Получение этилового спирта

В эпоху промышленного прогресса спирт широко применяют как растворитель и химическое сырье для производства синтети­ческого каучука. В настоящее время в нашей стране большая часть этилового спирта используется на технические нужды, остальная — в медицине и для других целей.

Истощение запасов нефти и газа поставило перед наукой важнейшую задачу — разработать способы получения новых ви­дов топлива, в первую очередь восполнить нехватку бензина. Недостаток в нем особенно остро ощущается в странах Америки и Западной Европы. Изыскание новых энергетических ресур­сов — одна из наиболее актуальных проблем современности. Этиловый спирт — горючее, которым частично можно заменить бензин, его можно добавлять к бензину (10 % и больше). Смесь спирта и бензина (газоголь) используется как топливо для авто­мобильного транспорта. Полагают, что при этом уменьшается загрязнение окружающей среды выхлопными газами, происходя­щее при неполном сгорании бензина, так как спирт полностью окисляется до С0₂ и Н₂0. По-видимому, производство моторного этанола путем брожения займет значительное место в странах, имеющих предпосылки для получения дешевого растительного сырья: почвенно-климатические условия, благоприятные для высо­ких урожаев сельскохозяйственных культур, а также быстрорас­тущих древесных пород. Имеется, кроме того, и значительное количество площадей для их выращивания.

В процессе спиртового брожения, как отмечалось выше, наря­ду с основным продуктом брожения — этанолом образуются побочные продукты; глицерин, высшие спирты, сивушные масла альдегиды, органические кислоты, эфиры, углекислый газ. Большинство из них находит практическое использование. Сивушное масло и эфироальдегидную фракцию выделяют при ректификации этилового спирта и выпускают в виде технических продуктов Углекислый газ улавливают, ()чищают от сопутствующих примесей и превращают в жидкую углекислоту. Ее используют раз ных целях, в том числе для газирования воды, пива и безалкогольных напитков; применяют при сварочных работах как защитный агент против окисления швов, а также в литеином и других производствах. Сухой лед, получаемый из сжиженного углекислого газа, применяют в качестве хладоагента в пищевой промышленности, медицине, машиностроении и энергетике. Выде ленная после брожения биомасса дрожжей утилизируется в хлебопечении, а на барде после отгонки спирта выращивают кормовые дрожжи.

Сырьем для производства спирта служат разнообразные растительные материалы, содержащие в достаточном количеств сбраживаемые сахара или другие углеводы, которые можноосахарить. Н аиболее широко используются крахмалосодержа-щие материалы — зерно (рожь, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, просо) и картофель, сахаросодержащие материалы — меласса (отход сахарного и крахмалопаточного производства), дефектная сахарная свекла, а также древесина и отходы сельскохозяйственных растений. Дал ьнейшее увеличение производства спирта будет идти в основном по пути увеличения мощностей предприятий, использующих непищевое сырье.

Процесс производства спирта из крахмалистого сырья включает ряд стадий.

Вначале сырье измельчают и разваривают с целью извлечения и растворения крахмала. Поскольку крахмал не подвержен действию ферментов дрожжей, способных сбраживать только дисахариды и моносахариды, охлажденную разваренную массу обрабатывают амилолитическими ферментами солода (пророщенного зерна) или грибов (Aspergillus oryzaе, A, niger и др.). Осахаренная масса (затор) содержит смесь углеводов, состоящую из мальтозы, глюкозы и декстринов. К роме того, в н ем имеются пептиды, аминокислоты, фосфорорганические соед инения, минеральные соли и микроэлементы.

Следующая стадия — сбраживание осахаренной массы. На спиртовых заводах применяют периодический и непрерывно-поточный способы брожения. Для этого используют естествен­но-чистые культуры дрожжей; последние систематически ведут на производственных заторах в специальном дрожжевом отделе­нии. Для подавления в них размножения бактерий пастеризован­ный и охлажденный до 30 °С затор подкисляют серной кислотой до рН 3,8—4,0. Такие значения рН менее благоприятны для раз­вития дрожжей, чем рН 4,5—5,0, но медленное размножение дрожжей компенсируется возможностью получения практически чистой культуры в нестерильных условиях.

Спиртовые дрожжи, применяемые при переработке крахмалис­того сырья, должны обладать высокой бродильной активностью; быстро и полностью сбраживать сахара, а также использовать другие компоненты питательной среды в анаэробных условиях, быть устойчивыми к продуктам своего обмена (особенно к спир­ту), хорошо противостоять развитию инфекции. Уже около 70 лет применяют S. cerevisiae, раса XII. Эти дрожжи хорошо сбра­живают глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, на ^!/з раффино­зу, несколько слабее галактозу. В среде накапливают до 10— 11 об. % спирта. Раса XII — верховые, хорошо распреде­ляющиеся во всем объеме затора, пылевидные, не образуют хлопьев. Оптимальная температура их развития от 30 до 38° С, максимальная 38 °С, минимальная температура 5 °С. Значение рН во время брожения поддерживают в пределах 3,8—4,0. Используют также другие расы дрожжей, но не так широко. Пос­ле сбраживания заторов остаются неиспользованными около 0,1 % галактозы, 0,4% декстринов и 0,5% пентоз.

Проводится селекционная работа по получению рас дрожжей с более высокими производственно ценными свойствами, в част­ности, способных интенсивно использовать галактозу и декстри­ны. В последние годы большое внимание уделяется селекции термотолерантных рас, дающих в промышленном производстве ряд преимуществ (ускорение микробиологических процессов, уменьшение расхода хладоагента и др.).

Разрабатываются методы получения этанола на различных субстратах с использованием иммобилизованных клеток микро­организмов.

Меласса — побочный продукт сахарного производства (со­держит около 80 % сухих веществ и 20 % воды). Сухие вещества представлены сахарами, безазотистыми органическими, азотсо­держащими и минеральными веществами. Основной сахар мелас­сы— сахароза. В сухих веществах ее 45…50 %; Содержится также 0,1—0,5 % инвертного сахара (смесь глюкозы и фруктозы) и 0,5—2 % раффинозы. Все остальные сухие вещества мелассы объединяют общим названием несахара. Они определяют свойства мелассы как сырья для спиртового производства. Азотсодер­жащие вещества мелассы представлены в основном продуктами распада белковых веществ аминокислотами и бетаином – органическим основанием, дающим при разложении амины. Со­держит она витамины группы В и биотин, необходимые для роста дрожжей. Нормальная доброкачественная меласса имеет слабо­щелочную или нейтральную реакцию

(рН 7,2- 8,9).

К дрожжам, используемым для сбраживания мелассных раст­воров, предъявляются в основном те же требования, что и к ра­сам для производства спирта на крахмалистых средах. Кроме того, они должны обладать способностью переносить высокие концентрации сухих веществ, содержащихся в мелассе, и, воз­можно, более полно сбраживать рафинозу. Технологические схемы предусматривают использование выделенных после броже­ния дрожжей в качестве хлебопекарных, поэтому они должны отвечать требованиям, предъявляемым к последним.

В производстве широкое применение нашла раса S. cere­visiae Я, а при использовании дрожжей в качестве хлебопекар­ных раса В (венгерская). Дрожжи этих рас хорошо сбражи­вают сахарозу, глюкозу и фруктозу, рафинозу только на 1/3. При большом содержании раффинозы в мелассе, цедобор спирта может быть значительным.

Для селекции рас дрожжей с требуемыми свойствами был применен метод гибридизации. В результате скрещивания расы Я с дрожжами, использующимися в пивоваренном производстве и способными образовывать -галактозидазу, были получены диплоидные гибриды (67 и 73), применяемые в настоящее время на ряде заводов России. Они сбраживают раффинозу примерно на 60—70 %, тогда как дрожжи рас Я и В — только на 30 %. В последние годы для сбраживания сусла из свеклосахарной и тростниковой мелассы используют расу V-30. Она сбраживает раффинозу на ²/з и обладает высокой генеративной способностью, а получаемые прессованные хлебопекарные дрожжи лучшего качества, чем дрожжи расы В.

Сырьем для получения технического спирта могут служить гидролизаты древесины и других растительных отходов. Древесина хвойных и лиственных пород содержит от 40 до 75 % полисахаридов. Различают легко- и трудногидролизуемые полисахариды. Легкогидролизуемые полисахариды состоят из гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Трудногидролизуемые полисахариды содержат целлюлозу с небольшой примесью гемицеллюлоз.

Растительное сырье под давлением подвергают кислотному гидролизу. Полученный гидролизат содержит 3,2—3,5 % редуцирующих сахаров, преимущественно глюкозу, в небольших количествах галактозу и маннозу, а также пенто-

зы — ксилозу, арабинозу, рамнозу.

Для сбраживания древесных гидролизатов используют ряд рас S. cerevisiae и Schizosaccharomyces. Последние более полно сбраживают галактозу, чем сахаромицеты, и поэтому дают более высокий выход спирта. Брожение проводят по непрерывно-поточному способу при высокой концентрации биомассы (17— 25 г/л).

Присутствующие в гидролизате вредные примеси играют роль антисептиков — подавляют развитие посторонних микроорганиз­мов. Поэтому на гидролизных спиртовых заводах отсутствуют установки для размножения чистых и производственных культур дрожжей, а одни и те же дрожжи используют на протяжении многих месяцев.

Зрелая бражк а, полученная в результате брожения, содержит 1,0—1,5% этанола и побочные продукты брожения, несброженные сахара и другие органические вещест ва. При п ерегонке бражки и ректификации гидролизного спирта удается полностью избавиться от этих примесей; гидролизный спирт (ректификат) содержит до 0,05—0,1 % метанола и несколько большее коли ­ч ество кислот, сложных эфиров и альдегидов, чем ректификат из пищевого сырья.

При традиционном способе получения этанола из гидролизатов древесины и отходов сельскохозяйственных растений значи­тельная часть моносахаридов, в основном ксилозы, остается неиспользованной. В последние годы выявлены дрожж и Pachysolen tannophilus, Candida shehatae (син. Pichia stipitis) и другие, способные сбраживать ксилозу с образованием этанола. Исполь­зование таких дрожжей может обеспечить утилизацию до 90 % сахаров, образующихся при гидролизе растительной массы. Разрабатываются промышленные методы производства этанола с применен ием ксилозосбраживающих дрожжей.

Сульфитные щелока являются отходами целлюлозного произ­водства. Д ля извлечения целлюлозы древесину обрабатывают при повышенной температуре варочным раствором, обычно пред ­ ставляющим смесь сернистой кислоты с водными растворами бисульфитов и моносульфитов — Ca(HSQ₃)₂, Mg(HSO₃)₂, NH₄HSO₃ и NaHSО₃. При этом целлюлоза извлекается в непов ­ режденном виде, а гидролизуются только гемицеллюлозы. Лиг­нин, входящий в состав древесины, образует с сернистой кислотой водорастворимые лигносульфокислоты. Суммарная концент­ ра ция сахаров достигает 3,0—3,5%, из них 62—68% сбраживаемые, рН 1,5—1,0.

Сульфитные щелока сбраживают расами S. cerevisia e, которые хорошо используют галактозу, обладают флокулирующими свойствами и сорбируются волокнами целлюлозы. Благодаря наличию в щелоках ряда антисептических веществ нет необходимости в процессе производства размножать дрожжи в специальных аппаратах. Отбродившие дрожжи вновь идут в производство.

Зре лая бражка содержит 0,5—1 % этилового спирта и мно го лету чих примесей (альдегиды, эфиры, высшие спирты, метанол_у фурфурол, сернистый ангидрид, сероводород). В сульфитно м спирте остает ся трудноотделяемые, сернистые соединения, значительное количество альдегидов и эфиров, а также 2—8 % мета­нола. Сульфитный спирт является самым дешевым. Его стоимость примерно в три раза ниже пищевого.

Дата добавления: 2015-08-21