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

1. Литературный обзор

1.1 Анализ способов водно-тепловой обработки зерновых замесов

1.2 Анализ способов диспергирования сырья

1.3 Механохимическая деструкция сырья

1.4 Ферментные препараты, применяемые при ферментативном гидролизе замесов

2. Материалы, объекты и методы исследования

2.1 Материалы исследования

2.2 Объекты исследования

2.3 Методы исследования

2.4 Методы исследования

3. Экспериментальная часть

3.1 Исследование влияния степени дисперсности помола на качественные показатели осахаренного сусла

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

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

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

4. Описание технологической схемы производства

5. Технико-экономический расчет

5.1 Расчет затрат на проведение исследований

5.2 Расчет стоимости сырья и основных материалов

5.3 Расчет затрат на химические реактивы и вспомогательные материалы

5.4 Расчет стоимости лабораторной посуды

5.5 Расчет расходов на амортизацию приборов и оборудования

5.6 Расчет затрат на электроэнергию

5.7 Расчет заработной платы обслуживающего персонала с отчислениями на социальный налог

5.8 Накладные расходы

5.9 Прочие расходы

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Анализ опасных факторов

6.2 Анализ пожарои взрывоопасности

6.3 Анализ вредных факторов

6.4 Анализ отходов, стоков и выбросов

6.5 Мероприятия по обеспечению безопасных условий труда

6.6 Мероприятия по пожарной профилактике

6.7 Мероприятия по обеспечению безвредных условий труда

6.8 Природоохранные мероприятия

6.9 Расчеты

6.10 Конструктивные и технологические схемы экспериментальных стендов

6.11 Инструкция по работе на стендах

7. Гражданская оборона

7.1 Отравляющие вещества

7.2 Основы дегазации

7.3 Обеззараживание лаборатории в случае возникновения ЧС, связанной с химическим заражением ипритом Заключение Список литературы

Среди приоритетных направлений развития спиртовой отрасли на первое место в настоящее время выдвигаются разработки, посвященные созданию энергои 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 б-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 extrudoвыталкивание, выдавливание) — процесс, совмещающий термо-, гидрои 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

1.1 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 б-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 б-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.

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 °C, 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. 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 № 2 264 473 «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 б-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-, гидрои 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:

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

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

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;

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

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

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;

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

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.

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 б-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. 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.

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. 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 °C.

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 б-1,4 и б-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 °C 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 °C 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 б-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:

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

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

3. 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.

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 б-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 б-амилаза и глюкоамилаза.

Роль б-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 б-1,4-; б-1,6-и даже б-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.

В состав сухих веществ зерна злаковых культур, применяемых при получении спирта, наряду с крахмалом входят полисахариды другой природы — это в-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 в-глюкана, ксилозы и арабинозы. От растворимых гумми-веществ гемицеллюлоза отличается нерастворимостью в воде и величиной молекулы.

Ферментные препараты, содержащие целлюлазы (эндоглюканазы, целлобиогидролазы, в-глюкозидазы), в-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.