Лекция 26. Основы технологии этилового спирта и ликеро-водочных изделий

План лекции:  

1.    Технологическая схема производства спирта

2.    Процессы, происходящие при получении этилового спирта

3.    Производство ликеро-водочных изделий

 Производство этилового спирта

 Этиловый или винный спирт – прозрачная бесцветная жидкость со жгучим вкусом и характерным запахом. Спирт гигроскопичен, летуч, смешивается с водой в любых соотношениях, является хорошим растворителем для многих веществ. Он широко используется в пищевой, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в лакокрасочной, химической и других отраслях промышленности

 Этиловый спирт получают двумя способами: микробиологическим и химическим. В основе первого лежит сбраживание сахара в спирт дрожжами семейства сахаромицетов. Второй способ предусматривает синтез спирта из этилена сернокислотной гидратацией по схеме

 С₂Н₄(этилен) + Н₂SО₄ – С₂Н₅НSО₄(этилсерная кислота) + Н₂О = =С₂Н₅ОН(спирт) + Н₂SО₄

   Микробиологическим путем получают этиловый ректификованный спирт, который предназначается для пищевых и медицинских целей. Для этого используют растительное сырье: зерна злаковых культур, картофель, свеклу и мелассу. Из непищевого сырья – гидролизатов древесины, соломы, хлопковой шелухи и сульфитных щелоков (отходов сульфит целлюлозного производства) вырабатывают гидролизный и сульфитный спирты.

В данных лекциях изложена только технология этилового спирта ректификованного из крахмалсодержащего сырья – зерна, картофеля и из сахарсодержащего сырья – свекловичной мелассы. Производство же синтетического спирта рассматривается в других учебниках.

Ректификованный этиловый спирт, полученный из пищевого сырья, по своим органолептическим и физико-химическим показателям должен удовлетворять требованиям ГОСТ 5962. В зависимости от степени очистки различают спирт четырех сортов: 1 сорта, высшей очистки, «Экстра», «Люкс». В стране вырабатывают 45-55% спирта из зерна, 10-15% из картофеля, 2-3% из свеклы и 38-45% из мелассы. Поэтому остановимся на технологиях получения из крахмалсодержащего сырья и мелассы.

Переработка зерна и картофеля осуществляется по однотипным технологиям и включает следующие технологические стадии: подготовка сырья, получение и подготовку осахаривающих материалов, разваривание крахмалсодержащего сырья, осахаривание его, культивирование дрожжей, сбраживание сусла, извлечение спирта из бражки, укрепление и очистку от примесей.

Получение спирта из мелассы включает меньше операций: подготовку мелассы к сбраживанию, культивирование дрожжей, сбраживание мелассного сусла, извлечение спирта из бражки и его очистку.

Подготовка зерна и картофеля 

Подготовка сырья заключается в очистке зерна от примесей, мойке картофеля как и для производства крахмала, измельчения сырья и разбавления измельченной массы водой до заданного содержания сухих веществ. Чем выше степень измельчения сырья, тем оно быстрее разваривается при более мягком режиме. Размер частиц измельченного картофеля не должен превышать 3 мм, а зерна – 1 мм.

Измельченное зерно и картофель поступают в смеситель, в котором они смешиваются с водой в соотношении: на 1 кг зерна – 2,5-3,5 л воды, а на 1 кг картофеля – 0,2-0,5 л. После перемешивания и подогрева картофельную кашицу и зерновой замес направляют в аппараты для разваривания.

Подготовка мелассы 

Мелассу перерабатывают на спирт по схемам одно- и двухпоточного производства. В первом случае мелассу разбавляют водой для получения мелассного сусла одной концентрации (22-24%), которое сначала используют для культивирования дрожжей, которые затем сбраживают его. При двухпоточном производстве готовят два сусла: для размножения дрожжей концентрацией 12% и основное сусло концентрацией мелассы 30-34%. Первая схема распространена на заводах, вырабатывающих спирт и дрожжи, вторая – при получении одного продукта – спирта.

Подготовка осахаривающих материалов

Для осахаривания сырья в спиртовом производстве применяют свежепроросший солод, а также ферментные препараты. Расход зерна на солод зависит от вида и качества основного сырья и составляет при переработке зерна 14,9%, картофеля – 13%, овса, сорго и риса – 18,5%. Из солода получают солодовое молоко, для чего дробленный солод смешивают с водой в соотношении 1:5. Полученное солодовое молоко с содержанием сухих веществ 5-6% дополнительно дезинфицируют 40%-м формалином и направляют для осахаривания охлажденной разваренной массы.

 Разваривание крахмалсодержащего сырья

Основная его цель – разрушение клеточной структуры и растворение крахмала. В растворенном состоянии крахмал легко осахаривается ферментами. Зерно и картофель разваривают паром при избыточном давлении. При тепловой обработке белки набухают и денатурируют, крахмал клейстеризуется и переходит в коллоидный раствор. В зависимости от культуры зерна клейстеризация крахмала начинается в диапазоне температур 55-60^оС и сопровождается увеличением вязкости среды. С постепенным нарастанием температуры среда разжижается и вязкость ее резко уменьшается. При выходе разваренной массы из варочного аппарата вследствие перепада давлений от избыточного к атмосферному клеточная структура сырья разрушается и оно превращается в однородную массу.

Химические изменения, происходящие при разваривании, связаны с увеличением содержания сахаров и декстринов в связи с частичным кислотным и ферментативным гидролизом крахмала, с образованием пептидов и аминокислот при гидролитическом расщеплении белков, с разложением гектоз и пентоз до фурфуролсодержащих веществ. В результате взаимодействия сахаров и аминокислот при нагревании идет меланоидинообразование. При термическом разложении простых углеводов образуются также карамели, в состав которых входят ангидриды сахаров и темноокрашенные соединения, а также повышается кислотность среды.

Меланоиды и карамели дрожжами не сбраживаются. Суммарные потери сбраживаемых веществ 9в том числе и от неполного растворения крахмала) в ходе разварпивания составляют 2,5-4%.

 Осахаривание крахмалсодержащего сырья

В разваренной массе крахмал находится в растворенном состоянии (90%) и в виде крахмального клейстера (10%). При этом крахмал осахаривают солодовым молоком или ферментами плесневых грибов. Одновременно при участии протеолитических ферментов происходит гидролиз белков до легко усвояемых дрожжами аминокислот и пептидов. Процесс осахаривания включает охлаждение разваренной массы, смешивание массы с осахаривающим материалом, осахаривание и охлаждение сусла.

Осахаривание разваренной массы осуществляют преимущественно непрерывным способом при определенных условиях: температура 57-58^оС, рН 5-5,3, концентрации субстрата и осахаривающего материала. В ходе осахаривания около 67% крахмала превращается в мальтозу и 33% - в декстрины, которые при брожении доосахариваются ферментами среды в сбраживаемые сахара. Осахаренную массу называют суслом. Готовое сусло содержит сухих веществ 16-18%, рН – 5-5,3. При пробе на йод окраска сусла не изменяется.    

 Культивирование дрожжей

В качестве возбудителей спиртового брожения используют культурные дрожжи из семейства сахаромицетов. В начале производственного сезона их получают из чистой культуры. Далее их культивируют по методу естественно-чистой культуры, при которой подбором температуры и рН среды создают условия, благоприятные для размножения дрожжей и неблагоприятные для жизнедеятельности бактерий. Дрожжи размножают в дрожжевых аппаратах, оборудованных мешалкой и змеевиком, на сусле концентрацией 17-18%. Сусло вначале пастеризуют при 70^оС в течение 20 мин, а затем охлаждают до 50^оС и подкисляют серной кислотой до рН 3,6. В подкисленное и охлажденное до 25^оС сусло задают 10% засеянных дрожжей. Накопление дрожжей при температуре 25-28^оС ведут до тех пор, пока концентрация сусла не снизится на 1/3 от первоначальной, а содержание дрожжей составит 120 млн дрожжевых клеток на 1 мл. В этом случае начинают переток бродящей массы из дрожжегенераторов в первый аппарат бродильной батареи.

 Сбраживание осахаренной массы

При сбраживании сахара диффундируют в дрожжевую клетку. Где вовлекаются в цепь ферментативных процессов, конечным результатом которых является образование спирта и диоксида углерода, выбрасываемых дрожжевой клеткой в окружающую среду как продукт ее метаболизма. Ферментативные процессы сложны, осуществляются последовательно при участии различных ферментов. Кроме спирта и диоксида углерода образуются вторичные и побочные продукты. Ко вторичным продуктам относят все вещества, которые образуются в результате сбраживания сахара дрожжами: глицерин, уксусный альдегид, пировиноградная кислота и др. Побочные продукты образуются не из сахара, а из других веществ, содержащихся в сбраживаемом субстрате. Наиболее важными побочными продуктами являются высшие спирты (сивушное масло), которые образуются главным образом при размножении дрожжей и являются продуктами взаимодействия различных аминокислот и пировиноградной кислоты.  

Брожение осуществляется в бродильных аппаратах (ферментерах) периодического или непрерывного действия, которые соединены между собой и дрожжегенераторами в батарею. Длительность брожения при температуре 26-30^оС 56-60ч. Зрелую бражку из последнего бродильного аппарата, содержащую 8-10% спирта, направляют для извлечения спирта в ректификационное отделение. Выделившийся при брожении диоксид углерода выводится в специализированный цех по производству жидкого углекислого газа.

Особенностью сбраживания сусла из мелассы является то, что в бродильных аппаратах масса находится 17-20 ч при температуре 30оС. Зрелую бражку вначале направляют в сепараторное отделение для извлечения дрожжей, а затем в ректификационное отделение.

 Извлечение спирта из бражки и его очистка

Зрелая бражка – полупродукт спиртового производства. Для получения 1 л спирта требуется около 12 л бражки. Бражка – сложная многокомпонентная система, состоящая из трех фаз: жидкой, газообразной и твердой. Жидкая фаза составляет основную долю и содержит воду (82-90%) и этиловый спирт 5-9% с сопутствующими легколетучими примесями (кислоты, сложные эфиры, альдегиды и высшие спирты).

Твердая фаза бражки представлена нерастворимыми частицами исходного сырья – шелухой и дробиной. К ней относятся также все вещества, которые остаются в остатке после выпаривания спирта, воды и летучих примесей.

Газообразная фаза бражки представлена главным образом диоксидом углерода – продуктом жизнедеятельности дрожжей, который образуется при сбраживании сахаров.

Извлечение этилового спирта из бражки и его очистка осуществляется ректификацией. Ректификацией называется процесс разделения бинарной или многокомпонентной жидкой смеси на компоненты или группы компонентов (фракции), различающиеся между собой летучестью. Разделение бинарной смеси спирт-вода часто называют перегонкой или дистилляцией.

Цель очистки этилового спирта – освобождение его от сопутствующих летучих примесей и получение спирта стандартной крепости. Очень важно наряду с очисткой спирта максимально сконцентрировать отбираемые примеси и максимально освободить их от этанола и воды. В этом случае потери спирта с отходами будут минимальными.

Отходы же при высокой степени концентрации примесей возможно и экономически целесообразно использовать в качестве вторичных материальных ресурсов. Например, из сивушного масла, получаемого при ректификации этилового спирта, на специализированных предприятиях химико-фармацевтической промышленности получают высшие спирта и на их основе сложные эфиры как компоненты ряда лекарственных препаратов.

На спиртовых заводах реализован комплексный подход к переработке крахмалсодержащего сырья путем производства жидкого диоксида углерода.

Послеспиртовая барда (отход ректификации) в основном используется на корм скоту в сыром виде либо на производство сухих кормовых дрожжей.

При переработке мелассы на спирт еще одним продуктом могут быть спиртовые и хлебопекарные дрожжи. 

 Технология ликеро-водочных изделий

 На ликеро-водочных заводах вырабатывают водку и ликеро-водочные изделия. Водка – спиртовой напиток, получаемый обработкой вводно-спиртового раствора с объемным содержанием спирта (крепостью) 40-56% активированным углем с добавлением в него ингредиентов или без них с последующим фильтрованием. При этом добавляемые ингредиенты не должны изменять цвет водки. Она представляет собой прозрачную бесцветную жидкость без посторонних включений с характерным водочным ароматом и вкусом. Водки готовят на спиртах высшей очистки, «Экстра» и «Люкс». В зависимости от сорта спирта и ингредиентов они делятся на водки и водки особые. Особые водки, например «Украинская горилка», отличаются специфическим ароматом и мягким вкусом, которые обусловлены внесением таких ингредиентов, как глицерин, мед и эфирные масла.

Ликеро-водочные изделия – спиртные напитки крепостью от 12 до 60%, приготовленные смешиванием полуфабрикатов (спиртовых настоек, соков, морсов, ароматных спиртов, сахарного сиропа, экстрактов из растительного сырья), эфирных масел с этиловым ректификованным спиртом и водой с добавлением красителей или без них. В зависимости от содержания спирта. сахара и кислот рассматриваемые напитки делятся на 11 групп: ликеры крепкие, ликеры десертные, кремы, наливки, пунши, настойки (сладкие, полусладкие, полусладкие слабоградусные, горькие, горькие слабоградусные), напитки десертные, аперетивы, бальзамы, коктейли.

Существует свыше 300 различных рецептур водок и ликеро-водочных изделий.

 Технология водок

Технология водок состоит из следующих операций: подготовки и очистки  воды, приготовления, фильтрования и обработки вводно-спиртовой смеси, фильтрования водки, внесения добавок, улучшающих вкус продукта, контрольного фильтрования водки перед розливом, подготовки посуды, розлива и оформления готовой продукции.

Наиболее ответственная операция на ликеро-водочных заводах это подготовка воды. Воду применяют питьевого назначения из городских водопроводов и артезианских скважин. Эта вода чаще всего имеет высокую жесткость и минерализацию, содержит значительно количество солей. Поэтому исходную питьевую воду подвергают осветлению, обесцвечиванию, дезодорированию и умягчению.

 светление

Осветлением называется процесс выделения из воды твердых частиц различной крупности. Для улучшения этого процесса применяется коагуляция - процесс укрупнения частиц дисперсионной системы вследствие их взаимного слипания.

 Дезодорация

Цель дезодорации – устранить из воды неприятные запахи и привкусы, обусловленные небольшим количеством примесей органического происхождения. Для этого используются химические и физико-химические методы – окисление перманганатом калия, обработка воды в реакторах, заполненных активированным углем.

 Умягчение

Это – процесс удаления из воды катионов кальция и магния, обусловливающих ее жесткость. Для этого применяют термический, химический (реагентный) и ионообменный способы.

Для приготовления водок спирт смешивают с очищенной умягченной водой. Полученный водно-спиртовый раствор называется сортировкой. В этой смеси всегда присутствует небольшое количество тонкодисперсных частиц, которые приносятся с умягченной водой и образуются из солей жесткости при смешивании спирта с водой. Эти частицы могут забивать поры активированного угля, предназначенного для обработки. Все это вызвало необходимость двухступенчатого фильтрования водно-спиртовых растворов до и после обработки их активированным углем. В качестве фильтрующего материала применяют чистый кварцевый песок или пористые керамические плитки.

Для улучшения органолептических свойств водки сортировку обрабатывают активированным углем. В результате смесь становится мягче, вкус и запах – более тонким, без резких запахов.

 Получение ликеро-водочных изделий

Все эти изделия готовят по действующим в промышленности рецептурам, составленным на основе научных разработок и практики работы предприятий. Рецептуры утверждены соответствующими органами и должны полностью соблюдаться при выпуске изделий.

Под купажированием – основным технологическим процессом приготовления изделий понимают смешивание различных компонентов в определенной последовательности.

Принципиальная технологическая схема приготовления ликеро-водочных изделий приведена на рис. 36.

 Ликеро-водочные изделия купажируют в купажных аппаратах цилиндрической формы, которые изготовляют из кислотоупорной стали, стали, покрытой эмалью, дерева или кислотоупорной керамики. Эти аппарата снабжены мешалками; их вместимость составляет 1,5 – 10 м³.

Ликеро-водочные изделия разливают при нормальном атмосферном давлении в основном в стеклянные бутылки из обесцвеченного или полубелого стекла (ГОСТ 10117) вместимостью 0,25, 0,5, 0,75, 1 л. Небольшое количество изделий разливают в стеклянные фигурные бутылки и фарфоровые графины.

При розливе большое значение имеет контроль качества вымытой посуды и готовой продукции. В автоматизированных линиях имеются инспекционные участки, где пустые бутылки контролируют на световом экране, а бутылки с налитой продукцией после укупорки поступают на специальный инспекционный автомат, который переворачивает их на 180^о и в течение 0,5 с осуществляют просмотр на световом экране. Если в продукции находят включения, обнаруживают недолив или отсутствие герметичности укупорки, то ее как исправимый брак направляют после фильтрации на повторное использование.

После инспекции продукция направляется по цепному транспортеру к этикеточным автоматам, а затем на склад готовой продукции.