер для соединения с выдерживателем для поддержания одинакового давления в этих аппаратах.
Работа варочной колонны происходит следующим образом. В первую секцию варочной колонны насосом подают замес. Масса передвигается непрерывно, проходя все секции до выхода. Одновременно в нижнюю секцию колонны подают греющий пар, который проходит все секции, подогревая и перемешивая массу, конденсируется в верхней части. Несконденсированный пар и воздух из колонны по циркуляционному трубопроводу отводится направляется в предразварник. Температуру разваривания поддерживают в пределах 135-140°С. Время прохождения массы через колонну 20-25 мин. Масса из варочной колонны поступает в выдерживатель, где окончательно доваривается и через паросепаратор, где отделяется от нее пар, откачивается на осахаривание.
Загородная (Рязанская) схема. Дробление картофеля производится на картофелетерках, зерна - на вальцовых станках мокрым способом (рис. 5.14). Замес нагревают в смесителе и затем разваривают в варочном аппарате. Разваренную массу не выдерживают.
Благодаря мокрому помолу из вальцового станка в смеситель поступает зерновой замес, где его подогревают вторичным паром из паросепаратора до 60-70°С. При таком нагреве используют значительное количество вторичного пара, но при этом происходит ферментативный гидролиз крахмала и полученные сахара теряются в результате образования мелаидинов. При переработке картофеля в смесителе картофельную кашку не нагревают.
Варочный аппарат (рис. 5.15) представляет собой вертикальную колонну, внутри которой вращается вал с пятью дисками. Между дисками по высоте колонны установлено пять конических насадок. Вал с дисками приводится в движение от электродвигателя. Частота вращения вала 500 об/мин. Пар вводят в колонну в трех точках на разной высоте аппарата. Разваренную массу отводят снизу. Температура нагрева массы в колонне 150-152°С.
Длительность варки в колонне 4 мин.
Мироцкая схема разваривания. Схемой (рис. 15.16) предусмотрено дробление зерна на вальцовом станке, картофеля - на молотковой дробилке, приготовление зернового замеса, нагрев замеса и картофельной кашки - в трубчатом теплообменнике вторичным паром и разварнике - трубчатом варочном аппарате.
Измельченное зерно поступает в стекатель, где его смешивают с водой и полученный замес подогревают вторичным паром до 45- 50°С. Зерновой замес или картофельную кашку подают насосом в варочный аппарат через теплообменник типа “труба в трубе”. По внутренней трубе движется масса, а в межтрубном пространстве - пар из паросепаратора. Нагрев производят до 75°С за 1-1,5 мин. В отличие от других схем непрерывного разваривания по Мироцкой схеме подогрев массы осуществляют на нагнетательном трубопроводе насоса, а не на всасывающем. Подогрев массы после насоса облегчает его работу и сокращает время пребывания массы при 50-70°С, что предотвращает крахмал от гидролиза, тем самым снижая потери связанные с образованием меланоидинов. Варочный аппарат состоит из контактной головки и трубчатой системы. Контактная головка (рис. 5.17) состоит из паровой камеры и внутренней цилиндрической трубки с отверстиями, в верхней части трубки выполнено сужающееся отверстие-сопло. Замес или кашку картофельную непрерывно подают насосом во внутреннюю трубку контактной головки. Одновременно через отверстия трубки поступает греющий пар под давлением 7-8 ати. При этом контактная головка работает как инжектор, одновременно обеспечивая энергичное перемешивание с паром и инжектируя его из нагнетательного трубопровода насоса. В контактной головке замес нагревается до 165-170°С. Контактная головка крепится непосредственно к трубчатой системе аппарата, которая состоит из вертикальных труб диаметром 150 мм, последовательно соединенных горизонтальными трубами такого же диаметра под прямым углом. На всех фланцевых соединениях по ходу продукта установлены диафрагмы с отверстиями диаметром 40-50 мм. При прохождении массы через диафрагмы скорость ее движения значительно возрастает, а давление и температура понижаются. Вследствие перепадов температуры и давления, вызванных диафрагмами, масса перемешивается и растительная ткань сырья диспергируется (измельчается). Прямоугольные коленчатые переходы усиливают перемешивание и диспергирование массы. На выходе аппарата поддерживают температуру 145-150°С. Продолжительность разваривания 1,5-2 мин. Масса из аппарата поступает в паросепаратор, а затем на осахаривание.
Преимуществами непрерывного разваривания являются: увеличение выхода спирта на 0,8- 1,2 дал из тонны крахмала, улучшение условий труда и техники безопасности в варочном отделении, увеличение производительности оборудования варочного отделения, снижение расхода пара и более равномерное его потребление.
Мироцкая схема обеспечивает наиболее высокий выход спирта из тонны крахмала, аппаратурное оформление ее несложное, но эта схема требует применения пара относительно высокого давления (7-8 ати). Наименьший расход пара на разваривание получен при Мичуринской схеме. Чемерская схема позволила в свое время использовать существовавшее оборудование периодических схем разваривания. В последние годы для непрерывного разваривания крахмалистого сырья применяются установки Р3-ВРА-2000 и А2-ВРА-3000, разработанные ВНИИ пищевой биотехнологии и НПО "Пищепромавтоматика”, выпускаемые серийно Смелянским машзаводом. Они и являются настоящее время основными.
Установка непрерывного разваривания крахмалистого сырья РЗ-ВРА-2000 работает следующим образом (рис. 5.18). Измельченное в молотковой дробилке зерно поступает в бункер, откуда дозируется на весоизмерительное устройство и направляется в смеситель. Одновременно сюда подается вода температурой 40-50°С в количестве, пропорциональном массе измельченного зерна. Из смесителя замес подается плунжерным насосом в подогреватель, где нагревается вторичным паром, поступающим из паросепаратора, до 40-85°С и через промежуточную емкость, служащую для стерилизации плунжерного насоса, поступает в последний. Подогретый замес подается в контактную головку, где нагревается до температуры разваривания (130-150°С). Замес и часть несконденсировавшегося пара 1,5 мин выдерживается в трубчатом разварнике, где пар окончательно конденсируется. При прохождении по разварнику вязкость массы снижается под действием температуры и высокой скорости сдвига, развиваемой насосом. Из разварника масса направляется в выдерживатель, где находится под давлением, соответствующим температуре разваривания, в течение 40-45 мин, а затем выдувается в паросепаратор, охлаждается в нем до 102-108°С и идет на вакуум-охлаждение.
Картофель при переработке измельчается в молотковой дробилке и поступает в смеситель. Картофельная кашка плунжерным насосом подается в контактную головку острого пара, где нагревается до температуры разваривания. В дальнейшем процесс аналогичен переработке зерна.
Установка непрерывного разваривания А2-ВРА-3000 по конструкции аналогична установки Р3-ВРА-2000, но в ее состав входит еще один дополнительный выдерживатель (рис.5.19).
Таблица 5.3 Техническая характеристика установок непрерывного разваривания
| Показатели | Р3-ВРА-2000 | А2-ВРА-3000 |
| Производительность, дал/сутки | ||
| Расход электроэнергии, кВт/ч | 37,5 | |
| Расход пара при переработке зерна, кг/ч | ||
| Расход воды, м3/ч | 7-9 | 9-12 |
| Коэффициент автоматизации. % | ||
| Толщина стенок выдерживателя, мм | ||
| Установленный срок службы, лет | ||
| Габаритные размеры, мм | 9800х3000х100000 | 12800х3000х100000 |
| Масса, кг |
Непрерывное осахаривание. При непрерывном осахаривании все операции по приготовлению осахаренной массы заключаются в: охлаждении сваренной массы, смешивании ее с солодовым молоком, осахаривании, охлаждении осахаренной массы. Все эти операции производят одновременно в нескольких аппаратах, соединенных между собой.
Процесс осахаривания осуществляется по схеме (рис. 5.20). Сваренная масса из выдерживателя непрерывным потоком поступает в осахариватель первой ступени, куда также подают 30% солодового молока. Осахариватель первой ступени, как указывалось выше, выполнен по принципу заторно-холодильного чана. В нем поддерживается температура 60-61 °С с помощью змеевика. Длительность осахаривания 30-40 мин. Из осахаривателя первой ступени массу насосом подают в осахариватель второй ступени. Он состоит из нескольких труб общей длиной 5-6 м. Остальные 70% солодового молока подают в трубопровод перед насосом. Количество солодового молока дозируют строго пропорционально по количеству сваренной массы, поступающей на осахаривание (16-18%). В осахаривателе второй ступени поддерживают температуру 57-58°С, длительность осахаривания 2-5 мин. Солодовое молоко можно прибавлять в один прием. В этом случае в осахариватель поступает все солодовое молоко. В осахаривателе поддерживают температуру 57-58°С, длительность осахаривания 25-30 мин. Осахаренную массу подают в теплообменник, где масса охлаждается до температуры брожения.
Осахаривание разваренной массы ферментами плесневых грибов. Для осахаривания солод может быть заменен ферментами плесневых грибов, приготовленными по одному из способов, описанных выше. Применяют ферменты плесневых грибов Аспергиллюс авамори, Аспергиллюс оризе, Аспергиллюс нигер. Комплекс ферментов Аспергиллюс авамори характеризуется высоким содержанием а-гликозидазы и декстринофосфотазы и отсутствием протеолитических ферментов. Поэтому культуру Аспергиллюс авамори при осахаривании разваренной массы применяют в смеси с культурой Аспергиллюс оризе, обладающей высокой протеолитической активностью. Применяют смесь из 4% Аспергиллюс авамори и 1 % Аспергиллюс оризе от количества крахмала перерабатываемого сырья. Взвешенную культуру подают в сборник и размешивают с 4-5 объемами воды при 30-35°С, содержащей 0,1-0,15% формалина. Смесь перемешивают в течение 40-45 мин и перекачивают в расходный сборник, откуда она поступает в осахариватель. Температуру осахаривания поддерживают 57-58°С.
Плесневой гриб Аспергиллюс авамори можно также применять для частичной замены солода. В этом случае используют 2% культуры гриба и 4% перерабатываемого сырья для приготовления солода.
При применении глубинной культуры гриба Аспергиллюс нигер ее вносят в осахариватель, куда одновременно подают разваренную массу. Количество вносимой грибной культуры составляет 15% от объема разваренной массы. Температуру в осахаривателе поддерживают 55-56°С. Ферменты глубинной культуры гриба Аспергиллюс нигер штамм S-4 более устойчивы к нагреванию, чем ферменты других плесневых грибов. При применении этой культуры в осахариватель первой ступени вносят 5% общего количества культуры и поддерживают температуру 67-68°С. Остальные 95% культуры вносят в осахариватель второй ступени, где осахаривание ведут 2 минпри температуре 65° С.
Непрерывное осахаривание с вакуум-охлаждением. Известно, что с понижением давления снижается температура кипения жидкости. Если в закрытом сосуде с водой, температура которой 95°С, снизить давление до 0,2 кг/см2, то вода мгновенно закипит. На образование пара расходуется тепло, которое выделяется вследствие снижения температуры (в данном случае 95°С) до температуры кипения при данном давлении (59,7°С), поэтому вода охлаждается. Таким образом и производят охлаждение разваренной массы до температуры осахаривания, снижая давление. Для вакуум-охлаждения требуется вакуумная установка и испарительная камера (сепаратор), в которой поддерживают необходимое разрежение. Разрежение обычно создают при помощи конденсатора смешения или воздушного насоса. Пары из испарительной камеры поступают в конденсатор, куда для охлаждения подается вода. Для сравнивания разрежения и атмосферного давления вода из конденсатора поступает в барометрометрическую трубу, соединенную со сборником, который находится примерно на 10 м ниже конденсатора. Схема непрерывного осахаривания с вакуум-охлаждением показана на рис. 5.21. Разваренная масса из выдерживателя поступает в сепаратор - цилиндр с коническим днищем и сферической крышкой. В сепараторе создается разрежение 600-610 мм ртутного столба при помощи воздушного насоса, что позволяет охладить массу до 62-63°С. Пары из сепаратора поступают в конденсатор, а масса по барометрической трубе - в осахариватель. В осахариватель через дозатор поступает солодовое молоко или культура плесневых грибов. Осахаривание производят при 57-58°С в течение 5-15 мин. Осахаренная масса через теплообменник поступает в бродильный чан. Для разжижения разваренной массы в трубопровод между выдерживателем и сепаратором подается часть массы (5-10%) из осахаривателя.
Применение вакуум-охлаждения позволяет поддерживать постоянную температуру при осахаривании, вследствие чего происходит лучшее осахаривание и более полное сбраживание. При этом снижается расход солода и повышается выход спирта, снижается расход воды на охлаждение и расход энергии на осахариватель.
Показатели осахаренной массы. При переработке нормального сырья и правильном ведении технологических процессов осахаренная масса должна иметь ниже указанные показатели.
1. Концентрация массы (содержание сухих веществ) должна быть 16-17%, в том числе мальтозы 11-12%, декстринов 2-3%, несбраживаемых сухих веществ 2-3%. При пониженной концентрации массы в зрелой бражке будет содержаться меньшее количество спирта, что снижает производительность брагоперегонного аппарата и увеличивает расход пара на перегонку; при повышенной концентрации дрожжи могут не сбродить весь сахар.
2. Кислотность осахаренной массы зависит от количества кислот, перешедших в сырье. Естественная кислотность массы 0,25- 0,3°, что соответствует активной кислотности pH 4,9-5,6. Пониженная кислотность массы (менее 0,2°) способствует развитию инфекции и усиленному нарастанию кислотности при брожении, а повышенная (более 0,4°) ослабляет амилазу массы, что увеличивает количество неосахаренных декстринов в зрелой бражке.
3. Степень осахаривания определяется пробой на йод. Масса должна окрашиваться в желтый цвет и не должна давать с йодом красного окрашивания, а тем более фиолетового.
4. Осахаривающая способность зависит от содержания активной амилазы, способной осахаривать декстрины. Осахаривающей способностью называется наименьшее количество фильтрата осахаренной массы, необходимое для осахаривания 10 см30,2%-ного раствора крахмала в течение 6 мин.
При осахаривании солодом осахаривающая способность должна быть не более 0,5 см3, чем меньше эта величина, тем лучше, так как это свидетельствует о большем содержании амилазы в осахаренной массе.
5. Доброкачественностью осахаренной массы называется содержание суммы сброженных веществ (мальтоза + декстрины) на 100 частей сухих веществ. Если допустить, что осахаренная масса имеет такой состав: сухие вещества 17%, мальтоза 12%, декстрины 3%, доброкачественность массы в этом случае составит:
Доброкачественность осахаренной массы для различных видов сырья находится в таких пределах (%):
| Кукурузная | 87-88 |
| Картофельная | 82-84 |
| Овсяная | 80-82 |
| Ячменная | 78-80 |
| Ржаная | 76-78 |