Механическое диспергирование крахмала дало возможность разработать новый метод получения спирта холодным способом без разваривания крахмала.

Исследованиями, выполненными Липатовым и Шульманом, было установлено, что крахмал, подвергнутый глубокому диспергированию (измельчения) на шаровой вибрационной мельнице, приобретает способность растворяться на холоду (обычный крахмал в холодной воде не растворяется) и активно взаимодействовать с амилазой солода без предварительного разваривания и клейстеризации. Это дало возможность разработать новый холодный метод получения спирта без разваривания крахмала и экономить огромное количество тепловой энергии.

Наиболее ясно изменения в структуре диспергированного крахмала могут быть обнаружены методом определения вязкости. Измерения вязкости 1%-ных растворов картофельного крахмала, диспергированного в сухом состоянии, проведенные в вискозиметре Оствальда при 25°, дали следующие результаты.

Для растворов диспергированного крахмала характерно постоянство отношения ηs / С  (где ηs — удельная вязкость, С — концентра­ция) в широком интервале концентраций, тогда как для растворов клейстеризованного нативного крахмала этого не наблюдается.

Пользуясь уравнением Куна и определив молекулярный вес крахмала осмотическим методом, были вычислены короткая и длинная оси молекул. Оказалось, что короткая ось частиц остается практически неизменной, а длинная ось уменьшается в 2 раза.

Эти результаты говорят о том, что диспергирование крахмала является следствием главным образом дезагрегации его сложно построенных частиц.

Таким образом, можно предположить, что золи диспергированного крахмала имеют иную структуру, чем золи нативного крахмала, и что электролиты воздействуют главным образом на те связи цепей крахмала, которые разрушаются при механическом диспергировании.   

Независимость теплоты растворения предельно диспергированного крахмала от температуры может быть объяснена преодолением межмолекулярных сил взаимодействия между макромолекулами крахмала при диспергировании либо одновременным распа­дом агрегатов и изменением их формы. Не исключено, что механи­ческое диспергирование приводит также к разрушению мостичных эфирных связей и образованию свободных радикалов, однако в наших условиях это изменения обратимые.

Действительно, путем нагревания диспергированного крахмала в парах воды при 100° его удается вернуть практически в исходное состояние. Таким образом, аморфное строение крахмала не является равновесным.

Первые систематические исследования в области механохимии крахмала были начаты нами под руководством действительного члена Академии наук БССР проф. С. М. Липатова на основе совместно проведенных работ по изучению структуры крахмала и механизма его клейстеризации.

В результате этих исследований было установлено, что крахмал, подвергнутый механическому диспергированию на шаровой коллоидной мельнице, приобретает способность растворяться на холоде и активно взаимодействовать с амилазой солода без предварительного разваривания и клейстеризации.

При переработке диспергированного крахмалсодержащего сырья (толстопленчатого зерна) увеличивается выход спирта за счет исключения потерь сбраживаемых веществ, неизбежных при разваривании крахмалсодержащего сырья, а также за счет сбраживания некоторой части диспергированных оболочек злаков.

В монографии приведены результаты исследования оптимальных условий диспергирования зерна и рассматриваются физико-химические свойства нативного и диспергированного крахмала, их растворов и крахмалсодержащего сырья;

• представлены принципиальные технологические схемы сбраживания диспергированного крахмалсодержащего сырья;

• показана возможность и целесообразность применения диспергирования целлюлозосодержащих и перспективы использования диспергированного крахмала в других отраслях промышленности;

• на основе литературного и экспериментального материала развиваются теоретические основы процесса механического диспергирования и клейстеризации крахмала;

• обобщен полученный нами материал по физико-химическим свойствам диспергированного крахмала, крахмал- и целлюлозосодержащего сырья; дана теория механической клейстеризации крахмала и изложены результаты исследований по получению спирта без разваривания сырья. Автор надеется, что публикуемая работа будет способствовать совершенствованию технологии производства спирта, а также дальнейшему развитию исследований в области механохимии крахмала и применению диспергированного крахмала в ряде отраслей пищевой, легкой и гидролизной промышленности.

На основании изложенного могут быть предложены следующие варианты технологической схемы получения спирта без разваривания сырья.

Толстопленчатое необрушенное зерно (ячмень, овес) поступает по транспортеру-элеватору в бункер и из него через автоматические весы в непрерывно действующую шаровую или вибрационную мельницу.

С целью уменьшения расхода электроэнергии на диспергирование зерно перед поступлением на шаровую или вибрационную мельницу грубо измельчается на жерновой, валковой или молотковой дробилке.

Двухстадийное измельчение может сократить время диспергирования на шаровой мельнице овса до 5 часов вместо 7,5 , а ячменя до 2,5 часов вместо 4—4,5.

Ранее нами указывалось, что средний расход электроэнергии для диспергирования толстопленчатого зерна на шаровой или вибрационной мельнице лежит в пределах 250—260 кВт-ч на 1 тонну сырья, что соответствует 8 кВт-ч на 1 дал спирта.

В приведенном ниже предварительном технико-экономическом обосновании расчеты сделаны без учета возможного уменьшения расхода электроэнергии на двухстадийное диспергирование и подсушивание зерна до 7% влажности.

Из выпускаемых в настоящее время вибрационных мельниц могут быть использованы вибромельницы типа М-400 с электромотором мощностью 28 кВт.

В приведенном выше экспериментальном материале было показано, что средняя производительность диспергирования зерна на вибромельнице М-200 (электромотор мощностью 14 квт) составляет 70 кг/час. Применение вибромельницы М-400 позволит диспергировать не менее 140 кг зерна в час, или 2800 кг за сутки.

При производительности спиртового завода 1000 дал спирта в сутки потребуется диспергировать в среднем 30 тонн зерна, для чего потребуется 11 —12 вибромельниц М-400 или 5—6 мельниц М-1000. Общая потребляемая мощность вибромельниц составит 300—340 кВт (в момент пуска 500—600 кВт).

Предварительное измельчение зерна на жерновых или других мельницах позволит сократить расход электроэнергии на диспергирование не менее чем на 15—20%.

Сопоставляя работу шаровых и вибрационных мельниц, необходимо указать, что для измельчения большого количества материала, в данном случае для диспергирования зерна, предпочтение следует отдать шаровым мельницам, широко применяемым на обогатительных фабриках, а также в цементной и других отраслях промышленности.

Как указывает Канторович [123], производительность шаровых мельниц зависит от очень многих факторов и не поддается аналитическому определению.

Автор приводит данные, показывающие, что при тонкости помола продукта 2% производительность составляет 15 кг/час на 1 кВт мощности, а при тонкости 16% (на сите 4900) — 31 кг, т. е. почти вдвое больше.

На производительности шаровой мельницы сказывается число ее оборотов, конструкция, характер и размеры измельчаемого материала, его влажность и физические свойства.

Ранее нами показано, что число оборотов шаровой мельницы, используемой для диспергирования толстопленчатых злаков, отвечает уравнению

n = 38/√ D , что несколько превышает оптимальную величину, необходимую для измельчения твердых материалов.

Необходимо указать, что указанное соотношение было установлено при работе с мельницей диаметром 0,4 м.

Так как приведенное выше эмпирическое уравнение справедливо для шаровых мельниц, диаметр барабана которых не более 1,7 метра, а при большем значении диаметра барабана число оборотов, определяемое по данному уравнению, следует уменьшить на 1—2, то, по всей вероятности, данное уменьшение числа оборотов следует принять во внимание при определении скорости вращения шаровой мельницы, используемой для диспергирования зерновых злаков.

Оптимальным коэффициентом заполнения мельницы шарами (или стержнями) вместе с измельчаемым продуктом следует считать φ = 0,4 - 0,45.

Для диспергирования крахмалсодержащего сырья могут найти применение шаровые мельницы, изготовляемые Уралмашзаводом, характеристика которых приведена в табл. 1, взятой из книги Д. И. Беренова «Дробилки, мельницы, питатели».

Таблица 1

Общий вид шаровой мельницы СМ-15 с полыми цапфами для входа и выхода продукта представлен на рис. 1.

Рис. 1. Шаровая мельница СМ-15.

По достижении необходимой степени дисперсности (после предварительного измельчения злаков на вальцовой или другой дробилке) и влажности 13—14% продолжительность диспергирования должна составить для овса — 5 часов, для ячменя — 2,3 часа. Диспергируемое сырье поступает в осахариватель, где смешивается с водой и солодом при 58° в течение 30 минут, после чего охлаждается до температуры складки и направляется в бродильные чаны.

Осахаривание диспергированного сырья может быть непрерывным по мере его поступления. Остальные процессы протекают по принятой технологической схеме.

Рис. 2. Принципиальная схема получения спирта холодным способом без разваривания сырья: 1, 2— транспортеры; 3 — бункер; 4 — автоматические весы; 5 — дозатор сырья; 6 — молотковая или вальцовая дробилка; 7— бункер-дозатор; 8—вибрационная или коллоидная мельница; 9 — устройство для нагнетания измельченного сырья в циклон; 10 — циклон; 11 — гидроклассификатор; 12 - промежуточный сборник; 13 — шнек; 14 — сборник-дозатор; 15 — осахариватели; 16 — центробежный насос; 17 — чан для зеленого солода; 18 — дрожжанки; 19 —бродильные чаны; 20 — весы для зеленого солода; 21 — вибромельница (для солода); 22 — дозатор воды.

На данной схеме приведено также диспергирование зеленого солода, которое может быть осуществлено и независимо от диспергирования крахмалсодержащего сырья.