Сырье бродильных производств

ВВЕДЕНИЕ Технология бродильных производств изучает методы и процессы переработки различных видов сырья в продукты брожения. Основным и общим процессом для всех бродильных отраслей является брожение. Различают несколько видов брожения: спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, лимоннокислое и т.д., что определяется видом микроорганизма (дрожжи, бактерии, плесневые грибы), осуществляющего процесс. В зависимости от используемого микроорганизма все бродильные производства можно разделить на три группы:  производства, основанные на применении дрожжей (получение этилового спирта, пива, вина, кваса, выращивание хлебопекарных дрожжей. В эту группу относят также производство крепких алкогольных и безалкогольных напитков, так как основным сырьем является спирт или полуфабрикаты, содержащие его);  производства, основанные на использовании бактерий (получение ацетона, уксуса, молочной кислоты, бутилового спирта и др.);  производства, в основе которых лежит использование жизнедеятельности плесневых грибов (получение лимонной кислоты, фумаровой и т.д.). Непосредственно к бродильной отрасли относится первая группа производств, две другие принадлежат к микробиологической промышленности. СЫРЬЕ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ 1 Общая характеристика сырья бродильных производств Основным видом сырья в бродильных производствах является растительное. Существуют различные классификации сырья: по консистенции, преобладанию какого-либо химического вещества, целевому назначению и др. В бродильной отрасли сырье классифицируют в зависимости от преимущественного содержания в нем какого-либо углевода. Исходя из этого, сырье подразделяется на: крахмалсодержащее – зерновые злаки, картофель; сахаросодержащее – меласса, виноград, сахарная свекла, плоды, ягоды; содержащее клетчатку – древесина, сульфитный щелок; специфическое – хмель и другое пряно-ароматическое сырье. При производстве спирта используют ячмень, кукурузу, овес, просо, рожь, пшеницу, картофель, мелассу, сахарную свеклу, древесину, сульфитный щелок. В виноделии – плоды, ягоды, виноград. В пивоварении – ячмень, хмель. Кроме этого при приготовлении некоторых сортов пива используют рис, пшеницу, кукурузу и другие злаки. При производстве хлебопекарных дрожжей – мелассу. При производстве кваса – рожь. В производстве безалкогольных напитков – плоды, ягоды. К растительному сырью, используемому в бродильных производствах, предъявляют следующие технико-экономические требования: - оно должно ежегодно воспроизводиться в необходимых количествах; - быть доступным и дешевым; - сырье должно содержать значительное количество основного компонента (например, углеводов); - в случае необходимости хорошо выдерживать хранение. 2.1 Сахаросодержащее сырье 2.1.1 Меласса Меласса - это побочный продукт производства пищевого сахара. Поскольку сахар производят из сахарной свеклы и сахарного тростника, различают свекловичную и тростниковую мелассу. В обоих случаях это то, что остается после кристаллизации сахара из сахарного раствора с последующим упариванием этого остатка. Это густая, вязкая жидкость темно-коричневого цвета с запахом карамели. Меласса – сырье для производства спирта и хлебопекарных дрожжей. Состав мелассы непостоянен, зависит от почвенно-климатических условий выращивания сахарной свеклы, условий хранения свеклы и самой мелассы, технологии переработки свеклы на сахар. Химический состав мелассы: сухие вещества 75…82 %, в том числе: сахароза 45…50 %; инвертный сахар – не более 0,5 %; рафиноза – не выше 1 %; азот общий __ не менее 1,4%; азот аминный __ не менее 0,3%; минеральные вещества 7…8 %; безазотистые экстрактивные вещества 15…16 %; рН 6,5…8,5; число микроорганизмов не более 10000 в 1г. Важный показатель качества мелассы – доброкачественность (Д). Это отношение содержания сахара к общему количеству сухих веществ. Доброкачественность должна лежать в пределах 55…62 %. Наряду с ценными веществами (сбраживаемыми сахарами, азотистыми соединениями, витаминами – В1; В2; В6; РР, биотином) меласса содержит вредные примеси, отрицательно влияющие на жизнедеятельность дрожжей. К ним относятся красящие вещества (карамели, меланоидины), летучие кислоты (муравьиная, уксусная), сернистый ангидрид, остатки пестицидов и гербицидов, нитриты, коллоидные вещества. Меласса с кислой реакцией (рН менее 6,5), с высоким содержанием инвертного сахара, повышенной цветностью считается дефектной. Для производства хлебопекарных дрожжей она не пригодна, а для получения спирта перерабатывается вместе с нормальной. В натуральном виде - это густой сироп темного цвета с содержанием сухих веществ до 80 %, из которых на долю сахаров (в основном - сахарозы) приходится около 60 %; все остальные компоненты (примерно 40 %) оказывают отрицательное воздействие на переработку мелассы в спирт, поэтому их называют примесями. Наличие примесей способствует инфицированию мелассы и развитию инфекции в процессе переработки, что значительно усложняет (и удорожает) ее. Часть примесей являются летучими, и от них не всегда удается избавиться в должной мере при выделении и очистке спирта, поэтому спирт из мелассы имеет, как правило, худшие органолептические свойства по сравнению со спиртом из иного сырья. Перевозится меласса в железнодорожных, автомобильных цистернах или металлических бочках. Сливается из цистерн самотеком по металлическим желобам в приемные сборники. Остатки разбавляют водой, собирают и хранят отдельно. Мелассу хранят в цилиндрических стальных резервуарах вместимостью 500…2000 тонн при температуре не выше 40 оС. Главным отличием мелассы от всех других видов сырья является то, что это готовый раствор сахара, тогда как все другие виды сырья необходимо осахаривать. Выход спирта из мелассы составляет 30...32 дал/т. 2.1.2. Сахарная свекла В отличие от мелассы сахарная свекла перерабатывается на спирт в ограниченных масштабах. Корнеплоды сахарной свеклы содержат до 18 % сахарозы, которая достаточно легко извлекается из нее при водно- спиртовой обработке. Полученные растворы перерабатывают, как правило, вместе с мелассным или картофельным суслом. Выход спирта из сахарной свеклы составляет до 12 дал/т. 2.1.3 Виноград Виноград – это основное сырье для производства вина. Представляет собой лиану, относится к семейству виноградных. Соцветие – сложная кисть. Плоды винограда, собранные в кисть, представляют собой гроздь. Гроздь (рисунок 3) состоит из механически прочного остова - гребня (1) и нежных плодов - ягод(2), прикрепленных к гребню. Ягода (рисунок 4) состоит из кожицы (1), мякоти (2) и семян (3) Рисунок 3- Гроздь винограда Рисунок 4- Строение виноградной ягоды Механический состав грозди составляет (в среднем): масса гребней – 3…7 % от массы зрелой грозди; мякоть с соком – 75…85 % от массы ягод; кожица - 15…20 % от массы ягод; семена – 3…6 % от массы ягод. Химический состав мякоти винограда сложен и представлен различными группами органических и неорганических соединений. В среднем химический состав винограда следующий: вода 55…85 %; сахара (преобладают глюкоза и фруктоза) – 10…30 %; органические кислоты (в основном винная, яблочная) – 0,5…1,5 %; азотистые вещества (преобладает небелковый азот) 0,1…0,9 %; пектиновые вещества 0,1…0,3 %; минеральные вещества (больше всего калия, фосфора, кальция, магния) до 0,5 %. В кожице винограда сосредоточены красящие вещества, фенольные соединения, клетчатка, эфирные масла. Семена содержат фенольные вещества, клетчатку, жирное масло, смолистые вещества с неприятным вкусом. Виноград богат витаминами: С, каротином, В1, В2 и др. Виноград считается одним из самых сладких плодов. Основные сахара – глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза. Собирают виноград в период технической зрелости, когда накапливаются в определенном соотношении сахара и органические кислоты, что обеспечивает получение определенных типов вин. Время сбора винограда определяется по глюкоацидометрическому показателю сусла (отношение количества сахаров - % к титруемой кислотности – г кислот в 1 л). Для каждого типа вина существует свой срок сбора винограда. Сбор винограда должен быть доставлен на переработку не позднее чем через 4 часа после сбора, так как выделяющийся сок легко подвергается брожению и закисанию. Все технические сорта винограда делят на универсальные и специальные. Универсальные сорта (Совиньон, Ркацители, Каберне Совиньон и др.) распространены в различных районах виноделия, позволяют готовить разные типы вин (от натуральных до специальных). Специальные сорта используют только для выработки определенных типов вин (шампанских, хереса, десертных и др.). В каждом районе виноделия выделяют свои местные аборигенные сорта (токайские сорта - Фурминт, Гарс Левелю __ в Венгрии, цимлянские сорта - Цимлянский черный, Плечистик __ на Дону и др.), из которых получают широко известные местные вина. 2.2 Крахмалсодержащее сырье 2.2.1 Картофель Картофель – основное сырье для производства спирта. Принадлежит к семейству пасленовых, к группе корнеплодов. Клубень картофеля имеет следующее строение: Снаружи покрыт кожицей – эпидермисом (1). Она защищает клубень от механических повреждений. На ней видны глазки и поры. Под кожицей содержится несколько рядов клеток пробкового слоя – перидерма (2), который защищает клубень от высыхания, сосудистоволокнистые кольца (4), от которых отходят Рисунок 2- Строение пучки к глазкам. Кожица и пробковый слой не картофеля содержат крахмала. Далее следует внутренняя часть клубня – внешняя сердцевина паренхима (3) и внутренняя сердцевина (5), которые состоят из клеток, заполненных клеточным соком. В нем плавают крахмальные зерна. Химический состав картофеля зависит от сорта, способов возделывания, почвенно-климатических условий, длительности и условий хранения. В среднем химический состав картофеля следующий: влажность 75 %; сухие вещества 25 %. Сухие вещества представлены: крахмалом (14…20 %); сахарами (до 1 %); целлюлозой (1 %); пентозанами и пектиновыми веществами (до 1,5 %); азотистыми веществами (2 %); минеральными веществами (1 %). Из сахаров содержатся: сахароза, глюкоза, фруктоза. Преобладает сахароза. Азотистые вещества представлены белками, аминокислотами, амидами и азотистыми основаниями. Клеточный сок картофеля имеет слабокислую реакцию (рН 5,6…6,2) изза наличия органических кислот (лимонной, щавелевой, яблочной). Минеральные вещества представлены солями калия и фосфорной кислоты. В картофеле содержится витамин С (до 25 мг%) и небольшое количество витаминов группы В. Известно более 2000 сортов картофеля. Для переработки на спирт применяют высококрахмалистые сорта, с высокой урожайностью, устойчивые к хранению и стойкие против заболеваний. Хранение картофеля на спиртовых заводах осуществляют в буртах или кагатах, которые располагаются недалеко от завода, либо в картофелехранилищах. Бурты – конические, кагаты - в виде трапеции, представляют собой кучи картофеля шириной до 4 м. Длина бурта 20…25 м. Сверху бурты закрывают соломой и землей. В бурты для длительного хранения укладывают только здоровый и сухой картофель, влажный – подсушивают на воздухе. Картофель пониженного качества перерабатывают в первую очередь или закладывают в бурты для кратковременного хранения. Для вентиляции при хранении служат горизонтальные дырчатые трубы. Их устанавливают вдоль основания бурта. Температурный режим хранения зависит от периода хранения. Различают следующие периоды хранения: начальный, охлаждение, зимний, весенний. В начальный период – происходит дозревание клубней и заживление механических повреждений. Под поврежденной кожицей образуется защитный слой, который предотвращает потерю влаги. Этот слой непроницаем для микроорганизмов. Продолжительность периода 10…15 дней, температура 15…20 оС. Период охлаждения – в этот момент картофель постепенно охлаждают до температуры 2 оС. Для снижения температуры проводят интенсивное вентилирование. Длительность периода 20…30 дней. Зимний период – картофель находится в состоянии покоя. Температура хранения 2…4 оС. При температуре 0 оС происходит гидролиз крахмала и образование сахаров (накапливается сахароза). При температуре минус 6 оС картофель погибает. Весенний период – усиливается дыхание, клубни прорастают. Процесс прорастания задерживают обработкой специальными химическими веществами. При хранении картофеля уменьшается его масса за счет испарения воды и расхода крахмала на дыхание. Требования ГОСТ 6014: Клубни д.б. здоровыми, сухими, размером по наибольшему поперечному сечению – не менее 30мм Содержание клубней с механическими повреждениями – не более 2 % Содержание мелких клубней (от 20 до 30 мм) – не более 5% Содержание земли – не более 1,5% Содержание клубней, пораженных болезнями – не более 2%. Это лучший вид сырья для производства спирта. Из картофеля с 1 га посевной площади получают в 2…3 раза больше крахмала, а, следовательно, и спирта по сравнению с зерном. При переработке картофеля получают более высокий выход спирта, чем из крахмала зерна. В сравнении с мелассой картофель является менее концентрированным сырьем. Выход спирта из него составляет около 10 дал/т. 2.2.2 Зерновое сырье Для производства спирта используют любое зерно (пшеницу, ячмень, кукурузу, овес, просо, рожь), в том числе непригодное для пищевых и кормовых целей. Ежегодный объем переработки составляет (в % от общего объема): пшеницы -50 (преимущественно дефектной), ячменя -20, ржи 12, кукурузы 8, проса 5, овса 2 и прочих культур – 3. Для производства пива – ячмень и в небольших количествах рис, кукурузу. Для производства кваса – рожь, ячмень, кукуруза. Ячмень, овес, просо, рожь применяют как в несоложенном состоянии так и в виде солода. Солод - это пророщенное в специальных условиях для накопления количества и активности ферментов зерно. Различают голозерные (беспленчатые): пшеница, рожь, кукуруза и пленчатые: просо, овес, ячмень, рис. Строение зерна Все зерновые культуры различаются по строению, но, тем не менее содержат одинаковые анатомические части. Строение зерна рассмотрим на примере ячменя. Зерно покрыто плотной мякинной оболочкой (7). Мякинная оболочка выполняет защитную функцию – предохраняет зерно от повреждения и высыхания. Она состоит из двух частей: брюшной и спинной. Спинная оболочка переходит в ость (6) и отбивается при молотьбе. Под мякинной находятся плодовая и семенная (8) оболочки. Семенная оболочка полупроницаема: пропускает воду, но задерживает растворенные в ней вещества и микроорганизмы. Оболочки состоят из веществ, которые нерастворимы в воде и трудно разрушаются механическим или химическим путем. Это: Рисунок 1целлюлоза, гемицеллюлоза, которые пропитаны Строение зерна минеральными веществами. У некоторых зерновых культур мякинная оболочка удаляется при молотьбе. Такие культуры называются голозерными. К ним относятся: рожь, пшеница, кукуруза. Зерновые культуры, у которых мякинная оболочка срослась с зерном и не отделяется при обмолоте, называются пленчатыми (ячмень, овес, просо, рис). Технологическое применение оболочки находят в производстве пива при фильтрации затора, где они являются основой фильтрующего слоя. Прилегающий к семенной оболочке слой называется алейроновым (10). Он состоит из прямоугольных толстостенных клеток. Содержит белки и жиры. В период проращивания в этом слое образуется большая часть гидролитических ферментов. Внутренняя часть зерна, или мучнистое ядро, носит название эндосперм (9). Является кладовой питательных веществ. Состоит из крупных клеток с находящимися в них зернами крахмала (11). Промежутки между ними заполнены белком и гемицеллюлозой. Эндосперм составляет основную часть экстракта. Между содержащими крахмал тканями эндосперма и зародышем находится толстый слой пустых, сдавленных клеток – слой растворенного эндосперма (12). Содержимое этих клеток было использовано зародышем на стадии созревания зерна. Чем лучше зерно развито, тем толще этот слой. В нижней части зерна расположен зародыш (5). Это живая часть зерна. Содержит белки, жиры, витамины, ферменты. В нем имеются элементы будущих органов растения: зародышевый листок и корешок (1,2,3). Зародышевый листок – зачаток стеблей. Из зародышевого корешка формируется корневая система. Часть зародыша, прилегающая к эндосперму, называется щитком (4). Его основная функция – передача питательных веществ от эндосперма к зародышу. Химический состав зерна Химический состав злаков зависит от сорта, почвенно-климатических условий, используемых удобрений, условий выращивания и не является постоянным для данной культуры. Химический состав представлен в таблице Культура Крахмал Сахароза Целлюлоза Гемицеллюлозы Белки Жиры Минеральные и др. углеводы вещества Пшеница 60 4,3 2,8 8 16 1,9 2,2 Кукуруза 70 3 2,1 7 10 4,6 2 Рожь 65 5 2,2 10 13 1,7 1,3 Овес 45 2 14 13 12 5,5 3,8 Ячмень 55 4 6 11 12 2 3,5 Рис 63 3,6 12 1,5 7 2,3 6 Просо 58 3,8 11 2 12 4,6 4 Важная составная часть зерна __ вода. Зерно злаков в среднем содержит 14…15 % воды и 85…86 % сухих веществ. Сухие вещества представлены углеводами, белками, жирами, минеральными веществами. К углеводам относятся: крахмал, целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые и гумми-вещества, растворимые сахара. Основная масса углеводов приходится на крахмал. Он содержится в эндосперме и алейроновом слое. Крахмальные зерна на 97 % состоят из чистого крахмала (С6Н10О5)п и 3 % примесей – минеральных веществ, остатков фосфорной кислоты, белков. Чистый крахмал представлен двумя полисахаридами: амилозой и амилопектином. Целлюлоза (клетчатка) – полисахарид. Входит в состав оболочек и клеточных стенок. В воде не растворима. Стойка к действию ферментов. При проращивании зерна не изменяется, при затирании полностью переходит в дробину. Голозерные культуры содержат целлюлозы 2…3 %, пленчатые – 6…14 % . Гемицеллюлозы и гумми-вещества – высокомолекулярные полисахариды, содержатся, в основном, в периферийных частях зерна, ближе к оболочкам. Состоят из гексозанов (глюканы, галактаны, маннаны) и пентозанов (арабана, ксилана). Мономерами их являются глюкоза, галактоза, манноза, арабиноза и ксилоза. Дрожжами сбраживается только глюкоза и манноза. Гемицеллюлозы в воде нерастворимы, но растворяются в разбавленных щелочах. Гумми-вещества не отличаются от гемицеллюлоз по строению, но имеют меньшую молекулярную массу. Поэтому растворяются в горячей воде и дают вязкие растворы. Меньше всего гемицеллюлоз содержится в рисе и просе (около 2 %), больше всего - в овсе – 13 %. В остальных зерновых культурах – 7…11 %. Слизи содержатся в зернах некоторых злаков. Это – полисахариды, в большинстве случаев растворимы в воде. Состоят в основном из пентозанов. Больше всего содержится во ржи (до 3 %). Левулезаны – полисахариды, которые состоят из остатков фруктозы. Содержатся в зернах ржи, пшеницы, овса в количестве 2…3 %. Пектиновые вещества – входят в состав клеточных стенок. Содержание их составляет 1…2 %. При гидролизе дают галактуроновую кислоту и метиловый спирт. В зерне злаков (преимущественно в зародыше) содержатся также свободные сахара в количестве от 2 до 5 %. Преобладает сахароза. Кроме этого содержатся фруктоза, рафиноза, глюкоза. Сахара используются зародышем в качестве питательных веществ. Азотистые вещества – подразделяются на белковый и небелковый азот. Белковый азот входит в состав белков и полипептидов. Существует зависимость: чем больше белка в зерне, тем меньше крахмала. Количество белка в зерновых составляет от 7 до 20 %. Больше всего белка в пшенице, меньше всего в кукурузе и рисе (7…9 %). Белковые вещества сосредоточены в зародыше, эндосперме и алейроновом слое. Это резервные белки, ферменты. Белки делятся на простые и сложные. Простые белки: альбумины – растворимы в воде; глобулины - растворимы в солях; проламины – растворимы в спирте; глютелины – растворимы в щелочах. Сложные белки – протеиды, наряду с белковой частью имеют небелковую группу. Небелковый азот – аминный (представлен аминокислотами); аммиачный (солями органических кислот); минеральный (солями азотной кислоты); амидный (представлен амидами). Аминокислоты и другие формы небелкового азота являются питанием для дрожжей. Суммарное содержание всех форм азота представляет собой общий азот. Азотистые вещества, которые при водной экстракции зерна переходят в раствор, называют растворимым азотом. Жиры – содержатся, в основном, в зародыше и алейроновом слое. Используются зародышем как питательные вещества. Больше всего жира в овсе и кукурузе (до 5 %). В остальных зерновых культурах 2…3 %. Жир отрицательно влияет на сохранность зерна (прогоркает) и пеностойкость пива. Поэтому в пивоварении кукурузу используют только обезжиренную. Минеральные вещества – содержатся от 1,5 до 6 %. Меньше всего во ржи. Больше всего в рисе. В основном это фосфаты. Витамины – играют роль в поддержания жизненных процессов роста, брожения, в образовании ферментов. Содержатся в алейроновом слое и зародыше. Это витамины группы В, РР, биотин. В зерне содержатся также ферменты, но их мало и находятся они в связанном состоянии. Оценка зернового сырья Качество зерновых культур оценивают по показателям общего и специального (технологического) значения. Общие показатели – влажность, засоренность, зараженность. Влияют на сохранность зерновой массы. Влажность – важнейший показатель, с увеличением влажности снижается содержание сухих веществ в сырье, зерно плохо хранится, плесневеет, теряет всхожесть. По влажности зерно делят на четыре состояния: сухое – до 14 %; средней сухости– 14,5…15,5 %; влажное – 15,5…17 %; сырое – более 17 %. Влага, которая находится в зерне, бывает свободная (которая перемещается из клетки в клетку и участвует в биохимических процессах) и связанная (связана с белками, крахмалом, она не перемещается из клетки в клетку и не участвует в биохимических процессах). С повышением влажности появляется свободная влага, которая активизирует гидролитические и дыхательные ферменты, происходит распад сухих веществ зерна. Влажность зерна, при которой появляется свободная влага, называется критической. Она находится в пределах 14,5…15,5 %. Для нормального процесса хранения зерно должно иметь влажность меньше критической. Засоренность – наличие примесей в зерне. Примеси делят на сорные, вредные, зерновые. Наличие их в зерне нежелательно, так как затрудняет очистку, ухудшает хранение зерна. Зараженность. Зерно может быть заражено насекомыми-вредителями (клещом, молью, долгоносиком, клопом-черепашкой и др.). Наиболее опасен долгоносик, образующий скрытую зараженность. Зерно, поврежденное долгоносиком, не принимают на хранение и переработку. Показатели специального (технологического) значения связаны с производственным назначением культуры. При переработке на спирт качество зерна не регламентируется. Основное требование – высокая крахмалистость (сумма крахмала и сахаров). Зерновые культуры на спирт могут перерабатываться и в дефектном виде. Различают четыре степени дефектности зерна: 1 – зерно с солодовым запахом, подвергшееся самосогреванию; 2 – зерно с плесневело-затхлым запахом; 3 – зерно с гнилостно-затхлым запахом, подвергшееся разложению; 4 – зерно с изменившейся почерневшей оболочкой. При производстве пива основным сырьем является ячмень. К пивоваренному ячменю предъявляют следующие требования: экстрактивность 78…82 %; содержание крахмала – 60 %; белка - не более 12 %; прорастаемость 90-95 %; влажность до 15,5 %; крупность 60…80 %; Для получения солода используют различные зерновые культуры (ячмень, овес, просо, рожь, пшеницу). Основное требование к ним – высокая прорастаемость (90…95 %). Физические показатели зерновой массы При хранении зерна большую роль играют его физические и физикохимические свойства. Теплопроводность – передача тепла от зерна к зерну перемещающимся внутри зерновой массы воздухом. Зерно имеет низкую теплопроводность. Это играет положительную и отрицательную роль. Положительная роль – плохая теплопроводность позволяет длительное время сохранять даже в теплое время низкую температуру зерновой массы, что способствует лучшей сохранности зерна. Отрицательная роль – это же свойство зерновой массы может привести при наличии благоприятных условий к самосогреванию, так как тепло, которое выделяется при дыхании зерна, накапливается в зерновой массе. Гигроскопичность – способность зерна поглощать или отдавать влагу. Это объясняется капиллярно-пористой структурой зерна, а также наличием коллоидов (белков, углеводов), которые могут связывать большое количество воды. Влагообмен между зерном и воздухом может происходить в следующих направлениях: - если давление водяных паров зерна ниже, чем окружающего воздуха, то зерно поглощает влагу и его влажность повышается; - если давление водяных паров зерна выше, чем окружающего воздуха, то зерно отдает влагу и его влажность понижается; - если давление водяных паров зерна и воздуха одинаково, то влажность не меняется. Влагообмен между зерном и воздухом прекращается. Такая влажность называется равновесной. Скважистость – отношение объема воздуха в межзерновом пространстве к общему объему зерновой массы. Это обеспечивает дыхание зерна, позволяет продувать зерновую массу воздухом. Сыпучесть – характеризует способность зерна перемещаться под собственным весом. Этим свойством обусловлено самосортирование зерна. Тяжелые зерна располагаются к центру падения у вершины конуса, а легкие – ближе к основанию образующей конуса. Угол между диаметром основания и образующей конуса называется углом естественного откоса. Для различных зерновых культур он различен. Это свойство учитывают при разгрузке зерна. Процессы, происходящие при хранении зерновых масс Свежеубранное зерно имеет низкую прорастаемость и не пригодно для солодоращения. Поэтому оно должно пройти послеуборочное дозревание в течение 6…8 недель. При этом уменьшается влажность, процессы синтеза сложных органических веществ (крахмала, белков, жиров) преобладают над процессами гидролиза, активность ферментов и интенсивность дыхания снижаются. Зерно переходит в состояние покоя. Отрицательным моментом при хранении зерна является отпотевание из-за выделения свободной влаги. Она появляется при синтезе мальтозы из глюкозы (при этом выделяется вода), а также при дыхании. С6Н12О6 + 6О2 6СО2 + 6Н2О + 2822 кДж Появление влаги усиливает жизнедеятельность микроорганизмов и насекомых. Лучше всего хранится сухое зерно, так как все жизненные процессы сведены к минимуму. Но и в этих условиях зерно все же дышит. Влага и тепло, которые выделяются при дыхании, могут явиться причиной самосогревания зерна – повышение температуры зерновой массы за счет тепла, выделяющегося при дыхании. Различают три стадии самосогревания. 1.Температура повышается до 25…30 оС, посторонних запахов нет. Качество зерна не меняется. 2. Температура повышается до 38 оС. Появляется солодовый запах или запах печеного хлеба. Зерно темнеет, отпотевает, при сжатии в руке слипается, накапливаются спирты, эфиры. 3.Температура повышается до 50 оС и выше. Снижается сыпучесть, появляется гнилостный запах, цвет становится темно-коричневым. Зерно слеживается в глыбы. Начинается гниение зерна. Зерно 2 и 3 стадии самосогревания не пригодно для производства солода, но его можно использовать в производстве спирта. Для предотвращения отпотевания проводят активное вентилирование – продувают зерно воздухом. Оптимальная температура для хранения зерна – 8…10 оС. Способы и режимы хранения зерна Так как зерно перерабатывается в течение всего года, то его хранят длительное время. Существует три основные способа хранения зерна: Напольное – в мешках или тонким слоем на полу высотой до 2 м. Закромное– хранение в отгороженном месте (закроме) высотой до 5 м. Силосное – зернохранилище состоит из рабочей башни, где зерно очищается, и силосов, где оно хранится. Силоса – емкости из железобетона круглого или квадратного сечения высотой до 30 м. Силосные хранилища с механизацией приема, перемещения, очистки и сортировки зерна называются элеваторами. Преимущества использования данного способа хранения – механизация процессов, устранение внешних воздействий, защита от грызунов. Недостаток – нельзя хранить сырое зерно. Различают три режима хранения зерновых масс: в сухом состоянии, т.е. с влажностью ниже критической. В этом случае зерно может храниться 4…5 лет в складах амбарного типа и 2…3 года в силосах элеваторов; в охлажденном состоянии, когда температура зерна понижена до пределов, тормозящих его жизненные функции. Для охлаждения зерновой массы используют сезонные и суточные перепады температур наружного воздуха; без доступа воздуха – в герметично закрытых емкостях. Удаление воздуха из межзернового пространства достигается самоконсервацией за счет выделяющегося при дыхании зерна СО2; вакуумированием зерна; введением в массу диоксида углерода или азота, вытесняющих воздух. В нашей стране первые два режима являются основными для хранения зерна. При хранении контролируют температуру зерна. Зимой температура зерна может быть на 2…3 оС выше температуры наружного воздуха, летом не выше 20 оС. Перед закладкой на хранение зерно подсушивают (если оно влажное), очищают от примесей, обрабатывают химическими средствами для уничтожения вредителей. Условия хранения: Способы хранения в хранилищах – напольное (насыпью или в таре непосредственно на полу), в закромах (ящиках с разборными стенками высотой 1,5…2,5 м) и чаще всего - силосах (емкости прямоугольной, квадратной или круглой формы с коническим днищем, оборудованы устройствами для приема, перемещения, взвешивания, очистки и сортирования зерна). Температура хранения летом – не более 20, зимой – на 2…3 выше температуры наружного воздуха. Влажность зерна при хранении – 10…12 %. Основной компонент зернового сырья для переработки его на спирт - это крахмал. В зависимости от культуры злаков содержание его (к сухим веществам) может варьировать от 56 до 57 %. Остальные компоненты - это белки, клетчатка, жиры, гемицеллюлозы, минеральные вещества. В среднем содержание крахмала в сырье, поступающем на переработку, составляет 50...52 %. Выход спирта при переработке зернового сырья составляет 30...32 дал/т. 2.3 Древесное (и прочее) растительное сырье 2.3.1 Древесное сырье Представляет собой многолетние ткани, содержащие целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы и некоторые другие вещества, образующие клеточный матрикс в растительной ткани. В этом виде сырья источником углерода для микроорганизмов могут быть гексозы, пентозы, органические кислоты. В свободном состоянии, доступном для усваивания микроорганизмами, они в сырье практически отсутствуют, поэтому сырье предварительно подвергают обработке: измельчению, гидролизу. При этом полисахариды древесины при высоких температурах в присутствии кислот или щелочей переходят в низкомолекулярные соединения. Содержание полисахаридов и редуцирующих веществ (РВ) при гидролизе различных пород древесины приведено в табл. Таблица - Химический состав древесного сырья Порода Содержание РВ, % Содержание полисахаридов, % общее пентоз гексоз ЛегкоТрудногидролизуемых гидролизуемых Ель 66…72 5…6 63…66 16…17 46…49 Сосна 62…73 5…6 62…66 16…19 40…48 Лиственница 69…73 8…9 51…54 21…28 37…41 Береза 69…73 24…25 44…45 25…28 36…40 Осина 70…71 18…19 50…51 20…21 40…44 Дуб 64…70 18…19 44…49 20…21 37…42 Древесное сырье применяют в виде отходов. На рисунке представлена общая схема образования гидролизного сырья. 2.3.2 Отходы сельскохозяйственных растений Таблица 2 - Химический состав основных видов растительных отходов сельскохозяйственного производства, % от а.с.с. Сырье Кукурузная кочерыжка Хлопковая шелуха Подсолнечная лузга Рисовая лузга Солома пшеницы Содержание Содержание Содерж Содерлегкогидро- трудногидро- ание жание лизуемых лизуемых целюпентолозы занов Выход Лигнин Зольные РВ при вещества полном гидролизе 37,9 33,4 31,5 34,8 79,3 15,2 1,1 24,9 34,2 31,4 21,4 65,8 30,6 2,5 19,7 25,1 22,6 18,4 49,8 29,1 2,1 18,1 29,1 27,9 17,1 31,0 19,0 18,0 20,5 37,4 38,2 23,6 64,6 25,1 5,2 Кукурузная кочерыжка Представляет собой стержень, оставшийся после отделения кукурузных зерен от початков. Выход кочерыжки составляет 25…35% от массы початков. Кукурузная кочерыжка используется в качестве технологического сырья для получения кормового белка. Хлопковая шелуха Представляет собой твердую оболочку семян хлопчатника, покрытую короткими волокнами хлопка. Она является отходом хлопкоочистительных и маслобойных заводов. Химический состав хлопковой шелухи зависит от сорта хлопчатника. См табл. Для более полного использования полисахаридов на гидролизных заводах хлопковую шелуху перерабатывают по комплексной схеме, используя пентозы для производства ксилита и ксилитана, а гексозы - для выработки кормового белка. Подсолнечная лузга Является отходом производства масла из семян подсолнечника. Выход ее составляет около 50% от массы перерабатываемых семян. Сырье не очень перспективно, так как объемы его невелики и химический состав менее благоприятен по сравнению с другими видами сырья. Рисовая шелуха Образуется на предприятиях по производству рисовой крупы. Шелуха сохраняет хорошую фильтрующую способность в течение всего процесса обработки, что обеспечивает высокий выход гидролизата. Солома Образуется при уборке зерновых культур. Целевыми компонентами сырья являются целлюлоза, способная осахариваться до глюкозы, и гемицеллюлозы, способные осахариваться до пентоз (несбраживаемых сахаров) и гексоз - маннозы и галактозы. Учитывая химический состав древесина хвойных пород относится к гексозансодержащему сырья, т.к. доля гексозных сахаров существенна. Древесина лиственных пород и отходы сельскохозяйственных растений относятся к пентозансодержащему сырью (хотя доля гексоз выше, чем пентоз) и в производстве этанола использовать их экономически не целесообразно, их используют для получения кормового белка и фурфурола. Потенциальное содержание гексозных сахаров в древесном сырье составляет в среднем 55...65 % (к сухому сырью); в недревесном сырье кукурузной кочерыжке, подсолнечной лузге, рисовой шелухе - до 50 %. Следовательно, потенциально из 1 т сухого сырья можно получить до 30...36 дал спирта. Реально достигнутый выход спирта составляет 17... 18 дал/т, что обусловлено несовершенством технологии осахаривания. Главной отличительной особенностью данного вида сырья от всех предыдущих является то, что оно может продуцироваться без участия человека и, следовательно, без затрат, к тому же непрерывно (круглогодично) и независимо от погодных условий. Еще одна особенность данного сырья в том, что оно образуется на деревоперерабатывающих предприятиях в качестве многотоннажного отхода (щепы и опилок). 2. 4 Хмель Хмель используют в производстве пива для придания ему горького вкуса и хмелевого аромата. Является незаменимым сырьем. Представляет собой вьющееся многолетнее двудомное растение из семейства коноплевых. Мужские и женские соцветия находятся на разных растениях. В пивоварении используют только женские соцветия, которые называются шишками. Мужские растения с плантаций удаляют, чтобы не происходило оплодотворения и не образовывались семена, которые снижают качество хмеля. Хмелевая шишка состоит из изогнутого стерженька (1), прилистников (2) и кроющих листков. Внутренняя сторона прилистников и кроющих листков покрыта блестящими, липкими, светло-желтыми шариками, которые называются зерна лупулина (3). Это самая ценная часть хмеля. Сбор хмеля проводят в период технической зрелости, когда шишки Рисунок 5- Строение хмелевой шишки плотно закрыты, имеют золотистозеленый цвет и сильный аромат. Свежеубранный хмель содержит до 80 % влаги. Поэтому его подсушивают при температуре 25…30 оС до влажности 9…10 %, затем подвергают отлежке две-три недели для увлажнения шишек до влажности 12…13 %. При этом прочность шишек возрастает. Для подавления жизнедеятельности микроорганизмов хмель сульфитируют (обрабатывают сернистым газом SO2), для уменьшения объема __ прессуют. Упаковывают в мешки или баллоты. Средний химический состав хмеля следующий: влажность 12…13 %; содержание горьких веществ 10…22 %; полифенольные вещества 2…5 %; хмелевое масло 0,4…0,6 %; азотистые вещества 15…17 %; клетчатка 10…16 %; минеральные вещества 7…8 %; безазотистые экстрактивные вещества 25…30 %. Для пивоварения наибольшее значение имеют горькие, полифенольные вещества и эфирное масло. Горькие вещества представлены горькими кислотами (-горькая кислота – гумулон и -горькая кислота – лупулон) и - и -мягкими смолами, которые образуются при окислении горьких кислот. При кипячении с хмелем эти соединения переходят в сусло. Основной носитель горечи (до 90 %) __ кислота. Мягкие смолы лучше растворимы в сусле, поэтому являются более ценными для пивоварения. При окислении мягких смол образуются твердые смолы, которые никакой ценности для пивоварения не имеют. Хмелевое масло – придает хмелю характерный аромат. Относится к типу эфирных масел. Это сложная смесь углеводородов и кислородсодержащих соединений. Хмелевое масло задерживает окисление горьких и полифенольных веществ. При хранении оно осмоляется и хмель теряет аромат и клейкость. При кипячении сусла с хмелем 80-90 % хмелевого масла улетучивается. Горькие вещества и эфирные масла находятся в лупулиновых зернах. Полифенольные вещества играют важную технологическую роль. При кипячении сусла с хмелем взаимодействуют с белками, образуют белковофенольные комплексы, которые выпадают в осадок и, тем самым, способствуют осветлению сусла и пива, положительно влияя на коллоидную стойкость готового напитка. Придают цвет и полноту вкуса пиву. Являются антиоксидантами и предохраняют от окисления горькие вещества и хмелевое масло. При хранении окисляются и превращаются в вещества темнокоричневого цвета – флобафены, оказывающие негативное влияние на качество готовой продукции. Фенольные вещества сосредоточены в лепестках хмелевой шишки. Хранят хмель в сухом темном помещении при температуре 0,5…2 оС в мешках – до 1 года, в баллотах – до 2-х лет. Мешки устанавливают на деревянных стеллажах на высоте 20 см от пола. Хмель - дорогостоящее сырье, поэтому часто из него получают хмелевые препараты: порошкообразный (после сушки измельчают и фасуют в брикеты); гранулированный (измельченный хмель пропускают через гранулятор); хмелевые экстракты (получают путем экстракции из хмеля горьких и ароматических веществ различными растворителями: чаще всего для этих целей используют спирт и жидкий СО2); комбинированные препараты – смесь экстракта хмеля с добавлением 10…20 % молотого хмеля. Препараты хмеля содержат большее количество горьких веществ, чем прессованный хмель, поэтому вносят их при кипячении в меньших дозах, они лучше хранятся, требуют меньше площади для хранения. Контрольные вопросы 1 Охарактеризуйте сырье, применяемое в различных бродильных производствах, дайте его классификацию в зависимости от содержания целевого компонента. 2 Сформулируйте основные экономические и технологические требования к сырью в бродильных производствах. 3 Нарисуйте строение зерна, охарактеризуйте значение его основных частей, приведите численные значения содержания воды, крахмала, белка, некрахмальных полисахаридов, минеральных веществ, жира в зерне ячменя, ржи, пшеницы, проса, овса, кукурузы. 4 Охарактеризуйте свойства зерновой массы, объясните их значение при хранении и переработке зерна. 5 Опишите процессы, происходящие при послеуборочном дозревании зерна, при самосогревании зерновой массы. 6 Дайте характеристику способам и режимам хранения зерна, методам борьбы с вредителями. 7 Нарисуйте строение клубня картофеля, приведите численные значения содержания в нем воды, крахмала, белков, минеральных веществ. 8 Охарактеризуйте способы хранения картофеля и требования к режиму хранения. 9 Опишите строение грозди и ягоды винограда, охарактеризуйте химический состав винограда и назовите основные сорта. 10 Дайте характеристику мелассе как сырью для производства хлебопекарных дрожжей и спирта. 11 Сформулируйте требования к химическому составу мелассы, приведите численные значения содержания сахаров, азотистых, минеральных веществ, доброкачественности, рН. 12 Охарактеризуйте условия хранения мелассы. 13 Дайте характеристику хмелю как специфическому виду сырья для пива. Приведите численные значения содержания основных химических компонентов хмеля. 14 Охарактеризуйте специфические хмелевые вещества: горькие кислоты, эфирные масла, полифенольные вещества, сформулируйте их значение в технологии пива. 15 Опишите способы хранения хмеля и обоснуйте использование продуктов переработки хмеля. 3 ВОДА В БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ 1 Характеристика природных вод Предприятия бродильной промышленности потребляют большое количество воды. Она используется для технологических целей, для транспортировки и мойки сырья, тары, инвентаря, технологического оборудования, для охлаждения и нагревания жидкостей. Предприятия пищевой промышленности используют преимущественно воду из городских водопроводов, а также из артезианских скважин, рек и водохранилищ. Природная вода – слабый раствор солей. В воде содержатся катионы: Н+, К+, Na+, Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+,NH4+,Al3+ и анионы: OH-, Cl-, HCO3-, NO3-, SO42-, NO2-, SiO32-, HPO42-. В воде образуются различные соли: гидрокарбонаты кальция, магния, натрия; карбонаты натрия; хлориды, сульфаты кальция, магния, натрия и др. Вода содержит растворенные газы: кислород, диоксид углерода, аммиак, радон, сероводород и др. По происхождению источники воды делятся на: атмосферные (осадочные), подземные (артезианские и грунтовые) и поверхностные (воды открытых водоемов). По количеству и характеру примесей воды подразделяют на: пресные, соленые, мягкие, жесткие, прозрачные, опалесцирующие, мутные, окрашенные, пахнущие и т.п. Вода с содержанием солей до 0,1 % считается пресной; от 0,1 до 5 % - минеральной и более 5 % - рассолы. Состав минеральных солей воды определяется составом почвы, по которой она протекает, и растворимостью содержащихся в ней солей. Вкус, запах, прозрачность воды обусловлены наличием примесей. По физикохимическим свойствам их можно разделить на 3 группы. 1 Водорастворимые вещества, содержатся в виде ионов или молекул, размер 10-6 мм, не задерживаются при фильтровании. 2 Коллоидные примеси - с размером частиц от 10-6 до 10-4 мм, не оседают, не задерживаются песочными фильтрами. Это гуминовые вещества, сульфокислоты, придают воде окраску от желтой до бурой. 3 Взвеси - размер частиц больше 10-4 мм, оседают на дно при отстаивании, задерживаются фильтрами. Это глина, песок. 2 Показатели качества воды производственного назначения Вода, используемая на предприятиях бродильной промышленности для технологических целей, оказывает большое влияние на протекающие процессы, качество продукции и поэтому должна соответствовать определенным требованиям. Показатели качества воды делят на три группы: органолептические, физико-химические, бактериологические. Органолептические показатели – запах, цвет, вкус, мутность (прозрачность). Вода должна быть бесцветной, прозрачной, без запаха, с приятным вкусом. На органолептические свойства воды влияют различные химические вещества (железо, сульфаты, хлориды и т.д.), входящие в ее состав. Физико-химические показатели. Важное значение для нормального протекания технологических процессов имеет показатель жесткости воды, которая обусловлена содержанием в ней солей кальция и магния. Жесткость выражается в ммоль Са2+ или Mg2+, содержащихся в 1дм3 воды. Различают жесткость общую, временную, постоянную. Общая жесткость характеризуется суммарным содержанием ионов кальция и магния. Она равна сумме временной и постоянной жесткости. Временная (карбонатная, устранимая) жесткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Эта жесткость исчезает при кипячении. Гидрокарбонаты превращаются в карбонаты, выпадающие в осадок. Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O Постоянная (некарбонатная, неустранимая) жесткость характеризуется присутствием в воде преимущественно сульфатов, хлоридов, нитратов и других солей кальция и магния, кроме гидрокарбонатов. При кипячении не выпадают в осадок. По жесткости вода классифицируется следующим образом: очень мягкая – до 1,5 ммоль/дм3; мягкая – 1,5…3,0 ммоль/дм3; средней жесткости - 3,0…6,0 ммоль/дм3; жесткая - 6,0…10,0 ммоль/дм3; очень жесткая - более 10,0 ммоль/дм3. Жесткая вода не пригодна для ряда производств и использования в котельных, поэтому такую воду умягчают. Щелочность - характеризует способность воды связывать кислоты и выражается числом ммоль/дм3 ионов ОН-, СО3-2, НСО3-, реагирующих с сильными кислотами. Окисляемость воды – количество окислителя (или О2), который расходуется на окисление содержащихся в воде примесей. По этому показателю судят о загрязненности воды органическими примесями. Окисляемость питьевой воды должна быть не более 3 мг О2/дм3 (или не более 12 мг КМnО4/дм3). Суммарным показателем качества воды является содержание сухого остатка растворенных веществ, не превышающее 1000 мг/дм3. Реакция воды. рН должен лежать в пределах 6,5…9,0. Содержание других химических веществ в воде производственного назначения должно быть следующее (не более): железо – 0,3 мг/ дм3; марганец – 0,1 мг/ дм3; медь –1,0 мг/ дм3; мышьяк – 0,05 мг/ дм3; цинк – 5,0 мг/ дм3; свинец – 0,1 мг/ дм3; хлориды – 25 мг/ дм3; сульфаты – 200 мг/ дм3. Кроме этого, в воде должны отсутствовать аммиак и сероводород, которые указывают на загрязнение ее гниющими отбросами Бактериологические показатели характеризуют безвредность воды и оцениваются общим числом микроорганизмов и числом бактерий группы кишечной палочки. Общее число микроорганизмов в 1 см3 воды не должно превышать 100. Наличие в воде бактерий группы кишечной палочки свидетельствует о фекальном загрязнении. Этот показатель характеризуется коли-индексом и коли-титром. Коли-индекс – количество бактерий группы кишечной палочки, содержащихся в 1 дм 3 (для питьевой воды не должен превышать 3). Коли-титр – наименьший объем воды, в котором допускается содержание одной кишечной палочки (не менее 300 см3). 3 Требования к воде, предъявляемые в различных бродильных производствах В отдельных отраслях бродильной промышленности предъявляют дополнительные требования к воде, используемой на технологические нужды. Производство этилового спирта. Жесткость воды не более 7 ммоль/дм3; рН не более 7. Разваривание крахмалсодержащего сырья протекает тем быстрее и полнее, чем ниже рН. Слабокислая среда благоприятна для спиртового брожения, а в щелочной среде брожение направлено в сторону образования глицерина. Кроме этого, слабощелочная среда способствует развитию кислотообразующих бактерий. Применение жесткой воды для приготовления солодового молока снижает его ферментативную активность. Высокая карбонатная жесткость воды повышает расход кислоты на подкисление мелассы. Качество воды, идущее на разведение мелассы, влияет на качество ректификованного спирта. С водой могут попадать маслянокислые, гнилостные бактерии и другие микроорганизмы, а также сероводород, аммиак, фенолы, которые даже в ничтожных количествах заметно ухудшают качество спирта. Производство хлебопекарных дрожжей. Жесткость воды должна быть не более 7 ммоль/дм3, но в тоже время нельзя применять и мягкую воду (особенно паводковую) из-за недостатка магния и микроэлементов, что приводит к снижению выхода дрожжей. Кроме того, вода не должна содержать нитратов и повышенное количество железа, так как они являются ядом для дрожжей и приводят к их дегенерации. В пивоваренном производстве. Используется вода с жесткостью 2…4 ммоль/дм3. При этом кальциевая жесткость должна быть не менее 2 ммоль/дм3, т.к. ионы кальция стабилизируют действие фермента α–амилазы. Присутствие ионов магния нежелательно вследствие того, что он придает пиву неприятную горечь. Общая щелочность не должна превышать кальциевую жесткость и находится в пределах 0,5…2 ммоль/дм3. Жесткость и щелочность воды оказывают влияние на процесс затирания, выход экстракта и качество готового пива. Благоприятное влияние на эти показатели оказывает наличие в воде хлоридов и сульфатов кальция. Натриевые соли ухудшают состав и качество пива. Окисляемость не должна превышать 2 мг/дм3. Не допускается присутствия в воде сероводорода и аммиака, которые ухудшают органолептические показатели пива. В производстве солода. Высокая карбонатная жесткость воды, применяемой для замачивания зерна, задерживает последующее его прорастание, снижает ферментативную активность солода. Поэтому, по жесткости к воде предъявляются такие же требования, как в производстве пива. В производства безалкогольных напитков. Жесткость используемой воды не более 1,5 ммоль/дм3. Соли кальция и магния, содержащиеся в воде, взаимодействуют с лимонной и другими кислотами, тем самым уменьшают кислотность напитков, вызывают перерасход лимонной кислоты. Кроме этого, соли кальция и магния образуют выпадающие в осадок нерастворимые комплексы с фенольными и пектиновыми веществами соков, морсов и вин, входящих в состав напитков. В ликероводочном производстве. Общая жесткость – не более 1 ммоль/дм3, временная – не выше 0,36 ммоль/дм3. Более жесткая вода не пригодна для приготовления водки и ликероводочных изделий, так как при смешивании со спиртом растворимость солей кальция и магния снижается, и они выпадают в осадок, водно-спиртовая смесь становится мутной. Жесткая вода придает водке неприятный вкус. Отрицательно влияют соли кальция и магния на стабильность готовых ликероводочных напитков, т.к. способствуют образованию осадков с белковыми, фенольными, пектиновыми веществами плодово-ягодного сырья. Поэтому, если качество воды не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ней в конкретном производстве, то проводят исправление ее состава. 4 Способы водоподготовки С целью улучшения качества воды применяют следующие способы ее подготовки: отстаивание, фильтрация, коагуляция, деодорация, обезжелезивание, умягчение, обеззараживание. Отстаивание и фильтрацию используют для освобождения воды от взвешенных частиц. Отстаивание проводят в резервуарах. Процесс осаждения частиц идет медленно. Способ требует больших отстойных резервуаров и площадей, поэтому применяется редко. Более распространена фильтрация через песочные и угольно-песочные фильтры. Обычной фильтрацией нельзя освободиться от коллоидов. В этом случае проводят коагуляцию. Воду обрабатывают веществами (коагулянтами), которые вызывают укрупнение коллоидных частиц и выпадение их в осадок. В качестве коагулянтов применяют сульфат алюминия и сульфат железа. В водном растворе сульфат алюминия подвергается гидролизу с образованием малорастворимой гидроокиси алюминия. Al2( SO4)3 + 6H2O 2Al(OH)3 ↓+ 3H2SO4 Хлопья гидроокиси алюминия имеют сильно развитую поверхность, которая способна адсорбировать растворимые органические вещества большой молекулярной массы (гуминовые вещества, кремневую кислоту и ее соли и т.д.). В результате этого вода осветляется и освобождается от неприятных привкусов. Для ускорения процесса коагуляции и снижения расхода коагулянтов в воду добавляют флокулянты (например, полиакриламид), способствующие хлопьеобразованию. Деодорация – обработка воды, устраняющая неприятные запахи, привкусы, которые обусловлены наличием примесей в незначительных количествах. Применяют озонирование (дорогой способ) или обработку активным углем. При фильтровании воды через слой активного угля органические соединения адсорбируются на его поверхности. После такой обработки удаляются из воды не только запахи и привкусы, но снижается ее цветность и окисляемость. Обезжелезивание. Вода с высоким содержанием железа имеет неприятный вкус и запах и ее использование отрицательно сказывается на процессах брожения, качестве готовой продукции. Поэтому соединения железа следует удалять. Чаще всего воду подвергают аэрированию. При этом Fe2+ окисляется в Fe3+ , образуется нерастворимый Fe(OН)3. 4Fe(HCO3)2 + 2H2O + O2 4 Fe(OH)3 + 8CO2 После такой обработки воду обязательно фильтруют. Умягчение состоит в удалении из воды солей кальция и магния. Осуществляется несколькими способами: реагентным, ионообменным, обратноосмотическим, электродиализным. Реагентный способ – основан на связывании ионов кальция и магния и переводе их в нерастворимые соединения. Разновидности реагентного способа - известковый и содово-известковый. Известковый способ заключается в обработке воды раствором извести: Са(HCO3)2 + Са(ОH)2 Mg(HCO3)2 + Са(ОH)2 MgCO3 + Са(ОH)2 2СаСО3 + Н2О MgCO3 + СаСО3 + 2Н2О 2СаСО3 + Mg(OH)2 Содово-известковый способ заключается в последовательной обработке воды растворами извести и соды: Са,Mg(SO4) + Na2CO3 (Ca,Mg)CO3 + Na2SO4 После реакции осадок удаляют. Этот способ прост в исполнении, относительно дешев, можно умягчать воду при любой исходной жесткости до остаточной величины 0,5…1,8 ммоль/дм3, однако требует больших производственных площадей и значительного расхода реагентов. В настоящее время практически вытеснен способами ионообмена. Ионообменный способ умягчения состоит в удалении из воды ионов кальция и магния при помощи ионитов. Иониты – твердые, практически не растворимые в воде и органических растворителях материалы, способные обменивать свои ионы на ионы, находящиеся в воде. По характеру активных групп иониты делят на катиониты (замещают в растворе катионы на ионы Н2, Nа+ или другие катионы) и аниониты (замещают анионы в растворе на ионы ОН- или другие анионы). В качестве ионитов применяют синтетические алюмосиликаты (цеолиты, глаукониты), сульфоугли. смолы, природные Для умягчения воды чаще всего используют сульфоуголь в Na+-форме, реже в Н+-форме. Умягчение воды путем ионообмена проводят в вертикальных колонках. Вода проходит через слой угля и происходит замещение ионов Na+ или Н+ катионита ионами Са2+ и Mg 2+ , содержащихся в воде. При этом протекают следующие реакции: 2NaR + Ca(HCO3)2 CaR2 + 2NaHCO3 2NaR + Mg(HCO3)2 MgR2 + 2NaHCO3 2HR + Ca,Mg(SO4) (Ca,Mg)R2 + H2SO4 R – комплекс катионита. Постепенно объемная емкость катионита уменьшается. Для ее восстановления Na+-катионит регенерируют путем пропускания раствора поваренной соли, Н+-катионит – растворами серной или соляной кислоты. При регенерации протекают следующие реакции: (Сa,Mg)R2 + 2NaCl 2NaR + (Ca,Mg)Cl2 Недостатком Na-катионирования является подщелачивание воды, увеличение сухого остатка. При Н-катионировании данный недостаток отсутствует, т.к. образуются кислоты, снижающие щелочность воды. Если временная жесткость более 5 ммоль/дм3, то лучше использовать комбинированный способ, например, Na-Н-катионирование (последовательное или параллельное). В частных случаях можно обессолить воду путем последовательного Нкатионирования и ОН-анионирования. Такая вода по составу близка к дистиллированной, т.к. освобождена от катионов и анионов. Ионообменный способ рекомендуется использовать при содержании солей до 1,5 г/дм3, от 1,5 до 10 г/дм3 экономически оправдана деминерализация воды электродиализом, методом обратного осмоса. Электродиализный способ служит для обессоливания воды. Заключается в переносе растворенных веществ через ионитовые мембраны под действием электрического поля. При этом катиониты движутся к катоду, проходят через катионитовые мембраны и задерживаются анионитовыми. Аниониты движутся в обратном направлении – к аноду, проходят через анионитовые мембраны и задерживаются катионитовыми. Недостатками метода являются закупорка мембран вследствие осаждения слаборастворимых солей (поэтому воду предварительно надо очищать), большие затраты электроэнергии. Метод обратного осмоса наиболее перспективный. Он заключается в фильтровании воды под давлением, превышающим осмотическое, через полупроницаемые мембраны. При этом мембраны пропускают растворитель (воду), но задерживают растворенные вещества (ионы солей, молекулы органических соединений). Мембраны при этом меньше загрязняются, так как вещества на них не сорбируются Обеззараживанию подвергается вода, которая имеет отклонения по бактериологическим показателям. Существуют следующие способы обеззараживания: хлорирование, обработка ультрафиолетовыми лучами, озонирование, обработка ионами серебра и ультразвуком. Хлорирование – применяется газообразный хлор, хлорная известь (СаСl2), гипохлорид кальция Са(ОСl)2. При обычных условиях хлорирования действие хлора распространяется лишь на вегетативные формы микроорганизмов. Для спорообразующих микроорганизмов требуется большие дозы хлора и длительный контакт с водой. Кроме того, хлор, соединяется с органическими соединениями, например, с фенолами, и вода приобретает «аптечный» привкус. Вода с высоким содержанием хлора не пригодна для обработки дрожжей. Озонирование. Сущность способа заключается в том, что до соприкосновения с водой воздух подвергается воздействию электрического разряда. При этом часть кислорода превращается в озон. Молекула озона очень нестойкая и распадается на молекулярный и атомарный кислород (О2 и О+). Атомарный кислород, действуя как окислитель, приводит к гибели бактерий. Одновременно снижается цветность воды, она приобретает приятный вкус и запах. Метод дорогой, применяется ограниченно. По бактерицидному действию не отличается от хлорирования. УФ-облучение – прогрессивный способ. Обеззараживающее действие является мгновенным и распространяется на вегетативные и споровые формы микроорганизмов. Эффективность бактерицидного воздействия ультрафиолетовых лучей зависит от продолжительности и интенсивности облучения, а также от наличия взвесей и коллоидов в воде, рассеивающих свет и препятствующих проникновению лучей в толщу воды. В качестве источника ультрафиолетового излучения используют ртутно-кварцевые и аргоннортутные лампы, которые устанавливают в аппаратах на пути движения воды. Установки бывают с погружными и непогружными источниками излучения. Обработка ионами серебра. Ионы серебра даже в малых дозах обладают бактерицидным действием, но распространяется оно только на вегетативные формы микроорганизмов и очень незначительно - на споровые формы. Эффект бактерицидного действия достигается при продолжительном (двухчасовом) контакте ионов серебра с водой. Обогащают воду ионами серебра методом контактирования с посеребренным песком; непосредственным растворением в воде солей серебра; электролитическим способом с помощью ионизаторов. Применение ультразвука. При большой мощности ультразвуковых волн вблизи поверхности вибратора происходит как бы взрыв жидкости и образование пустот. Этот процесс называется «кавитация». Под действием кавитации клетки микроорганизмов разрываются на части. При обработке ультразвуком в течение 5 мин достигается полная стерилизация воды. Метод дорогой и еще не нашел широкого применения в промышленности. Чаще всего на предприятиях проводят комплексную обработку воды, включающей несколько ступеней очистки, что зависит от качества исходной воды. 5 Очистка сточных вод После использования воды предприятиями на технологические цели, она в больших количествах возвращается в водоемы. Сточные воды практически всегда загрязнены. Загрязнения сточных вод подразделяют на органические, неорганические и биологические. Органические загрязнения бывают растительного происхождения (остатки растений, плодов, злаков, бумаги) и животного (физиологические выделения животных, жиры, остатки тканей). Неорганические загрязнения – песок, глина, шлак, минеральные соли, щелочи, минеральные масла и др. Биологические загрязнения представлены бактериями, дрожжами, плесневыми грибами, вирусами, мелкими водорослями. Органические вещества, содержащиеся в стоках пищевых предприятий, разлагаются, поглощают кислород и нарушают биологический цикл в водоемах. Возможные токсичные соединения сточных вод отравляют флору и фауну. Вода становится непригодной для питьевых нужд. К наиболее вредным относятся стоки дрожжевой, спиртовой, пивоваренной отраслей промышленности. В них содержатся такие соединения как жиры, углеводы, органические метаболизма дрожжей. кислоты, эфиры, меланоидины, продукты Основные показатели загрязненности сточных вод – концентрация взвешенных веществ, окраска, температура, минеральный состав примесей, количество растворенного кислорода, наличие ядовитых веществ и др. К специфическим показателям оценки сточных вод относятся БПК и ХПК. БПК – биологическое потребление кислорода. Это количество кислорода, необходимое для окисления микроорганизмами органических соединений сточных вод. Определяется как БПК5 – количество кислорода, расходуемое на биологическое окисление в течение 5 суток и БПКполн.(БПК20) – количество кислорода, расходуемое на биохимические процессы до наступления реакции нитрификации, т.е. окисления аммиака в азотистую кислоту. ХПК – химическая потребность в кислороде, характеризуется количеством кислорода, необходимого для полного окисления всех загрязнений, находящихся в сточной воде. Определяется химическим путем, в качестве окислителей используют перманганат или бихромат калия. ХПК всегда больше БПК и является более надежным методом оценки загрязненности сточных вод. Сточные воды дрожжевых заводов имеют коричневый цвет, содержат большое количество коллоидных соединений. БПК равно 2100 мг О2/дм3. Сточные воды спиртзаводов – вода после мойки оборудования, мелассная барда. Ее нельзя сбрасывать в водоем, а следует использовать для выращивания хлебопекарных дрожжей. ХПК лежит в пределах 220-470 мг О2/дм3; БПК __ 170-620 мг О2/дм3. Сточные воды ликероводочного производства имеют БПК до 260 мг О2/дм3. Сточные воды солодовенных и пивоваренных заводов характеризуются БПК до 1600 мг О2/дм3 и ХПК 1200-3800 мг О2/дм3.Содержат много калия, фосфора, азота. В зависимости от вида загрязнений сточные воды подразделяют на четыре категории: хозяйственно-бытовые, сбрасываются в городскую канализацию; тепловые – после охлаждения используются повторно; транспортные загрязнения; и транспортно-моечные, содержат неорганические технологические с органическими и биологическими загрязнениями. Две последние категории сточных вод подвергаются очистке. Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические, биологические. Выбор способа зависит от количества стоков, концентрации и вида загрязнений, требуемой степени очистки и т.д. Современными эффективными методами можно очистить воды на 85-95 %. Химические способы __ коагуляция, хлорирование, аэрирование. Физико-химические __ адсорбция, осмос и др. ионообменный способ, электродиализ, Наиболее широко распространены механические и биологические методы очистки сточных вод. Механические способы позволяют удалять нерастворенные, грубодисперсные вещества. Часто используют как предварительную стадию перед биологической очисткой. Применяют решетки, сита, песко- и жироловушки, отстойники. Если механические способы обеспечивают необходимую степень очистки, то осветленные в отстойнике воды после дезинфекции сбрасывают в водоем. Биологические методы лучше всего освоены и достаточно экономичны. Применяют в основном для очистки сточных вод от органических примесей. Основаны на способности микроорганизмов использовать в качестве питания многие органические и некоторые неорганические соединения, которые содержатся в сточных водах. Часть этих веществ идет на синтез биомассы, а часть превращается в безвредные продукты окисления: СО2, Н2О и др. Биологическую очистку можно проводить в аэробных (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды, аэротенки) и анаэробных (метантенки) условиях. Поля орошения __ почву (пригодную для сельского хозяйства) орошают сточными водами, взвешенные частицы задерживаются, растворенные органические вещества подвергаются разложению микроорганизмами почвы. Плодородие почвы при этом повышается. Азотные, калийные удобрения можно не использовать. Поля фильтрации (почвенные фильтры) __ применяют непригодные для сельского хозяйства земли (легкие, песчаные, имеющие хорошую фильтруемость). Биологические пруды __ искусственные или естественные водоемы. Особая роль принадлежит водорослям и бактериям, которые разлагают органические вещества. Пруды должны быть неглубокими, чтобы проникал солнечный свет. В процессе фотосинтеза водоросли вырабатывают кислород, необходимый бактериям для окисления органических веществ, сбрасываемых сточных вод. В случае необходимости пруды оборудуются аэрирующими устройствами. Искусственная биологическая очистка осуществляется в аэротенках. Аэротенки – железобетонные резервуары глубиной 3-6 м. Очистка происходит при непрерывной аэрации протекающей смеси сточной воды и активного ила. Активный ил – сообщество бактерий, плесневых грибов, дрожжей, микроскопических животных. Из-за склеивания капсул бактерий образуются хлопья активного ила. Смесь сточной воды и активного ила аэрируется, затем отстаивается в отстойнике. Ил осаждается, а вода сбрасывается в водоем. Активный ил возвращается в аэротенк и смешивается с новыми порциями неочищенной воды. Количество микроорганизмов постоянно увеличивается, поэтому избыток ила периодически удаляется. Анаэробный биологический способ очисткииспользуют для сточных вод с высокой концентрацией органических веществ. Применяют как предварительную ступень перед аэробной доочисткой. Идет в очистных сооружениях __ метантенках. При температуре 20-35 оС без доступа воздуха органические соединения разлагаются анаэробными микроорганизмами до метана, диоксида углерода, водорода, азота, сероводорода. Часть веществ (жирные кислоты, гуминовые вещества, сульфиды и др.) при 45-55 оС подвергаются более глубокому распаду. После очистки сточные воды сбрасываются в водоемы, где происходит незначительная доочистка в естественных условиях. Контрольные вопросы 1 Перечислите, для каких целей используется вода в бродильных производствах. 2 Назовите основные показатели, определяющие качество воды производственного назначения. 3 Дайте определение временной, постоянной, общей жесткости воды. 4 Приведите классификацию воды по жесткости и численные значения жесткости воды, пригодной для производства спирта, пива, хлебопекарных дрожжей, безалкогольных и ликероводочных изделий с обоснованием. 5 Дайте определение щелочности воды. 6 Охарактеризуйте показатели: окисляемость, сухой остаток. 7 Дайте характеристику примесей природных вод. 8 Назовите органолептические показатели качества воды. 9 Охарактеризуйте показатели бактериологического состояния воды. 10 Перечислите способы очистки воды от коллоидных примесей, методы умягчения, обеззараживания и выделите из них наиболее перспективные и эффективные. 11 Перечислите стадии производства солода, пива, спирта, дрожжей, на которых образуется наибольшее количество сточных вод и наиболее загрязненные воды. 12 Назовите показатели, характеризующие степень загрязнения сточных вод. 13 Дайте характеристику способам очистки сточных вод и пути экономии воды на технологические нужды.