Производство спирта

      Десорбция красящих веществ с поверхности  дрожжевой клетки проходит интенсивно при рН промывной воды выше 9. При рН около 3 красящие вещества не десорбируются.

      Многие  ферменты дрожжей активируются в  присутствии незначительных количеств сульфгидрильных соединений, содержащих SH-группы, таких, как цистеин, глютатион. Эти соединения легко превращаются одно в другое, имеют важное значение в активировании и регулировании действия многих окислительно- восстановительных и гидролитических ферментов, определяющих жизнедеятельность и обменные процессы микроорганизмов.

      SH-группы играют важную роль в цепи окислительно-восстановительных реакций и являются необходимым звеном в передаче электрона от сукцината к кислороду воздуха через цитохром.

      Активность  многих дегидрогеназ, флавиновых и пиридоксалевых ферментов связана с наличием в молекуле свободных SH-групп.

      Восстановленный глютатион и цистеин ускоряют спиртовое брожение вследствие восстановления SH-группы тиоловых ферментов, принимающих участие в аэробном и анаэробном окислении Сахаров. Однако применение этих дорогостоящих веществ экономически нецелесообразно; в качестве их заменителя может быть использован дрожжевой автолизат. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      МИКРООРГАНИЗМЫ - СПУТНИКИ ДРОЖЖЕЙ

      При сбраживании сусла дрожжами необходимо предохранять их от посторонних микроорганизмов  — бактерий и диких дрожжей, вносимых с сырьем, водой и воздухом. Попадая в дрожжевые и бродильные аппараты, они могут накапливаться в значительных количествах и даже вытеснять производственную культуру дрожжей. Контаминирующие микроорганизмы потребляют из сусла часть питательных веществ, поэтому выход спирта снижается. Кроме того, они образуют органические кислоты и другие продукты, инактивирующие ферменты осахаривающих материалов и снижающие бродильную энергию дрожжей, в результате чего в зрелой бражке повышается количество несброженных Сахаров и крахмала.

ХАРАКТЕРИСТИКА  ПОСТОРОННИХ МИКРООРГАНИЗМОВ

      МОЛОЧНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ

      Молочнокислые бактерии бывают цилиндрические или  палочковидные, а также сферические или шаровидные (кокки), грампо- ложительные, неподвижные, неспорообразующие. Гетерофермен- тативные молочнокислые бактерии наряду с молочной кислотой образуют летучие кислоты, спирт, диоксид углерода и водород.

      Оптимальная температура для роста большинства  молочнокислых бактерий 20...30 'С. Термофильные виды их лучше развиваются при 49...51 *С. Молочнокислые, как и другие бесспоровые бактерии погибают при 70...75 "С.

      Наиболее  часто встречаются следующие  виды молочнокислых бактерий: Lactobacillus plantarum, Lact. breve, Lact. fermentii, Leu- conostoc mesenterioides, Leuc. agglutinans. Первые три — палочки различной длины, последние два — очень короткие палочки, чаще дипло- и стрептококки. Бактерии Leuc. mesenterioides имеют слизистую капсулу, поэтому очень устойчивы к высокой температуре и кислотам. В жидких средах погибают при 112...120 "С в течение 20 мин; в 0,5 %-ном растворе серной кислоты жизнеспособны в течение 1 ч. Бактерии Leuc. agglutinans обладают способностью прилипать к дрожжам и склеивать (агглютинировать) отдельные их клетки.

      УКСУСНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ

      Уксуснокислые бактерии — грамотрицательные, палочковидные бесспоровые строгоаэробные организмы, развивающиеся в тех же условиях, что и дрожжи. Бактерии способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту, пропиловый спирт — в про- пионовую кислоту, бутиловый спирт — в масляную кислоту. Некоторые виды бактерий способны окислять также глюкозу в глюконовую кислоту, ксилозу и арабинозу — в ксилоновую и арабановую кислоты. Этиловый спирт — главный источник жизнедеятельности уксуснокислых бактерий.

      Наиболее  распространенные виды бактерий Acetobacter aceti, Acet. pasteurianum, Acet. oxydans. Они имеют форму палочек длиной 1...3 мкм, часто соединены в цепочки. Оптимальная температура для роста 20...35 "С. Acet. aceti выдерживает 10... 11 %- ную концентрацию спирта.

      При накоплении в сбраживаемом сусле 0,01 % уксусной кислоты задерживается, а при 0,2 % подавляется жизнедеятельность дрожжей.

      МАСЛЯНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ

      Маслянокислые бактерии — строгие анаэробы, имеющие подвижные -крупные спорообразующие палочки длиной 10 мкм. Споры их цилиндрической или эллипсоидальной формы. Наряду с масляной кислотой они могут образовывать (в меньших количествах) уксусную, молочную, капроновую, каприловую и другие кислоты, а также этиловый и бутиловый спирты. Возбудители этого брожения развиваются главным образом в трубопроводах, насосах и других скрытых местах. Оптимальная температура для роста бактерий 30...40 "С, при рН ниже 4,9 они не развиваются.

      Маслянокислые бактерии опасны для спиртового производства, так как вырабатываемая ими масляная кислота даже в очень малых концентрациях (0,0005 %) подавляет развитие дрожжей.

      Наиболее  распространены следующие виды маслянокислых бактерий: Clostridium butyricum, Clostr. pasterianum, Clostr. sac- charobutyricum.

      ГНИЛОСТНЫЕ  БАКТЕРИИ

      Гнилостные  бактерии вызывают распад белковых веществ. В аэробных условиях происходит полная минерализация белка вплоть до диоксида углерода, аммиака, сероводорода, воды и минеральных солей. В анаэробных условиях накапливаются различные органические дурнопахнущие и ядовитые вещества.

      К аэробным гнилостным бактериям относятся  Вас. subtilis (сенная палочка), Вас. mesentericus (картофельная палочка). Они подвижны, образуют споры, отличающиеся высокой термоустойчивостью. Температурный оптимум для развития бактерий 36...50 °С. К факультативным анаэробам относятся Escherichia coli (кишечная палочка) и Proteus vulgaris, к анаэробам — Clostr. putrificum и Clostr. sporogenes. Особенно большой вред гнилостные бактерии наносят хлебопекарным дрожжам, сокращая срок их хранения.

      Вас. subtilis, Вас. mesentericus, Вас. megatherium являются также нитритобразующими бактериями (редуцирующими нитраты в нитриты). Нитриты в концентрации даже 0,0005 % задерживают размножение дрожжей.

      ДИКИЕ ДРОЖЖИ

      Эти дрожжи представляют значительную опасность  для спиртового производства. Они потребляют много сахара и образуют мало спирта. В большом количестве дикие дрожжи отрицательно отражаются на хлебопекарных свойствах культурных дрожжей. Многие из них превращают сахар в органические кислоты и окисляют спирт. 

      ЕСТЕСТВЕННО ЧИСТАЯ КУЛЬТУРА ДРОЖЖЕЙ

      Для засева сусла в бродильных аппаратах  используют дрожжи естественно чистой культуры, отличающейся от чистой культуры тем, что выращиваются в условиях ограниченного попадания посторонних микроорганизмов, развитие которых подавляют.

      Температура роста посторонних микроорганизмов  почти не отличается от оптимальной температуры роста дрожжей и спиртового брожения, поэтому бактериостатические условия для них создают снижением активной кислотности сусла до рН 3,8...4,0 с помощью серной или молочной кислоты. Хотя эти условия менее благоприятны для размножения дрожжей, чем при рН 4,7...5,0, они обеспечивают получение микробиологически достаточно чистой культуры 

      

СБРАЖИВАНИЕ МЕЛАССНОГО СУСЛА

      ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ОБРАЗОВАНИЕ  И НАКОПЛЕНИЕ ПРОДУКТОВ  БРОЖЕНИЯ

      На  выход и качество этилового спирта влияет много факторов: интенсивность аэрирования сбраживаемого сусла, концентрация в нем сахара, кислотность и рН сусла, температура брожения, раса применяемых дрожжей, качество перерабатываемой мелассы и др.

      Интенсивность аэрирования сусла. С повышением интенсивности аэрирования сусла в дрожжегенераторах содержание спирта снижается, что связано с увеличением расхода сахара на синтез биомассы дрожжей и образование других продуктов брожения. Так, при однопоточном сбраживании сусла с изменением расхода воздуха от 1 до 10 м³/(м³ч) увеличивалось содержание (г/л): альдегидов —с 0,12 до 0,36, органических кислот — с 0,04 до 0,25, высших спиртов — с 0,4 до 0,97, эфиров — с 0,04 до 0,15; содержание глицерина мало изменялось и составляло соответственно 6,14...6,04 г/л. При двухпоточном сбраживании сусла и интенсивности аэрирования 3, 6 и 9 м³/(м³ч) в зрелой бражке содержалось глицерина соответственно 4,71; 6,34 и 7,0 г/л.

      С повышением интенсивности аэрирования сусла в дрожжегенераторах общее содержание других метаболитов в зрелой бражке увеличивается, поэтому расход воздуха необходимо определить с учетом эффективности воздухораспределительной системы и требуемого количества дрожжей в бражке. Необоснованное повышение интенсивности аэрирования сусла в дрожжегенераторах кроме увеличения энергетических затрат может привести к уменьшению выхода спирта и ухудшению его качества.

      Концентрация  сахара. При повышении концентрации сахара в исходном мелассном сусле от 9 до 14 % в зрелой бражке увеличивалось содержание альдегидов с 0,15 до 0,4 г/л, эфиров с 0,06 до 0,13 г/л. При этом угнетались ферменты, регулирующие процессы превращения альдегидов в другие продукты, и повышалась активность фермента эстеразы.

      Так как при увеличении концентрации сахара в сусле повышалось и содержание аминокислот, то в результате их биохимических превращений возрастало и количество образующихся высших спиртов. В рассматриваемом случае содержание высших спиртов увеличивалось с 0,42 до 0,62 г/л, но их отношение к исходному сахару сусла оставалось неизменным.

      При повышении концентрации сахара в  исходном сусле содержание органических кислот в зрелой бражке уменьшалось с 0,42 до 0,04 г/л. Ферменты, катализирующие образование кислот, угнетались некоторыми веществами неуглеводного характера.

      При понижении концентрации сухих веществ в дрожжевом сусле метаболитов образуется меньше.

      Кислотность сбраживаемого сусла. При изменении кислотности среды от 0,3* (рН 5,7) до 1,6* (рН 4,2) в зрелой бражке содержание этилового спирта уменьшалось с 59,1 до 56,03 г/л, эфиров — с 0,15 до 0,08 г/л, альдегидов увеличивалось с 0,19 до 0,4 г/л, органических кислот — с 0,06 до 0,34 г/л, высших спиртов — с 0,47 до 0,84 г/л.

      Повышение кислотности бражки с 0,3 до 1,6° приводит к значительному увеличению общего количества метаболитов — с 12 до 24 г/л спирта.

      Температура брожения. Альдегиды образуются главным образом в начальный период брожения, затем их содержание уменьшается, и в зрелой бражке альдегидов тем меньше, чем выше температура брожения. Например, при температуре 24 "С альдегидов было 0,27 г/л, при температуре 36 "С — 0,18 г/л.

      С повышением температуры брожения увеличивается  ско- рость этерификации и быстрее идет синтез биомассы дрожжевых клеток за счет органических кислот, содержание которых уменьшается. Например, при температуре 24 "С в зрелой бражке их было 0,4 г/л, при температуре 36 *С — 0,63 г/л. Содержание эфиров также увеличивается: при 24 *С их находилось 0,11 г/л, при 36'С-0,18 г/л.

      При повышении температуры сбраживания  с 24 до 36'С содержание других метаболитов в зрелой бражке уменьшается с 18 до 14 г/л спирта. 
 
 
 

      ОДНОПОТОЧНЫЕ  СПОСОБЫ СБРАЖИВАНИЯ

      На  спиртовых заводах, перерабатывающих мелассу, применяют одно- и двухпоточный способы сбраживания сусла.

      Однопоточный  способ разработан в 1954 г. сотрудниками ВНИИПрБ и затем усовершенствован УкрНИИСПом совместно с работниками спиртовой промышленности. Предусмотрено кислотное асептирование и усреднение суточного запаса натуральной мелассы, в дрожжегенераторах применены пневмоциркуля- ционные аэраторы, дрожжегенераторы и бродильные аппараты соединены более совершенно, для уменьшения расхода пеногасителей проводят внутрибатарейное пеногашение.

      Однопоточный  способ сбраживания сусла рекомендуется  для заводов, выпускающих спирт  и хлебопекарные дрожжи. Стойкость дрожжей, полученных однопоточным методом, при хранении выше, чем стойкость дрожжей, полученных двухпоточным способом.

      При однопоточном способе сбраживания  приготовляют сусло одной концентрации — 22...24 %, вследствие чего упрощаются технология и управление процессом брожения. Мелассное сусло сначала используют для культивирования дрожжей, а затем непрерывно сбраживают ими. Аппаратурно-технологическая схема сбраживания мелассы однопоточным способом приведена на рис. 77.