Для спиртової і лікеро-горілчаної промисловості

вступ

Технологія спирту - це наука про способи та процеси переробки різних видів сировини у етиловий спирт. У цьому підручнику викладена технологія виробницт­ва етилового спирту із крохмалевмісної сировини - зерна, картоплі і цукровмісної сировини - бурякової меляси.*

При сучасній номенклатурі наук технологія спирту належить до біотехнології. Основні процеси одержання спирту - перетворення крохмалю в цукор і цукру в етиловий спирт під дією біологічних каталізаторів (ферментів). Оскільки фермен­ти для гідролізу крохмалю до цукрів синтезуються пліснявими грибами і бактерія­ми, а перетворення цукрів у спирт - дріжджами, технологія спирту нерозривно зв'язана з технічною мікробіологією.

Технологія спирту включає у себе такі процеси: підготовку сировини до роз­варювання, розварювання зерна і картоплі з водою для руйнування клітинної стру­ктури і розчинення крохмалю; охолодження розвареної маси і оцукрення крохмалю ферментами солоду або мікроорганізмів; зброджування цукрів дріжджами у спирт; виділення спирту із бражки і його ректифікацію, а також приготування солоду шля­хом пророщування зерна або культивування пліснявих грибів і бактерій для одер­жання амілолітичних і протеолітичних ферментних препаратів, виведення та роз­множення засівних дріжджів. При одержанні спирту із меляси переробляється цук­роза, яка міститься у ній, тому процеси розварювання та оцукрення виключаються.

У виробництві, крім основних продуктів, - спирту і діоксиду вуглецю - одер­жують побічні - головну фракцію етилового спирту (ГФ), сивушне масло. Діоксид вуглецю, який утворюється при спиртовому бродінні, вловлюють, очищують від домішок І перетворюють в рідкий або твердий продукт ("сухий лід")- Із мелясної бражки у двопродуктовій схемі, крім спирту і діоксиду вуглецю, одержують хлібо­пекарські дріжджі. Сивушне масло (суміш в основному ізоамілового, ізобутилово-го і н-пропілового спиртів) і ГФ, які виділяються у процесі ректифікації етилового спирту, випускають у вигляді технічних продуктів. ГФ у суміші з бензином цілком може бути використана як добавка до палива для автомобілів.

Барда - залишок після відгонки спирту із бражки. Зерно-картопляна барда мі­стить усі складові компоненти вихідної сировини, за вийнятком крохмалю, і дріж­джі. Невелика кількість азотистих речовин солоду і сировини витрачається на жив-

* Виробництво етанолу гідратацією етилену при комплексній переробці деревини методом кислот­ного гідролізу й утилізації сульфітних лугів розглядається в інших підручниках.

лення дріжджів, якими синтезуються повноцінні білки, вітаміни і інші біологічно важ­ливі речовини. Тому нативна зерно-картопляна барда - чудовий корм для тварин. У цілях збереження складу при короткочасному літньому зберіганні на деяких заводах рідку барду використовують для вирощування кормових дріжджів, концентрують і су­шать.

Мелясна барда, на жаль, по сьогодні вважається відходом, що забруднює приро­ду, її скидають на поля фільтрації, під які використовують родючі землі, крім цього, забруднюється повітряний басейн. На деяких заводах на барді вирощують кормові дрі­жджі, але натомість одержують у такому ж об'ємі вторинну (післядріжджову) барду або виробляють кормовий концентрат вітаміну В₁₂ (культивуванням метанових бакте­рій). Хоч у мелясній барді міститься багато гліцерину, глутамінової кислоти, бетаїну, калійних солей та ін., але вилучають їх у дуже незначних кількостях.

Етиловий спирт знаходить широке застосування. Харчова промисловість - його головний споживач: спирт використовують при виготовленні лікеро-горілчаних та плодово-ягідних напоїв, для кріплення виноматеріалів і купажування виноградних вин, у виробництві оцету, харчових ароматизаторів і парфюмерно-косметичних ви­робів. У мікробіологічній і медичній промисловості спирт потрібний для осаджен­ня ферментних препаратів із культуральної рідини або екстракту із твердофазної культури, для одержання вітамінів та інших препаратів і ліків, також етиловий спирт використовується як дезинфікуючий засіб і як речовина, яка запобігає інфікуванню і псуванню лікувальних екстрактів (валеріани, пустирнику та ін.). Невелика кіль­кість спирту використовується у хімічній, машинобудівній, автомобільній та ін­ших галузях промисловості, а також у ветеринарії і фармакопеї.

Таким чином, спиртова промисловість тісно зв'язана, з одного боку, з числен­ними галузями народного господарства, для яких спирт є сировиною, основним і допоміжним матеріалами, з другого - із сільським господарством. Одержуючи від сільського господарства рослинну сировину і вилучаючи з неї і з меляси вуглеводи, спиртова промисловість повертає йому білкові вітамінізовані корми. Вона є єди­ною галуззю промисловості, яка здатна перетворювати дефектні (зіпсовані) зерно і картоплю у доброякісні продукти.

Спиртова промисловість на початку XX сторіччя була представлена малими заводами, кожний з яких виробляв біля 22 тис. дал спирту на рік. Більша частина спирту вироблялася у вигляді "білого вина" (горілки). Поступово виробництво спир­ту і горілки розділилося, причому спиртові заводи залишилися у зонах сільського­сподарської сировини, а горілчані (тоді називалися казенними винними складами) зосередилися у містах - місцях найбільшого збуту алкогольних напоїв.

З початком першої світової війни різко знизилося виробництво спирту, а вироб­ництво горілки зовсім припинилося. Спирт вироблявся тільки для задоволення не­відкладних потреб народного господарства.

У 1925 - 1926 pp. у к. СРСР почалося відновлення спиртової промисловості, у цей час діяло біля 370 заводів із загальним виробленням спирту 16 млн.дал на рік. У наступних роках виробництво спирту неухильно збільшувалося, реконструюва­лися заводи і збільшувалися потужності діючих підприємств. У цей час побудовані

і введені в експлуатацію комбінати-гіганти великої потужності (6000... 12000 дал/ добу) - Лохвицький, Докшукикський, Єфремівський, Маріїнський та ін. Загальна річна потужність у 1940 р. становила 145 млн. дал.

Під час Великої Вітчизняної війни значна частина спиртових заводів опинила­ся на тимчасово окупованій території і була зруйнована. У 1946 р. було вироблено лише 32,2 млн. дал спирту. З 1947 р. Почалося швидке відновлення промисловості при широкому впровадженні найновітніших науково - технічних досягнень.

У 1980р. виробництво спирту досягло 200млн. дал, що було викликане потре­бами у збільшенні його витрат на кріплення вин у виноробстві. З початку антиал­когольної кампанії у 1985 р. за три роки об'єм виробленого спирту зменшився до 70 млн. дал на рік, а багато заводів було перепрофільовано на виробництво іншої продукції і частково закрито. Різко скоротилося виробництво вина і горілчаної про­дукції, розширилося самогоноваріння. У кінці 1988 р. антиалкогольні обмеження почали частково відміняти, збільшилося виробництво спирту, лікеро-горілчаних на­поїв, вина і іншої продукції. У 1990 р. відновлюється виробництво спирту на рані­ше закритих заводах І виробництво його за рік становило більш 146 млн. дал.

Спиртова промисловість - одна із значних технічно розвинених галузей, у якій освоєні безперервні процеси розварювання зерна і картоплі, оцукрення розвареної маси і її вакуумне охолодження, безперервно-проточне зброджування сусла. Побу­довані і працюють заводи і цехи, в яких глибинним способом одержують фермент­ний препарат Глюкаваморин Гх. Останнім часом широко впроваджуються у вироб­ництво амілолітичні ферментні препарати датської фірми "Novo Nordisk" та ін.

При переробці меляси у спирт впроваджено технологію зброджування меляс­ного сусла з підвищеним вмістом речовин, що зброджуються, і накопиченням спирту до 10,5 об.% у зрілій бражці, високопродуктивні штами дріжджів, енергозберігаючі брагоректифікаційні установки, маловідхІдні технології комплексної переробки меляси.

Загальний рівень механізації в основному виробництві складає більше 90%, вантажно-розвантажувальних, транспортних і складських робіт - біля 80%.

Технологія спирту як наука пройшла довгий шлях розвитку, перш ніж досягла високого сучасного науково-технічного рівня, у створенні і вдосконаленні її брали участь видатні вчені й інженери багатьох країн, у тому числі російські й українські.

Одержання спирту як самостійного продукту належить до більш пізнього пе­ріоду, ніж приготування алкогольних напоїв за допомогою бродіння, що було відо­мо з глибокої давнини. Про будівництво винокурні у Київській Русі згадувалося у В'ятському літописі у 1174 р. В Італії вперше спирт стає товаром у XIII ст. Через два століття його почали виробляти й у інших країнах. Однак до другої половини XIX ст. способи одержання спирту були примітивними і наукової технології взагалі не існувало.

Перший розварювач конічної форми періодичної дії був винайдений Генце у Ні­меччині у 1873 p., проіснував більше 100 років і зустрічається на заводах навіть зараз.

У 1945-1950 pp. у к. СРСР була освоєна "напівбезперервна" схема виробництва спирту, яка включала в себе три ступені розварювання сировини і безперервне оцук-

рювання розвареної маси. Початковий прогрів речовини здійснювався у окремому передрозварювачі, основне розварювання у розварювані і доварювання - у витриму-вачі. Вторинною парою, яка утворилася при видуванні маси із розварювача у витри-мувач, підварювалася маса у передрозварювачі. Ця пропозиція М.М.Кузнецова була опублікована у 1940 р. І втілена у схемі Головспирту (автори А.А.Малченко, М.П.Чистяков і співробітники З.К.Ашкинузі, А.Ф.Беренштейн та ін.), к. Київської філії ВНДІСП і к. ВНДІСП (автори А.Г.Логінов, В.Б.Фремель, В.Г.Чусов). У 1932 р. І.П.Бобриком І А.І.Логіновим покладений початок розробки способу безпе­рервного розварювання з попереднім подрібненням сировини. Потім над розв'язан­ням цієї проблеми працювали А.Л .Малченко, М.А.Кондак, П.О.Вечерський, В.Г.Чусов та ін. Внаслідок цього були запропоновані декілька конструкцій розварювачІв безпе­рервної дії ("Бобло", "Лагер", МАІ та ін.). Однак до Великої Вітчизняної війни через недостатнью енергетичну базу заводів вони не знайшли застосування.

Після війни у 1953-1954 pp. теоретичні і конструкторські розробки заверши­лися створенням двох установок. Одна з них була запропонована З.К.Ашкинузі, М.М.Кузнецовим, П.О.Чацьким та ін. і передбачала використання діючих періоди­чних розварювачІв шляхом з'єднання їх трубопроводами. У другій установці (авто­ри - співробітники к.ВНДІПрБ В.Б.Фремель, Б.О.Устинников,С.С.Кісільєр) розва­рювання вели у колонах нової конструкції. Обидві установки були випробувані і впроваджені відповідно на Чемерському і Мічуринському спиртових заводах. У 1958 р. впроваджується розроблена З.К.Ашкинузі, О.С.Єгоровим, А.У.Мамунею та ін. швидкісна схема розварювання крохмалевмісної сировини у трубчатому вароч­ному апараті (Мироцька установка). Потім з'явилися і інші варіанти установок. Чемерська установка і зараз широко використовується на заводах Чернігівського спиртоб'єднання та ін.

Відкриття у Росії в 1814р. К.С.Кірхгофом оцукрення крохмалю солодом, тео­рія утворення проміжних сполук між субстратом і каталізатором А.І.Ходнєва дали початок науковим основам ферментативного каталізу крохмалю.

У розвиток учення про ферменти рослинного походження та їх роль у живій клітині внесли вклад А.І.Опарін і А.Л.Курсанов.

У виробництві спирту глибоко вивчені ферменти солоду і мікроорганізмів, з'я­совані механізми їх дії І роль при гідролізі крохмалю дослідженнями у к. ВНДІПрБ Д.М.Климовським, В.І.Родзевичем, С.А.Коноваловим, Б.О.Устинниковим, В.Л.Яровенко, А.В.Феніксовою. Під керівництвом А.В.Феніксової і С.П.Колоскова створені спосіб і апаратура поверхневого культивування мікроорганізмів, В.В.Вяткіним, В.Л.Яровенко, О.П.Левчиком - глибинного культивування плісня­вих грибів - продуцентів амілолітичних ферментів.

На результатах досліджень наших співвітчизників Л.А.Іванова, А.Н.Лебедева, С.П.Костичева у значній мірі базуються сучасні уявлення про хімію спиртового бродіння. Теорія безперервного зброджування мелясного сусла була розроблена у 1909 - 1915 pp. С.В.Лебедєвим. Теорія і практика безперервного збродження сусла із крохмалевмісної сировини розвинена В.Л.Яровенком разом з С.В.Пиховою і С.П.Скалкіною (1949-1953 pp.). Ними запропоновані безперервно-протоковий і

циклічний способи зброджування. Безперервне зброджування мелясного сусла здійс­нено в результаті досліджень Д.М.Климовського, Л.М.Ясинського, Ф.І.Гладких і А.Л.Малченко.

Фундаментальні роботи з теорії структури і фізико-хімічних властивостей во­дно-спиртових розчинів, виділення спирту із бражки і ректифікації спирту були виконані в Росії ще до 1917 р. вченими Д.І.Менделєєвим, А.Г.Дорошевським, Д.П.Коноваловим, М.С.Вревським. Є.Сорель і Е.Барбе у Франції заклали основи теорії і методу очистки спирту від домішок.

Тарілчастий брагоперегонний апарат з'явився у 1813 р., у 1867 р. Сорель ви­найшов кубовий ректифікаційний апарат періодичної дії, а у 1881 р. Е.Барбе - без-перервнедіючий ректифікаційний апарат.

У 1876 р. російськими інженерами Недошивиним і Новицьким був конструкти­вно покращений лічильник спирту фірми "Сіменс-Гальске" для об'ємного обліку кількості спирту, під маркою КС-35 він використовувався заводами до 1953 року.

Покращанню якості спирту у періодичному способі сприяв єдиний метод рек­тифікації на кубовому апараті, запропонований А.Л.Покровським і Г.І.Фертманом. Суттєві вдосконалення у теорію, методи і апаратурні схеми виділення із бражки і ректифікації спирту внесли О.О.Кіров, В.М.Стабніков, С.Є.Харін, П.С.Циганков, В.П.Грязнов, М.С.Терновський, В.О.Маринченко.

А.П.Рухлядевою розроблені нові методи визначення крохмалю у сировині і методи контролю виробництва спирту.

Значний внесок у розвиток теорії і практики спиртового виробництва внесли вчені КТІХП (НУХТ) і к.УкрНДІСП (УкрНДЇспиртбіопроду).

У довоєнний період наукові дослідження у галузі спиртового виробництва проводилися науково-дослідним сектором к.КТІХП під керівництвом А.А.Фукса І були спрямовані на докорінну модернізацію підприємств і впровадження більш досконалої технології.

Цінним внеском у теорію і практику спиртового і дріжджового виробництва є дослідження закономірностей розмноження дріжджів, установлення оптимальних умов зброджування мелясного сусла, вибору раси дріжджів, які зіграли значну роль у ство­ренні сучасних ефективних способів безперервного зброджування цього середовища.

У 1936 р. розроблена конструкція установки МАІ для безперервного розварю­вання подрібненої крохмалевмісної сировини.

У післявоєнний період науково-дослідний сектор був реорганізований в Українсь­кий науково-дослідний інститут спиртової і лікеро-горілчаної промисловості. Роботи у галузі технології спирту у КТІХП продовжувалися в основному на кафедрі технології бродильних виробництв і на кафедрі процесів і апаратів харчових виробництв.

В.О.Маринченко і В.М.Швець розробили принципово нові способи підготов­ки цукро- і крохмалевмісної сировини до зброджування. Велику увагу було приді­лено дослідженням з підбору високопродуктивних штамів спиртових дріжджів, більш повному використанню рафінози меляси і целюлози крохмалевмісної сиро­вини у спиртовому виробництві (В.О.Маринченко, В.М.Швець), розробкам ресур-со- і енергозберігаючих технологій.

Уперше в харчовій промисловості досліджені та широко впроваджені на спирто­вих заводах процеси механохімічної деструкції та механоактивування сировини і фер­ментних препаратів (В.О.Маринченко).

Під керівництвом В.М.Стабнікова на основі розвиненої ним теорії масо- і теп­лообмінних процесів, які відбуваються у ректифікаційних колонах, досліджено нові типи контактних пристроїв, найбільш ефективні з них впроваджені у виробництво. Проведені дослідження стали основою удосконалення брагоректифікаційних уста­новок з метою підвищення якості і виходу ректифікованого спирту, а також техніко-економічних показників їх роботи (П.С.Циганков, В.О.Аністратенко, В.М.Таран).

У к.УкрНДІСП під керівництвом А.Й.Скірстимонського і П.В.Рудницького разом з іншими співробітниками проводилися важливі дослідження з комплексної переробки меляси у спиртовій промисловості. Одержані вагомі результати, але спо­соби економічного і екологічно чистого використання первинної і вторинної меля­сної барди не були знайдені. Немає вирішення цієї проблеми і за кордоном.

Багаторічні дослідження завершені розробкою і впровадженням удосконалених одно-і двопотокових способів зброджування мелясного сусла (О.Д.Коваленко, С.Т.Олійничук, В.К.Янчевський, Л.В.Левандовський). Великі технологічні і методологічні дослідження на усіх стадіях виробництва кормових дріжджів на мелясі І мелясній барді виконані А.Г.Забродським і А.М.Осовиком. Значні досягнення у галузі розробок брагоректифіка­ційних установок під вакуумом з елементам и неадіабатичної ректифікації і новими масо-обмінними пристроями (І.Ф.Малежик, В.Г.Артюхов, Г.К.Дроговоз, Є.О.Міхненко), очи­стки стічних вод (М.І.Кошель, Ю.М.Кравець, Ю.А.Каранов,С.П.Циганков),

Зараз розвиток спиртової промисловості повинен бути обумовлений ринковими умовами заготівлі сировини і збуту виробленого спирту. Виробників зерна- фермерські і кооперативні сільські господарства - необхідно наближати до спиртових заводів, і вирі­шувати питання використання барди у тваринницьких господарствах і очистки стоків.

Особливої уваги заслуговує різке скорочення скидів мелясної барди на поля фільтра­ції, консервування зерно-картопляної барди у літній період часу, розробка безвідходної, екологічної та економічної переробки меляси у спирт. Доцільним було б об'єднання науко­вого потенціалу, фінансових і матеріальних ресурсів у цій галузі ряду передових країн.

Безперервне культивування мікроорганізмів (дріжджів, бактерій і грибів), мем­бранна ультрафільтрація, адсорбція і зворотний осмос у обробці води, спирту, різ­них напівпродуктів та Інших продуктів залишаються дуже актуальними.

Автори висловлюють щиру вдячність ректору Національного університету харчо­вих технологій професору Українцю А.І., раднику ректора, академіку Гулому І.С., про­ректорам, професору Ковбасі В.М., доценту Яровому В.Л., доценту Хомічаку Л.М., голові науково-методичної ради професору Дробот В.І., зам. голови доценту Тодосій-чуку С.Р., к.т.н. Сосницькому В.В., к.т.н. Бойку М.П., керівникам і операторам спирт-заводів України та всім членам кафедри біотехнології продуктів бродіння, екстрактів та напоїв НУХТ за підтримку і допомогу у підготовці та виданні цього підручника. Автори сподіваються, що цей підручник сприятиме високопрофесійному зростанню теоретич­ного і практичного рівня студентів, магістрантів, аспірантів і фахівців спиртової проми­словості.

РОЗДІЛ 1