Sa Se Dimensioneze O Sectie de Obtinere a Alcoolului Rafinat din Porumb 2

Politehnica

Sa Se Dimensioneze O Sectie de Obtinere a Alcoolului Rafinat din Porumb 2

Byadmin ianuarie 1, 2024

Cuprins

1.Titlul proiectului

1.1 Denumirea obiectului proiectului

Să se dimensioneze o secție de obținere a alcoolului rafinat de 96,6% vol. care procesează 3000 l/24 h, din porumb.

1.2 Capacitatea de producție

Secția are o capacitate de 3000l în 24 ore.

2.Generalități

2.1.Scurt istoric și aspecte ale procesării alcoolului în România

Obținerea alcoolului alimentar se bazează pe transformarea zaharurilor fermentescibile din substrat în alcool și dioxid de carbon în urma activității fermentative a drojdiilor.

Băuturile alcoolice erau cunoscute de chinezi cu 2000 de ani înaintea erei noastre. Romanii considerau arta preparării vinului ca un dar divin transmis omului prin zeul Bachus.

Noțiunea de “alcool” este de origine arabă și provine din cuvintele “al” ce se traduce prin cuvântul articol și “cohol” se înseamnă lucru subtil. Chimiștii arabi au obținut pentru prima dată alcool prin distilare. În secolul al XIX-lea industria alcoolului s-a dezvoltat foarte mult datorită cercetărilor științifice ce au făcut să se treacă la mecanizarea fabricației, la perfecționarea aparatelor de distilare-rectificare și la valorificarea subproduselor.

În țara noastră prima fabrică de alcool a fost înființată la Arad în 1851, fiind primul pas în dezvoltarea industriei alcoolului în țara noastră. A urmat construcția de fabrici de capacitate medie și mare care să producă alcool în cantități mari și de calitate superioară. După anul 1989 industria alcolului de la noi din țară se caracterizează prin apariția unui număr mare de unități de capacitate mică și medie.

2.2. Analiza comparativă a tehnologiilor din țară și străinătate

Procedeele clasice de producere a alcoolului din cereale și cartofi se bazează pe fierberea sub presiune a materiei prime, care se execută în scopul gelificării și solubilizării amidonului asfel încât acesta să poată fi atacat de către amilaze la zaharificare și transformat în zaharuri fermescibile.

Procedeele clasice prezintă următoarele dezavantaje:

modul de lucru este de obicei discontinuu, iar posibilitățile de recuperare a călurii sunt reduse;

consumul de energie termică este ridicat (660-800 Mj/hl alcool absolut);

solicitarea termică a materiei prime este ridicată (150-165°C), temperaturi la care se pot forma melanoide și caramel;

plămezile obținut nu sunt omogene.

Scumpirea surselor de energie primară a impulsionat cercetările privind înlocuirea acestui procedeu energo-intensiv cu o serie de procedee de prelucrare a materiei prime fără presiune care derivă din procedeul de plămădire la rece.

Toate procedeele au comun faptul că energia necesară pentru fierberea sub presiune este înlocuită în mare parte prin energie de mărunțire a materiei prime, astfel încât amidonul granular să poată fi fluidificat și zaharificat.

Necesarul de energie electrică pentru mărunțire variază, în funcție de gradul de mărunțire dorit și de procedeul folosit, între 16-30 kWh/t cereale, fiind mult mai scăzut în comparație cu cel de energie termică de la fierberea sub presiune. Toate procedeele necesită o mărunțire extrem de fină a materiei prime, care se poate realiza pe cale uscată sau/și umedă cu ajutorul morilor cu ciocane, cu valțuri, cu discuri, cu bile etc.

În funcție de modul cum se realzează operația de mărunțire, procedeele de prelucrare a cerealelor se pot împărți asfel:

procedee cu măcinare uscată;

procedee cu măcinare umedă;

procedee cu măcinare uscată și umedă.

Procedeele cu măcinare uscată folosesc la mărunțire o moară de porumb cu ciocane care au sita de 1-2 mm. De la moară produsul ajunge într-un siloz de făină din care aceasta este trecută în tancul de plămădire.

În figura 1 este prezentat procedeul Grosse-Lohmann-Spradau, care este utilizat pentru porumb. El oferă avantajul că procesul de plămădire are loc concomitent cu cel de hidratare și răcire. Ca vas de plămădire se folosește fierbătorul Henze care are agitator. Pentru o amestecare optimă a făinii cu apa și enzima de fluidificare, este necesară folosirea unei pompe de recirculare

Porumbul este trecut printr-o moară cu ciocane, iar plămada rezultată este pompat apoi în fierbătorul Henze unde are loc fluidificarea la 82°C. Plămada este trecută apoi în zaharificator, în care se face răcirea și zaharificarea cu SAN sau Fungamyl, după care se lucrează ca la procedeul clasic.

Acest procedeu prezintă următoarele dezavantaje: la măcinarea uscată rezultă praf, este necesar un siloz de făină, iar la plămădire se formează cocoloașe.

Procedeele cu măcinare umedă se bazează pe folosirea unor mori speciale cu ciocane, care sunt alimentate cu cereale și apă de plămădire. Astfel procedeul folosește o moară cu ciocane fixe, cu site cu orificii mai mari care permite reducerea consumului de energie.

Procedeul utilizează un schimbător de căldură special prin care se reduce și mai mult necesarul de energie.

Cerealele mărunțite în moara 1 trec printr-un schimbător de căldură special 3, în care plămada fierbinte care vine de la zaharificatorul 5 cedează cea mai mare parte din căldură plămezii care se preîncălzește. În fierbătorul 4, care nu necesită agitator, se mai introduce abur direct pentru creșterea temperaturii plămezii la 90°C. Conform variantei de recuperare dublă a căldurii, se preia suplimentar căldura borhotului prin intermediul ejectorului 7 și a vasului de destindere 8, iar căldura este utilizată la încălzirea plămezii în fierbătorul 4. Plămada fierbinte din zaharificatorul fără agitator 5 este trimisă cu pompa 6 în schimbătorul de căldură 3, în care transmite căldura plămezii proaspete, astfel că necesarul de apă de răcire este foarte scăzut. Dozarea enzimei de zaharificare se face în mod continuu, în plămadă care trece la fermentare.

Acest procedu prezintă avantajul că se pretează la măcinarea cerealelor cu umiditate ridicată, conservate în silozuri ermetice, existând și posibilitatea folosirii apei calde la măcinare (cca 50°C). Ca dezavantaj s-ar potea menționa necesarul ridicat de energie la măcinare (cca 30 kWh/t cereale).

Procedeele cu măcinare uscată și umedă

Deoarece printr-o simplă măcinare uscată sau umedă nu se poate obține întotdeauna granulația dorită, multe din procedeele de prelucrare a cerealelor folosesc măcinarea uscată și măcinarea umedă. Pe lângă avantajul obținerii granulației optime, mai rezultă și avantaje în privința consumului de energie care se poate reduce până la 16 kWh/t cereale.

Materia primă cântărită este trimisă la moara cu ciocane, unde se adaugă apa de proces și enzima de fluidificare. Plămada rezultată este trecută în schimbătorul de căldură 2, în care se preîncălzește până la temperatura de 70-80°C cu ajutorul plămezii fluidificate care circulă în contracurent. Gelificarea plămezii are loc în ejectorul 3, iar fluidificarea în fierbăturul Henze 5. Plămada este omogenizată în moara cu discuri 6, continuîndu-se fluidificarea în vasul 7. Plămada fluidificată este răcită în schimbătorul de căldură 2 până la temperatura de zaharificare, la care se adaugă enzima de zaharificare, continuându-se răcirea până la 20-25°C în schimbătorul de căldură cu plăci.

Prin folosirea acestui procedeu, necesarul de energie elecrtică, inclusiv pompare și agitare, s-a redus până la 13-15 kWh/hl alcool absolut, obținându-se o economie totală de energie de 70-75% față de procedeul HDV.

Justificarea necesității temei alese

Obținerea alcoolului alimentar a atras atenția oamenilor încă din cele mai vechi timpuri. Încă de la începuturi industria alcoolului alimentar și-a îndreptat atenția înspre obținerea alcoolului alimentar de calitate din ce în ce mai bună. Acest scop a atras după sine dorința de perfecționare a utilajelor. Cu ajutorul unei game largi de utilaje existente, în ultimele decenii s-a urmărit:

creșterea randamentului de obținere a alcoolului alimentar;

folosirea de sușe noi de drojdii;

preparate enzimatice microbiene;

diversificarea materiilor prime.

În ultimii ani se urmărește obținerea alcoolului alimentar într-un timp cât mai scurt, cu un preț cât mai mic posibil în condițiile unei calități a produsului care să corespundă cerințelor la nivel mondial. Aceasta se poate realiza prin introducerea de noi metode și tehnici. Un astfel de procedeu este procedeul prin dispersia plămezii și recircularea borhotului care este una dintre cele mai noi metode folosite în industria fermentativă în vederea obținerii alcoolului alimentar de calitate superioră în condițiile reducerii duratei de fermentare a plămezii și reducerii de energie termică și electrică.

Procedeul presupune introducerea unei operații speciale – dispersia plămezii în scopul reducerii timpului de fermentare a acestei. Prin acest procedeu se urmărește și obținerea unei economii de energie electrică cu implicații directe asupra costului produsului.

Aparatul de dispersie introdus în procesul tehnologic nu prezintă pericol de infecție a plămezii, este ușor de igienizat și supravegheat. Volumul său este redus, are posibilități de cuplare directă la cazanul de plămădire, este ușor de reparat și permite adaptarea la diferite materii prime amidonoase.

Procedeul prin dispersia plămezii cu recircularea borhotului este un procedeu ecologic deoarece nu se produc substanțe ce afectează mediul înconjurător, respectiv viața. Procedeul permite perfecționarea și modernizarea în viitor pentru a se asigura tot timpul calitatea produsului finit obținut care să corespundă nivelului calitativ mondial.

3. Scheme tehnologice de obținere a alcoolului rafinat

Fig. 4 Schema tehnologică clasică de obținere a alcoolului rafinat

4. Principalele caracteristici ale materiilor prime și auxiliare

4.1.Clasificarea materiilor prime

Materiile prime folosite la fabricarea alcoolului rafinat, în funcție de natura substanțelor pe care la conțin se clasifică astfel:

a) Materii prime amidonoase (care conțin amidon):

cartofi;

cereale (porumb, grâu, secară, ovăz, sorg, orez);

b) Materii prime care conțin zahăr fermentescibil:

sfecla și trestia de zahăr;

melasa din sfeclă și trestie de zahăr;

struguri, fructe, tescovină dulce etc.;

Materiile prime amidonoase, prin fierbere se transformă în zahăr fermentescibil de către drojdii, după care este supus distilării și rafinării, obținîndu-se spirt rafinat.

Din a doua grupă de materii prime, cea mai folosită este melasa, care se utilizează la fabricarea alcoolului rafinat și a drojdiei (de panificație sau furajeră).

Potrivit ponderii pe care o au în realizarea producției de alcool, principalele materii prime folosite la fabricarea alcoolului rafinat sunt: melasa, cerealele și cartofii.

4.2. Porumbul, generalități și compoziție chimică

Cultura porumbului ocupă locul trei dintre plantele agricole cultivate pe toate continentele. Față de celelalte cereale, pe lângă producția ridicată la hectar (până la 5000 kg boabe la ha), porumbul prezintă o rezistență sporită la secetă,la boli și intemperii.

Boabele de porumb se folosesc pe scară largă în alimentația omului, în industrie ca materie primă și în furajarea animalelor.

Făina de porumb obținută din boabele de porumb, este folosită la prepararea unor produse alimentare cu valoare nutritivă ridicată. De asemenea se utilizează ca materie primă în industria alcoolului rafinat, a amidonului, a dextrinei și glucozei, a uleiurilor rafinate (din germeni de porumb). În producția mondială de grăsimi vegetale comestibile, porumbul este folosit în proporție de 2%.

Din 100 kg boabe de porumb putem obține următoarele produse: 77 kg făină, 63 kg amidon, 71 kg glucoză sau 44 l alcool rafinat, iar din embrionul de porumb rezultă 1,8-2,7 l ulei rafinat dietetic și 3,6 kg tărâțe folosite la furajarea animalelor.

Folosirea unor soiuri de porumb productive (hibrizi dubli) natura solului, condițiile agrotehnice, etc duc la obținerea unor recolte sporite.

Porumbul face parte din fam. Gramineae, subfam. Panicoideae tribul Maydeae. Criteriile de bază ale porumbului (Zea mays L.) le constituie caracteristicile endospermului.

Hibrizii de porumb

Sub denu
Sub denumirea de hibrizi înțelegem hibrizii obținuți pe bază de linii consangvinizate. Aceștia pot fi :

hibrizi simpli HS (între două linii consangvinizate) ;

hibrizi dubli HD (între doi hibrizi simpli) ;

hibrizi triliniari HT (între un hibrid simplu și o linie consangvinizată).

La noi în țară se cultivă două soiuri și anume:

porumb cu boabe mari (sticloase) care se caracterizează printr-un conținut mai mare de substanțe azotoase;

porumb cu boabe făinoase, care are un conținut mare de amidon și mai scăzut în substanțe azotoase. Aceste soiuri se pretează pentru industrializare.

Compoziția chimică a bobului de porumb este variabilă de la un soi la altul și chiar în cadrul aceluiași soi, în funcție de condițiile de climă și sol.

Compoziția chimică a bobului de porumb este prezentată în tabelul de mai jos:

Tabelul 1

Compoziția chimică a bobului de porumb

La recoltare, porumbul are o umiditate ridicată de 25%, de aceea el se usucă înainte de însilozare pentru a evita autoîncălzirea, datorită respirației intense.

Proteinele din embrionul bobului sunt de calitate conținând aminoacizi esențiali, asemănătoare cu proteinele animale.

Conținutul în substanțe proteice este influențat de factori genetici și de condițiile externe (climă, sol, nutriție etc.).

O parte din hibrizii de porumb sunt bogați în aminoacizi esențiali: lizină și triptofan.

Compoziția medie a diferitelor părți componente ale bobului este următoarea:

în embrion se găsesc 21,7% substanțe proteice;

în endosperm se găsesc 12,2% substanțe proteice;

în coajă doar 6,6% substanțe proteice.

Substanțele proteice formate din 90% compuși cu azot sunt folosite în nutriția drojdiilor după o hidroliză enzimatică, cu ajutorul malțului verde în cursul zaharificării plămezii.

În porumbul matur, activitatea β-amilazică este slabă, iar α-amilaza este inactivă. Substanțele proteice ale bobului de porumb aparțin:

globulinelor 20%

prolaminelor 45%

gluteninelor 35%

Proteinele variază între 9-15%, porumbul cu bob sticlos este mai bogat decât porumbul dinte de cal. În jur de 73% din totalul proteinelor se găsesc în endosperm, 24% în embrion și 3% în pericarp.

Extractivele neazotate sunt formate în cea mai mare parte din amidon, 80%. Alături de amidon se mai găsesc cantități mici de zaharuri și dextrine (3% din total), pentozani (6%) și celuloză (3%). Amidonul este repartizat în proporție de 70% în endosperm, 28,2% în embrion și 1,1% în pericarp.

Amidonul din bob conține 25% amiloză și 75% amilopectină. Amiloza reprezintă partea cea mai solubilă din interiorul grăunciorului de amidon, iar amilopectina este partea greu solubilă din învelișul grăunciorului de amidon.

Conținutul în amidon al porumbului reprezintă cca. 70% din substanța uscată a bobului. De asemenea, se găsesc zaharuri simple (2,2%), dextrine (2,5%) și pentozani (4,4%).

Grăsimea, în compoziția căreia domină acizi grași nesaturați, este repartizată 83% în embrion și 2% în pericarp. Embrionul conține 35-38% grăsimi, care prin degerminare constituie materia primă pentru extragerea uleiului dietetic.

Grăsimile sunt localizate în embrion și nu influențează spumarea plămezii, ceea ce permite utilizarea la maxim a capacității de fermentare, iar borhotul rezultat la distilare are o valoare furajeră ridicată.

Componentele minerale din boabele de porumb se găsesc în proporție de 1,7% din substanța uscată. Cenușa bobului este bogată în fosfor (45,61%), potasiu (29,78%) și magneziu (15,52%).

Și substanțele minerale se găsesc localizate în embrion, coajă și endosperm, valorile acestora fiind scăzute în comparație cu alte cereale.

Din cantitatea totală de cenușă a bobului 78,5% revine amidonului, 18,2% endospermului și 2% pericarpului.

În cenușa porumbului se găsesc: fosfor, potasiu, magneziu, calciu, siliciu, sodiu și microelemente: fier, zinc, mangan, cupru etc.

În boabele de porumb se găsește un complex de vitamine printre care: B1, B2, B6, E, PP. Varietățile cu bob roșu, galben sau portocaliu conțin provitamina A și lipsește vitamina C.

Conținutul în vitamina A este dependent de conținutul în caroten și pigmenți analogi. Dintre pigmenți, cei mai importanți sunt β-carotina , criptoxantina și α-carotina, care sub acțiunea carotinazei dau naștere vitaminei A.

Acumularea carotenoidelor în bobul de porumb este condiționată de temperatura și umiditatea din perioada de vegetație.

Acidul nicotinic se găsește în proporția cea mai ridicată î porumbul zaharat (30 mg/kg). El este mai scăzut în boabele bogate în amidon și scade în boabele bogate în proteină brută.

Păstrarea porumbului

Depozitarea și păstrarea corespunzătoare a porumbului constituie una din problemele principale și uneori dificilă ale unităților de procesare a alcoolului rafinat.

După câteva săptămâni de la recoltare, respirația este mai intensă, fiindcă bobul conține un procent de umiditate mai mare. Uscându-se mai mult, intensitatea respirației scade, fiindcă bobul respiră și zahărul din interior se împuținează.

Scăderea conținutului de zahăr de datorează procesului de condensare care are loc imediat după recoltarea porumbului și constă în aceea că substanțele solubile (zahăr, polipeptide) se condensează formând molecule de amidon și de proteină, deci, costituind materialul de rezervă al endospermului. La concentrații mici de umiditate (12-14%), embrionul nu folosește materialul de rezervă deoarece enzimele care solubilizează amidonul pentru a-l transforma în zahăr și proteina în aminoacizi, nu pot acționa.

În funcție de metodele de recoltare, porumbul se păstrează în știuleți sau boabe.Păstrarea porumbului în știuleți este cea mai extinsă formă de păstrare. În masa de știuleți există spații mari libere (50-55% din volumul total) prin care aerul atmosferic circulă cu ușurință. Produșii de respirație (apă, bioxid de carbon și căldură) sunt eliminați ușor din masa de știuleți pe cale naturală.

Sub formă de știuleți, porumbul se păstrează în spații numite pătule. Aceste construcții se amplasează în locuri uscate, pe stâlpi de beton, înalți de 70-80 cm. Ele au pereți formați din șipci de lemn cu distanța între șipci de 2,5 cm. Astfel, știuleții de porumb sunt supuși continuu curenților de aer.

În vederea păstrării în bune condiții este necesară îndepărtarea impurităților (pănuși, resturi de tulpină, mătase). Umiditatea acestor impurități este mai mare decât a știuleților. De aceea, pătulele trebuie să permită încărcarea și descărcarea cu ușurință a știuleților, să fie ferite de intemperii și de atacul păsărilor și al rozătoarelor. Dimensiunile pătulelor se stabilesc în funcție de zonele pedoclimatice unde urmează a fi amplasate.

Pătulele pot fi construite și din schelete metalice de formă circulară cu diametrul de 5 m și înalte de 6-8,2 m. Ventilarea se face cu ventilatoare care asigură un debit de 30000 mc aer/h. În vederea reducerii umidității știuleților de la 24% la 18%, ventilatoarele vor lucra 100-150 ore în timp de 25-30 de zile.

Există pătule cu pereți mobili amplasate pe platforme de beton, care se folosesc pentru păstrarea porumbului pe o durată mai scurtă de timp.

Temperaturile scăzute din timpul toamnei și iernii sunt în avantajul păstrării nealterate a porumbului.

Boabele de porumb cu umiditate mai mare le putem păstra mai multe zile când temperatura masei de boabe este mai scăzută.

Pierderile care au loc în timpul păstrării la știuleții de porumb depind de umiditatea acestora la recoltare. Ea poate varia între 4-20%.

Depozitarea porumbului boabe se face în magazii sau silozuri; ele trebuie să fie dotate cu instalații de transport, condiționare și aerisire. În magazii, depozitarea porumbului se face cu o umiditate de 14% în straturi de maxim 3-4 m. Aceste grămezi sunt controlate periodic deoarece unele mucegaiuri pot produce alterarea acestora. Silozurile de porumb moderne sunt prevăzute cu toate facilitățile pentru condiționarea și depozitarea boabelor de porumb pe o perioadă îndelungată (6-9 luni), astfel ca unitățile de producție să poată lucra în flux continuu.

Pentru a evita pierderile mari în amidon la depozitarea porumbului boabe se vor respecta următoarele condiții:

● înaintea depozitării, porumbul se va supune operațiilor de curățire (vâturarea) pentru îndepărtarea plevei și a mătăsii care împiedică o bună aerare;

● depozitarea se face în strat subțire și pe toată suprafața magaziei sau în silozuri pline;

● se va controla periodic temperatura porumbului depozitat cu ajutorul termometrelor cu tijă lungă, se face lopătarea periodică funcție de gradul de umiditate pentru a evita autoîncălzirea porumbului;

● se face o uscare prealabilă a porumbului până la o umiditate de 10-12%;

● umiditatea relativă din spațiul de depozitare se urmărește cu ajutorul higrometrelor sau a senzorilor de umiditate;

● nu este admisă depozitarea porumbului umed cu cel uscat fiindcă umiditatea migrează și se pot produce pierderi nedorite.

În industria alcoolului rafinat se preferă porumbul cu boabe făinoase, ce conține o cantitate mare de amidon și mai scăzută în substanțe proteice.

Porumbul folosit în industria alcoolului rafinat trebuie să îndeplinească următoarele calități:

să aibă un conținut mare de hidrați de carbon în special de amidon;

să conțină o cantitate redusă de substanțe proteice;

bobul să fie moale și cu coajă cât mai subțire;

să fie ajuns la maturitate;

să aibă un conținut redus de umiditate ;

să se conserve timp îndelungat.

4.3. Materii auxiliare

4.3.1. Preparate enzimatice microbiene

Anumite mucegaiuri și bacterii au proprietatea de a produce enzime amilolitice. Pentru obținerea preparatelor enyimatice se folosesc de regulă surse de mucegaiuri ca: Aspergillus oryzae, Aspergillus niger, Aspergillus awamori și bacterii – Bacillus subtilis. Ele se cultivă pe medii de cultură ieftină: tărâțe de grâu sau orez, borhot din materii prime amidonoase; ele dau o activitate amilolitică ridicată.

Preparatele enzimatice microbiene se obțin plecându-se de la o cultură pură de mucegai sau bacterii ce se multiplică în laborator și apoi în instalații industriale, în mai multe faze.

Scopul folosirii preparatelor enzimatice microbiene este:

degradarea amidonul în zaharuri fermentescibile;

scăderea parametrilor tehnologici de prelucrare hidrotermică din materiile prime amidonoase;

înlocuirea totală a malțului verde.

Preparatele enzimatice termostabile sunt folosite pentru lichefierea materiilor prime înaintea tratamentului termic. În această fază are loc gelatinizarea și fluidificarea amidonului din materiile prime amidonoase. Se folosește Termamyl care va acționa la 90-92°C producând lichefierea amidonului după care temperatura se scade și se continuă fierberea realizând astfel economii de abur și înregistrând ulterior randamente mai mari în alcool.

Prin combinarea preparatelor enzimatice cu malț se poate înlocui o parte din malțul verde, atunci când acesta are o activitate enzimatică redusă. Procentul de înlocuire poate ajunge până la 80 %, deci pentru o tonă de amidon se pot folosi 80 – 100 kg malț verde.

Dacă se înlocuiește complet malțul verde cu preparate enzimatice vor fi următoarele avantaje:

comoditate în păstrarea și utilizarea preparatelor enzimatice;

se folosesc doze mici cu un preț de cost inferior malțului verde;

preparatele enzimatice nu infectează plămada;

preparatele enzimatice produc o fluidificare (dextrinizare) și fluidificare-zaharificare funcție de produsul folosit.

Preparatele enzimatice cele mai utilizate în industria spirtului sunt redate în tabelul 2.

Enzime pentru lichefiere

TERMAMYL 120L este un preparat enzimatic bacterian, termostabil, care se obține prin cultivarea unei tulpini de Bacillus licheniformis. Această enzimă este utilizată în vederea dextrinizării și gelatinizării amidonului la temperaturi ridicate. Descompune legăturile -1,4 din amiloză și amilopectină cu formare de dextrine și oligozaharide, cu scăderea vâscozității.

Condițiile optime de activitate sunt la 80-85°C și pH = 6-6,5.

TERMAMYL 120L își păstrează calitățile pe o perioadă scurtă de timp și la temperaturi mai mari de 100°C, enzima fiind specifică mai ales pentru lichefierea prealabilă a amidonului. Doza recomandată este de 150-400 ml pentru o tonă de amidon convențional, în funcție de aspectul materiei prime și de condițiile de desfășurare a procesului tehnologic.

BAN 240L este un preparat enzimatic bacterian care se obține prin cultivarea unei tulpini de Bacillus amyloliquefaciens și care acționează asemănător cu TERMAMYL 120L, diferind puțin doar condițiile optime de activitate și anume temperatura 65-75°C, pH=6-7. Doza recomandată este de 200 – 500 ml pentru o tonă de amidon convențional.

Adeseori, preparatul enzimatic BAN 240L se utilizează împreună cu preparatele enzimatice pentru zaharificare, după răcirea plămezilor în vid la 55-60°C.

Tabelul 2

Preparate enzimatice folosite în industria alcoolului ale firmei

FUNGAMYL 800L este un preparat enzimatic maltogen, care se obține prin cultivarea unei tulpini de Aspergillus oryzae. Descompune legăturile -1,4 din amidon, formând dextrine, oligozaharide și maltoză. Se folosește atât pentru dextrinizarea și gelatinizarea amidonului cât și pentru zaharificare.

Condițiile optime de activitate sunt la 50-60°C și pH=5-6. Doza recomandată este de 100 – 150 ml pentru o tonă de amidon convențional.

FUMAGYL 800L este activ la temperaturi și valori ale pH-ului relativ scăzute, îmbunătățește zaharificarea și reduce timpul de fermentare.

Enzime pentru zaharificare

SPIRIZYM 300L este un preparat enzimatic care se obține prin cultivarea unei tulpini de Aspergillus niger. Preparatul este capabil să rupă atât lagăturile -1,4 cât și legăturile -1,6 din amidon, dextrine și oligozaharide, cu formare de glucoză.

Condițiile optime de activitate sunt la 55-60°C și la pH=4,5-5,5. Doza recomandată este de 0,8 – 1,2 litri pentru o tonă de amidon convențional dextrinizat.

SPIRIZYM 300L este activ chiar și la temperaturi relativ scăzute.

Avantajele folosiri preparatelor enzimatice microbiene sunt următoarele:

au o activitate enzimatică standard, în timpul depozitării nu își modifică proprietățile și permit o dozare rațională a preparatului;

-amilaza bacteriană se caracterizează printr-o termorezistență mai ridicată (până la 85°C);

sunt mai sărace în microorganisme dăunătoare, deci infecția din timpul zaharificării este mai redusă;

se obțin randamente în alcool cu 1-2% mai ridicate în comparație cu malțul verde;

se reduce spațiul de depozitare și transport;

se economisesc cheltuielile legate de obținerea și mărunțirea malțului verde (investiții, manoperă).

Preparatele enzimatice brute se adaugă în proporții de 10% în plămada ce se zaharifică și care se răcește la 60°C. La această temperatură se menține o pauză de zaharificare de o oră, după care se răcește plămada dulce la 25-30°C și se însămânțează cu drojdie.

4.3.2. Antispumanți

În procesul de fermentare de la fabricarea alcoolului rafinat, se formează cantități mari de spumă datorită coloizilor care se depun la suprafața bulelor de aer care barbotează în mediu, stabilizând spuma formată. Cu cât plămda este mai bogată în coloizi, cu atât cantitatea de spumă formată este mai mare.

În vederea reducerii cantității de spumă se pot folosii substanțe antispumante. Dintre acestea amintim acizii grași vegetali rezultați din procesul de rafinare a uleiurilor vegetale. Aceste uleiuri vegetale conțin acizi grași până la 75% din compoziție, restul fiind format din ulei neutru, apă și alte substanțe negrase.

Ca antispumanți se pot folosi și uleiuri siliconice care au o eficiență mai mare la distrugerea spumei. Siliconii sunt substanțe policondensate în constituția cărora intră siliciul, oxigenul și radicali organici (metil, fenil etc.).

Alegerea antispumanților se face în funcție de calitatea plămezii folosite, de procesul tehnologic și de sistemul de aerare aplicat. Se urmărește ca antispumantul folosit să nu fie vătămător pentru drojdie, să nu producă murdărirea utilajelor și conductelor.

4.3.3. Antiseptici și dezinfectanți

Antisepticii se folosesc pentru combaterea microorganismelor de infecție în cursul procesului fermentării plămezii, în doze bine stabilite, care nu influențează negativ activitatea de fermentare a drojdiilor. Între cele două categorii de substanțe nu există o delimitare precisă. O serie de substanțe chimice folosite ca dezinfectante pot fi și antiseptce când sunt folosite în doze care omoară microorganismele.

Cei mai folosiți antiseptici sunt: acidul sulfuric și formaldehida.

Acidul sulfuric adăugat în plămada de drojdie creează o aciditate ridicată ce inhibă dezvoltarea bacteriilor de infecție.

Formaldehida se folosește la fermentarea plămezii de cereale sau cartofi unde se adaugă în cantități de 0,015-0,020% față de plămadă. Se adaugă de regulă la zaharificare, fiind eficientă în primele ore de fermentare, protejând drojdia ce se multiplică împotriva infecțiilor cu bacterii. În continuare formaldehida, prin oxidare, se transformă în acid formic sau, prin reducere, în alcool metilic, substanțe ce nu au acțiune dezinfectantă.

Dintre dezinfectanții folosiți amintim: formaldehida, clorura de var, laptele de var, soda caustică și soda calcinată (cu acțiune detergentă puternică).

Formaldehida se folosește în soluții de concentrație de 3-5% pentru dezinfecția mediului nutritiv și de 10% pentru dezinfecția conductelor și utilajelor tehnologice. Pentru a mări eficiența acestei substanțe, este indicată introducerea de aburi după tratamentul cu formaldehidă. Formaldehida poate avea și o acțiune nocivă din cauza combinării directe cu proteina din protoplasmă paralizând astfel funcțiile celulei de microorganisme.

Clorura de var se folosește sub formă de suspensie în apă având concentrația de 1-3%, cu care se șterge suprafața utilajelor și încăperile tehnologice.

Soda caustică și soda calcinată se utilizează în concentrații de 1,5-5%, cu ele se stropesc suprafețele utilajelor tehnologice.

Alți dezinfectanți, cum sunt compușii de amoniu cuaternari se folosesc în soluții cu o concentrație de 0,1%, recomandându-se o bună spălare și clătire prealabilă deoarece substanțele organice și detergenții pot inhiba acțiunea acestora.

4.3.4. Apa

În vederea desfășurării unui proces tehnologic eficient se urmărește asigurarea fabricii cu necesarul de apă. Apa necesară este de două feluri: apă tehnologică și apă de răcire.

Apa tehnologică participă la obținerea produsului finit având rol de material auxiliar. Este folosită la formarea plămezii, la obținerea mediilor necesare preparării cuibului de drojdie, la spălarea utilajelor și a conductelor tehnologice. Apa tehnologică trebuie să aibă o puritate bacteriologică, adică să aibă calitățile apei potabile, fără germeni patogeni.

Apa tehnologică sau apa industrială se poate procura din trei surse: apă de suprafață provenită din fluvii, râuri, izvoare sau lacuri, apă freatică de puț și apă de conductă din sistemul de alimentare urban.

Fabricile de alcool se alimentează cu apă potabilă de conductă care este cea mai curată. Cele mai infectate ape sunt cele obținute din apele de suprafață și cele de puț pot fi infectate prin scurgeri directe de la suprafață sau prin infiltrații de lichide cu mare încărcătură microbiană.

Apa de răcire reprezintă ponderea cea mai mare din consumul de apă industrială la procesarea alcoolului rafinat. Ea nu intră în contact cu produsul, deci nu este nevoie să îndeplinească condițiile de calitate a apei potabile, dar trebuie să aibă temperatura și duritatea cât mai scăzută. Consumul de apă de răcire este direct proporțional cu mărirea durității și temperaturii acesteia. De multe ori este nevoie de o dedurizare a apei de răcire care nu este economică

Pentru a împiedica depunerea pietrii de pe pereții serpentinelor și a conductelor este suficient adăugarea de 5 g polifosfat la 1m3 de apă de răcire. Consumul de apă industrială variază între 75-150 hl pentru 1hl alcool absolut.

La fabricarea alcoolului rafinat se folosesc 7,5-15 m3 apă/hl alcool absolut.

4.3.5. Energie elecrică și abur

Unitățile de procesare a alcoolului alimentar sunt alimentate cu energie electrică din sistemul național. Pentru acționarea motoarelor electrice se folosește curent electric la tensiunea de 380 V, iar pentru iluminat tensiunea de 220V.

Aburul este produs fie în centralele termice proprii, fie livrat de la cea mai apropiată centrală de termoficare. Aburului este folosit la procesarea materiilor prime amidonoase.

5. Pregătirea materiei prime

5.1. Recepția porumbului

Recepția porumbului se face pe baza condițiilor de calitate prevăzute de stantard, în special a umidității și conținutului de corpuri străine în funcție de care se stabilește valoare de facturare. Conținutul în amidon al porumbului se determină în practică prin metoda polarimetrică, metodă care dă erori în cazul în care porumbul conține cantități mai mari de zaharuri simple.

5.2. Precurățirea porumbului

Cerealele folosite se supun operației de precurățire cu ajutorul separatoarelor aspiratoare și magneților. Cu ajutorul acestora se îndepărtează pleava, nisipul, paiele, pietrișul, corpurile metalice etc. În cazul cerealelor foarte murdare îndepărtarea nisipului, paielor și prafului aderent se face prin spălare cu apă. Apoi cerealele se cântăresc și se introduc în vasul de plămădire. Cereala cea mai folosită este porumbul, iar ocazional se mai folosesc secara, porumbul sau orzul.

5.3. Măcinarea porumbului

Aplicarea procedeelor de prelucrare fără presiune necesită o mărunțire optimă a materiei prime, astfel încât să se obțină randamente maxime în alcool cu un consum minim de energie. În cadrul acestor procedee energia termică necesară pentru fierberea sub presiune este înlocuită cu o cantitate mai mică de energie electrică pentru mărunțire.

O mărunțire insuficientă a materiei prime poate conduce la pierderi în alcool de până la 20 l/tonă cereale sau chiar mai mult.

Pentru mărunțirea cerealelor în industria alcoolului se folosesc trei procedee: măcinare uscată, măcinare umedă și măcinare uscată și umedă (în două trepte).

Măcinarea uscată prezintă următoarele dezavantaje: se formează praf care nu este igienic și prezintă pericol de explozie, iar la plămădire se formează cocoloașe ce reprezintă o sursă de pierderi.

Măcinarea umedă se realizează cu ajutorul unor mori speciale cu ciocane alimentate cu cereale și apă de plămădire. În comparație cu măcinarea uscată, măcinarea umedă prezintă avantajul că nu se formează praf și cocoloașe; acest procedeu se pretează pentru mărunțirea cerealelor cu umiditate ridicată.

5.4. Etapele procesării alcoolului rafinat

Fabricarea spirtului din materii prime amidonoase cuprinde următoarele faze principale:

1. Obținerea plămezii dulci din materia primă ;

2. Fermentarea plămezii dulci de către drojdii;

3. Distilarea plămezii fermentate;

4. Rafinarea spirtului brut.

6. Obținerea plămezii dulci

Amidonul conținut de materiile prime amidonoase nu este atacat de amilazele dacă în prealabil nu este supus gelificării (cleificării) și solubilizării mediului, lucru ce se realizează prin fierbere sub presiune.

Dintre cereale doar secara și porumbul se pot solubiliza și zaharifica parțial la 55-57°C fără o fierbere sub presiune, deoarece aceste cereale conțin o cantitate mai mare de amilază. Porumbul nu este bogate în aceste enzime, deci poate fi supus fierberii sub presiune.

6.1.Teoria procesului de plămădire

Gelificarea amidonului se face prin îmbibare cu apă și încălzirea de gelificare, care se alege în funcție de felul amidonului: pentru amidonul din porumb temperatura de gelificare este de 79-80°C.

Chiar dacă temperatura de gelificare și timpul de fierbere este de 1-2 ore, nu se poate realiza o solubilizare completă a amidonului. Odată cu ridicarea temperaturii la 100°C, prin fierbere sub presiune are loc eliberarea granulelor de amidon din celule, gelificarea și solubilizarea amidonului, care poate fi atacat în continuare de amilază.

În timpul fierberii, hemicelulozele din pereții celulari suferă și ele o serie de transformări, transformări ce continuă în timpul zaharificării. Proteinele sunt coagulate, iar la 100°C sunt solubilizate și parțial hidrolizate, obținându-se fracțiuni proteice și o cantitate redusă de aminoacizi.

Fig. 5. Instalație de măcinare și plămădire

În urma reacțiilor dintre zaharurile simple și aminoacizi se formează la temperaturi ridicate substanțele melanoidinice, iar prin condensarea acestor zaharuri simple cu eliminarea apei se obține caramelul. Melanoidinele și caramelul sunt substanțe nefermentescibile, deci formarea lor este nedorită. De asemenea, ele sunt antiseptice pentru drojdii.

În vederea evitării acestor neajunsuri se va avea în vedere ca procesul de fierbere să fie condus ca durată și presiune, astfel încât să obținem cantitatea minimă din melanoidine și caramel, dar să nu rămână nici amidon negelificat.

6.2. Instalații de plămădire

Se folosesc instalații de fierbere tip Henze, de formă cilindro-conică, confecționate din tablă de oțel ce poate rezista la 6-7 atm. Partea conică este mai înaltă, reprezentând 2/3-3/4 din înălțime, pentru ca la sfârșitul fierberii să se poată golii întreaga instalație. Fierbătoarele se alimentează cu abur pe la partea superioară sau pe la partea inferioară.

Capacitatea fierbătorului variază între 500-15000 l, iar cantitatea de materii prime folosite între 150-160 l/100 kg cartofi și 400-450 l/100 kg porumb (cu umiditatea de 12-14%). Capacitatea utilă a fierbătorului este de 90% din volumul total.

Consumul de abur la fierbere pentru producerea a 1 hl alcool absolut este de 430-480 kg la fierbătoarele neizolate și 300-350 kg abur la cele izolate.

Există mai multe tipuri de instalații de fierbere continuă, care diferă între ele prin modul în care se realizează operația:

a) instalații cu coloană de fierbere;

b) instalații cu cap de contact și serpentine sau vase de menținere a temperaturii de fierbere;

c) instalații prin pulverizare;

Instalațiile din prima grupă au de obicei două coloane: în prima coloană, terciul de materii prime preîncălzit este supus fierberii timp de 20-30 minute, materia primă circulă în contracurent cu aburul introdus pe la partea inferioară, iar temperatura este de 150°C; în cea de-a doua coloană, are loc gelificarea și solubilizarea amidonului

Instalațiile din a doua grupă au specific așa-numitul cap de contact, format dintr-o țeavă prin care circulă materia primă mărunțită cu apa sub formă de terci și în care se introduce lateral, printr-un orificiu, abur la presiune ridicată (8-9 atmosfere), ce încălzește materia primă până la temperatura de fierbere. Fierberea continuă 2-7 minute cu ajutorul unei serpentine de menținere, iar durata de fierbere este în funcție de presiunea aburului.

Instalațiile de fierbere prin pulverizare sunt formate din două fierbătoare asemănătoare cu fierbătorul discontinuu de tip Henze. Materia primă foarte bine mărunțită se introduce în fierbător cu ajutorul aburului de 6 atm, continuu, pe la partea superioară a primului fierbător, unde se încălzește 1-2 minute la temperatura de fierbere necesară, după care iese pe la partea inferioară și se introduce tot pe la partea inferioară în al doilea fierbător, unde se realizează fierberea timp de 35-38 minute. Masa fiartă se trece apoi în zaharificator, iar aburul rezultat se captează la preîncălzitorul de amidon.

6.3. Conducerea și controlul fierberii

În funcție de calitatea și felul materiei prime, fierberea are un regim de durată diferit, fiind influențat de temperatură, presiune și cantitatea de apă adăugată.

Pentru o gelificare completă a amidonului se va evita închiderea la culoare prin formarea melanoidinelor și caramelului, de aceea este necesar ca în timpul fierberii să existe suficientă apă. Astfel, pentru 100 kg porumb este necesar să se adauge 290 l apă, iar pentru 100 kg secară 300 l apă. La stabilirea cantității de apă este necesar să se țină seama și de concentrația dorită în extract a plămezii dulci obținută. În cazul cerealelor, aburul se introduce numai pe la partea inferioară a fierbătorului. Aburul are avantajul de a permite o amestecare cât mai bună a materiei prime.

Practic, operația de fierbere decurge în două faze:

a) încălzirea produsului până la temperatura de fierbere;

b) menținerea temperaturii maxime de fierbere.

Este recomandat ca la prelucrarea cartofilor și a cerealelor întregi, încălzirea produsului până la temperatura de fierbere să se facă mai lent, iar presiunea sau temperatura maximă de fierbere, să se mențină un timp cât mai scurt.

Regimul de lucru este redat în tabelul 3

Tabelul 3

Procedeul clasic de fierbere cupride următoarele etape:

introducem apă în fierbător în funcție de calitatea materiei prime, după care introducem abur până aproape de fierbere; se folosește apă caldă rezultată de la răcirea plămezii în zaharificator;

închidem ermetic gura de încărcare și introducem abur pe la partea inferioară a aparatului, lăsând ventilul de aer parțial deschis. Se ridică presiunea la 3 atmosfere, apoi la 3,5 atmosfere și în final se ajunge la 4 atmosfere unde se menține alte 30 minute;

golim fierbătorul brusc, iar prin trecerea de la presiunea de fierbere la cea atmosferică realizăm o explozie a boabelor și obținem un terci uniform.

Scopul operației de fierbere este obținerea unei plămezi omogene în care amidonul este gelificat, amidon care urmează a fi degradat în operația de zaharificare. Obținerea unei plămezi mai omogene în care amidonul se află sub formă de gel se poate realiza printr-un procedeu de dispersie a plămezii cu ajutorul aparatelor de dispersat.

7. Zaharificarea materiilor prime amidonoase

Amidonul existent în materia primă este gelificat prin fierbere sau dispersiei, iar masa obținută este supusă operației de zaharificare în care amidonul este transformat în zaharuri fermentescibile de către drojdii.

7.1. Procesele biochmice și enzimatice care au loc la zaharificare

Asupra celor două componente ale amidonului solubil (amiloza și amilopectina) acționează și -amilaza, pe care le transformă în zaharuri fermentescibile.

-Amilaza are o capacitate mare de fluidizare (dextrinizare) și o capacitate relativ scăzută de zaharificare, formând dextrine și în mică măsură maltoză.

-Amilaza are o capacitate mică de fluidizare, dar o mare capacitate de zaharificare, formând în proporție mare maltoza.

Se va ține seama de condițiile optime de temperatură și pH necesar pentru ca cele două enzime să acționeze, dar și de termorezistența lor.

La grăbirea zaharificării se pot adăuga diferite preparate enzimatice microbiene (-amilaza, amiloglucozidaza etc.) la care trebuie să se țină seama de recomandările firmelor producătoare (temperatura și pH-ul plămezii).

Hidroliza amidonului este catalizată de cele două enzime și are loc în mai multe etape obținându-se produse intermediare din clasa amilodextrinei, eritrodextrine, achrodextrine, maltodextrine. Toate dau colorație cu soluția de Lugol. Zaharificarea este determinată și în plămadă au rămas doar achrodextrine și maltoză, când nu mai apare colorația cu soluția de Lugol.

Hidroliza nu este completă datorită legăturilor -1,6 glugozidice din structura amilopectinei. Se obțin următoarele produse:

maltoză 65%

glucoză (preexistentă) 4%

maltotrioză 10%

dextrine limită (oligozaharide) 20%.

Primele trei zaharuri sunt fermentescibile de către drojdii.

Sub influența enzimelor existente în plămadă au loc transformări care sunt prezentate în continuare.

Degradarea amidonului are loc în trei stadii, dintre care primele două stadii sunt neenzimatice.

Stadiul I constă în absorbția de apă și umflarea granulelor de amidon până la temperatura de 50…60°C, în funcție de tipul de amidon. Stadiul II constă în gelatinizarea amidonului și are loc când amidonul umflat ajunge la o temperatură critică numită temperatură de gelatinizare, caracteristică diferitelor tipuri de amidon, însă de obicei este cuprinsă între 60 și 80°C. La atingerea temperaturii critice de gelatinizare, granula se umflă tangențial și își pierde simultan birefringența și cristalinitatea datorită ruperii legaturilor de hidrogen. La creșterea în continuare a temperaturii peste cea critică de gelatinizare are loc o rupere a legăturilor de hidrogen, o atașare a moleculelor de apă la grupările OH eliberate, ceea ce determină o continuare a umflării granulei de amidon până ce granula se sparge și în soluție difuzează în principal amiloza, iar amilopectina rămâne suspendată în această soluție amilozică, ca “granule fantomă”. La gelatinizare se formează o masă vâscoasă lipicioasă cu aspect de clei.

Stadiul al III-lea, stadiul enzimatic, în fapt se subdivide in două etape. În prima etapă are loc lichefierea amidonului prin acțiunea -amilazei asupra amilozei și amilopectinei, caz în care se formează dextrine liniare și ramificate cu masa moleculară medie și mare. Lichefierea este însoțită fizic de micșorarea vâscozității plămezii datorită acțiunii dextrinizante a -amilazei. În această etapă acționează foarte lent și -amilaza cu eliberare de maltoză de la capătul nereducător al lanțurilor liniare. În etapa a doua are loc zaharificarea care constă în acțiunea atât a -amilazei, cât și a -amilazei asupra legăturilor -1,4 glicozidice din amiloză și amilopectină.

-Amilaza degradează amiloza și amilopectina cu formare de dextrine liniare și ramificate care conțin 7-12 resturi de glucoză. -Amilază acționează de la capătul nereducător al noilor dextrine formate sub acțiunea -amilazei cu formare de maltoză, dar din cauza lungimii diferite a lanțurilor se formează pe lângă maltoză și glucoză și maltotrioză.

Atât în cazul -amilazei cât și al -amilazei, acțiunea lor se oprește la 2-3 resturi de glucoză în fața legăturilor -1,6 glicozidice din amilopectina, formându-se așa numitele dextrine limită.

La acțiunea de zaharificare participă și dextrinaza limită care transformă dextrinele ramificate în dextrine liniare, dar având optim de temperatură între 50 și 60°C și fiind inactivată la 65°C, acțiunea ei nu este semnificativă la zaharificare. De asemenea, acționează și maltaza care desface molecula de maltoză în două molecule de glucoză, precum și invertaza, care transformă zaharoza în glucoză și fructoză.

În consecință, prin efectul -amilazei, care are optim de activitate la 72…75°C și pH=5,6-5,8, amidonul este transformat în dextrine liniare și ramificate. -Amilaza este distrusă la 80°C. -Amilaza scindează molecule de maltoză de la capătul nereducător al lanțurilor, dar produce glucoză precum și maltotrioză. -Amilaza acționează optim la 60…65°C și la pH=5,4-5,5 și este rapid inactivată la 70°C.

Prin urmare, la zaharificare se formează carbohidrați nefermentescibili și maloză, maltotrioză, glucoză, ușor fermentescibile.

Degradarea enzimatică a amidonului la zaharificare va fi influențată de:

temperatura. La o pauză mai mare la 62…65°C se formează cantități mai mari de maltoză. La o pauză prelungită la 75…77°C se obține un conținut ridicat de dextrine.

durata de zaharificare, la care se disting două etape: o primă etapă care durează 10-20 minute, când se atinge maximum de activitate enzimatic pentru -amilază la temperaturi cuprinse între 62…68°C și o etapă de declin a activității enzimatice care are loc în următoarele 40-60 minute. Rezultă că prin creșterea duratei de zaharificare crește concentrația în extract, dar creșterea devine cu timpul din ce în ce mai lentă.

pH-ul. Având în vedere că activitatea enzimelor este în funcție de pH, la un pH de 5,5-5,6 vor acționa bine atît -amilaza cât și -amilaza. pH-ul plamezii va depinde de calitatea apei utilizată și este de obicei între 5,6 și 6,9 și, prin urmare, este necesară o acidifiere.

concentrația extractului. La o concentrație mai mare a plămezii, aceasta exercită un efect coloidal protector asupra enzimelor. Plămezile groase au o concentrație mai mare de zaharuri fermentescibile decât cele subțiri.

Degradarea substanțelor cu azot. La zaharificare, vor exista în plămadă proteine insolubile, globuline și albumine solubile, peptide și aminoacizi.

Produșii rezultați în urma activității endo- și exopeptid hidrolazelor sunt următorii:

compuși macro moleculari cu masă moleculară mai mare de 60000, care constituie azotul coagulabil și care reprezintă în general 20% din substanțele cu azot;

compuși cu masă moleculară medie (10000-60000), care reprezintă 20% din totalul substanțelor cu azot;

compuși cu masă moleculară mică, care reprezintă 60% din substanța cu azot din must, din care circa 22% sunt -aminoacizi liberi, sursa de azot pentru drojdii.

Substanțele cu azot formate la zaharificare sunt implicate în nutriția drojdiei pentru fermentare și, deci, și pentru formarea de substanțe de aromă ce determină insușirile senzoriale ale alcoolului rafinat. Proteinele nedegradate și cele insolubile se elimină cu borhotul. Degradarea substanțelor cu azot va fi influențată de conținutul plămezii în enzime proteolitice, temperatura de zaharificare, pH-ul și concentrația plămezii.

Degradarea hemicelulozelor. Enzimele de degradare a hemicelulozelor acționeză bine la 40…45°C și sunt inactive la 55…60°C (-1,3-1,4 glucanază și endo -1,4 glucanază). La temperaturi mai mari se eliberează -glucan din complexele cu proteinele sub influența -glucan-solubilazei și, respectiv, este eficientă și endo -1,3 glucanaza care acționează bine la 60…62°C.

De remarcat ca nu toți -glucanii existenți în plămadă sunt degradați până la componentele de bază (glucoză), ei putând să ramână în diferite stadii de degradare, în mare măsură sub forma de -glucan-dextrine liniare, care se pot asocia între ele prin legături de hidrogen.

Degradarea polifenolilor

Polifenolii reprezintă 0,3-0,4% din substanța uscată a porumbului; aceștia trec în plămadă, nivelul de trecere fiind influențat de pH și temperatură. Polifenolii trecuți în plămadă vor forma proteinele complecși insolubili ceea ce determină o stabilitate coloidală mai bună a produsului finit. În prezența aerului, polifenolii pot fi oxidați enzimatic cu formare de compuși incolori, care apoi vor polimeriza neenzimatic în compuși colorați. Polifenolii oxidați sunt de fapt taninuri.

La plămădire este necesar să se ia următoarele măsuri: să se evite contactul cu aerul pentru a nu se ajunge la formarea de substanțe colorate, să se corecteze pH-ul (pH deplasat spre acid conduce la micșorarea oxidării polifenolilor) și să se inactiveze enzimele care catalizează oxidarea enzimatică a polifenolilor.

Degradarea lipidelor. Din totalul de lipide existente în plămadă, mai puțin de 2% ajung în alcoolul brut, restul fiind reținute în borhot. Degradarea lipidelor are loc sub influența lipazelor din plămadă care au o temperatură optimă la 35-40°C și sunt inactive la 65°C.

Degradarea compușilor cu fosfor. În plămadă se gasesc o serie de fosfați organici, prezenți sub formă de acid fitic sau de fosfolipide. De asemenea, pot fi prezente și săruri anorganice cu fosfor. Fosfații organici sunt eliberați din combinațiile lor, fie de fitază (în cazul acidului fitic), fie de fosfolipaze (în cazul fosfolipidelor).

Prin formarea diferitelor săruri de fosfați la plămădire se procură și factorii de creștere pentru drojdiile de fermentare. Nivelul de fosfați din plămadă va depinde în principal de acțiunea fosfatazelor, condițiile optime pentru fosfataze fiind temperatura de 50°C și un pH=5,0.

Valoarea pH-ului plămezii este deosebit de importantă pentru reacțiile enzimatice. pH-ul plămezii poate fi scăzut prin: decarbonatarea apei utilizate la plămădire și spălare borhot, adaos de acizi sau acidifiere biologică.

Procesul de zaharificare a masei fierbinți la temperatura optimă a enzimelor durează 10-15 minute și încetează complet după 60 minute, stabilindu-se un echilibru între maltoză și dextrine ce nu poate fi deplasat prin mărirea duratei de zaharificare sau a cantității de malț verde adăugat. Se consideră că nu este posibil să se obțină un procent mai ridicat de maltoză, deoarece maltoza formată în proporție de 65% frânează activitatea amilazei. Abia în cursul fermentării, când se consumă maltoză și se modifică astfel echilibrul stabilit inițial, amilaza rămasă în plămadă își reia activitatea de zaharificare a dextrinelor limită.

7.2. Procesul de zaharificare

Factorii care influențează procesul de zaharificare sunt:

temperatura de zaharificare;

pH-ul optim al plămezilor;

infectarea plămezilor cu microorganisme;

activitatea enzimatică a plămezii;

starea fizică a substanțelor: acțiunea enzimelor amilolitice va fi mai eficiență dacă plămada este fin mărunțită, dacă gelatinizarea și lichefierea sunt mai complete;

consistența plămezii, care este dependentă, în principal de raportul măcinătură/apă.

Zaharificarea se poate realiza la 55-62°C, mai ridicată decât temperatura optimă, în vederea eliminării infecțiilor microorganismelor termofile (bacterii lactice). De asemenea, se poate efectua zaharificarea și la 55°C în prezența formaldehidei ca dezinfectant. Temperaturi mai mari de 60°C duc la inactivarea parțială sau totală a amilazelor. pH-ul trebuie să fie cuprins între 5,3-5,7; dacă este mai scăzut de 5,3 se recomandă adaosul de lapte de var, iar dacă depășește 5,8 aciditatea se corectează cu acid sulfuric.

În vederea evitării infecției cu microorganisme străine se execută de regulă o spălare și o dezinfecție foarte atentă a zaharificatorului. De asemenea vom dezinfecta și traseele de plămadă dulce, inclusiv pompa de plămadă. Dezinfecția se face cu formaldehidă 0,02%.

Descărcarea fierbătorului sau fierbătoarelor în zaharificator se poate face astfel:

la temperatura de zaharificare: 55-60°C;

la temperatura de fluidificare: 75-80°C;

la temperaturi superioare: 95-100°C.

Procedeul de zaharificare după descărcarea fierbătorului este răspândit deoarece se evită inactivarea amilazei. Se realizează în două feluri:

prin descărcarea fierbătorului la temperatura de fluidizarea masei fierte 75-80°C; În primul caz, în zaharificator se introduce condensul 1/2 din volumul său, peste care se adaugă 1/10 lapte de slad din cantitatea totală, după care se descarcă fierbătorul sub agitare continuă, menținându-se temperatura optimă de fluidificare de 75-80°C. Masa fiartă fluidificată se răcește la 55-60°C, care este de fapt temperatura optimă de zaharificare. Peste masa fiartă se adaugă restul de lapte de slad, după care se zaharifică timp de 10-30 minute, apoi se răcește plămada la 30°C și se însămânțează cu drojdii.

prin descărcarea fierbătorului la temperatura de fierbere 95-100°C, zaharificarea decurge astfel: în zaharificator se introduce 5-7% din cantitatea totală de lapte de slad peste o cantitate de apă sau condens. Apoi se golește rapid fierbătorul sub agitare și răcire, ținându-se seama de temperatură. Masa fiartă se răcește până la 72-73°C, peste care se adaugă 1/3 din laptele rămas. Se continuă răcirea sub agitare continuă, până la 63-64°C, după care se adaugă restul de slad; temperatura va scădea până la 60-62°C sub agitare. Zaharificarea propriu-zisă va avea loc la 55°C, 30 minute, dar fără agitare, apoi plămada dulce se răcește până la 30°C și se însămânțează cu drojdii.

După zaharificare, o parte din plămada dulce (5-10%), este trecută într-un vas unde se introduce și drojdia, în vederea preparării plămezii de drojdie prefermentate.

Întreaga cantitate de plămadă dulce este răcită la 30°C, peste care vom adăuga plămada de drojdie prefermentată preparată în timp scurt. Se continuă răcirea plămezii până la 18-20°C, după care se pompează în linurile de fermentare.

În urma zaharificării se obține o plămadă dulce de 18-19°Bllg. Prin adăugarea plămezii de drojdie concentrația acestora scade aproximativ cu 2°Bllg.

În timpul zaharificării se urmăresc următoarele elemente:

gradul de zaharificare;

coeficientul calitativ al plămezii;

gradul Balling;

aciditatea și pH-ul plămezii dulci;

puterea amilolitică a plămezii;

controlul microbiologic.

Gradul de zaharificare se face cu ajutorul soluției Lugol și se controlează atât reziduul cât și filtratul limpede obținut dintr-o cantitate de plămadă; reziduul trebuie să dea o colorație gălbuie sau roșiatică, iar filtratul trebuie să aibă o culoare galbenă deschis și un gust dulce și nu dă colorație cu soluție Lugol. Extractul plămezii se determină cu ajutorul zaharometrului Balling. Gradele zaharometrice (°Bllg) indică procente masice totale ale substanțelor existente în plămada limpede: maltoză, glucoză, maltotrioză, dextrine (ce sunt substanțe fermentescibile), substanțe azotoase, minerale etc. (ce sunt substanțe nefermentescibile).

Coeficientul calitativ al plămezii reprezintă procentul de zaharuri fermentescibile din extractul plămezii, având aceleași semnificații cu gradul final al fermentației utilizat în industria berii. Coeficientul calitativ al plămezii Q este determinat fie pe cale chimică, fie printr-o probă de fermentare și este de 89-90% pentru plămezi din porumb sau porumb .

Aciditatea plămezii se exprimă în °Delbrucki (°D) ce reprezintă ml de NaOH 0,1n necesari neutralizării acizilor din 20 ml plămadă. pH-ul plămezii este cuprins între 5,3-5,7;

Puterea amilolitică a plămezii dulci se face pentru a cunoaște proporția de amilaze necesare din faza secundară de zaharificare. Controlul se face cu ajutorul soluției de I2 n/10;

Controlul microbiologic se face în vederea depistării unor eventuale infecții.

7.3. Instalații de zaharificare

Se cunosc două tipuri de instalații și anume:

instalații cu funcționare discontinuă;

instalații cu funcționare continuă.

Din fierbătoarele (1) Henze, masa fiartă ajunge în zaharificator (2) care este prevăzut cu o serpentină de răcire din cupru și agitator. În partea inferioară se găsește racordul de evacuare a plămezii dulci. Pe zaharificator este încastrată o teacă necesară protejării unui termometru sau cu un termocuplu. La partea superioară a acestuia se observă un rezervor(3) pentru plămada de drojdie. Tot la partea superioară se găsește țeava pentru evacuarea vaporilor secundari.

În zaharificator se disting următoarele etape:

răcirea masei fierte de la temperatura de fierbere la temperatura optimă de zaharificare de 55C;

răcirea urmată de adăugarea laptelui de slad și zaharificarea la temperatura optimă;

răcirea plămezii zaharificate până la temperatura de însămânțare cu drojdii care este de 30°C;

însămânțarea cu drojdii;

răcirea plămezii până la temperatura de pornire a fermentării (18-20);

trecerea plămezii în linul de fermentare.

Zaharificatorul trebuie să asigure o răcire foarte rapidă a plămezii cu un consum redus de apă de răcire. Deci, avem nevoie de o suprafață de răcire de 3,5 –5 m² pentru un m³ de plămadă.

Într–un zaharificator se pot descărca unul sau mai multe fierbătoare Henze.

8. Fermentarea plămezii dulci

Plămada dulce din materii prime amidonoase este supusă procesului de fermentare cu ajutorul drojdiilor. Acestea transformă zahărul din plămadă, cu ajutorul complexului enzimatic, în alcool etilic și bioxid de carbon. În industria alcoolului alimentar se folosesc culturi pure de drojdii obținute prin multiplicare plecându-se de la o singură celulă de drojdii. În industria alcoolului din cereale este necesar ca de fiecare dată să se obțină plămada de drojdie prefermentată folosită la însămânțare.

8.1. Pregătirea drojdiei pentru fermentare

În industria alcoolului se lucrează cu culturi pure, plecând de la o singură celulă de drojdie, care se multiplică, în condiții sterile, în două faze:

a) în faza de laborator;

b) în faza din secția de culturi pure.

Se obține astfel o cantitate de suficientă de plămadă (cuib) de drojdie, necesară însămânțării plămezii dulci principale sau a melasei.

De obicei, se folosesc drojdii de fermentație superioară din specia Saccharomyces cerevisiae, cu putere alcooligenă ridicată, ce sunt capabile să transforme repede și complet zahărul fermentescibil în alcool etilic și să-l poată suporta, în concentrații ridicate de 10-12% vol.

Drojdia trebuie să se acomodeze la plămezile acide din cartofi sau cereale și să fermenteze la 28-30°C. Ea trebuie să formeze o cantitate redusă de spumă în vederea folosirii la maxim a capacității specifice a vaselor de fermentare.

Factorii care influențează activitatea fermentativă a drojdiei:

compoziția plămezii – trebuie să asigure necesarul de substanțe nutritive pentru drojdii (zaharuri, aminoacizi, substanțe minerale, vitamine);

concentrația plămezii – în condiții normale este de 14-15°Bllg, dar pentru economisirea spațiului de fermentare se lucrează cu concentrații de 18-19°Bllg;

temperatura – optimul este de 30-35°C, dar în practică se conduce la temperaturi mai scăzute de 28-30°C din cauza pericolului de infecție cu microorganisme străine și pierderi în alcool prin evaporare;

aciditatea plămezii – în unele cazuri oprește complet dezvoltarea bacteriilor din cauza înmulțirii și activității fermentative intense a drojdiilor. La pH 3,3-3,5 obținut prin adăugare de acizi, drojdiile se multiplică înlăturând pericolul de infecții. Se știe că drojdiile suportă mai bine acizii organici (acid lactic) decât acizii anorganici (acid sulfuric);

alcoolul acumulat în plămadă de peste 4-5% încetinește înmulțirea drojdiilor, dar activitatea fermentescibilă a drojdiei poate avea loc până la 15% vol;

aerisirea plămezii permite procesul de multiplicare a drojdiilor (efectul Pasteur). În industria alcoolului, acest lucru nu se efectuează decât când se folosește ca materie primă melasa;

amestecarea plămezii favorizează nutriția drojdiilor ce vin în contact cu noi cantități de substanțe nutritive. Prin degajarea de bioxid de carbon din timpul fermentației are loc o convecție naturală a mediului, deci nu este necesară o amestecare specială. Deci, prin aerisire, se asigură și amestecarea plămezii;

antisepticii pot împiedica dezvoltarea microorganismelor de infecție deoarece drojdiile sunt mai puțin sensibile la aceștia în comparație cu bacteriile. Se folosește, în general formaldehida în doze de 0,015-0,020%

bacteriile de infecție existente în plămezi sunt dăunătoare deoarece consumă zahărul pentru metabolismul propriu și formează acizi organici nedoriți. Cele mai periculoase sunt bacteriile butirice deoarece acestea sintetezează în final acid butiric care este foarte toxic pentru drojdii. De asemenea, bacteriile lactice sunt nedorite deoarece acidul lactic sintetizat de acestea este toxic pentru drojdii Bacteriile acetice se dezvoltă mai rar deoarece plămezile sunt acoperite de opernă de CO2. De exemplu Lactobacillus Delbruckii se folosește pentru acidifierea biologică a plămezii

8.2. Prepararea și prefermentarea plămezii speciale de drojdii

Drojdiile se cultivă în plămada acidulată cu suficiente cantități de substanțe nutritive necesare dezvoltării și multiplicării acestora. Astfel se obține o drojdie viguroasă, cu putere de fermentare ridicată.

Din plămada dulce, se scoate o porțiune de 5-10% plămadă dulce, care se acidulează și se adaugă substanțe nutritive. Plămada cu drojdie este supusă pregătirii în mai multe faze:

Plămada dulce (5-10%) se filtrează, după care se combină cu preparatul enzimatic, în vederea îmbunătățirii cu substanțe nutritive. Zaharificarea plămezii se face la 60-62°C, 60 minute, după care se răcește rapid până la temperatura de fermentare a drojdiilor de 28-30°C. Plămada obținută trebuie să aibă o concentrație de 20-22°Bllg.

Acidularea plămezii se face cu acizi anorganici. Se urmărește atingerea unei acidității de 1,8-2°D. O aciditate mai mică de 1,8°D favorizează și dezvoltarea bacteriilor de infecție, în timp ce o aciditate mai mare de 2°D slăbește activitatea drojdiilor.

În funcție de materia primă folosită la obținerea plămezii, cantitatea de acid sulfuric poate fi de 0,10-0,16/100 l plămadă. Adaosul de acid se efectuează la temperatura de 55°C în scopul obținerii unui pH de 4,3-4,7. Drojdiile nu preferă acid sulfuric, de aceea se are în vedere ca aciditatea să nu depășească 1,3°D. Odată acidulată, plămada specială se răcește la 28-30°C, după care se face însămânțarea cu drojdii.

Prefermentarea. Plămada se însămânțează cu cultură pură de laborator (circa 5 l). Drojdia se obține din celula inițială, prin multiplicare în condiții sterile pe must malț sau chiar de melasă. Plămada specială se însămânțează cu o porțiune de 1/10 din plămada de drojdie obținută anterior. Porțiunea reținută poartă numele de drojdie matcă.

Plămada însămânțată se răcește la 18-20°C și începe prefermentarea, iar după 20-24 ore se ajunge la 29-30°C. Drojdiile în această fază se multiplică de 7 ori formând 7-8% alcool în volum, iar concentrația plămezii scade de la 20°Bllg la 5-6°Bllg. În acest stadiu de activitate, plămada de drojdie prefrementată servește pentru însămânțarea plămezii principale.

8.3. Utilizarea drojdiei comprimate la fermentare

În cazul defectării instalațiilor de preparare a drojdiei de cultură, în fabricile de alcool mari, sau chiar în fabricile mici, se poate folosi drojdia comprimată de panificație sau drojdia de bere.

Pentru 1000 l plămadă dulce se folosesc 1-1,5 kg drojdie comprimată de panificație sau 1,5-2,5 kg drojdie de bere. Procedeul folosit este următorul: drojdia comprimată se introduce în apă (în raport de 1:4) obținându-se astfel în final un amestec omogen (5 l) ce se pune în 20 l plămadă dulce scoasă din zaharificator, se ține 30 minute la zaharificare și se răcește la 25°C. Apoi, plămada de drojdie se lasă la prefermentare, până ce plămada principală din zaharificator se răcește la 30°C, după care se face însămânțarea plămezii principale.

De regulă, se procedează la purificarea acestei drojdii comprimate prin acidularea mediului cu acid sulfuric până la o aciditate de 1,8-2°D și pH = 3,2, respectiv la 20 l plămadă dulce se adaugă 75 ml acid sulfuric diluat în apă în proporție de 1:10 și se menține în contact cu drojdia timp de 60 minute. Apoi, cei 25 l plămadă dulce prefermentată se adaugă peste restul de plămadă principală.

Trebuie amintit faptul că drojdia de panificație nu are putere mare de fermentare, deci ea se pretează la a lucra cu concentrații mai scăzute ale plămezii dulci de până la 15% ceea ce prezintă un dezavantaj economic. De asemenea, drojdia de panificație nu poate fermenta complet zaharurile din plămadă în timpul normal de fermentare de 72 ore, fiind necesară prelungirea acestei perioade.

În ultimul timp se folosesc pe scară tot mai largă drojdiile uscate în locul celor lichide, deoarece acestea pot fi imediat utilizate după o prealabilă hidratare, au o bună conservabilitate și se dozează mult mai ușor. Drojdiile utilizate trebuie să îndeplinească următoarele condiții: să aibă o putere alcooligenă ridicată, să se poată acomoda la plămezile acide din cereale și cartofi, să declanșeze rapid fermentația, să formeze o cantitate redusă de spumă, și să producă o cantitate cât mai mică de hidrogen sulfurat și alte substanțe de gust și aromă nedorite.

În tabelul următor sunt prezentate caracteristicile unor preparate de drojdii.

Tabelul 4

Caracterizarea unor preparate de drojdii

9. Fermentarea plămezii principale

Reprezintă una dintre cele mai importante operații a procesului tehnologic. În această fază se pot regăsi unele operații anterioare executate greșit: fierberea incompletă și insuficientă, zaharificarea insuficientă, drojdie de însămânțare slăbită, dezinfecția și sterilizarea insuficientă etc. De aceea, se va avea grijă ca:

fermentația să se realizeze cu drojdii riguroase și libere de infecții bacteriene;

fermentația să fie condusă la concentrații și temperaturi optime ale plămezii;

la finele fermentației să se atingă un grad de fermentație cât mai ridicat.

Fermentarea durează 72 ore în cazul folosirii materiilor prime amidonoase și 24-30 ore în cazul folosirii melasei ca materie primă. Timpul lung de fermentare al plămezii din materii prime amidonoase se datorează faptului că zaharificarea secundară a dextrinei până la maltoză necesită un timp îndelungat. În cazul folosirii procedeelor moderne de preparare a plămezii, cum ar fi dispersarea plămezii obținută din materii prime amidonoase, această operație își scurtează durata cu până la 30 de ore.

9.1. Fazele fermentării

În funcție de transformările predominante care au loc în procesul de fermentare se diferențiază trei faze:

faza inițială care durează 22 ore;

faza principală (tumultoasă) ce durează 18 ore;

faza finală cu o durată de 32 ore.

Faza inițială se caracterizează prin multiplicarea celulelor de drojdie având loc fermentarea a circa 40% din maltoză. Multiplicarea drojdiilor este stimulată de oxigenul absorbit în plămadă în timpul răcirii, dar și a acidității reduse a plămezii principale față de aciditatea ridicată a plămezii de drojdie.

Fermentația începe la 18-20ºC pentru a proteja plămada principală împotriva infecțiilor bacteriene. Această plămadă încă nu conține alcool, iar temperatura optimă de dezvoltare a bacteriilor este mai ridicată. Odată începută fermentarea, plămada începe să se încălzească treptat datorită degajării din procesul de fermentare, ajungând la finele acestei faze la o temperatură de 30ºC.

Temperatura de pornire a fermentației depinde de:

concentrația plămezii în extract;

mărimea linului de fermentare;

sistemul de răcire;

temperatura mediului ambiant.

Cu cât plămada este mai concentrată folosim o temperatură de pornire a fermentației mai ridicată, astfel că pentru fiecare grad Balling folosim o temperatură mai ridicată cu un grad Celsius. De asemenea, cu cât timpul de fermentație este mai mare cu atât se face o răcire mai slabă; deci vom efectua o pornire a fermentației la temperatură cât mai scăzută (apropiată de 18ºC). Dacă temperatura din încăperea linurilor de fermentare este scăzută, pornirea fermentației o facem la o temperatură cât mai ridicată (aproape de 22-23ºC).

Faza principală se caracterizează prin fermentatrea intensă a maltozei și formarea de alcool etilic, CO2 și căldură. La începutul acestei faze temperatura ajunge la temperatura optimă pe care o menținem în continuare la această valoare cu ajutorul sistemului de răcire. Acestă răcire se face cu atenție pentru a prelua doar căldura formată prin fermentație, fără ca să se modifice temperatura plămezii, deoarece drojdiile sunt sensibile la șocurile de temperatură. Tehnologia clasică de fementare indică folosirea de temperaturi optime de 28-30ºC, iar tehnologiile recente care folosesc preparate enzimatice microbiene folosesc temperaturi mai ridicate de 35-36ºC. La acestă temperatură ridicată are loc acțiunea amilazelor care pun la dispoziție drojdiilor mari cantități de glucide fermentiscibile. Faza durează până în momentul consumării întregii cantități de maltoză din plămadă, lucru desemnat prin cantitatea de spumă acumulată la suprafața plămezii. Culoarea spumei indică cantitatea de celule de drojdie antrenată. Spuma capătă aspectul unor valuri care se rostogolesc pe suprafața plămezii și poartă denumirea de fermentație ondulată și arată normalitatea fermentației.

Faza finală are durata cea mai lungă care este de 32 ore. În această fază are loc o zaharificare secundară a dextrinelor limită rămase. Acest lucru începe de fapt în prima fază a fermentării datorită modificărilor raportului dintre maltoză și dextrine limită, lucru evidențiat prin consumarea unei cantități mai mari de maltoză de către microorganisme. Se evidențiază în această fază acțiunea amilazelor care prin zaharificare transformă dextrinele limită, proces cunoscut sub numele de dezaharificare, obținându-se maltoză ce este concentrată de către drojdii.

9.2. Conducerea fermentării

Temperatura optimă din cursul procesului de fermentare este de 27ºC. Dacă temperatura este mat ridicată are loc o epuizare rapidă a maltozei din plămadă și se produce flocularea drojdiilor. Procesul de fermentare se termină în momentul în care extractul aparent rămâne valoric constant timp de 4 ore. Plămada fermentată este pompată într-un rezervor tampon ce alimentaeză instalația de distilare sau poate fi trecută direct la distilare. Pentru a scurta durata de fermentare până la 48 ore putem folosi următoarele metode:

se pornește fermentația la temperaturi mai ridicate (25-26ºC) permițând realizarea fazei inițiale a fermentației;

conducerea fermentării la temperaturi mai ridicate (35-36ºC) prin care scurtăm faza principală de fermentare;

folosind preparate enzimatice microbiene vom produce o hidroliză mai avansată a amidonului, deci va dispare faza de zaharificare din faza final;

folosind metoda prin dispersie a plămezii când se obțin sisteme disperse ușor atacabile de către enzime.

Ținând seama de materia primă folosită, de modul de conducere a operațiilor de fierbere și zaharificare, în timpul fermentării plămezilor din cartofi și cereale pot apărea unele anormalități, dintre care amintim:

fermentația cu ridicarea și coborârea plămezii se întâlnește la obținerea plămezii vâscoase, din cereale cu un conținut mare de coji. Se observă o ridicare a suprafeței plămezii în timpul fermentației cu 10-15% peste nivelul normal din cauza acumulărilor excesive de dioxid de carbon. Dioxidul de carbon, în timp, este degajat în exterior iar nivelul va scădea până la normal.Dezavantaje acestui fenomen sunt: neutilizarea la capacitate a linurilor de fermentare și la înrăutățirea activității fermentative a drojdiei care nu se poate distribui uniform în plămadă. În acest caz se recomandă fluidizarea plăcii cu o plămadă mai fluidă.

fermentația cu formarea intensă a spumei; se caracetrizează prin formarea unei cantități mari de spumă încă din faza inițială când temperatura ajunge la 22-23°C, spumă care se stratifică ajungând la grosimi de 1-1,5 m care deversează din linul de fermentație cu pierderi de plămadă. Se întâlnește în cazul plămezilor bogate în substanțe azotoase.

fermentare cu formare de strat superficial (capac) când are loc apariția unui strat de coji la suprafața plămezii încă din prima fază de fermentație. Grosimea stratului poate ajunge până la 1-1,5 m, iar acest strat rămâne până la finele fermentației deoarece CO2 format nu poate să-l străbată rămânând înglobat în masa plămezii. Defectul apare când vom folosi cereale cu coajă groasă (orz, ovăz, mei etc.) și fierberea se face în fierbătoarele Henze, iar boabele în majoritatea lor sunt întregi. Datorită prezenței aerului în acest strat, în stratul imediat inferior se pot dezvolta o serie de microorganisme – bacterii acetice ce consumă o parte din zaharuri creând aciditate ridicată care inhibă activitatea amilazelor, ceea ce duce la nezaharificarea unei părți ridicate de dextrine. Temperatura formată în acest strat poate ajunge până la 40°C deoarece el se găsește deasupra serpentinei de răcire. Acest neajuns apare în cazul când producem o fierbere mai rapidă a materiei prime, plămada are un extract scăzut sau când drojdiile folosite sunt cele comprimate. Dacă vom folosi drojdia de cultură, stratul superficial nu mai apare pe plămadă fiindcă aceasta intră mai repede în fermentație și deci nu poate să se separe.

9.3. Controlul fermentației

În timpul fermentației se urmăresc următoarelor elemente:

Concentrația în extract a plămezii scade treptat în timpul fermentației datorită consumului de zahăr și fiindcă în mediu apare alcool.

Extractul aparent (%) al diferitelor plămezi provenite din porumb în cazul unei fermentății normale, este de 0,1-0,2%. Pentru plămada provenită din porumb extractul aparent poate avea și valori negative datorită alcoolului acumulat de aceasta și influenței lui asupra substanțelor nefermentescibile.

Gradul de fermentare (Gf) aparent sau real al plămezii fermentate se calculează cu următoarea formulă:

unde:

Ef – gradul aparent sau real al fermentației (%);

e – extractul aparent sau real al plămezii fermentate (%);

Ep – extractul inițial al plămezii (%).

Gradul de fermentare aparent trebuie să fie apropiat de gradul final al fermentației denumindu-se coeficient calitativ sau coeficient de plămădire.

Dacă cunoaștem extractul aparent ea al plămezii fermentate, dar și concentrația în alcool (% vol) putem calcula extractul real al plămezii er cu formula:

er = 0,3A + ea + 0,4

în care:

er – extractul real al plămezii fermentate (%);

A – concentrația alcoolică (% vol);

ea – extractul aparent al plămezii fermentate (%).

Aciditatea plămezii crește dacă fermentația decurge normal cu 0,1-0,2°D, iar în cazul unei fermentații mediocre cu 0,3°D. Dacă aciditatea va crește cu valori mai ridicate de 0,3°D, avem un indiciu că plămada este infectată.

pH-ul plămezii de porumb are valorile cuprinse între 4,2-4,3 (plămada de porumb). Valori mai scăzute indică infectarea plămezii cu microorganisme nedorite.

Controlul activității amilolitice se face în plămada de fermentație în vederea determinării acidității acestor enzime. Putem considera că plămada fermentată conține amiloză suficientă dacă în 1,5-2 ml din plămada filtrată sunt zaharificați complet (60 minute la 55°C) cei 10 ml soluție de amidon solubil 2%.

Natura microbiologică a mediului fermentației este un factor important în desfășurarea procesului de fermentație. Plămada este supusă unui control microbiologic pentru caracterizarea stării fiziologice a drojdiilor și stabilirea prezenței bacteriilor de infectare care pot dăuna procesului de acumulare a alcoolului. După acest control putem interveni pentru înlăturarea bacteriilor și a altor microorganisme din plămadă.

Controlul drojdiilor poate duce la stabilirea temperaturilor de fermentare prin stabilirea turgescenței și granulației celulelor de drojdie. Prezența unui număr mare de celule granulate ne arată o fermentare la temperaturi ridicate. Prezența unor celule turgescente și puțin granulate ne indică o fermentare normală.

9.4. Linurile de fermentare

Linurile de fermentare sunt vase în care are loc fermentarea plămezii din cereale. Acestea sunt amplasate în încăperi speciale, în apropierea liniei de zaharificare și instalației de distilare astfel încât drumul conductelor să fie cât mai scurt.

Linurile de fermentare pot fi închise sau deschise. Pentru fermentarea plămezii din materii prime amidonoase și din maltoză, de regulă se folosesc linuri închise de fermentare. Aceste linuri de fermentare sunt prevăzute cu sisteme de răcire și cu conducte de captare a dioxidului de carbon și prezintă unele avantaje:

curățirea și dezinfectarea rapidă și ușoară;

pierderile în alcool prin evaporare sunt reduse;

infecțiile cu microorganisme patogene sunt înlăturate;

randamentul în alcool este de regulă cu 2-4 l/100 kg amidon mai mare față de linurile deschise.

Linurile de fermentare închise sunt construite din tablă de oțel inoxidabil. Linurile din oțel inoxidabil sunt cele mai recomandate deoarece nu necesită o protecție interioară și se igienizează foarte ușor. Forma linurilor este cilindrică (verticală sau orizontală) sau paralelipipedică (casetă).

Dintre linurile cilindrice, cele mai bune sunt cele verticale deoarece permit o golire completă a plămezii. În practică se folosesc și linuri paralelipipedice cu muchjile rotunjite care permit o mai bună utilizare a spațiului de fermentare. De la această formă s-a ajuns la forma de vas cu fundul rotunjit.

Omogenizarea plămezii din interiorul linului de fermentare se poate face cu un agitator portabil care se introduce prin partea superioară în lin cu puțin timp înainte de trecerea plămezii la distilare sau în tancul de odihnă.

Sistemele de răcire interioară sunt constituite din serpentină de cupru pentru linurile cilindrice. În cazul linurilor cilindrico-verticale, răcirea se poate face și prin stropirea exterioară cu apă.

Linurile de fermentare sub formă de vană se răcesc cu ajutorul unor registre de răcire montate în interior. Suprafața de răcire necesară variază între 0,3 – 0,6 m2/m3 plămadă.

Capacitatea linurilor de fermentare de regulă este de 50-100 m3 deoarece pentru 1 hl de spirt rafinat este necesar un volum util de lucru de 12,5-13 hl sau volumul total de 16 hl.

Volumul linului de fermentare VL se calculează cu formula:

VL= (m3)

unde:

Vpl – volumul plămezii

n – numărul de linuri care se încarcă în 24 ore

1,15 – coeficient care ține seama de gradul de umplere

Numărul de linuri de fermentare necesar se calculează cu formula:

N=+1

unde:

τ – durata de fermentare (~72 ore)

n – numărul de linuri ce se încarcă în 24 ore

1 – linul de rezervă necesar pentru igienizare

La numărul de linuri rezultat din calcul se adaugă încă unul de rezervă care este folosit în perioada de curățire și dezinfectare.

Înainte de folosire, linurile de fermentare se spală, se desinfectează cu o soluție de formaldehidă 5% sau cu un alt desinfectant. Apoi se sterilizează prin introducerea în interior de abur, timp de 30 minute, lăsându-se capacul de vizionare ușor deschis pentru a se evita vacumarea linului de fermentare. Prin cuplarea linurilor de fermentare sub forma unor baterii de 6-7 aparate putem realiza o fermentare continuă, astfel încât însămânțarea de drojdie o facem numai dacă apar infecții nedorite. În acest caz plămada dulce și cu drojdia necesară începerii fermentării se introduce în primul lin al bateriei (cap), după care, din acesta circulă în următoarele ș.a.m.d., în ultimul lin fiind plămada fermentată.

9.5. Spălarea dioxidului de carbon

Chiar și în cazul folosirii linurilor închise de fermentare are loc o pierdere de alcool datorită dioxidului de carbon degajat care este saturat cu alcool. Pierderile de alcool sunt cu atât mai mari cu cât plămada are o concentrație alcoolică mai ridicată, este mai caldă, mai agitată, raportul dintre volumul plămezii și suprafața linului de fermentasre este mai mare. Pierderile în alcool sunt de regulă de 0,7% și pot ajunge până la 1,4%.

Pentru evitarea acestor pierderi se folosesc spălătoare de CO2 care funcționează după principiul coloanelor de distilare cu talere sau umplutură. Cantitatea recuperabilă de dioxid de carbon depinde de materia primă folosită, de procesul tehnologic aplicat și de mărimea linurilor de fermentare. În cazul nostru dioxidul de carbon este recuperat în proporție de 70%.

Dioxidul de carbon poate fi prelucrat prin purificare, comprimare și eventual lichefiere pentru fabricarea băuturilor răcoritoare carbogazoase și în alte industrii sau pentru fabricarea carbonatului de calciu sau a carbonatului de amoniu.

9.6. Prinderea spumei

În cazul șarjelor la care se produce o spumare abundentă există riscul ca aceasta să intre în spălătorul de dioxid de carbon. De aceea, între linul de fermentare și spălătorul de dioxid de carbon se intercalează un prinzător de spumă.

10. Distilarea și rafinarea

Plămada fermentată este supusă operației de distilare. În urma distilării, din plămadă se extrage alcoolul etilic și substanțele volatile sub formă de alcool brut. În continuare alcoolul etilic este supus operației de concentrare și purificare-care poartă numele de rafinare.

10.1. Distilarea plămezii

10.1.1. Compoziția plămezii fermentate

În plămada fermentată există un amestec apos de substanțe sub forma de suspensii sau soluții. O parte dintre acestea sunt formate din substanțe fermentescibile ce provin fie din materiile auxiliare introduse, fie din materia primă folosită. Plămada fermentată conține cantități mici de zahăr rezidual, dextrine nezaharificate, grăsimi, acizi organici, substanțe azotoase neasimilate de microorganisme, săruri minerale etc. În suspensie se găsesc proteine coagulate și coji.

După procesul de fermentare se formează în principal alcool etilic și bioxid de carbon, iar ca produse secundare: esteri, aldehide, alcooli superiori, glicerină, alcool metilic etc. Distingem în plamadă drojdii, bacterii și mucegaiuri.

Plămada fermentată conține aproximativ 6-12% alcool, în funcție de materia primă folosită și procesul tehnologic aplicat. De obicei, concentrația alcoolică obținută este de 8-9 % alcool vol.

Separarea alcoolului etilic și a componenților volatili din plămadă (aldehide, esteri, alcooli superiori, furfurol, acizi volatili etc.) se face prin distilare.

10.1.2. Bazele teoretice ale procesului de distilare

Ca proces tehnologic, distilarea are loc prin încălzirea până la fierbere urmată de fierberea plămezii fermentate. Această prefierbere și fierbere are loc în instalații speciale unde se separă sub formă de vapori alcoolul etilic și alți componenți volatili. Apoi, aceștia sunt condensați obținându-se în final alcool etilic și componenți volatili. Condensarea se face prin efectul apei de răcire.

Deci, plămada fermentată este de fapt un amestec binar miscibil format din alcool etilic și apă. Concentrația alcoolului este egală cu cea a plămezii fermentate.

Alcoolul etilic îl separăm ținând cont de diferența de volatilitate dintre amestec și apă. Se știe că alcoolul etilic este mai volatil decât apa; temperatura de fierbere a acestuia este de 78,39°C, iar temperatura de fierbere a apei este de 100°C la presiunea atmosferică.

Separarea alcoolului din amestec se face la presiunea rezultată din solubilizarea reciprocă a alcoolului etilic și apei. Presiunea parțială a vaporilor de alcool (pi) din amestec este dată de produsul dintre fracțiunea molară a alcoolului în amestec (xi) și presiunea de vapori a alcoolului etilic pur (Pi), conform legii lui Raoult:

pi = xiPi

Separarea componentelor amestecului prin distilare se face ținând seama de ordinea volatilității acestora: se vor separa mai întâi componentele care au o volatilitate mai ridicată și o temperatură de fierbere mai scăzută, deci vaporii rezultați prin fierberea amestecului alcool și apă vor fi mai bogați în alcool etilic, iar amestecul supus distilării se va epuiza treptat în alcool. Deoarece Pi este constant, fracțiunea molară xi a alcoolului etilic scade treptat în timpul distilării, are loc și o scădere a presiuni parțiale a vaporilor de alcool (pi), dar va crește proporțional temperatura de fierbere a amestecului, de la 78,39°C până la 100°C, când amestecul este epuizat de alcool.

Pentru a vedea în ce măsură se realizează o concentrație în alcool, este necesar să se cunoască diagrama de echilibru a amestecului binar dintre alcoolul etilic și apă care ne indică corelația dintre concentrația în alcool a lichidului (X) și a vaporilor în alcool rezultat din acest lichid (Y).

Această diagramă indică relația ce există între compoziția lichidului în alcool (x) și vaporii rezultați din lichid (y). Sunt redate mai multe puncte unde rapoartele dintre x și y au valori diferite; în punctul A, unde y > x are loc o concentrare în alcool prin distilare.

Coeficientul de distilare sau constanta de echilibru este definit ca fiind raportul k = y/x. Dacă k=y /x> 1, se realizează concentrarea componentului volatil în faza de vapori.

Prin distilarea unui amestec format din alcool și apă cu concentrație alcoolică x0 vom obține vapori ce au concentrație în alcool (y0) Aceștia se supun condensării rezultând un lichid cu concentrație alcoolică x1 > x0 ce se condensează; se obține un lichid care are o concentrație alcoolică ridicată x2 > x1.

În urma distilărilor și condensărilor repetate ale vaporilor de alcool se obține un lichid mai bogat în alcool, procedeu denumit rectificare.

Distilând repetat plămada fermentată ce are o concentrație alcoolică de 10% vol., obținem următoarele distilate bogate in concentrații alcoolice (% vol) având următorii coeficienți de distilare (Kn):

Tabelul 5

Corelația dintre concentrația alcoolică și coeficientul de distilare

Deci, este necesară distilarea repetată în vederea creșterii conținutului de alcool în lichidul supus distilării, se obține o cantitate din ce în ce mai redusă, până când se ajunge la punctul A unde x = y punct azeotropic (A).

Punctul azeotropic A pentru un amestec apă și alcool, este de 97,17 % vol sau 95,57 % masic, lucru ce se obține la o temperatură de 78,15°C (temperatura mai scăzuta decât cea realizată în cazul alcoolului etilic care este de 78,39°C). Din acest motiv se obține un alcool de o concentrație maximă de 97,2 % vol.

În urma distilării în amestec vor trece și alte substanțe volatile, alcooli superiori, alcool metilic etc. Aceste substanțe volatile conferă alcoolului un gust un miros neplăcut de aceea acest “alcool brut” se supune procesului de rafinare. După epuizarea plămezii, reziduul obținut, adică borhotul este eliminat și depozitat sau în procedeele moderne, o parte din borhot este recirculat.

Borhotul rezultat de la distilarea plămezilor din cereale fermentate conține atât substanțe nefermentescibile din materia primă (celuloză 3,4% s.u., proteine 34,8% s.u., pectine, grăsimi 2,2 % s.u., acizi volatili, substanțe minerale 8,6%s.u., resturi de amidon, dextrine și uneori chiar maltoză nefermentate (ulimele trei categorii de substanțe pot ajunge până la 3,5%), produse secundare nevolatile ale fermentației alcoolice (glicerină, acid lactic) sau celule de drojdii. Substanța uscată poate ajunge până la 26% (Pieper și Senn). Pe lângă aceste substanțe, borhotul mai conține și vitamine, în special din grupul B, care provin parțial din materia primă și parțial sunt sintetizate de drojdii în timpul fermentației.

Datorită substanțelor nutritive pe care le conține, borhotul constituie un furaj valoros. Pentru furajarea animalelor se poate folosi borhot în stare proaspătă îmbogățit în vitamine sau în lactat de amoniu sau borhot uscat. Uscarea borhotului se face după o prealabilă separare a părților solide prin filtrare, care se folosesc tot ca furaj.

Astăzi nu se recomandă concentrarea sau uscarea borhotului deoarece pentru această operație este necesară o cantitate mare de energie. De asemenea folosirea borhotului ca furaj pentru animale are caracter sezonier și nu este profitabilă din punct de vedere economic.

Tehnologiile de ultimă oră propun utilizarea borhotului proaspăt la obținerea gazului metan și/sau la recircularea borhotului în procesul de plămădire. Datorită compoziției chimice, în special datorită conținutului ridicat în substanțe azotoase asimilabile și vitamine, borhotul consituie un substrat important în nutriția și dezvoltarea drojdiilor din plămadă în timpul fermentării.

Borhotul mai poate fi utilizat pentru obținerea preparatelor enzimatice fungice, a drojdiei de panificație și furajere, a unor antibiotice furajere (ex. biomicină), a vitaminei B12 etc. (Hopulele T 1980).

10.1.3. Distilarea plămezii fermentate

Odată cu creșterea concentrației alcoolice, are loc scăderea temperaturii de fierbere și a căldurii latente de evaporare a amestecului. În cazul apei aceasta este de 537 kcal/kg, iar a alcoolului etilic este de numai 209 kcal/kg, lucru ce va permite realizarea distilării cu vaporii de alcool rezultați din operația precedentă. Acest lucru se realizează în coloanele de distilare și rectificar ce sunt încălzite la bază cu abur, vaporizarea amestecului realizându-se pe talere. Astfel, pe talerul inferior pe care se obține o temperatură și o entalpie ridicată, se realizează o evaporare mai intensă. Pe talerul superior, lichidul alcoolic în contact cu lichidul rece se condensează. Aceasta condensare este mai intensă deoarece vaporii de apă au o presiune de vapori mai scăzută, iar vaporii bogați în alcool sunt captați pe talerele superioare. Această operație se numește deflegmare.

Pentru distilarea plămezii fermentate se folosesc numai instalații cu funcționare continuă la care procesul este următorul: plămada fermentată este preîncălzită prin introducerea acesteia pe la partea superioară a coloanei de plămadă. Coloana de plămadă este prevăzută cu talere cu clopote și plămada se scurge prin aceasta cu o viteză constantă în contracurent cu aburul necesar procesului de încălzire. Aburul se introduce pe la baza coloanei de distilare. Pe măsură ce coboară în coloană, plămada se epuizează în alcool, la baza acesteia obținându-se un reziduu fără alcool care se numește borhot. În același timp vaporii din coloană se concentrează treptat în alcool prin condensare de componenți mai puțin volatili care rezultă în vârful coloanei de plămadă. Aici, vaporii de alcool au concentrația Y0 în echilibru cu concentrația plămezii fermentate X0. Apoi acești vapori de alcool sunt trecuți într-o „coloană de concentrare“ unde se concentrează până la tăria alcoolului brut de 80-85%vol alcool.

10.1.4. Instalații de distilare

Principiul de funcționare a unei instalații este următorul: plămada preîncălzită se introduce la partea superioară a primei coloane fiind dirijată să se scurgă pe fiecare taler prin conducta de preaplin. Aburul circulă de jos în sus barbotând prin masa de plămadă pe care o aduce la fierbere. Ca urmare, aburul se îmbogățește în alcool, iar plămada se dezalcoolizează, astfel că la baza coloanei se scurge sub formă de borhot. Vaporii colectați la partea superioară a coloanei trec în a doua coloană, ce se numește coloană de concentrare sau de Lutter. Aceasta se deosebește de prima numai prin faptul că are talere cu site. În această coloană, amestecul de vapori alcool-apă circulă de jos în sus. Are loc o răcire treptată în ascensiunea lor de pe un taler pe altul. Pe măsură ce se ajunge la un compartiment superior, are loc concentrarea în alcool a vaporilor ca urmare a separării alcoolului mai volatil de apa mai puțin volatilă. Coloana este prevăzută cu un deflegmator care are rolul de a răci parțial amestecul alcool-apă și a-l trimite în contracurent cu amestecul care urcă în coloana de Lutter. În urma răcirii parțiale se condensează un amestec slab alcoolic, denumit flegmă, realizându-se o concentrație în alcool a amestecului. Vaporii bogați în alcool vor da prin condensare un lichid cu o concentrație alcoolică mai mare și mai pur.

Deflegmatoarele sunt răcite cu apă sau cu plămadă, operația realizându-se prin deflegmare simplă sau treptată. Deflegmarea simplă constă în condensarea instantanee a vaporilor alcoolici. Deflegmarea treptată sau diferențiată realizează condensarea treptată, lichidul obținut prin condensare rămânând în contact cu vaporii. Metoda este superioară deflegmării simple.

Flegma obținută se introduce în coloană și se realizează o răcire a vaporilor cu care vine în contact, favorizând separarea vaporilor de apă de cei alcoolici respectiv concentrarea amestecului cu vapori de alcool.

La exploatarea deflegmatoarelor se va ține seama de următoarele principii:

flegma trebuie să circule în contracurent cu vaporii, astfel ca aceștia să treacă din zone mai reci spre zone mai calde;

flegma trebuie să aibă un contact cât mai intim cu vaporii.

Punerea în funcțiune a coloanei de distilare se face astfel: coloana de distilare se umple cu apă după care se introduce abur pe la partea inferioară a coloanei. Acest lucru se face pentru a verifica etanșeitatea instalației. Apoi demontăm vizoarele din dreptul fantelor pentru scurgerea apei după care le montăm din nou.

Umplem coloana cu plămadă prin intermediul pompei, după care se introduce prin partea inferioară a coloanei abur la 4-5 atm. Aburul are rolul de încălzi plămada, lucru care se realizează abia după ce conducta de spirt de la condensator-răcitor la felinarul de control se încălzește.

Coloana se alimentează cu plămadă, iar în paralel se deschide robinetul cu apă de răcire a condensatorului-răcitor și a deflegmatorului; astfel putem regla debitul de alimentare cu plămadă pentru a respecta regimul de lucru la 93-94°C și presiune de 0,12-0,13 atm ce se măsoară cu un manometru.

În momentul când în felinarul de control se realizează un debit constant de alcool de 80-85° alcoolice la 15-17°C, atunci este corelat debitul de plămadă, aburul introdus și apa de răcire folosită. Principalii parametrii care se pot regla sunt concentrația alcooli la felinar și intensitatea procesului de distilare.

Prin măsurarea temperaturii vaporilor de spirt deflegmați putem să reglăm concentrația spirtului care se modifică cu 0,25°C la 1% alcool masic. Aceste modificări de temperatură se pot regla cu ajutorul unui termoregulator care mărește sau micșorează debitul de alimentare a coloanei cu plămadă.

Intensitatea distilării se determină cu ajutorul presiunii din spațiul de deasupra talerului de alimentare cu plămadă. Prin mărirea debitului de abur al coloanei vom micșora productivitatea coloanei sub valoarea optimă. Trebuie avut în vedere că creșterea exagerată a debitului de plămadă poate conduce la epuizarea incompletă a borhotului. Din acest motiv pe talerul al doilea al coloanei de plămadă (numărînd de jos în sus) este amplasat un manometru care în cazul epuizării complete a borhotului indică o temperatură de 102ºC. În cazul scăderii presiunii din coloană vom mării debitul de abur și invers.

Instalațiile moderne de distilare sunt prevăzute cu sisteme automate și senzori legați la un calculator. Principalii parametrii ce se reglează permanent sunt: concentrația alcoolului brut, intensitatea distilării (volumul de alcool brut în unitatea de timp) și temperatura alcoolului brut.

Reglarea temperaturii alcoolului brut se face prin măsurarea temperaturii acesteia cu ajutorul unei termorezistențe la ieșirea din răcitor, fiind montată în conducta de evacuare a răcitorului. Astfel, se poate acționa corespunzător asupra debitului de apă de răcire.

La oprirea instalației pe o scurtă durată se procedează astfel: oprim pompa de plămadă, oprim aburul, după scăderea presiunii din coloană oprim și alimentarea cu apă de răcire. La opririle de lungă durată după oprirea pompei de alimentare cu plămadă, introducem în continuare abur până când concentrația de la felinarul de control ajunge aproape la zero, apoi oprim aburul și apa de răcire.

La terminarea procesului de distilare vom proceda în prima fază la oprirea alimentării cu plămadă după care stopăm accesul aburului.

10.2. Rafinarea alcoolului brut

10.2.1. Compoziția chimică a alcoolului brut

Alcoolul brut are o concentrație alcoolică de 80-85%vol alcool și conține o serie de impurități provenite fie din plămada fermentată, fie formate în timpul distilării.

Aldehidele sunt reprezentate de aldehida acetică care se formează ca produs secundar în timpul fermentației alcoolice, iar în timpul distilării prin oxidarea alcoolului etilic. În cantități mai mici, se întâlnesc aldehidele acizilor grași superiori și furfurol. Furfurolul rezultă prin descompunerea pentozanilor.

Esterii rezultă în urma esterificării dintre alcoolul etlic și alți alcooli și diferiți acizi volatili: acid acetic, acid formic și acizi nevolatili. Dintre esterii formați predomină acetatul de etil.

Alcoolii superiori se pot forma prin reacția de transaminare a aminoacizilor sau prin sinteza intermoleculară plecându-se de la glucide și trecându-se prin faza de cetoacizi. Dintre alcoolii superiori amintim alcoolul izoamilic – care rezultă din leucină, alcoolul amilic normal – care rezultă din izoleucină. Ei sunt componenți principali ai uleiului de fuzel alături de cantități mici de alcool izobutilic, izopropilic și alcool metilic (care este un alcool superior) care rezultă prin metoxilarea substanțelor pectice.

Acizi volatili dintre care cel mai reprezentativ este acidul acetic alături de care se găsesc în cantități mai mari acid sulfhidric și acid sulfuros.

Bazele azotate, amoniacul, aminele sunt legate de acid și în mediu alcalin sunt puse în libertate astfel ajungând în alcoolul brut. Aceste impurități formează 0,5-1% din alcoolul etilic conferindu-i acestuia opalescență, un miros și gust străin, impropriu consumului fiind dăunător sănătății.

Îndepărtarea acestor impurități se face în două moduri și anume: prin rafinare chimică și prin rafinare fizică sau rectificare.

10.2.2. Procedee de rafinare

Rafinarea spirtului brut se face în instalații speciale care în funcție de construcție și funcționare pot fi clasificate în:

instalații cu funcționare discontinuă;

instalații cu funcționare continuă.

Rafinarea discontinuă se realizează la fel ca distilarea periodică prin încălzirea blazei cu spirt brut si descărcarea lichidului dezalcoolizat (apa de luter) după terminarea rafinării.

Rafinarea continuă are la bază fenomenul de transformare a amestecurilor fizice în amestecuri mecanice, în funcție de concentrația alcoolică. Alcoolii superiori nu sunt solubili decât în soluții alcoolice concentrate și ca urmare, la o concentrație de 40% apare o tulbureală datorită separării alcoolilor superiori din soluție. Concomitent cu diluarea, la rafinarea continuă are loc distilarea în vederea obținerii concentrației dorite.

10.2.3. Instalații de rafinare discontiuă

Alcoolul brut se preîncălzește și se trece printr-o coloană numită coloana de purificare inițială sau coloana de frunți. În zona de pătrundere în coloană alcoolul brut suferă o diluare cu apă, reglată astfel încât lichidul să ajungă la partea inferioară a coloanei ca să aibă o concentrație de 20% alcool. Ca urmare, are loc separarea alcoolilor superiori, iar temperatura de fierbere a soluției alcoolice se reduce permițând eliberarea substanțelor cele mai volatile, acetaldehida și esterul etilic, sub forma de frunți.

În această coloană are loc concentrarea frunților până la 90-92%. Alcoolul diluat la 20% este eliminat pe la partea inferioară și este trecut în coloana de fierbere sau epurare, unde are loc separarea spirtului rafinat. Procedeul decurge ca la distilarea alcoolului din plămadă prin fierbere cu abur direct. Vaporii de alcool și apă se adună în partea superioară a coloanei în timp ce lichidul dezalcoolizat este eliminat prin parte inferioară. Concentrarea alcoolului are loc în coloana de concentrare prevăzută cu deflegmator. Separarea și eliminarea alcoolilor superiori are loc în momentul în care concentrația alcoolică a lichidului din coloana de concentrare a ajuns la 40% vol.alcool.

Din coloana de concentrare, vaporii trec în deflegmator și apoi în concentrator unde se realizează o tărie alcoolică de 96-97%.

Lichidul care conține alcooli superiori este dirijat spre coloana de cozi, unde se realizează o încălzire cu abur de joasa presiune, ceea ce favorizează separarea alcoolului etilic si o creștere a concentrațiilor coloizilor care se colectează sub forma de ulei de fuzel.

Procedeele de rafinare discontinuă cu încărcare simplă cu alcool brut diluat care constă în diluarea alcoolului brut înainte de rafinare la 40-50% alcoolice realizând astfel o separare a impurităților și obținerea de alcool rafinat de o calitate superioară;

Introducem la bază alcool brut și diluăm cu apă sau cu apă de lutter până la 40-50%vol. alcool. Apoi, se introduce abur direct prin barbotor timp de 10-12 minute și apoi abur indirect prin serpentină până se încălzește 2/3 din coloană, ceea ce înseamnă că vaporii de alcool au ajuns în deflegmator. În acest moment se dă drumul la la debitul maxim de apă de răcire la deflegmator astfel încât vaporii de alcool rezultați din coloană să se reîntoarcă sub formă de reflux exterior. Această etapă a rafinării care poate dura 1-3 ore are rolul de a produce o concentrație în alcool în coloana de rectificare și o acumulare de frunți la vârful acesteia. Se micșorează apoi debitul de apă de răcire în deflegmator și se începe distilarea frunților care durează 2-3 ore. La început ele au o concentrație alcoolică mai mică și se concentrează treptat în alcool și devine incoloră.

Urmează apoi distilarea alcoolului etilic timp de 40 ore după care alcoolul ajunge la o concentrație de 96%vol. alcool. La început se lucrează la capacitatea maximă de umplere a coloanei, ca pe măsură ce lichidul din blază se epuizează în alcool, este necesar să mărim refluxul pentru a menține o concentrație alcoolică astfel încât să nu aibă loc o scădere a producivității coloanei.

În momentul când concentrația alcoolică la felinarul de control scade, constatăm organoleptic apariția cozilor pe care le colectăm timp de 1-2 ore. Frunțile și cozile sunt colectate separat.

Când distilatul devine tulbure înseamnă că apare uleiul de fuzel care este trecut prin aparatul de măsură și control direct într-un rezervor de colectare.

De la rafinarea discontinuă nu rezultă un ulei de fuzel pur, fiind necesară purificarea lui cu o soluție de clorură de sodiu, astfel încât concentrația sa în ulei de fuzel să fie de minim 85%.

La finele rafinării, când concentrația lichidului de la felinarul de control scade sub 2%vol. alcool, golim apa de luter din blază și începem o nouă șarjă. O șarjă obișnuită durează 48 ore, instalațiile mai mari au nevoie de 12 ore, deci se pot face două șarje pe zi.

Acest procedeu permite obținerea unui alcool rafinat de puritate superioară, dar are o productivitate scăzută și necesită un consum mare de abur și apă, adică 350-400 kg/100 l alcool rafinat de abur și 3m3/100 l alcool rafinat de apă la 10ºC.

Procedeul cu încărcare simplă cu alcool brut nediluat unde se rafinează alcool nediluat cu apă permițând diminuarea costurilor de producție;

Acest procedeu se desfășoară asemănător cu deosebirea că alcoolul brut nu se mai diluează cu apă înainte de rectificare. Astfel, productivitatea crește și implicit scad consumurile de abur și apă. Ca inconvenient este faptul că alcoolul obținut nu este prea pur.

Dezavantajele rafinării discontinue sunt următoarele:

productivitate scăzută;

consum ridicat de abur;

pierderi mari în alcool;

formarea de componenți nedoriți (etilen, metan, bioxid de carbon);

fenomenul de azeotropie împiedică separarea completă a impurităților.

10.3. Depozitarea alcoolului rafinat și a subproduselor

Alcoolul rafinat și subprodusele se depozitează în rezervoare speciale amplasate în depozite de alcool care sunt situate în clădiri serparate ce comunică numai prin conducte cu secția de producție.

Depozitul de alcool trebuie să fie bine izolat pentru a se reduce cât mai mult pierderile în alcool. Se ține cont și de faptul că alcoolul este foarte inflamabil și toxic pentru organismul uman. Din această cauză se iau măsuri speciale de pază contra incendiilor și protecția muncii.

Rezervoarele de alcool se pot confecționa din tablă de oțel inoxidabil și pot fi cilindrice sau paralelipipedice. Ele se deosebesc de rezervoarele de colectare și de rezervoarele de depozitare temporară.

Se folosesc separat rezervoare pentru alcoolul rafinat, pentru frunți, pentru cozi și pentru ulei de fuzel. Nu este recomandată schimbarea destinației deoarece alcoolul rafinat preia ușor mirosul și gustul străin de la subproduse.

Aceste rezervoare se amplasează pe un postament de beton la o înălțme de 1,2 m, astfel încât produsul să potă fi trecut în alte vase prin cădere liberă. Ele trebuie să fie prevăzute cu sticle de nivel și cu rigle gradate care permit măsurarea cantității de alcool. Etalonarea rezervorului se face prin introducere de apă și calibrarea acestuia, iar volumul corespunzător va fi imprimat pe vas. Rezervoarele de dimensiuni mai mari pot fi amplasate și în aer liber, ele fiind prevăzute cu o serie de accesorii (scări), pentru a ajunge la partea superioară.

Depozitul de alcool este dimensionat astfel încât să asigure producția pe circa 15 zile de fabricație.

10.4. Caracteristicile alcoolului rafinat și a subproduselor

Alcoolul rafinat este un lichid limpede, incolor cu miros caracteristic și gust arzător, nu prezintă opalescența la amestecatea cu apă distilată în raport de 3:7.

În urma rafinării se poate obține o gamă largă de sortimente prezentată în tabelul 6

Tabelul 6

Sortimentele de alcool obținute

Concentația alcoolică se măsoară cu areometrul la temperatura de 20ºC – se bazează pe diferența dintre densitatea relativă a alcoolului etilic dizolvat (=0,79425) și a apei este de 1.

Determinarea concentrației alcoolice se face prin măsurarea densității relative d sau d cu ajutorul densimetrelor sau cu picnometru în funcție de care se găsește concentrația alcoolică respectivă. Concentrația alcoolică a alcoolului rafinat se exprimă în procente volumetrice de alcool (ºGay-Lussac) sau în grade dal.

1ºGay Lussac=1 ml alcool absolut/100 ml lichid alcoolic

1ºdal=100 ml alcool absolut

Se mai folosesc procente masice, raportul dintre procentele volumice și cele masice sunt trecute în tabele.

Evidența cantitativă a alcoolului rafinat și a subproduselor se face în grade dal sau mii de grade dal care se obțin cu formula:

ºdal =V(dal)+ C(%vol)

unde:

V – cantitatea dealcool, în dal

C – concentrația alcoolică a spirtului, %vol

Alcoolul tehnic este un amestec de frunți și cozi, care pentru comercializare se aduce la o concentrație alcoolică de 90%vol, denatutat cu 2% benzen și se colorează cu roșu de metil în proporție de 0,5mg/100ml alcool tehnic. Este un lichid limpede sau slab opalescent fără sediment sau particule în suspensie, de culoare violetă, cu miros caracteristic. Se folosește în industrie și în uz gospodăresc. Nu se poate utiliza la prepararea băuturilor.

Ulei de fuzel – rezultat de la rafinare se spală prin agitare cu o soluție saturată de clorură de sodiu, se lasă 24 ore la decantare după care se separă stratul de ulei de deasupra. Este un lichid uleios limpede, fără sediment de culoare galben-brună, cu miros caracteristic, avînd minim 85% ulei de fuzel.

11.Schema controlului de fabricație.

12. Schema HACCP

13. Elemente de inginerie tehnologică

13.1.Calculul bilanțului de materiale pe fiecare operație; pierderi specifice

Prescurtări și simboluri utilizate în calculul bilanțului de materiale:

Tabelul 7

13.1.1.Calculul producției de alcool

3000l/24h C2H5OH 96,6% volume alcool

3000l/24h = 125l/h C2H5OH 96,6% vol. = 125*10-3 m3/h

alcool 96,6% vol. = 805,41kg/m3

=m/v=805,41*125*10-3=100,67 kg/h 10,6 kg/h alcool 96,9% vol.

100,6 kg/h alcool 96,9% = 100,6 kg/h alcool 94,75% masă

Producția orară de alcool rafinat va fi:

Ar=100,6 kg/h C2H5OH 94,75% masă

13.1.2.Calculul bilanțului de materiale:

1.Rafinare

alcool distilat, Ad

Cad=79,4% masă

Epuizat, E

CE=0,8%

RAFINARE

P14=0,1% (Ar+E)

CP14=CAr=94,75%

Alcool rafinat, Ar

CAr=94,75%

Ar=100,6 kg/h (94,75% masă) 95,3 kg/h alcool

5,3 kg/h apă

CAr=94,75%

a) bilanț general

Ad=E+Ar+ P14

Ad=E+100,6+(0,1/100)*(100,6+E)

Ad=E+100,7

b) bilanț parțial pentru conținutul de alcool

Ad* Cad =E* CE +Ar* CAr + P14* CP14

0,79*Ad=0,008*E+95,31+(0,1+0,001*E)*0,94

0,79*Ad=0,008*E+95,31+0,094+0,00094*E

Din ecuațiile:

Ad=E+100,7

0,79*Ad=0,00894*E+95,4

rezultă:

Ad=102,52 kg/h alcool distilat 102,6 kg/h alcool distilat

E=1,82 kg/h 1,9 kg/h

P14=0,1 kg/h

2.Distilare

Plămada fermentată, Pf

CPf =8,05%

P13=0,1*Ad

CP13=Cad=79,4%

DISTILARE

Borhot, B

CB=0,6% alcool

SU=a%

UB=(100-a)%

Alcool distilat

Cad=79,4%

a) bilanț general

Pf =Ad+B+ P13

Pf=102,6+B+0,1

Pf =102,7+B

b) bilanț parțial pentru conținutul de alcool

Pf*CPf /100=Ad* Cad /100+B* CB /100+ P13* Cad /100

(102,7+B)*0,08=102,7*0,79+0,006*B+0,1*0,79

0,074*B=72,96

Din ecuațiile:

Pf =102,7+B

B=72,96/0,074

rezultă

Pf=1088,6 kg/h

B=985,9 kg/h

P13=0,1 kg/h

c) bilanț parțial pentru conținutul de substanță uscată

Pf *SUPf/100=Ad*0/100+ P13*0/100+B*SUB/100

Pf * SUPf = B*SUB

1088,6* SUPf =985,9* SUB

se consideră SUB =a%

rezultă că umiditatea va fi : UB =(100-a)%

SUPf =0,9*a

Calculul alcoolului din plămada fermentată

alcoolPf=alcoolAd+alcoolB+alcoolP13

alcoolPf=81,46+5,91+0,07

alcoolPf=87,44 alcoolîn plămadă

Calculul apei din plămada fermentată

apaPf=apaB+apaAd+apaP13

apaPf =9,859*(100-a)+21,14+0,03

apaPf =1007,07-9,859a

Calculul substanței uscate din plămada fermentată

SUPf =1088,6- apaPf – alcoolPf

SUPf =1088,6-(1007,07-9,859a)-87,44

SUPf =9,859a-5,91

Calculul substanței uscate din borhot

SUB =985,9- apaB – alcoolB

SUB =985,9-9,859*(100-a)-5,91

SUB =985,9a-5,91

3.Fermentare

Plămada recirculată,Pr

P12=0,01%Pf

FERMENTARE

CO2

Plămada fermentată, Pf

CPf=8,05% masă

La fermentația au loc următoarele procese chimice:

-(C6H10O5)n- + nH2O nC6H12O6

C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 (1)

1 kg amidon ……………………….0,63 l alcool 100%

100 kg porumb………………..70 kg amidon……………..63 l alcool 100%

alcool 100%=789,27 kg/m3

alcool 100%=m1/V

m1=*V=789,27*63*10-3=47,72 kg alcool 100%/100 kg porumb

Debitul masic de alcool care rezultă practic din procesul de fermentare este m2.

m2= alcoolPf + alcoolP12

m2=87,44+0,1=87,54 kg/h alcool 100%

Pe baza reacției, se calculează masa de glucoză din care provine alcoolul și masa de CO2 degajat.

180 kg 2*46 kg 2*44 kg

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2

m3 87,44 kg MD

m3- masa de glucoză

MD – masa de CO2 degajat

m3=171,07 kg/h glucoză fermentată practic

MD =83,63 kg/h CO2 degajat practic

Pe baza reacțiilor se determină masa de alcool care se obține teoretic.

-(C6H10O5)n- + nH2O nC6H12O6

nC6H12O6 2nC2O5OH + 2nCO2 (2)

162 kg amidon………………180 kg glucoză…………………..2*46 kg alcool

70 kg amidon…………………………………………………….m4 kg alcool

m4=39,75 40 kg/h alcool (teoretic)

Se calculează randamentul fermentației:

ferm=(mpractic/mteoretic)*100

ferm =m1/m4*100 ferm =49,72/40*100

ferm =71,02 71%

Se calculează debitul masic total de glucoză (format din glucoză care fermentează și glucoza care nu fermentează)

m5=m3/f =240,94 241 kg glucoză totală provenită din Pr

Bilanț general:

Pr=Md+P12+Pf

Pr=83,63+0,1+1088,6=1172,33 plămadă recirculată

Se determinădebitul masic de apă din Pr

Apa Pr=apaPf+apaP12

Apa Pr=1007,07-9,859*a+ apaP12

apaP12=0,01% apaPf

Apa Pr=1007,07-9,859*a+0,01/100*(1007,07-9,859a)

Apa Pr=1007,17-9,858*a

Se determină debitul masic de substanță nefermentată din Pr

SHPr=Pr-m3-apaPr

SHPr=1172,33-171,07-1007,17+9,858*a

SHPr=9,858*a-5,91

4.Răcire la 18-20C

Plămada însămânțată, Pî

P11=0,02%Pî

RĂCIRE LA 18-20C

Plămadă recirculată, Pr

Bilanț general

Pî=P11+Pr

Pî=0,02% Pî + Pr

Pî – 0,0002 Pî=1172,33

Pî=1172,33 kg/h plămadă însămânțată

Se determină conținutul de glucoză din Pî

glucozăPî=m5+0,02% glucozăPî

glucozăPî – 0,0002 glucozăPî=241 kg/h

0,9998 glucozăPî=241 kg/h

glucozăPî=241,04 kg/h

Se determină conținutul de apă din Pî

apaPî=apaPr+0,02%apaPî

0,9998 apaPî=1007,17-9,858a

apaPî=(1007,17-9,858a)/0,9998 kg/h

apaPî=1007,37-9,859a kg/h

Se determină conținutul de SH din Pî

SHPî= Pî – apaPî – glucozăPî

SHPî=1172,33-(1007,37-9,859a)-2,4

SHPî=162,56+9,859a kg/h

Se determină conținutul de glucoză din pierderi

GlucozăP11= glucozăPî –m5

GlucozăP11=241,04-241

GlucozăP11=0,048 kg/h

Se determină conținutul de apă din pierderi

apaP11 = apaPî – apaPr

apaP11 =1007,37-9,859a-(1007,17-9,858a)

apaP11 =0,2-0,001a

Se determină conținutul de SH din pierderi

SHP11=P11-glucozaP11-apaP11

SHP11=0,23-0,048-(0,2-0,001a)

SHP11=0,001a-0,018

5. Recepția cerealelor

Se notează: A- debitul masic de cereale (porumb), care se receptionează

Cereale, C=A kg/h (porumb)

P1=0,01%C

RECEPȚIE

Porumb recepționat, Cr

100 kg porumb………………………………..100 kg porumb

A kg porumb……………….………………………….. x

X=100A/100=1A

Bilanț general

C= Cr+ P1

A= Cr +0,01%A

Cr =0,9999A kg/h cereale recepționate

P1=0,0001A kg/h pierderi

Se calculează conținutul de amidon din porumb

100 kg/h porumb……………………………70 kg/h amidon

1A…………………………………………m7

m7=0,7A kg/h amidon

masa totală: mamidon=0,7A

Se calculează conținutul de apă din porumb

100 kg/h porumb…………………..……………….12 kg/h apă

1A………………………………….……………m8

m8=0,08A kg/h apă din porumb

mapă=0,08A kg/h apă din porumb

Se calculează conținutul de substanță uscată nefermentabilă din cereale

SUC=C-mamidon-mapă

SUC=A-0,7A-0,08A

SUC=0,22A kg/h

Se calculează conținutul din amidon din pierderi

AmidonP1=0,01%mamidon

AmidonP1=0,01/100*0,7A

AmidonP1=0,00007A

Se calculează conținutul de apă din pierderi

ApaP1=0,01%mapă

ApaP1=0,01/100*0,08A

ApaP1=0,000008A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din pierderi

SUP1=P1-amidonP1-apaP1

SUP1=0,0001A-0,00007A-0,000008A

SUP1=0,000022A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din Cr

AmidonCr=amidonC-amidonP1

AmidonCr=0,7A-0,00007A

AmidonCr=0,699A kg/h

Se calculează conținutul de apă din Cr

ApaCr=apaC-apaP1

ApaCr=0,08A-0,000008A

ApaCr=0,079A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din Cr

SUCr=SUC-SUP1

SUCr=0,22A-0,000022A

SUCr=0,219A kg/h

6. Depozitare

Cereale recepționate, Cr

P2=0,01%Cr

DEPOZITARE

Cereale depozitate, Cd

Bilanț general

Cr=Cd+P2

0,9999A= Cd +0,01/100*0,9999A

Cd =0,9999A-0,000099A

Cd =0,9998A kg/h

P2 =0,000099A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din pierderi

AmidonP2=0,01%amidonCr

AmidonP2=0,01/100*0,699A

AmidonP2=0,000069A kg/h

Se calculează conținutul de apă din pierderi

ApaP2=0,01%apaCr

ApaP2=0,01/100*0,079A

ApaP2=0,0000079A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din pierderi

SUP2=P2-amidonP2-apaP2

SUP2=0,000099A-0,000069A-0,0000079A

SUP2=0,000022A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din Cd

AmidonCd=amidonCr-amidonP2

AmidonCd=0,699A-0,000069A

AmidonCd=0,698A kg/h

Se calculează conținutul de apă din Cd

ApaCd=apaCr-apaP2

ApaCd=0,079A-0,0000079A

ApaCd=0,078A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din Cd

SUCd=SUCr-SUP2

SUCd=0,219A-0,000022A

SUCd=0,218A kg/h

7. Transport

Cereale depozitate, Cd

P3=0,01%Cd

TRANSPORT

Cereale transportate, Ct

Bilanț general

Cd=Ct+P3

0,9998A=Ct+0,01/100*0,9998A

Ct =0,9997A kg/h

P3=0,000099A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din pierderi

AmidonP3=0,01%amidonCd

AmidonP3=0,01/100*0,698A

AmidonP3=0,000069A kg/h

Se calculează conținutul de apă din pierderi

ApaP3=0,01%apaCd

ApaP3=0,01/100*0,078A

ApaP3=0,0000078A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din pierderi

SUP3=P3-amidonP3-apaP3

SUP3=0,000099A-0,000069A-0,0000078A

SUP3=0,000022A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din Ct

AmidonCt=amidonCd-amidonP3

AmidonCt=0,698A-0,000069A

AmidonCt=0,697A kg/h

Se calculează conținutul de apă din Ct

ApaCt=apaCd-apaP3

ApaCt=0,078A-0,0000078A

ApaCt=0,077A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din Ct

SUCt=SUCd-SUP3

SUCt=0,218A-0,000022A

SUCt=0,217A kg/h

8. Precurățire

Cereale transportate, Ct

P4=0,1%Ct

PRECURĂȚIRE

Cereale precurățite, Cp

Bilanț general

Ct=Cp+P4

0,9997A=Cp+0,1/100*0,9997A

Cp =0,9987A kg/h

P4=0,000999A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din pierderi

AmidonP4=0,1%amidonCt

AmidonP4=0,1/100*0,697A

AmidonP4=0,00069A kg/h

Se calculează conținutul de apă din pierderi

ApaP4=0,1%apaCt

ApaP4=0,1/100*0,077A

ApaP4=0,000077A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din pierderi

SUP4=P4-amidonP4-apaP4

SUP4=0,000999A-0,00069A-0,000077A

SUP4=0,000232A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din Cp

AmidonCp=amidonCt-amidonP4

AmidonCp=0,697A-0,00069A

AmidonCp=0,696A kg/h

Se calculează conținutul de apă din Cp

ApaCp=apaCt-apaP4

ApaCp=0,077A-0,000077A

ApaCp=0,076A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din Cp

SUCp=SUCt-SUP4

SUCp=0,217A-0,000232A

SUCp=0,216A kg/h

9. Cântărire

Cereale precurățite, Cp

P5=0,01%Cp

CÂNTĂRIRE

Cereale cântărite, Cc

Bilanț general

Cp=Cc+P5

0,9987A=Cc+0,01/100*0,998A

Cc =0,9986A kg/h

P5=0,000099A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din pierderi

AmidonP5=0,01%amidonCp

AmidonP5=0,01/100*0,696A

AmidonP5=0,0000696A kg/h

Se calculează conținutul de apă din pierderi

ApaP5=0,01%apaCp

ApaP5=0,01/100*0,076A

ApaP5=0,0000076A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din pierderi

SUP5=P5-amidonP5-apaP5

SUP5=0,000099A-0,0000696A-0,0000076A

SUP5=0,0000218A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din Cc

AmidonCc=amidonCp-amidonP5

AmidonCc=0,696A-0,0000696A

AmidonCc=0,695A kg/h

Se calculează conținutul de apă din Cc

ApaCc=apaCp-apaP5

ApaCc=0,076A-0,0000076A

ApaCc=0,075A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din Cc

SUCc=SUCp-SUP5

SUCc=0,216A-0,0000218A

SUCc=0,215A kg/h

10. Măcinare

Cereale cântărite, Cc

P6=0,2%(Cc+Am)

MĂCINARE

Cereale măcinate, Cm

Bilanț general

Cc+Am=Cm+P6

0,9986A+Am= Cm +0,2/100*(0,9986A+Am)

Cm =0,99841A-0,0002Am

Bilanț parțial aplicat conținutul de umiditate

Cc*UCc/100+Am*100/100=Cm*UCm/100+P6*UCc/100+P6*100/100

0,9986A*12/100+Am*100/100=Cm*14/100+(0,00019A+0,0002Am)*12/100+0,00019A+ +0,0002Am

14Cm=11,95A+99,97Am / :14

Cm=0,85A+7,14Am

Cm=0,99841A-0,0002Am

Din ecuațiile

Cm=0,85A+7,14Am

Cm=0,99841A-0,0002Am

rezultă : Am=0,019A kg/h

Cm=0,985A kg/h

P6=0,002 kg/h

Se calculează conținutul de amidon din pierderi

AmidonP6=0,2%amidonCc

AmidonP6=0,2/100*0,695A

AmidonP6=0,00139A kg/h

Se calculează conținutul de apă din pierderi

ApaP6=0,2%(apaCc+apaAm)

ApaP6=0,2/100*(0,075A+0,0002A)

ApaP6=0,000015A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din pierderi

SUP6=P6-amidonP6-apaP6

SUP6=0,002A-0,00139A-0,00019A

SUP6=0,00042A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din Cm

AmidonCm=amidonCc-amidonP6

AmidonCm=0,695A-0,00139A

AmidonCm=0,693A kg/h

Se calculează conținutul de apă din Cm

ApaCm=apaCc+apaAm-apaP6

ApaCm=0,075A+0,019-0,00019A

ApaCm=0,093A kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din Cm

SUCm=SUCc-SUP6

SUCm=0,215A-0,00042A

SUCm=0,214A kg/h

11. Fluidificare

Cereale măcinate, Cm

P7=0,01% (Cm+Afl)

FLUIDIFICARE

Apă de fluidificare, Afl

Cereale fluidificate, Cfl

Bilanț general

Cm+Afl=Cfl+P7

0,985+Afl=Cfl+0,0001*(0,985A+ Afl)

Cfl =0,984A+0,9999Afl

P7=0,00009A+0,0001Afl

Se calculează conținutul de amidon din pierderi

AmidonP7=0,01%amidonCd

AmidonP7=0,01/100*0,693A

AmidonP7=0,000069A kg/h

Se calculează conținutul de apă din pierderi

ApaP7=0,01%*(apaCm+apa Afl)

ApaP7=0,01/100*(0,098A+0,0001 Afl)

ApaP7=0,0000098A+0,0001 Afl kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din pierderi

SUP7=P7-amidonP7-apaP7

SUP7=0,0001A-0,000069A-0,0000098A

SUP7=0,000021A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din Cfl

AmidonCfl=amidonCm-amidonP7

AmidonCfl=0,693A-0,000069A

AmidonCfl=0,692A kg/h

Se calculează conținutul de apă din Cfl

ApaCfl=apaCm+apaAfl-apaP7

ApaCfl=0,098A-0,0000098A-0,0001 Afl+ Afl

ApaCfl=0,097A+0,9999 Afl kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din Cfl

SUCfl=SUCm-SUP7

SUCfl=0,214A-0,000021A

SUCfl=0,213A kg/h

12.Răcire la 55˚C

Cereale fluidificate, Cfl

P8=0,01% Cfl

RĂCIRE LA 55˚C

Cereale răcite, C55

Bilanț general

Cfl=C55+P8

0,984+0,9999Afl=C55+0,0001*(0,984A+ 0,9999Afl)

C55 =0,983A+0,9998Afl

P8=0,00009A+0,00009Afl

Se calculează conținutul de amidon din pierderi

AmidonP8=0,01%amidonCfl

AmidonP8=0,01/100*0,692A

AmidonP8=0,000069A kg/h

Se calculează conținutul de apă din pierderi

ApaP8=0,01%*apaCfl

ApaP8=0,01/100*(0,097A+0,9999Afl)

ApaP8=0,0000097A+0,000099 Afl kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din pierderi

SUP8=P8-amidonP8-apaP8

SUP8=0,0001A+0,000099 Afl -0,000069A-0,0000097A-0,000099 Afl

SUP8=0,000021A kg/h

Se calculează conținutul de amidon din C55

AmidonC55=amidonCfl-amidonP8

AmidonC55=0,692A-0,000069A

AmidonC55=0,691A kg/h

Se calculează conținutul de apă din C55

ApaC55=apaCfl-apaP8

ApaC55=0,097A+0,9999 Afl -0,000097A-0,000099 Afl

ApaC55=0,096A+0,9998 Afl kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din C55

SUC55=SUCfl-SUP8

SUC55=0,213A-0,000021A

SUC55=0,212A kg/h

13.Zaharificare

Cereale răcite la 55˚C, C55

P9=0,01% C55

ZAHARIFICARE

Cereale zaharificate, Cz

La zaharificare amidonul rămas în urma pierderilor, hidrolizează cu formare de glucoză consumând stochiometric apa, conform reacției:

(-C6H10O5-)n + nH2O nC6H12O6

Bilanț general

C55=Cz+P9

0,983+0,9998Afl=Cz+0,0001*(0,983A+ 0,9998Afl)

Cz =0,982A+0,9997Afl

P9=0,00009A+0,00009Afl

Se calculează conținutul de amidon din pierderi

AmidonP9=0,01%amidonC55

AmidonP9=0,01/100*0,691A

AmidonP9=0,000069A kg/h

Se calculează conținutul de apă din pierderi

ApaP9=0,01%*apaC55

ApaP9=0,01/100*(0,096A+0,9998Afl)

ApaP9=0,0000096A+0,000099 Afl kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din pierderi

SUP9=P9-amidonP9-apaP9

SUP9=0,0001A+0,000099 Afl -0,000069A-0,0000096A-0,000099 Afl

SUP9=0,000021A kg/h

Se calculează conținutul de amidon care se zaharifică

Amidonzah=amidonC55-amidonP9

Amidonzah=0,691A-0,000069A

Amidonzah=0,690A kg/h

Se calculează debitul de glucoză format prin hidroliza amidonului care se zaharifică (se presupune că randamentul de zaharificareeste 100%) precum și debitul de apă care se consumă în reacție.

162 18 kg/h 170 kg/h

(-C6H10O5-)n + nH2O nC6H12O6

0,690A apazah glucozăzah

apazah =0,076A kg/h apă consumată la zaharificare

glucozăzah =0,717A kg/h glucoză formată în urma zaharificării

Se calculează conținutul de apă din Cz

ApaCz=apaC55-apazah

ApaCz=0,096A+0,9998 Afl -0,076A

ApaCz=0,02A+0,9998 Afl kg/h

Se calculează conținutul de substanțe uscate nefermentabile din Cz

SUCz=SUC55-SUP9

SUCz=0,212A-0,000021A

SUCz=0,211A kg/h

14. Însămânțare

Cereale zaharificate, Cz

P10=0,02% (Cz+D)

ÎNSĂMÎNȚARE

Drojdie, D(0,5kg/t plămadă)

Plămadă însămânțată, Pî

Debitul de drojdie:

D=0,5kg/t*1172,33*10-3t/h

Bilanț general:

Cz+D=Pî+P10

0,982A+0,9997 Afl+0,6=1172,33+0,0002*(0,982A+0,9997 Afl +0,6)

0,981A+0,999 Afl =1171,75

P10=0,0002*(1,0192A+0,9997 Afl -0,6)=0,0002A+0,00019 Afl -0,00012

Bilanț parțial aplicat conținutului de glucoză:

glucozăCz= glucozăPî + glucozăP10

0,717A=241,07+0,0002*(0,717A+0)

0,716A=241,07

A=336,68 kg/h

Bilanț parțial aplicat conținutului de apă:

ApaCz=apaPî+P10

0,02A+0,9998 Afl =1007,37-9,859a+0,0002A+0,00019 Afl -0,00006

0,019A+0,9996 Afl =1007,37-9,859a

Rezolvând sistemul format din ecuațiile:

0,981A+0,999 Afl =1171,75 A=336,68 kg/h

0,019A+0,9996 Afl =1007,37-9,859a => Afl =842,31 kg/h

A=336,68 a=16,12%

Pe baza valorilor determinate se calculează debitele masice și compozițiile acetora pentru fiecareoperație în parte, ele fiind necesare la întocmireabilanțului termic.

Calculul debitelor masice și compozițiilor acestora:

1.Rafinare

-intrare 81,46 kg/h alcool

alcool distilat Ad=102,6 kg/h

21,14 kg/h apă

-ieșire 95,3 kg/h alcool

alcool rafinat Ar=100,6 kg/h

5,3 kg/h apă

0,01 kg/h alcool

epuizat E=1,9 kg/h 1,89 kg/h apă

0,09 kg/h alcool

pierderi P14=0,1 kg/h

0,01 kg/h apă

2.Distilare

-intrare 87,44 kg/h alcool

plămadă fermentată Pf=1088,6 kg/h 839,37 kg/h apă

161,79 kg/h SU

-ieșire 81,46 kg/h alcool

alcool distilat Ad=102,6 kg/h

21,14 kg/h apă

5,91 kg/h alcool

borhot B=985,9 kg/h 963,87 kg/h apă

16,12 kg/h SU

0,07 kg/h

pierderi P=0,1 kg/h

0,03 kg/h

3.Fermentare

-intrare 171,05 kg/h glucoză

plămadă recirculată Pr=1172,33 kg/h 848,27 kg/h apă

153 kg/h SU

-ieșire 87,44 kg/h alcool

plămadă fermentată Pf=1088,6 kg/h 845,5 kg/h apă

155,77 kg/h SU

dioxid de carbon MD=83,63 kg/h

0,016 kg/h apă

pierderi P12=0,1 kg/h 0,008 kg/h alcool

0,076 kg/h SU

4.Răcire la 18-20˚C

-intrare 241 kg/h glucoză

plămadă însămânțată Pî=1172,33 kg/h 849,05 kg/h apă

82,28 kg/h SU

-ieșire 241 g/h glucoză

plămadă recirculată Pr=1172,33 kg/h 848,26 kg/h apă

83,07 kg/h SU

0,048 kg/h glucoză

pierderi P11=0,23 kg/h 0,184 kg/h apă

0 kg/h SU

5.Recepție

-intrare 235,67 kg/h amidon

cereale C=336,68 kg/h 40,40 kg/h apă

60,61 kg/h SU

-ieșire 235,65 kg/h amidon

cereale recepționate Cr=336,64 kg/h 40,39 kg/h apă

60,6 kg/h SU

0,023 kg/h amidon

pierderi P1=0,033 kg/h 0,0026 kg/h apă

0,0074 kg/h SU

6.Depozitare

-intrare 235,65 kg/h amidon

cereale recepționate Cr=336,64 kg/h 40,39 kg/h apă

60,6 kg/h SU

-ieșire 235 kg/h amidon

cerele depozitate Cd=336,61 kg/h 26,26 kg/h apă

75,35 kg/h SU

0,023 kg/h amidon

pierderi P2=0,033 kg/h 0,002 kg/h apă

0,008 kg/h SU

7.Transport

-intrare 235 kg/h amidon

cereale depozitate Cd=336,61 kg/h 26,26 kg/h apă

75,35 kg/h SU

-ieșire 234,66 kg/h amidon

cereale transportate Ct=336,57 kg/h 25,92 kg/h apă

75,99 kg/h SU

0,023 kg/h amidon

pierderi P3=0,033 kg/h 0,002 kg/h apă

0,008 kg/h SU

8.Precurățire

-intrare 234,66 kg/h amidon

cereale transportate Ct=336,57 kg/h 25,92 kg/h apă

75,99 kg/h SU

-ieșire 234,32 kg/h amidon

cereale precurățite Cp=336,24 kg/h 25,87 kg/h apă

76,49 kg/h SU

0,232 kg/h amidon

pierderi P4=0,336 kg/h 0,025 kg/h apă

0,079 kg/h SU

9.Cântărire

-intrare 234,32 kg/h amidon

cereale precurățite Cp=336,24 kg/h 25,87 kg/h apă

76,49 kg/h SU

-ieșire 233,99 kg/h amidon

cereale cântărite Cc=336,2 kg/h 25,25 kg/h apă

76,96 kg/h SU

0,023 kg/h amidon

pierderi P5=0,033 kg/h 0,002 kg/h apă

0,008 kg/h SU

10.Măcinare

-intrare 233,99 kg/h amidon

cereale cântărite Cc=336,2 kg/h 25,25 kg/h apă

76,96 kg/h SU

apă de măcinare Am=6,39 kg/h

-ieșire 233,31 kg/h amidon

cereale măcinate Cm=331,62 kg/h 31,31 kg/h apă

67 kg/h SU

0,467 kg/h amidon

pierderi P6=0,67 kg/h 0,005 kg/h apă

0,19 kg/h SU

11.Fluidificare

-intrare 233,31 kg/h amidon

cereale măcinate Cm=331,62 kg/h 31,31 kg/h apă

67 kg/h SU

apă de fluidificare Afl=842,31 kg/h

-ieșire 232,98 kg/h amidon

cereale fluidificate Cfl=1173,51 kg/h 874,87 kg/h apă

65,66 kg/h SU

0,02 kg/h amidon

pierderi P7=0,11 kg/h 0,087 kg/h apă

0,003 kg/h SU

12.Răcire la 55˚C

-intrare 232,98 kg/h amidon

cereale fluidificate Cfl=1173,51 kg/h 874,87 kg/h apă

65,66 kg/h SU

-ieșire 232,64 kg/h amidon

cereale răcite Cr=1173,04 kg/h 874,46 kg/h apă

65,94 kg/h SU

0,02 kg/h amidon

pierderi P8=0,1 kg/h 0,086 kg/h apă

0 kg/h SU

13.Zaharificare

-intrare 232,64 kg/h amidon

cereale răcite C55=1173,04 kg/h 874,46 kg/h apă

65,94 kg/h SU

-ieșire 848,87 kg/h apă

cereale zaharificate Cz=1172,65 kg/h 252,75 kg/h glucoză

71,03 kg/h SU

0,023 kg/h amidon

pierderi P9=0,37 kg/h 0,086 kg/h apă

0,26 kg/h

14.Însămânțare

-intrare 848,87 kg/h apă

cereale zaharificate Cz=1172,65 kg/h 252,87 kg/h glucoză

71,03 kg/h SU

drojdie D=0,6 kg/h

-ieșire 241 kg/h glucoză

plămadă însămânțată Pî=1172,33 kg/h 849,05 kg/h apă

82,28 kg/h SU

0,05 kg/h glucoză

pierderi P10=0,22 kg/h 0,16 kg/h apă

0,009 kg/h SU

0,00012 kg/h drojdie

13.2.Verificarea închiderii bilanțului de materiale

Se determină corectitudinea calculelor prin verificarea închiderii bilanțului. Se pornește de la legea conzervșii masei:

Debite masice intrate în proces=Debite masice ieșite din proces

Care, aplicată procesului considerat, va avea expresia:

14

A+Am+Afl+D=ΣPi+MD+B+E+Ar

i=1

Debit masic intrat:

336,68+6,39+842,31+0,6=1185,98

Debit masic evacuat:

0,1+0,1+0,1+0,23+0,033+0,033+0,033+0,336+0,033+0,67+0,1+0,1+0,37+0,22+83,63+ +985,9+1,9+100,6=1174,48

Se observă că diferența dintre cele două debite este destul de mică, corespunzătoare unei erori de:

ε=0,3/1185,98*100=0,025%

Eroarea este indusă de neglijarea în calcule a zecimalelor.

13.3. Calculul bilanțului termic pe fiecare operație; pierderi specifice

1.Fluidificare

Q-debite termice

QCm Q-m*cp*Δt

Tref=0˚C

QP7=0,01% (QCm+QAfl)

FLUIDIFICARE QAfl

QPfl=2%(QCm+QAfl)

QCfl

QCm + QAfl = QCfl+ QP7+ QPfl

QCm – debitul termic introdus cu cereale măcinate

QCm=Cm*CpCm*ΔtCm= Cm*CpCm*(tCm-tref)

Cp-căldura specifică

CpCm=Xamidon*Cpamidon+Xapă*Cpapă+XSH*CpSH

Cpamidon =3,207 kj/kg grad Xamidon =331,62/233,31=1,42

Cpapă =41186 kj/kg grad Xapă =31,31/233,31=0,13

CpSH =3,207 kj/kg grad XSH =0,2

Cm=331,62

tCm=20˚C

QCm=331,62*3,334*20=22112,42 kj/h

QAfl –debitul termic introdus cu apa de fluidificare

QAfl=AflCpAfl(tAfl-tref)

tAfl=100˚C

QAfl=842,31*4,186*100=352590,96 kj/h

QCfl=Cfl*CpCfl(tCfl-tref)

CpCfl= Xamidon*Cpamidon+Xapă*Cpapă+XSH*CpSH

Xamidon =232,98/1173,51=0,19 CpCfl=3,91

Xapă =874,87/1173,51=0,74 QCfl =1173,51/3,91*tCfl

XSH =1-0,19+0,74=0,07 QCfl =300,13* tCfl

QPfl –debitul termic pierdut în mediul exterior

QPfl =2/100(QCm+QAfl)

QPfl =2/100(22112,42+352590,96)

QPfl =2/100*374703,38=7494,06 kj/h

QP7-debitul termic evacuat cu pierderile de substanță

QP7=0,01/100(QCm+QAfl)

QP7=0,01/100*374703,38=37,47 kj/h

-ecuația de bilanț va fi:

22112,42+352590,96=300,13*tCfl+7494,06+37,47

-se obține temperatura cerealelor fluidificate

tCfl=80˚C

2.Răcire la 55˚C

QCfl

QP8=0,01% QCfl

RĂCIRE LA 55˚C Qi55

QP55=2%(QCfl+Qi55)

Qe55 QC55

– ecuația de bilanț va fi :

QCfl + Qi55= QC55+ Qe55+ QP55+ QP8

QCfl – debitul termic introdus cu cereale fluidificate

QCfl =30,13*80=24010,4 kj/h

Qi55 – debitul termic introdus cu apa de răcire

Qi55= Ai55*Cpapa*(tAi55-tref)

tAi55=20˚C

Qi55= Ai55*4,186*20=83,72*Ai55

QC55 – debitul termic evacuat cu cereale răcite

QC55= C55* CpC55 *(tC55-tref)

Cp55= Xamidon*Cpamidon+Xapă*Cpapă+XSH*CpSH

Cp55=1,42*3,207+0,13*4,186+0,2*3,207=5,73

tC55=55˚C

QC55=1173,51*5,73*55=369831,67 kj/h

Qe55 – debitul termic evacuat cu apa de răcire

Qe55= Ae55* Cpapa*(tAe55-tref)

tAe55=tCfl=80˚C

Ae55= Ai55

Qe55= Ai55*4,186*80=334,88 Ai55 kj/h

QP55 – debitul termic pierdut în mediul exterior

QP55=2/100*( QCfl+ Qi55)

QP55=2/100*(24010,4+83,72* Ai55)

QP55=480,2+1,67* Ai55

QP8 – debitul termic evacuat cu pierderile de substanță

QP8=0,01/100* QCfl

QP55=24010,4*0,01/100=2,4 kj/h

– ecuația de bilanț va fi:

24010,4+83,72* Ai55=369831,67+334,88* Ai55+480,2+1,67* Ai55+2,4

– se calculează debitul masic de apă folosit la răcire, care va fi:

Ai55= Ai55=239,23 kg/h

3. Zaharificare QC55

QP9=0,01% QC55

ZAHARIFICARE

Qz=2%QC55

QCz

– ecuația de bilanț este:

QC55= QCz + QP9+ Qz

QC55- debitul termic introdus cu cereale răcite

QC55= C55* CpC55 *(tC55-tref)

QC55=369831,67 kj/h

QCz – debitul termic evacuat cu cereale zaharificate

QCz = Cz* CpCz *(tCz-tref)

CpCz = Xglucoză*Cpglucoză+Xapă*Cpapă+XSH*CpSH

CpCz =848,87*3,207/1172,65+252,75*4,186/1172,65+71,03*3,207/1172,65

CpCz =848,87*0,002+252,75*0,003+71,03*0,002

CpCz =1,69+0,75+0,14

CpCz =2,58 kj/kg grad

Cz =1172,65 kg/h

QCz =1172,65*2,58* tCz=3027,85*tCz

QP9- debitul termic evacuat cu pierderile de substanță

QP9=0,01/100* QC55

QP9=0,01/100*369831,67

QP9=36,98 kj/h

Qz – debitul termic pierdut în mediul exterior

Qz =2/100* QC55

Qz =7396,63 kj/h

– ecuația de bilanț la zaharificare va fi:

369831,67=3027,85* tCz+36,98+7396,63

– de aici rezultă valoarea temperaturii cerealelor zaharificate, care va fi:

tCz =119,68≈120˚C

4. Răcire la 30˚C QCz Qi30

QP=2% (QCz+Qi30)

RĂCIRE LA 30˚C Qe30

Q30

– ecuația de bilanț la răcire

QCz + Qi30= Q30+ Qe30+ QP

QCz – debitul termic intrat cu cereale zaharificate

QCz = Cz* CpCz *(tCz-tref)

QCz = 1172,65*2,58*120

QCz = 363052,4 kj/h

Qi30 – debitul termic introdus cu apa de răcire

Qi30= Ai30* Cpapa *(ti30-tref)

ti30=20˚C

Qi30= Ai30*4,186*20

Qi30= 83,72*Ai30

Q30 – debitul termic evacuat cu cereale răcite

Q30 = Cz* CpCz *(t30-tref)

t30=30˚C

Q30 =1172,65*2,58*30

Q30 =90763,1 kj/h

Qe30 – debitul termic evacuat cu apa de răcire

Qe30= Ai30* Cpapa *(te30-tref)

te30= tCz =120˚C

Qe30= Ai30*4,186*120

Qe30= 502,3*Ai30

QP – debitul termic pierdut în mediul exterior

QP=2/100*(QCz+Qi30)

QP=7261,04+1,67* Ai30

– ecuația de bilanț la răcire va fi:

363052,4+83,72* Ai30=90762,01+502,3* Ai30+7261,04+1,67* Ai30

– de aici rezultă valoarea debitului masic al apei de răcire, care va fi:

Ai30=630,6 kg/h

5. Fermentare

QPr Qr

QP12=0,01% QPr

FERMENTARE Qf=2% (QPr+Qr )

QPf QCO2

– ecuația de bilanț va fi :

QPr + Qr= QPf+ QCO2+ QP12+Qf

QPr – debitul termic introdus cu plămada recirculată

QPr= Pr* CpPr *(tPr-tref)

CpPr = Xglucoză*Cpglucoză+Xapă*Cpapă+XSH*CpSH

CpPr =171,06*3,207/1172,33+848,27*4,186/1172,33+153*3,207/1172,33

CpPr =0,46+3,02+0,41

CpPr =3,89 kj/kg grad

Pr = 1172,33

tPr =20˚C

QPr=91207,2 kj/h

Qr – debitul termic introdus în urma desfășurării reacției de fermentație alcoolică

ΔHfermentație=-117,7 kj/mol

– glucoza care fermentează=171,06 kg/h=0,917 kmoli/h=917 moli/h

ΔH’=ΔH*nr moli=(-117,7)*917=-107930,9 kj/h

Qr = – ΔH’=-(-107930,9)=107930,9 kj/h

QPf – debitul termic evacuat cu plămada fermentată

QPf= Pf* CpPf *(tPf-tref)

CpPf = Xalcool*Cpalcool+Xapă*Cpapă+XSH*CpSH

Cpalcool =2,43 kj/kg grad

CpPf =87,44*2,43/1088,6+845,5*4,186/1088,6+155,77*3,207/1088,6

CpPf =0,19+3,25+0,45

CpPf =3,89 kg/h grad

Pf=1088,6 kg/h

QPf=4234,6*tPf kj/h

QCO2 – debitul termic evacuat cu masa de dioxid de carbon

QCO2=CO2* CpCO2 *(tCO2-tref)

tCO2= tPf

CpCO2=0,83 kj/kg grad

CO2=83,63 kg/h

QCO2=69,41* tPf kj/h

QP12 – debitul termic evacuat cu pierderile de substanță

QP12=0,01/100* QPr

QP12=0,01/100*91207,2

QP12=9,12 kj/h

Qf – debitul termic pierdut cu mediul exterior

Qf =2/100*( QPr+Qr)

Qf =2/100*(91207,2+107930,9)

Qf =3982,7 kj/h

– ecuația de bilanț termic va fi:

91207,2+107930,9=4234,6* tPf+69,41* tPf+9,12+3982,7

– de aici rezultă valoarea temperaturii plămezii fermentate

tPf=45,3˚C

6. Distilare

QPf QiD

QP13=0,1% QPf

DISTILARE QPD

QB QeD QAdv

– ecuația de bilanț la distilare:

QPf + QiD= QB+ QAdv+ QeD+QP13+QpD

QPf – debitul termic introdus cu plămada fermentată

QPf = Pf* CpPf *(tPf-tref)

tPf=45,3˚C

QPf =1088,6*3,89*45,3

QPf =191829,82 kj/h

QiD – debitul termic introdus cu agentul de încălzire

– alegem ca agent de încălzire aburul saturat cu p=2 atm

QiD=AiD*h”

AiD – debitul de abur

h” – entalpia aburului saturat, h”=2710 kj/kg

QiD=2710* AiD kj/h

QAd – debitul termic necesar ajungerii la fierbere a alcoolului și apei din Pf

QAd = Ad* CpAd *(tAd-tref)

CpAd = Xalcool*Cpalcool+Xapă*Cpapă

CpAd =81,46*2,43/102,6+21,14*4,186/102,6

CpAd =1,92+0,86

CpAd =2,78 kj/kg grad

Ad =102,6 kg/h

tAd=79,41˚C (din tabele în funcție de conținutul de alcool)

QAd =102,6*2,78*79,41=22649,9 kj/h

QeV – debitul termic necesar evaporării alcoolului

QeV=Ad*eAd

eAd – căldura latentă de evaporare a alcolului

pentru tAd =79,41˚C

eAd=4,165 kj/kg

conținutul de alcool 74,9%

QeV =102,6*4,165=427,3

QAdv=22694,9+427,3=23077,2 kj/h

QeD – debitul termic evacuat cu agentul de încălzire

QeD = AiD* Cpapa *(teD-tref)

teD =100˚C

QeD = AiD*4,186*100

QeD =418,6* AiD

QB – debitul termic evacuat cu borhotul

QB =B* CpB *(tB-tref)

tB = tAd=79,41˚C

CpB = Xalcool*Cpalcool+Xapă*Cpapă+XSH*CpSH

CpB =5,91*3/985,9+963,87*4,186/985,9+16,12*3,207/985,9

CpB =0,017+4,09+0,052

CpB =4,15 kj/kg grad

B=985,9 kg/h

QB =324904,82 kj/h

QpD – debitul termic pierdut în mediul exterior

QpD =2/100*(QPf+QiD)

QpD =0,02*(191829,82+2710* AiD)

QpD =3836,59 +54,2* AiD kj/h

QP13 – debitul termic evacuat cu pierderile de substanță

QP13=0,1/100* QPf

QP13=0,1/100*191829,82

QP13=191,82 kj/h

– ecuația de bilanț va fi:

191829,82+2710* AiD =23077,2+418,6* AiD+324904,82+3836,59+54,2* AiD+191,82

– de aici rezultă valoarea debitului masic al aburului folosit la încălzire

AiD =71,59 kg/h

QAdv

Qic

ZAHARIFICARE

Qec

QAd

– ecuația de bilanț la condenzare:

QAdv+ Qic = QAd+ Qec

QAdv – debitul termic introdus cu vaporii de alcool distilat

QAdv = QAd+ Qev

QAdv =22649,9+427,3

QAdv =23077,2 kj/h

Qic – debitul termic introdus cu apa de răcire( condenzare )

Qic =Ac*4,186*20

Qic =83,72* Ac kj/h

QAd – debitul termic evacuat cu alcoolul distilat

QAd =Ad* CpAd *(tAd-tref)

QAd = 22649,9 kj/h

Qec – debitul termic evacuat cu apa de răcire

Qec = Ac* Cpapa *(tAec-tref)

tAec=78˚C

Qec = Ac*4,186*78

– ecuația de bilanț la condenzare va fi:

23077,2+83,72=22649,9+326,5* Ac

– de aici rezultă valoarea debitului masic al apei de condenzare

Ac =1,76 kg/h

7. Rafinare

Qir QAd

QP14=0,1% Qir

RAFINARE QPr=2%(Qir+QAd)

Qer QArv QE

– ecuația de bilanț este:

Qir + QAd= QArv+ QE+ Qer+QP14+QPr

QAd – debitul termic introdus cu alcoolul distilat

QAd = Ad* CpAd *(tAd-tref)

QAd =22649,9 kj/h

Qir – debitul termic introdus cu agentul de încălzire

– alegem ca agent de încălzire aburul saturat cu p=2 atm

Qir =Air*h”

Air – debitul de abur

h”- entalpia aburului saturat

h”=2710 kj/kg

Qir =2710*Air kj/h

QArv – debitul termic evacuat cu vaporii de alcool rafinat

QArv = QAr+ Qev

QAr – debitul termic necesar ajungerii la fierbere a alcoolului și apei din Ad

QAr = Ar*CpAr *(tAr-tref)

CpAr = Xalcool*Cpalcool+Xapă*Cpapă

CpAr =95,3*2,43/100,6+5,3*4,186/100,6

CpAr =2,3+0,22

CpAr =2,52 kj/kg grad

Ar =100,6 kg/h

tAr=78,24˚C

QAr =100,6*2,5*78,24

QAr =19677,36 kj/h

Qev – debitul termic necesar evaporării alcoolului

Qev =Ar*eAr

eAr – căldura latentă de evaporare a alcoolului

pentru tAr=78,24˚C

eAr=3,517 kj/kg

conținutul de alcool 94,75%

Qev =100,6*3,517=353,81 kj/h

QArv =19677,36+353,81=20031,17 kj/h

Qer – debitul termic evacuat cu agentul de încălzire

Qer = Air* Cpapa *(ter-tref)

ter =100˚C

Qer = Air*4,186*100

Qer = 418,6*Air

QE – debitul termic evacuat cu epuizatul

QE = E* CpE *(tE-tref)

tE= tAr=78,24˚C

CpE = Xalcool*Cpalcool+Xapă*Cpapă

CpE =0,01*2,43/1,9+1,89*4,185/1,9

CpE =0,046+15,02

CpE =15,07 kj/h grad

QE =1,9*15,07*78,24

QE =2240,24 kj/h

QPr –debitul termic pierdut în mediul exterior

QPr =2/100(QAd+Qir)

QPr =0,02*(22649,9+2710* Air)

QPr =452,99+54,2* Air kj/h

QP14- debitul termic evacuat cu pierderile de substanță

QP14=0,1/100* QAd

QP14=0,001*22649,9

QP14=22,64 kj/h

– ecuația de bilanț va fi:

22649,9+2710* Air=20031,17+418,6* Air+2240,24+452,99+54,2* Air+22,64

– de aici rezultă valoarea debitului masic al aburului folosit la încălzire

Air =0,043 kg/h

8. Condensare

QArv

Qci

CONDENSARE

Qce

QAr

– ecuația de bilanț este:

QArv+ Qci = QAr+ Qce

QArv – debitul termic introdus cu vaporii de alcool rafinat

QArv = QAr+ Qev

QArv =19677,36+353,81=20031,17 kj/h

Qci – debitul termic introdus cu apa de răcire ( condensare)

Qci = Aci* Cpapa *(tAci-tref)

tAci=20˚C

Ac – debitul masic al apei de condensare

Qci = Aci*4,186*20

Qci = 83,72*Aci kj/h

QAr – debitul termic evacuat cu alcoolul rafinat

QAr = Ar*CpAr *(tAr-tref)

QAr =100,6*2,52*78,24=19834,7 kj/h

Qce – debitul termic evacuat cu apa de răcire

Qce = Aci* Cpapa *(tAci-tref)

tAce=78˚C

Qce = Aci*4,186*78

Qce =326,5* Aci kj/h

– ecuația de bilanț la condensare va fi:

20031,17+83,72* Aci =19834,7+326,5* Aci

– de aici rezultă valoarea debitului masic al apei de condensare

Aci =0,8 kg/h

13.4.Verificarea închiderii bilanțului termic

Se pornește de la legea conservării căldurii:

Debite termice intrate în proces=debite termice evacuate din proces

Aplicată procesului considerat va avea expresia:

Debite termice intrate:

Qcm+QAfl+Qi55+Qi30+Qr+QiD+Qic+Qir+Qci

Debite termice evacuate:

QP7+QPfl+QP55+QP8+Qe55+QP9+Qz+Qe30+QP+QCO2+Qf+QP12+QB+QeD+QP13+QPD+Qec+Qer+ +QPr+QP14+QE+Qar+Qce

Debit termic intrat:

22112,42+352590,96+20028,3+52793,8+107930,9+194008,9+147,34+116,53+66,97=

=749796,12

Debite termice evacuate:

37,47+7494,06+879,71+2,4+80113,3+36,98+7396,63+316750,38+8314,14+3144,27+3982,7+

+9,12+324904,82+29967,57+191,82+7716,76+326,5+17,99+455,32+22,64+2240,24+19677,36+261,2=813940,38

13.5. Calculul bilanțului energetic pe fiecare operație; pierderi specifice

Bilanțul energetic se întocmește ținând cont de consumurile energetice specifice fiecărei operații. Tabelul 8.

Consumurile energetice specifice

Apreciind un interval de timp de 5 ore în care se desfășoară operațiile de transport, precurățire și măcinare, consumul energetic pe aceste operații va fi:

CE=5h*6kw/h=30kw

Consumurile energetice ale celorlalte operații de pe fluxul technologic este dependent de timpul în care se efectuează acestea.

14. Utilaje tehnologice

14.1. Dimensionări

14.1.1. Dimensionarea coloanei de rectificare

Aspecte generale

Realizarea unor purități avansate ale celor două fracțiuni, alcool brut și epuizat, este posibilă prin asigurarea unui număr mare de echilibre succesive, adică printr-o contactare în trepte sau diferențială cu circulație în contracurent a fazelor lichid și vapori, prin operația de rectificare(coloane cu talere).

Dimensionarea technologică a coloanei de rectificare cu talere constă în determinarea numărului de trepte de contact(talere) necesare realizării impuse.

Amestecul inițial preîncălzit până la temperatura de fierbere, se introduce pe unul din talerele coloanei, pe care concentrația refluxului intern este egală cu a materiei prime. Talerul de alimentare împarte coloana în două zone:

zona de conectare (rectificare), în care se produce concentrarea vaporilor și lichidului în component volatil.

zona de epuizare (de stripare), unde are loc epuizarea lichidului și vaporilor de ultimele resturi de component volatil.

Produsul obținut la partea superioară a coloanei, după condensare, este alcoolul rafinat iar componentul obținut la baza coloanei este epuizatul.

În fig 15 este reprezentată schema coloanei de rectificare continuă cu talere:

R

E

C

T L

I

F

alcool distilat I

Ad=102,52 kg/h C Alcool rafinat

CAd=79,4% alcool A Ar=100,6 kg/h

R Epuizat cAr=94,57% alcool

E E=1,9 kg/h

cE=0,8% alcool

2. Bilanțurile operației de rectificare

Bilanțurile de materiale și termic aferente operației de rectificare au fost calculate în capitolele 3.1 și 3.2

În plus față de aceste se calculează:

– consumul molar specific de alcool distilat necesar obținerii unui kmol de alcool rafinat, F:

(4.1)

cAr- concentrația alcoolului în alcoolul rafinat, [%]

cAd- concentrația alcoolului în alcoolul distilat, [%]

cE – concentrația alcoolului în epuizat, [%]

3. Refluxul minim al coloanei de rectificare, Lmin

se folosește relația:

(4.2)

XAr – procentul masic de alcool în alcoolul rafinat lichid, [%]

YAd – procentul masic de alcool în alcoolul distilat în stare de vapori, [%]

XAd – procentul masic de alcool în alcoolul distilat lichid, [%]

Din datele de echilibru lichid-vapori a amestecului binar alcool-apă la temperatura de fierbere și presiune atmosferică se aleg procentele masice de alcool din fază gazoasă în funcție de procentele masice de alcool din faza lichidă:

XAd=79,4%

Alcool distilat: Ad

YAd=85,53%

XAr=94,57%

Alcool rafinat: Ar

YAr=94,62%

XE=0,8%

Epuizat: E

YE=7,56%

Se înlocuiesc valorile în ecuația (4.2) și se obține:

4. Refluxul coloanei de rectificare, L

Se folosește ecuația: L=a*Lmin

a – constantă ale cărei valori variază în intervalul 1-3;

Se alege: a=3

Și se obține: L=3*1,47=4,41

5. Calculul numărului de talere teoretice

Se folosește metoda : McCabe-Thiele și se parcurg următoarele etape:

se reprezintă grafic Y (compoziția vaporilor de alcool, %) în funcție de X (compoziția alcoolică a lichidului, %) în figura 4.2-Anexe

se trasează linia de concentrare, folosind ecuația:

se înlocuiesc valorile cunoscute:

și se obține ecuația:

Y=0,815*X+17,48

Atribuind valori lui X se obțin pentru Y valorile indicate în tabelul 20:

Tabelul 9

Punctele de trasare a dreptei de concentrare

se trasează linia de epuizare folosind ecuația:

se înlocuiesc valorile cunoscute:

Y=1,035-0,028

Atribuind valori lui X se obțin pentru Y valorile indicate în tabelul 21:

Tabelul 10

Punctele de trasare a dreptei de epuizare

Din reprezentarea grafică (figura 4.2 Anexe) rezultă:

nt=12 talere teoretice

din care:

8 talere pentru concentrare

4 talere pentru epuizare

6. Calulul numărului de talere reale:

Se folosește relația:

nt – numărul de talere teoretice

n – numărul de talere reale

Eg – eficiența globală a coloanei de rectificare

Se consideră o eficiență globală de 0,85 și se obține :

n=14 talere reale

din care:

10 talere pentru concentrare

4 talere pentru epuizare

7. Calculul diamertrului interior al coloanei de rectificare, Di

Se folosesc relațiile:

Di – diametrul interior al coloanei de rectificare

So – aria secțiunii transversale a coloanei

V – debitul de vapori de alcool

w0 – viteza de deplasare a vaporilor

MAr – masa molară medie a alcoolului rafinat

Tm – temperatura medie între temperatura de la vârful și de la fierbătorul coloanei

T – temperatura normală

p – presiunea medie între presiunea de la vârful și de la fierbătorul coloanei

Parametrii necesari relațiilor de calcul se determină astfel:

MAr

Tm

Tf – temperatura la fierbătorul coloanei, egală cu temperatura de fierbere a alcoolului, [K]

Tf=78,2+273=351,2 K

Tv – temperatura la vârful coloanei, considerată cu 2% mai mică, datorită pierderilor de căldură, [K]

Se înlocuiesc valorile cunoscute și se obține:

P

Se lucrează la presiune atmosferică

p=1,013 105 Pa

w0

Se impune tehnologic:

w0=0,5 m/s

Se înlocuiesc valorile cunoscute și se obține valoarea diametrului interior al coloanei de rectificare:

Di=3 m

8.Calculul înălțimii coloanei de rectificare, H

Ht=(n-1)H’

Ht – înălțimea talerelor în coloană

H’ – distanța dinre talerul superior și cel inferior al coloanei

Impunând tehnologic:

H’=0,5 m

Se obține:

Ht=7,5 m

Considerând un spațiu la baza coloanei de rectificare de 2 m, pentru amplasarea fierbătorului și un altul de 1 m la partea superioară a coloanei, pentru acumularea vaporilor de alcool, se obține înălțimea totală a coloanei:

H=10,511 m

Coloana de rectificare va avea dimensiunile:

Diametrul D=3 m

Înălțimea H=11 m

14 talere reale( 10 concentrare și 4 epuizare)

14.1.2. Dimensionarea coloanei de distilare

Din datele de echilibru lichid – vapori a amestecului binary alcool – apă la temperature de fierbere și presiune atmosferică se aleg procentele masice de alcool din fază gazoasă în funcție de procentele masice de alcool din faza lichidă:

XAd=79,4% XB=0,006%

Alcool distilat Ad Borhot B

YAd=85,53% YB=0,008%

Se pornește de la faptul că distilarea simplă nu implică reflux, L=0.

1.Calculul numărului de talere teoretice

– se folosește metoda McCabe – Thiele și se parcurg următoarele etape:

– se reprezintă graphic Y (compoziția vaporilor de alcool, %) în funcție de X (compoziția alcoolică a lichidului, %) în Figura 4.3-Anexe

– din reprezentarea grafică se determină:

nt=11 talere teoretice

2.Calculul numărului de talere reale:

– numărul de talere reale se obține multiplicand cu 1 numărul de talere teoretice:

n=12 talere reale

3.Calculul diametrului interior al coloanei de distilare, Di

– se folosesc relațiile:

Di – diametrul interior al coloanei de distilare

So – aria secțiunii transversale a coloanei

V – debitul de vapori de alcool

w0 – viteza de deplasare a vaporilor

MAd – masa molară medie a alcoolului distilat

Tm – temperatura medie între temperatura de la vârful și de la fierbătorul coloanei

T – temperatura normală

p – presiunea medie între presiunea de la vârful și de la fierbătorul coloanei

Parametrii necesari relațiilor de calcul se determină astfel:

MAd

Tm

Tf – temperatura la fierbătorul coloanei, egală cu temperatura de fierbere a alcoolului, [K]

Tf=78,2+273=351,2 K

Tv – temperatura la vârful coloanei, considerată cu 2% mai mică, datorită pierderilor de căldură, [K]

Se înlocuiesc valorile cunoscute și se obține:

P

Se lucrează la presiune atmosferică

p=1,013 105 Pa

w0

Se impune tehnologic:

w0=0,5 m/s

Se înlocuiesc valorile cunoscute și se obține valoarea diametrului interior al coloanei de rectificare:

Di=2 m

4.Calculul înălțimii coloanei de distilare, H

Ht=(n-1)H’

Ht – înălțimea talerelor în coloană

H’ – distanța dinre talerul superior și cel inferior al coloanei

Impunând tehnologic:

H’=0,5 m

Se obține:

Ht=5,5 m

Considerând un spațiu la baza coloanei de distilare de 2 m, pentru amplasarea fierbătorului și un altul de 1 m la partea superioară a coloanei, pentru acumularea vaporilor de alcool, se obține înălțimea totală a coloanei:

H=8,59 m

Coloana de distilare va avea dimensiunile:

Diametrul D=2 m

Înălțimea H=9 m

12 talere reale

14.1.3. Dimensionarea tancurilor de fermentare

Debitul de plămadă care intră în tancul de fermentare va fie gal cu debitul masic de plămadă recirculată:

P=Pr=1172,33 kg/h

Se va dimensiona un tanc de fermentare cu forma indicată în Figura 4.4

Considerațiile tehnologice de la care se pleacă în dimensionarea tancului sunt:

raportul dintre diametrul vasului și înălțimea totală a plămezii este de ½

pentru o bună evacuare a plămezii din tanc, înclinarea unghiului de curgere a părții conice este de 60º

spațiul liber aflat deasupra plămezii trebuie să reprezinte aproximativ 10% din spațiul ocupat.

h3

d h2

α h1

Figura 14 Reprezentarea schematică a tancului de fermentare

h1 – înălțimea părții conice a tancului

h2 – înălțimea părții cilindrice ocupate de plămadă

h3 – înălțimea spațiului liber aflat deasupra plămezii

D – diametrul tancului de fermentare

Se calculează volumul ocupat de plămadă:

– densitatea plămezii, [kg/m3]

Deoarece în compoziția plămezii apa și glucoza au o pondere foarte mare( 90% din care 17% reprezintă glucoza), se poate considera că dnsitatea plămezii este egală cu densitatea unei soluții de glucoză cu concentrația 17%.

=1069,8 kg/m3

– se obține:

VP=2,76 m3

– pentru a compensa eroarea indusă de aproximarea densității se consideră în calcule:

VP=3 m3

– se calculează volumul tancului de fermentare ocupat de plămadă:

3=V1+V2=

V1 – volumul părții cilindrice

V2 – volumul părții conice

Ecuației de mai sus i se asociază ecuațiile deduse pe baza considerentelor tehnologice:

– rezolvând ecuațiile de mai sus se obțin valorile:

h1=1,5 m

h2=2 m

d=1,5 m

– spațiul liber aflat deasupra plămezii:

h3=10%(h1+h2)

h3=0,35≈0,5 m

Dimensiunile tancului de fermentare vor fi:

d=2 m

H=2,5 m partea cilindrică

h1=1,5 m partea conică

La fermentare se vor folosi 2 tancuri cu dimensiunile menționate mai sus, unul pentru prelucrarea plămezii fermentate și unul de rezervă.

14.1.4. Dimensionarea cazanului de fluidificare

La fluidificare intră următoarele materiale

– cereale măcinate Cm=331,62 kg/h

– apă de fluidificare Afl=842,31 kg/h

ceea ce implică n debit masic total de 1173,51 kg/h cereale fluidificate.

Se alege pentru fluidificare un cazan de fluidificare-plămădire a nemaltificatelor cilindric, cu fund conic ușor înclinat, similar celui din figura 5.4. Este prevăzut cu system de încălzire prin mantă. La dimensionarea lui se pleacă de la aceleași considerații tehnologice ca și în cazul tancului de fermentare.

Se calculează volumul ocupat de cereale fluidificate:

– densitatea cerealelor fluidificate

Deoarece în compoziția cerealelor fluidificate apa are o pondere foarte mare (71%), se poate considera că densitatea plămezii este egală cu densitatea apei:

=1000 kg/m3

– volumul ocupat de cereale fluidificate va fi:

=5,81 m3

– pentru a compensa eroarea indusă de aproximarea densității, se consideră în calcule:

=6 m3

Se recomandă technologic, pentru debite mari de cereale fluidificate, folosirea unui cazan cu dimensiunile standardizate:

3119x2295x1400 mm – pentru partea cilindrică

268 mm – înălțimea fundului conic

Deoarece aceste dimensiuni corespund unui volum al cazanului de 13,26 m3, volum mult mai mare decât cel ocupat de cereale fluidificate(6 m3) se se micșorează proporțional dimensiunile cazanului standardizat până când volumul acestuia va fi apropiat de volumul cerealelor fluidificate. Reducând de 2 ori dimensiunile standard se obțin valorile:

1560x1148x700 mm – partea cilindrică

134 mm – înălțimea fundului conic

Dimensiunile cazanului de fluidificare sunt:

Înălțimea H=1,56+0,26≈2 m

Diametrul D=1,14 m

14.1.5. Dimensionarea morii

Moara se folosește la măcinarea cerealelor folosite în fluxul tehnologic. Pentru măcinarea cerealelor se alege o moară cu valturi. Rolul cel mai important în dimensionarea morii îl are stabilirea dimensiunilor valturilor de măcinare.

Debitele de materiale care intră în moară:

Cereale cântărite Cc=336,2 kg/h

Apă de măcinare Am=6,39 kg/h

– ceea ce reprezintă un debit total de cereale măcinate:

Cm=340 kg/h≈8 t/24h

Se alege pentru măcinarea cerealelor folosite la obținerea alcoolului valturi cu dimensiunile:

L=600 mm

D=250 mm

– ceea ce corespunde unei încărcături specifice pe valturi de 30 kg/cm.

Numărul total de cm de tăcălug necesari pentru prelucrarea a 8t/24h se calculează cu relația:

Lt=8×103/30=270 cm

14.1.6. Dimensionarea cântarului

Debitul de materiale care se supune cântăririi:

Cc=336,2 kg/h

Se alege un cântar care face 3 răsturnări/minut. Capacitatea cupei va fi:

163,7/3×60=2 kg

Vom alege un cântar cu capacitatea cupei de 5 kg.

14.1.7. Dimensionarea triorului

Pentru precurățirea cerealelor se folosește un trior cilindric (normal) cu încărcarea specifică de 300 kg/m2h.

Debitul de cereale supus precurățirii:

Cp=336,2 kg/h≈340 kg/h

Se calculează suprafața necesară de triorare:

340/300=1,13 m

Se calculează suprafața unui trior, caracterizat de dimensiunile:

D=0,5 m

L=2 m

Numărul de trioare va fi:

1,13/3,14=0,3≈1 trior

14.1.8. Dimensionarea celulelor de depozitare

Se supune depozitării un debit de:

Cd=336,61 kg/h

Se calculează volumul ocupat de cereale:

Densitatea cerealelor:

– densitatea porumbului 600-850 kg/m3

Se alege pentru fiecare sort de cereale valoarea maximă a densității:

850 kg/m3

se obține:

=0,2 m3

Pentru a compensa erorile induse de aproximăile densității se consideră:

=1 m3

Se alege o celulă de depozitare cu dimensiunile:

L=2 m

D=1 m

H=3 m

14.1.9. Calculul numărului de pompe

Ținând cont de fluxul tehnologic se pot folosi pentru a asigura transportul fazelor lichide un număr de:

1 pompă pentru transportul cerealelor fluidificate

1 pompă pentru transportul cerealelor răcite la etapa de fermentare

2 pompe pentru transportul plămezii la fermentație

1 pompă la distilare

1 pompă la rectificare

1 pompă la depozitarea alcoolului rafinat

14.2. Alegerea utilajelor

Transportor – elevator pentru cereale cu carcasă simplă

Tabelul 11

Separator în cascadă SC 6

Tabelul 12

Pompă Mecanex LCC

Tabelul 13

Moară cu ciocane MCU – 1B

Tabelul 14

Dispersor ULTRA-TURRAXUTC – TM

Tabelul 15

Vas de plămădire CB 416 (Central Bottling International Limited)

Tabelul 16

Vas de zaharificare CB 566 (Central Bottling International Limited)

Tabelul 17

Schimbător de căldură cu plăci Ahlborn

Tabelul 18

Vas fermentare CB 678 (Central Bottling International Limited)

Tabelul 19

Vas preparare drojdii CB 474 (Central Bottling International Limited)

Tabelul 20

Fig 16 Linuri de fermentare

Fig 17 Coloană de distilare

Fig 18 Coloană de rectificare

Amestecător cu elice

Tabelul 21

14.3. Norme de protecție a muncii

Obținerea unor randamente ridicate la fabricile de alcool este condiționată, în afara unui proces tehnologic optim și de respectarea permanentă a unor regului de protecția muncii și igienă.

Pentru o exploatare normală a instalațiilor din industria alcoolului următoarelor măsuri de protecția muncii:

întregul personal va purta la fiecare loc de muncă echipamentul de protecție prevăzut de normele în vigoare;

în secțiile umede unde au loc degajări de aburi, vapori de apă (fierbătoare, zaharificatoare), gaze nocive (dioxid de carbon) sau vapori de alcool (distilare, rafinare, depozitare) se vor prevedea și folosi dispozitive de ventilare naturală sau artificială;

în secția care prezintă pericol de incendiu (distilare, rafinare) sau fumatul, sudura de orice fel, precum și utilizarea instalațiilor electrice neprotejate contra scânteilor;

fierbătoarele trebuie supuse periodic verificărilor metrologice ca urmare a faptului că ele sunt recipienți sub presiune;

manipularea substanțelor chimice (acid sulfuric) se va face numai purtând echipament de protecție special (cizme de cauciuc, șorț de cauciuc, ochelari de protecție);

se va avea o grijă deosebită la manipularea acidului sulfuric.

Menținerea igienei în secțiile de alcool impune:

efectuarea curățeniei zilnice pentru a preveni apariția și propagarea infecțiilor;

zaharificatoarele trebuie spălate cu apă rece și perie, după fiecare golire și apoi cu apăfierbinte și agenți dezinfectanți;

linurile de fermentare și vanele de drojdie se spală cu apă caldă și apoi cu apă rece și se dezinfectează cu clorură de var;

conductele prin care circulă plămada se spală cu apă fiartăși apoi cu apă rece și se sterilizează periodic cu soluție de clorură de var și jet de abur.

15.Bilanțuri grafice

15.1. Bilanțul de materiale

Fig 19 Graficul bilanțului de materiale

15.2 Bilanț termic

Fig 20 Graficul bilanțului termic

16. Eficiența economică

Necesarul forțelor de muncă

Tabelul 22

Calculul valoric pentru realizarea producției

Costul materiei prime și materiilor auxiliare

Costul porumbului:

Cp = cp pp

unde:

cp – cantitatea de porumb folosită, kg

pp – preț porumb, lei kg

Cp = 8080 5000 = 40.400.000 lei/zi

Costul enzimei de fluidificare:

Cel = cel pel

unde;

Cel – cantitatea de enzimă, l

pel – preț enzimă, 9 EURO/l

Cel = 1,6 x 9 36000 = 518.400 lei/zi

Costul enzimei de zaharificare:

Cez = cez pez

cez – cantitatea de enzimă, l

pez – preț enzimă, 10 EURO/l

Cez = 8 10 36000 = 2.880.000 lei/zi

Costul drojdiei:

Cd = cd pd

cd – cantitatea de drojdie, kg

pd – preț drojdie, 100.000 lei/kg

Cd = 0,8 100.000 = 80.000 lei/zi

Costul acidului sulfuric:

Ca = ca pa

ca – cantitatea de acid, l

pa – preț acid, 20.000 lei/kg

Cel = 4 20.000 = 80.000 lei/zi

Ct = 43.958.400 lei/zi

Costul consumului de energie electrică

Cee = cee pee

cee – consum energie electrică, kWh

pee – prețul energiei electrice, lei/kWh

Cee = 144 3800 = 547.200 lei/zi

Costul salariilor

Cs = 34.000.000/30 = 1.133.333 lei/zi

Costul ajutorului de șomaj

Ajutorul de șomaj reprezintă 3,5% din fondul de salarii.

As = 0,035 1.133.333 = 396.666 lei/ zi

C.A.S.

C.A.S. = 0,235 1.133.333 = 266.333 lei/zi

C.A.S.S

C.A.S.S = 0,05 1.133.333 = 56.666 lei/ zi

fondul de risc

Cfr=0,05 x 1.133.333=56.666 lei/ zi

Calculul totalului costurilor de producție

Ct = 46415264 lei/zi

Calculul totalului pe unitatea de produs

Cp = Ct/c

Ct – costul total de producție, lei/zi

c – cantitatea de produs obținută într-o zi, l

Cp = 15471,7 lei/l alcool rafinat

Concluzii

Obținerea alcoolului alimentar prin procedeul prin dispersia plămezii și recircularea borhotului este una dintre cele mai noi metode folosite în industria fermentativă în vederea obținerii alcoolului alimentar de calitate superioră în condițiile reducerii duratei de fermentare a plămezii și reducerii de energie termică și electrică.

Procedeul nu prezintă dificultăți tehnice în exploatare, poate fi complet automatizat și permite supravegerea ușoară cu personal de calificare obișnuit. De asemenea, procedeul se pretează la prelucrarea tuturor materiilor prime amidonoase și permite modificări simple în decursul procesului tehnologic. Procedeul cu dispersia plămezii se poate realiza în regim discontinuu sau continuu, funcție de capacitatea de producție.

Prin dispersia plămezii se obțin plămezi ce grad ridicat de gelificare ceea ce permite scurtarea duratei de fermentare, ceea ce conduce la folosirea economicoasă a tancurilor de fermentare și reducerea consumului de energie necesar fermentării.

Prin recircularea plămezii epuizate se valorifică o parte din aceasta, se asigură o acidifiere a plămezii, ceea ce scade necesarul de acid folosit în acest scop, se asigură o parte din substanțele nutritive necesare nutriției drojdiilor și nu în ultimul rând se realizează o o creștere a temperaturii plămezii ceea ce conduce la reducerea necesarului de energie termică.

Aparatul de diapersie nu prezintă pericol de infecție a plămezii, este ușor de igienizat și supravegheat. Volumul său este redus, are posibilități de cuplare directă la cazanul de plămădire, este ușor de reparat și permite adaptarea la diferite materii prime amidonoase.

Procedeul prin dispersia plămezii cu recircularea borhotului este un procedeu ecologic deoarece nu se produc substanțe ce afectează mediul înconjurător, respectiv viața. Procedeul permite perfecționarea și modernizarea în viitor pentru a se asigura tot timpul calitatea produsului finit obținut care să corespundă nivelului calitativ mondial.

Bibliografie

Angelescu, E.: Curs de tehnologia industriilor fermentative. Ed. did. și pedag., București, 1963.

Banu Constantin – Manualul inginerului de industrie alimentară, vol. I, Editura Tehnică, București, 2002;

Banu Constantin – Manualul inginerului de industrie alimentară, vol. II, Editura Tehnică, București, 2002 ;

Cojocaru, C.; Cojocaru, L.: Procedee tehnologice în industria fermentativă. Ed. Tehnică, București, 1969.

Glaub, R., Pieper, H. J. și Senn, Th.: Der Einfluß des Dispergiergrades auf die Alkoholausbeuten von Getreidemaischen. În: Die Branntweinwirtschaft, 136, nr. 19, 1996, p. 294 – 299.

Hopulele, T.: Tehnologia berii, spirtului și a drojdiei, vol. II, Universitatea din Galați, 1980.

Iliescu Gheorghe, Vasile Cornelia – Caracteristici termofizice ale produselor alimentare , Editura Tehnică, București, 1982

Klimovschi, D. H. și Stabnikov, V., H.: Tehnologia spirta. Piscepromizdat, Moscova, 1960.

Klisch, W.: Kontinuierliches zweistufiges Mahlmaischverfahren mit Wärmerückgewinnung. În: Brennerei – Kalender, 40, 1993, p. 351 – 359.

Krell, U. și Pieper, H. – J.: Entwicklung eines Betriebsverfahrens zur acroleinfreien Alkoholproduktion aus stärkehaltigen Rohstoffen. În: Brennerei – Kalender, 42, 1995, p.371 – 391.

Krell, U.: Die Vermeidung der Acroleinbildung bei der Ethanolproduktion aus stärkehaltigen Rohstoffen mittels spezieller Ansäuerung. În: Die Branntweinwirtschaft, 136, nr. 4, 1996, p. 118 – 119.

Mihaly – Cozmuța Anca, Mihaly – Cozmuța Leonard – Fenomene de transfer, Editura Risoprint Cluj Napoca, 2001.

Modoran, D.: Procesarea industrială a malțului, Editura ACADEMICPRES Cluj Napoca, 2004.

Nicolae Filimon – Tehnologia industriei fermentative, Editura Tehnică București, 1978.

Oniscu, C.: Tehnologia produselor de biosinteză. Ed. Tehnică, București, 1978.

Pieper, H. J.: Alkoholproduktion aus Kartoffeln nach dem Hohenheimer Dispergier – Maischverfahren mit Schlempe – Recycling. În: Brennerei – Kalender, 37, 1990, p.285 – 308.

Pieper, H. J.: Biotechnologische Produktion von Alkohol aus landwirtschaftlichen Rohstoffen. În: Brennerei – Kalender, 33, 1986, p.315 – 341.

Pieper, H. J. și Senn, Th.: Die Produktion von Alkohol aus Kartoffeln nach deem Dispergier – Maischverfahren mit Schlempe – Recycling. În Brennerei – Kalender, 38, 1991, p.285 – 322.

Pieper, H.J. și Senn, Th.: Orientierendee Untersuchungen zur druckslosen Verarbeitung von Roggen im ganzen Korn nach einem Dispergier – Maischverfahren (DMV). În Brennerei – Kalender, 32, 1985, p.263 – 278.

Pieper, H., J., Bruchmann, E. – E. și Kolb, E.: Technologie der Obstbrennerei. În: Ulmer Verlag, Stuttgart, 1993.

Rășănescu, I.: Operații și utilaje în industria alimentară, vol. II. Ed. Tehnică, București, 1972.

Rehm, N. -J. și Reed, G.: Biotechnology, vol. 6. Ed. VCH, Weinheim, 1996.

Rotaru, V.: Tehnologia fabricării spirtului și a drojdiei comprimate. Ed. Did. și pedag., București, 1972.

Senn, Th.: Zur biotechnischen Amylolyse schwer aufschliessbarer Getreidearten bei der industriellen Bioethanolproduktion. Dissertation, Universität Hohenheim, 1988.

Tegtmeier, U. și Braun, H.: Rektifizieranlage zur Erzeugung hohreinen Agraralkohols. În: Brennerei – Kalender, 37, 1990, p.309 – 329.

*** Influența proceselor tehnologice asupra calității produselor alimentare, vol.II. Ed. Tehnică, București, 1979.

*** Norme de protecție a muncii pentru industria berii, spirtului, a drojdiei comprimate și a amidonului. Redacția revistelor agricole, București, 1971.

Anexe

Fig 21 Pierderile tehnologice de la fabricarea alcoolului

Copyright Notice

© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.

Acest articol: Sa Se Dimensioneze O Sectie de Obtinere a Alcoolului Rafinat din Porumb 2 (ID: 161400)

Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.

Sa Se Dimensioneze O Sectie de Obtinere a Alcoolului Rafinat din Porumb 2

Copyright Notice

Elemente de Proiectare ale Mecanismului Unui Pod Rulant

Clasa de Inele

Traducatori Si Electrozi

Carbuni Activi Modificati Pentru Eliminarea Hidrogenului Sulfurat DIN Ape

Amplasamentul Si Imprejurimile, Elementele Privind Constructia

Clasa Grafurilor P4 Free. Aplicatii

Copyright Notice

Similar Posts