Иначе говоря, в сгущенный сход мезги уходит в 1,5 раза больше, чем в жидкий. Соответственно коэффициент выделения сухих веществ суспензии был низким и составил (р = 0,45 - 0,79).

          Изменение таких параметров работы гидроциклонной установки ГУ, как давление на входе в микроциклоны и плотность суспензии, незначительно влияют на распределение мезги между жидким и сгущенным сходами.

         С учетом этих результатов были проведены дополнительные опыты по распределению в центробежном поле частиц мезги, представляющей собой клетчатку с невысвобожденными зернами крахмала и конгломератами белковых веществ (рис.9.3).

 

         Рис.9.3. Схема разделения ржаной водно-мучной суспензии на лабораторной центрифуге.

 

         Схема выделения фракций мезги из муки включала следующие операции: смешивание муки с реагентами, замачивание муки, диспергирование суспензии на гомогенизаторе в течение 1 минуты, отделение жидкой фазы от осадков, выделение мезги из легкого осадка и промывка её на капроновом сите №70, разделение мезги (тяжелого осадка) на ситах с отверстиями разных размеров и одновременное промывание каждой фазы с выделением свободного крахмала, взвешивание и сушка фракций мезги, определение связанного крахмала.

    Для разделения мезги на фракции использовали набор почвенных и капроновых сит (в скобках - размер ячеек сита):

№ 1 - металлическое (1000 мкм);

№ 0,5 - металлическое (500 мкм);

№ 0,25 - саржевое (250 мкм);

№ 49 - капроновое (143+15 мкм);

№ 70 - капроновое (93+9 мкм).

Исходными продуктами для проведения данного исследования была ржаная обдирная мука с содержанием крахмала 70% СВ и та же дополнительно измельченная обдирная мука, просеянная через сито № 49.

Результаты испытаний представлены на рис.9.4. При последовательном замачивании ржаной муки в растворе фермента и 0,4%-ном растворе пиросульфита натрия выход мезги снижается по сравнению с контрольным опытом вследствие разрушения белковой матрицы и перераспределение фракций мезги: в значительной степени уменьшается масса частиц размером 500 мкм и более и увеличивается масса частиц размером от 93 до 143 мкм, которая составила в контрольном опыте 8,1%, опыте 2 - 24,9, опыте 3 - 27,9; опыте 4 - 29.2%.

 

Рис. 9.4. Фракционный состав мезги в ржаномучной суспензии, обработанной химическими и биологическими реагентами:

 

Опыт 1 - (контрольный) - замачивание обдирной муки в воде;

опыт 2 - замачивание обдирной муки в 0,4%-ном растворе пиросульфита натрия;

опыт 3 - замачивание дополнительно измельченой обдирной муки в 0,4%-ном растворе пиросульфита натрия;

опыт 4 - замачивание дополнительно измельченной обдирной муки в растворе фермента Целловиридина Г20х и пиросульфита натрия

 

При дополнительном измельчении и просеивании обдирной муки и одинаковых условиях замачивания (опыты 3 и 4) возрастает содержание мезги с размером частиц 143-250 мкм. При этом не обнаружено частиц размером более 500 мкм. Мезга, полученная в контрольном опыте, представлена частицами размером от 250 до 1000 мкм. Масса мезги с частицами 250 - 500 мкм в опытах 2 и 3 практически одинакова (соответственно 44,2 и 44.9%), а масса более мелкой мезги (частицы 93-143 мкм) отличается всего на 3%.

      Содержание связанного крахмала в мезге с частицами 93-143 мкм во всех опытах (кроме контрольного) было в пределах 15 - 16.5, а в мезге с размером частиц от 143 до 250 мкм - 11 - 13% СВ.

     При замачивании обдирной муки с использованием в качестве реагента фермента Целловиридин Г20х в течение 18 часов при температуре 43...45°С содержание мезги в легком осадке с лабораторной центрифуги находилось на уровне контрольного опыта, из измельченной и просеянной муки - несколько выше контрольного, но ниже, чем в опыте 4. Результаты опытов 1-4 показали, что при центрифугировании ржаной суспензии в легкий осадок переходит от 77 до 85% частиц мезги размером 93 -- 143 мкм.

     Установлено, что значения плотности частиц обезвоженной мезги, полученной при замачивании муки и использовании всех реагентов во всех опытах, кроме контрольного, близки между собой и составляют 0.2-0,26 г/см3; плотность частиц необезвоженной мезги находится в пределах 0,7 - 0,94 г/см3 - в зависимости от ее влажности. В контрольном опыте плотность частиц мезги размером от 93 до 250 мкм значительно превышает их плотность в других опытах из-за повышенного содержания в них неразрушенных частиц крупки.

      В результате исследований были определены условия и режимы подготовки ржано-мучной суспензии к разделению с целью снижения ее вязкости до значений менее 50 Мпа с. Подтверждены предположения о неразделяемости по плотности ржаной мезги и крахмала в центробежном поле, что послужило обоснованием для продолжения опытов по их разделению на ситовых аппаратах.

      Для опытов использовалась также ржаная обдирная мука с той же подготовкой, что и при разделении суспензии на гидроциклонной установке ГУ. В качестве ситового аппарата применено дуговое безнапорное сито со сменными капроновыми сетками №64 и 52. Работа сита оценивалась по содержанию мезги в суспензии, прошедшей сквозь ситовую поверхность (проход). Результаты испытаний приведены на рис.9.5 только для дугового сита с сеткой №52. Сито, оснащенное сеткой №64 полностью очищает крахмальную суспензию от мезги, но при этом (независимо от исходной концентрации продукта) проход сквозь него составляет всего 20-25% от исходного.

      Содержание мезги в проходе в зависимости от концентрации исходного продукта составляет 0,6 - 0,18% СВ и уменьшается с увеличением количества прохода от 25 до 65% от исходного.

 

Рис.9.5. Разделение ржано-мучной суспензии на дуговом сите №52

 

По результатам исследования процесса разделения ржано-мучной суспензии с целью извлечения крупнозернистой фракции крахмала определены условия и технологические операции с использованием ситовых аппаратов, необходимые для достижения этой цели.

Суть их заключается в следующем:

• ржаная мука должна быть хорошо диспергирована для обеспечения отделения крупных зерен крахмала от частиц клетчатки и белковых веществ;

• для разрушения слизеобразующих веществ ржаномучная суспензия и по­сле диспергирования должна быть подвергнута биологической обработке ферментом Целловиридин Г20х; для получения вязкости суспензии не более 50 мПа.с;

• первоначальное разделение ржано-мучной суспензии осуществляется на ситовом аппарате с размерами отверстий 120 мкм при концентрации исходной суспензии 20 - 22% СВ и выделении при этом в проходе до 50% крахмала от общей его массы в суспензии; концентрация суспензии, сходящей с сит, составляет 18-20% СВ;

• выделенная крахмало-белковая суспензия, включающая растворимые ве­щества и мелкую мезгу, очищается и промывается на многоступенчатой гидроциклонной установке, сгущенный сход которой имеет концентрацию 35% СВ, а жидкий сход направляется на разбавление суспензии, сходящей с ситового аппарата и с концентрацией не ниже 15% СВ передается в спиртовое производство.

 

Процессы спиртового производства

Основой разрабатываемой технологии является получение сусла из побочных продуктов ржанокрахмального производства - суспензии концентра­цией не менее 15% СВ с пониженным содержанием крахмала. Исследования проводились с использованием современной технологии производства спир­та, принципиальная схема которой приведена на рис.9.6 .

Существенное влияние на вязкость среды оказывает размер и однородность частиц, находящихся в побочных продуктах. Увеличение степени дисперсности при выделении крахмала в крахмальном производстве даёт воз­можность снизить значение гидромодуля, что особенно важно в условиях водно-тепловой обработки крахмалсодержащего сырья при температурах до 100°С. Такой режим наиболее перспективен при переработке крахмалсодержащего сырья на спиртовых  заводах.

«Мягкий» режим подготовки ржаной водно-мучной суспензии состоит в следующем: в нее задают ферментный препарат Термамил (термостабильная альфа-амилаза) из расчёта 1,0 ед АС на 1 г крахмала, и массу выдерживают при 40°С в течение 20 мин., после чего температуру повышают до 65°С и массу выдерживают 0,5-2 часа при этой температуре. Затем ее поднимают до 90...95°С, и по истечении 1,0 - 1,5 часа массу охлаждают до температуры осахаривания и задают в нее ферментный препарат, содержащий глюкоамилазу Сан-Супер - 6,0 ед ГлС на 1 г крахмала.

Сравнительными опытами по подготовке ржаной крахмальной суспензии в «мягком» режиме установлено, что при водно-тепловой обработке при пониженных температурах растворимость сухих веществ в заторе составила 18,5% (табл.9.3).

 

Таблица 9.3

Динамика растворимости крахмала при разваривании ржаной крахмальной суспензии по «мягкой» схеме

 

Рис.9.6. Принципиальная схема производства спирта из отходов крахмального производства

 

Таким образом, анализ результатов исследований показал, что для более полной экстракции крахмала из затора достаточна водно-тепловая обработка по «мягкой» схеме разваривания: выдержка заторной массы при 65°С в течение 0,5 - 1 часа, а затем при 95°С - в течение 1 часа

Для ускорения клейстеризации и разжижения крахмала при подготовке полученного сусла к осахариванию суспензию пропускали через роторно-пульсационный аппарат (РПА). Процесс контролировали по следующим технологическим показателям:

• концентрация растворимых сухих веществ (% );

• вязкость - величина, обратно пропорциональная текучести (мПа-с);

• температура (°С).

В результате такой обработки суспензии молекулы крахмала отделяются от его зерен в самом начале их набухания, ее вязкость снижается до нуля действием срезывающих сил в кавитационном объеме. Одновременно происходит частичный гидролиз некрахмальных полисахаридов.

При оптимизации технологического процесса разваривания ржано-крахмальной суспензии по степени экстрактивности выявлено, что достаточно 1 минуты обработки в РПА для максимального накопления в ней растворимых сухих веществ. Это даёт возможность установить более эффективные режимы ее водно-тепловой обработки с предварительной гомогенизацией, постадийным нагреванием до температур 65° и 95°С и выдержкой при данных температурах соответственно в течение 0,5 и 1 ч. Таким образом, гомогенизация дает возможность снизить тепловые затраты в производстве спирта.

Побочные продукты производства ржаного крахмала представляют собой сложную систему, в составе которой, как уже отмечалось, содержится не только крахмал, но и некрахмальные полисахариды, поэтому наряду с амилолитическими необходимы ферментные препараты, обеспечивающие гидролиз данных углеводов (целлюлозы и гемицеллюлозы), оболочек и клеточных стенок сырья.

При переработке зерна ржи целесообразно использовать такие ферментные препараты, как Целлюкласт, Новозим в дозировке 0,05% и Шеарзим - 0,0025% к массе сырья, что обеспечит более глубокое протекание и ускорение процесса гидролиза крахмала амилолитическими ферментами, а также дополнительное образование сбраживаемых сахаров массой более 0,2% в результате гидролиза некрахмальных углеводов. Более интенсивно гидролиз полисахаридов и растворение веществ проходят в первые часы, присутствие целлюлазы способствует накоплению углеводов в течение всего процесса.

Таким образом, эффективность гидролиза сусла (степень гидролиза составляет не менее 64% РВ), полученного из побочных продуктов производства ржаного крахмала, проявляется при совместном воздействии амилолитических и целлюлолитических ферментных препаратов.

Исследованиями установлена возможность осуществления периодического способа сбраживания исходной суспензии с многократным использованием амилолитических ферментных препаратов и дрожжевой биомассы.

       Это позволяет увеличить начальную скорость брожения, сократить продолжительность брожения до 54 - 55 часов

Сбраживание сусла по этой схеме происходит в две стадии, на первой из которых в головных чанах идет процесс размножения дрожжей с рециркуляцией бродящего сусла из стационарной фазы физиологического развития в экспоненциальную, а на второй, в хвостовых чанах, - биосинтез спирта. Этот режим предусматривает использование повышенного количества засевных дрожжей, так как важным условием эффективного сбраживания осахаренного сусла является обеспечение дрожжевых клеток азотистым питанием, в частности, незаменимыми аминокислотами, образующимися при расщеплении пептидных связей белковых веществ протеолитическими ферментами. Так, основной процесс периодического сбраживания сусла, полученного из побочных продуктов крахмального производства, с рециркуляцией 40% сбраживаемой среды и добавлением протеолитических ферментов заканчивается уже через 48 - 50 часов. Концентрация дрожжевых клеток в процессе брожения находится на уровне 70 - 100 млн/мл среды. Массовая доля остаточных несброженных углеводов составляет 0,38 - 0,45 г/100 мл; концентрация спирта - 7,2 - 8,2% об.

Таким образом, при использовании рециркуляционного способа сбраживания среды на головной стадии можно применять повышенные концентрации засевных дрожжей, в результате чего возрастает начальная скорость брожения из-за быстрого потребления сбраживаемых углеводов осахаренного сусла.

Внесение протеолитического ферментного препарата позволяет поддерживать дрожжи в активном состоянии; при этом снижается осмотическое давление среды за счет «ступенчатого» введения углеводов, благодаря чему улучшаются условия жизнедеятельности дрожжей. Следовательно, этот способ может быть использован для сбраживания сусла, полученного из побочных продуктов крахмального производства.

Результаты совместных исследований, проведенных ВНИИ крахмалопродуктов и ВНИИ пищевой биотехнологии, по установлению основных параметров ведения технологических процессов от измельчения зерна ржи до получения крахмала А и спирта-ректификата из побочных продуктов крахмального производства являются основой для разработки технологии комплексной переработки ржаной муки на крахмал, патоку, спирт и кормовые продукты.

 

Основные направления развития производства крахмала

Вскрытие внутренних противоречий действующих технологических систем производства крахмала из картофеля и кукурузы в процессе их диагностирования позволило установить важнейшие закономерности функционирования составляющих этих систем и определить на уровне макроисследований основные направления их совершенствования и развития. Однако на эффективность бизнеса этих технологических потоков, результатом функционирования которых явилось бы создание конкурентоспособного продукта, оказывают воздействие внешние факторы.

Внешние бизнес-факторы формируют данные о сырьевых и энергетических ресурсах, объемах производства, вспомогательных материалах, ценах и др.

К числу факторов, влияющих на развитие производства крахмала, относятся:

• вид сырья и его технологические свойства;

• топливно-энергетические ресурсы и цены на них;

• мощности предприятий и их загрузка;

• экологическая безопасность производства.

 

Сравнительная оценка различных видов крахмалсодержащего сырья и анализ сложившейся в стране ситуации с сырьевым обеспечением производства крахмала свидетельствуют, что на ближайшие 10 - 15 лет традиционный ассортимент сырья претерпит существенные изменения. Картофель и кукуруза - основные виды сырья для выработки крахмала в России - ввиду ограниченного их товарного производства не могут служить потенциальными ис­точниками по следующим причинам.

По почвенно-климатическим условиям кукуруза выращивается на зерно только в южной зоне России в недостаточном количестве и не является местным сырьём для большинства регионов.

Из-за прекращения государственных субсидий ожидать восстановления производства картофеля для промышленной переработки на крахмал не приходится. Рыночные цены на единицу массы картофеля в 1,5 - 2 раза выше, чем на кукурузу и другое зерновое сырье, а в пересчете на сухие вещества - в 4 - 6 раз. Иначе говоря, цена на картофель как конкурентный вид сырья должна быть в 3 раза меньше, чем на зерно, что нереально в условиях проведения экономических реформ в сельском хозяйстве страны.

Опережающий рост цен на топливно-энергетические ресурсы сохранится на ближайшие десятилетия из-за ограничения добычи невозобновляемых природных источников. В связи с этим возрастают требования по снижению энергоёмкости технологических процессов и транспортных расходов, связанных с перемещением сырья и готовой продукции до потребителя.

Крупных инвестиций в развитие крахмалопаточной промышленности страны не ожидается из-за высоких банковских ставок, поэтому увеличение объёмов производства крахмала будет происходить в основном путем строительства заводов малой и средней мощности, использующих местное сырье, реконструкции действующих предприятий и адаптации картофелекрахмального производства к переработке зернового сырья.

Накладываемые на развитие производства крахмала ограничения по сырью, энергоёмкости, производительности определяют условия его функционирования и дальнейшего совершенствования:

• создание гибких технологий и универсального оборудования для производства крахмала из местных видов крахмалсодержащего сырья;

• уменьшение расхода воды и энергозатрат на выработку крахмала;

• создание комбинированных производств с использованием побочных продуктов в жидком виде, без концентрирования и сушки, как исходного сырья для кормопроизводства, дрожжевого производства и др.;

• создание технологии переработки на крахмал зернового сырья с бимодальной дисперсностью зерен крахмала (например, зерна ржи).

 

Прогрессивное развитие технологии предусматривает повышение целостности системы, что может в конечном итоге привести к её трансформации в моноэлемент, сохраняющий функциональные свойства всей системы.

Создание машин и аппаратов, обладающих многофункциональностью, является непременным условием обеспечения эффективной переработки новых видов крахмалсодержащего сырья (рожь, ячмень и т.д.), использование которых будет основой для решения многих проблем отрасли: восполнение недостатка отечественного зерна кукурузы, ликвидации сезонности переработки картофеля и др. Как уже отмечалось, к числу наиболее перспективных видов отечественного крахмалсодержащего сырья относится зерно ржи.