Tehnologia de Obtinere a Alcoolului de Uz Alimentar

REZUMATUL LUCRĂRII

Lucrarea de față, intitulată „Tehnologia de obținere a alcoolului de uz alimentar” își propune să prezinte în detaliu tehnologia de obținere a alcoolului etilic prin fermentare din materii prime amidonoase.

Lucrarea este structurată în cinci capitole, după cum urmează:

-în primul capitol sunt prezentate caracteristicile materiilor prime și auxiliare folosite pentru obținerea alcoolului de uz alimentar;

-în capitolul 2 se prezintă tehnologia de obținere a alcolului folosind ca materie primă cerealele și cartofii;

-capitolul 3 cuprinde determinarea prin calcul a bilanțului de materiale pentru fiecare operație din fluxul tehnologic. Suplimentar a fost realizat calculul de predimensionare a coloanei de fracționare a alcoolului etilic, calcul prezentat detaliat în capitolul 4;

-în capitolul 5 sunt prezentate normele generale de securitate și sănătate în muncă în instalația de obținere a alcoolului etilic.

CUPRINS

ANEXA 1

ANEXA 2

INTRODUCERE

Rostirea cuvântului "alcool" ne duce cu gândul la spirtul medicinal sau la băuturile spirtoase, însă aceste tipuri de alcooli conțin o anumită substanță organică numită etanol. Alcoolii sunt unii dintre cei mai utilizați și cunoscuți compuși chimici..

Alcoolul etilic – etanolul (spirt) este un alcool alifatic, saturat, monohidroxilic având formula chimică CH3-CH2-OH, acesta luând naștere prin fermentația alcoolică. Este un lichid incolor, inflamabil cu gust și miros specific, punctul de fierbere fiind cuprins in intervalul 78,40C –114,40 C, iar densitatea egală cu 0,7894. Flacăra cu care arde este de culoare albăstruie, formând dioxidul de carbon și apa. Este solubil în apă, alți alcooli, eter, cloroform, benzină și benzen.

Moleculele de etanol atrag mai puternic moleculele de apă, motiv pentru care etanolul amestecat cu apă produce un amestec care are volumul mai mic decât suma celor două lichide luate separat. Puterea atracției dintre moleculele de etanol și apă le împinge mai aproape scăzând volumul amestecului și crescându-i densitatea, în ciuda faptului că etanolul are densitatea mai mică decât cea a apei. Etanolul formează astfel ceea ce se numește un amestec azeotropic cu apa. Chiar dacă punctele de fierbere ale acestor două substanțe sunt diferite, ele se distilează împreună ca un amestec compact la temperatura de 78,1 datorită atracției puternice dintre ele.

Alcoolul etilic se produce în prezent pe plan mondial, în cea mai mare parte prin fermentarea plămezilor care conțin glucide fermentescibile, cu ajutorul drojdiei. Aceasta este baza industrei bauturilor alcoolice, chiar dacă aici se folosesc mult mai multe ingrediente și procesul este realizat cu grijă. Etanolul se poate obține industrial din reacția etenei cu apa prin procesul de hidratare.

Pentru numeroase sectoare alcoolul etilic prezintă o materie primă valoroasă (industria alimentară-folosit pentru fabricarea băuturilor alcoolice și a oțetului; industria chimică-folosit ca dizolvant și pentru obținerea cauciucului sintetic; industria farmaceutică-folosit pentru prebararea unor substanțe precum eter, cloroform; în medicina-folosit ca dezinfectant).

Consumul moderat de alcool etilic are o acțiune excitantă, stimulatoare, însă în cantități mai mari la mesele normale poate conduce la supragreutate și obezitate.

Consumul de etanol mărește sensibilitatea atât față de substanțele toxice industriale – mercur, plumb, arsen, nitrobenzen, anilină, cât și față de medicamente.

DATE DE LITERATURĂ

CAP. 1. MATERII PRIME FOLOSITE ÎN OBȚINEREA ALCOOLULUI ALIMENTAR

Etanolul este o substanță lichidă incoloră, solubilă în apă în orice proporții, alcool obținut prin fermentarea fructelor, cerealelor etc.

Etanolul poate fi obținut din produsele alimentare în timpul fermentării. Multe fructe și/sau alte materii prime cu zaharuri pot fermenta în prezența drojdiei. Cu toate acestea, acest proces nu are loc în mod obișnuit deoarece alimentele ar trebui ținute într-un container care permite eliberares de CO2, dar care reține în același timp oxigenul, oxigenul oprind procesul.

Un bun exemplu în acest sens este pâinea. Prin reacțiile cu drojdia, anumite produse de panificație dospite produc o cantitate mică de etanol.

Etanolul acționează asupra organismului, atât direct cât și prin compușii în care se transformă pe cale enzimatică [1].

Tipuri de materii prime utilizate la fabricarea alcoolului etilic

Clasificarea materiilor prime folosite la fabricarea alcolului etilic este următoarea:

• Materii prime amidonoase:

cereale: orz, grâu, secară, porumb, sorg;

tuberculi: cartofi.

• Materii prime zaharoase:

sfecla și trestia de zahăr;

melasa din sfeclă și trestie;

struguri, fructe, țescovine dulci;

• Materii prime cu conținut ridicat de insulină și lichenină:

rădăcini de cicoare

mușchi de Islanda;

• Materii prime celulozice:

coceni

paie

vrejuri de fasole, mazăre, soia

tulpini de floarea-soarelui

deșeuri forestiere.

În Europa sunt folosite cel mai des ca materii prime cerealele, melasa și cartofii [2].

Cerealele

Datorită productivității mari, obținută în urma cultivării lor pe o suprafață mare, cerealele sunt folosite pe scară largă pentru producția de alcool etilic alimentar.

Compoziția chimică a cerealelor diferă în ceea ce privește conținutul în proteine, lipide, fibră și amidon, o influență mare având-o soiul, condițiile pedoclimatice cât și agrotehnica aplicată.

În tabelul 1.1 se va prezenta compoziția chimică a unor cereale [3a]:

Tabelul1.1 – Compoziția chimică a unor cereale (în %)

Porumbul reprezintă o cereală de bază folosită în economia țării noastre atât în alimentație, ca furaj cât și în industrie.

În prezent suprafața cultivată de porumb ocupă locul doi după grâu, dar din punct de vedre al recoltei obținute, el se situează pe primul loc, având o producție mai mare la hectar.

Este cunoscut un număr mare de soiuri de porumb, acestea deosebindu-se între ele după caracteristicile botanice și economice.

După timpul de vegetație se disting:

– soiuri tardive

– soiuri precoce

Ambele soiuri prezintă productivitate mare și mai mică, cu forme și mărimi diferite ale boabelor, cu boabe diferit colorate, cu structură făinoasă, semisticloasă sau sticloasă.

Pentru fabricarea alcoolului se preferă porumbul cu boabe făinoase (specia Zea mays dentiformis), care se caracterizează printr-un conținut ridicat în amidon și mai scăzut în substanțe proteice.

Endospermul (miezul fãinos), învelișul și germenele (embrionul) sunt părțile componente ale bobului de porumb. Proporția medie a părților componente se prezintă astfel:

81÷85% endosperm,

5÷11% înveliș

8÷14% embrion.

În cazul porumbului, conținutul acestuia în amidon reprezintă cca. 70% din substanța uscată a bobului.

Datorită conținutului ridicat în lipide, care sunt localizate în special în embrion, plămezile din porumb fermentează liniștit aproape fără spumă, ceea ce permite utilizarea la maximum a capacităților de fermentare, iar borhotul rezultat în urma distilării prezintă o mare valoare furajeră [4].

Secara este o cereală care ocupă locul doi în țara noastră , după grâu, dar în unele țări, cum sunt cele din nordul Europei, secara ocupă locul întâi.

Planta de secară face parte din familia gramineelor, cu tulpină înaltă și frunze subțiri, cu lungimea de 13÷20 cm. Inflorescența este un spic cu fecundație alogamă, iar fructul, o cariopsă.

Secara este o cereală puțin pretențioasă la sol și climat.

Bobul de secară are trăsături comune ce cele ale grâului, având însă bobul mai alungit decât acesta, caracterizându-se printr-o culoare verde, galbenă a învelișului.

Din punct de vedere al legăturii straturilor, secara se deosebește de grâu prin învelișul acesteia care are o concreștere mai avansată cu aleuronul și corpul făinos. Suprafața exterioară a bobului de secară prezintă striuri transversale fine, șănțulețul ventral este mai puțin evident decât la grâu, iar perișorii sunt mai puțin dezvoltați. Învelișul bobului de secară este mai gros și mai elastic, motiv pentru care secara se macină mai greu și rezultă mai multă tărâță.

Grâul este folosit în principal la fabricarea făinii de diferite tipuri, a crupelor sub formă de griș și arpacaș, a expandatelor și aplatizatelor de tipul pufarinului și a fulgilor, a pastelor făinoase, glucozei și alcoolului.

Cel mai răspândit soi cultivat în țara noastră este Triticum vulgan (pâine, amidon, glucoză, etc.), urmat în procent mai redus de Triticum durum, pentru paste fãinoase și expandate.

Principalele părți componente ale bobului de grâu sunt: endospermul, învelișul și embrionul.

Endospermul este format din două părți: corpul făinos și stratul aeluronic. Stratul aleuronic înfășoarã miezul făinos cu întrerupere pe porțiunea unde se află germenele. Endospermul reprezintă 78÷82% din bobul întreg.

Conținutul de înveliș al grâului reprezintă circa 6÷8%. La măciniș învelișul face corp comun cu stratul aleuronic care reprezintă și el 6÷8% și se elimină sub formă de tărâță, în procent de 15÷22%.

Embrionul sau germenele este situat lateral, la partea inferioară a bobului, fiind protejat numai de învelișul exterior al acestuia. Embrionul reprezintă între 2÷3% din total. La măciniș germenele se separă odată cu tărâța sau se extrage în mod separat.

Orzul este o cereală din familia Graminaceae, folosindu-se în alimentația omului ca făinuri și arpacaș și a animalelor ca furaj, în scopuri industriale la fabricarea amidonului, alcoolului, dextrinei, glucozei, berii, precum și pentru prepararea unor făinuri și produse în amestec cu făina de grâu, orez, secară și porumb.

Bobul de orz poate fi îmbrăcat sau golaș, de culoare galben aurie, galben deschis, galben roșcat sau cenușiu. Structura endospermului poate fi total sau parțial sticloasă. În medie părțile componente ale orzului sunt: 76,5% endosperm, 13% pleavă, 7,5% aleuron și 3% embrion.

Ovăzul este o plantă anuală din familia gramineelor cu fructul fusiform, îmbrăcat în palee, cu un șanț pe fața inferioară, acoperit pe toată suprafața cu perișori scurți și fini.

Părțile componente ale ovăzului cuprind următoarele proporții medii: 25% pleavă, 3÷4% înveliș, 1,4% stratul aleuronic, 3% embrion, 54% endosperm.

În afară de industria alcoolului, ovăzul este folosit la fabricarea crupelor sub formă granulară, sau fulgi și mai rar la fabricarea unor sorturi de făină care împreună cu făina de grâu, secară sau orz intră în compoziția unor sortimente de panificație. Produsele de ovăz sunt destinate în special copiilor, vârstnicilor și în unele cazuri intră în dieta unor persoane suferinde [5].

Cartofii

Cartoful (Solanum tuberosum) este originar din America de Sud, plantă erbacee anuală, cultivată îndeosebi în zonele cu climă temperată și soluri nisipoase.

În România se produc soiuri timpurii (Carpatin), soiuri semitimpurii (Brașoveanu), soiuri semitârzii (Colina, Mãgura) și soiuri târzii (Uran).

În țara noastră se folosește la fabricarea alcoolului excedentul de cartofi industriali rezultați din regiunile mai importante de cultivare (județele Suceava, Covasna, Harghita).

Pentru industrializare se preferă soiurile tardive de cartofi, cu o perioadă mai lungă de

vegetație, de circa 130 zile, care acumulează o cantitate mai mare de amidon și au o rezistență mai bună la depozitare [6].

Pentru fabricarea alcoolului interesează în primul rând conținutul în amidon, care variază între 14 și 22%.

În locul conținutului în amidon se folosește în prezent termenul de substanță fermentescibilă, care rezultă prin hidroliza totală a materiei prime cu enzime adecvate și determinarea glucozei formate.

În tabelul 1.2 se prezintă compoziția chimică medie a tuberculilor de cartofi [3b]:

Tabelul 1.2 – Compoziția chimică a tuberculilor de cartofi

Melasa

Prin melasă se înțelege ultimul reziduu care rămâne de la fabricarea zahărului, în urma cristalizării repetate a zaharozei și din care nu se mai poate obține economic zahăr prin cristalizare.

Caracteristici fizico-chimice

Melasa se prezintă sub forma unui lichid vâscos, de culoare brună-neagră, cu miros plăcut de cafea proaspăt prăjită și un gust dulce-amărui.

Reacția melasei este, de regulă, ușor alcalinã.

Compoziția chimică a melasei variază în funcție de materia primă folosită la fabricarea zahărului (sfeclă sau trestie de zahăr) și de procesul tehnologic aplicat în fabricile de zahăr.

La obținerea etanolului se folosește însă și trestie de zahăr obșinută din diferite soiuri de sorg, care, supusă unui tratament cu acid diluat, la o temperatură moderată și urmată de o detoxifiere, demonstrează o îmbunătățire a cineticii de fermentare și a randamentului de alcool [7].

Avantajul melasei din sfecla de zahăr este acela că favorizează obținerea unui produs de culoare mai deschisă, în schimb conține betaină ce nu este asimilată de către drojdie și astfel prin deversarea apelor reziduale crește consumul biochimic de oxigen. De asemenea poate fi deficitară în biotinã, vitamină necesară creșterii drojdiilor.

Melasa din trestie de zahăr este bogată în biotină, în schimb biomasa de drojdie obținută are o culoare mai închisă, încât sunt necesare operații suplimentare de spălare.

La noi în țară se preferă utilizarea melasei din trestie de zahăr la fabricarea alcoolului.

În tabelul 1.3 se evidențiază compoziția chimică a melasei [3c].

În practică, concentrația în substanță uscată a melasei se exprimă în grade Balling (Bllg) sau Brix (Bx), acestea reprezentând procente masice de substanță uscată dizolvată.

Glucidele din melasa de sfeclă de zahăr sunt reprezentate în cea mai mare parte din zaharoză, alături de care se mai găsesc cantități mici de rafinoză și zahăr invertit. Un procent mai ridicat de 1% denotă contaminarea melasei cu microorganisme care produc invertirea zaharozei.

Tabelul 1.3. – Compoziția chimică a melasei din trestie și sfeclă din zahăr

Nezahărul melasei cuprinde atât substanțe organice (substanțe azotoase și neazotoase) cât și săruri minerale.

Substanțele azotoase sunt reprezentate în special prin produse de descompunere a proteinelor și în mai mică măsură prin proteine macromoleculare. Dintre acestea în cantitatea cea mai mare se găsește betaina, care poate ajunge până la circa 5% față de melasă. Acidul glutamic este aminoacidul care se află în cantitatea cea mai mare.

Cantitatea de substanțe azotoase, exprimate sub formă de azot total variază între 1,2 și 2,4%, azotul asimilabil reprezentând 0,4÷0,6%, cantitate insuficientă pentru nutriția drojdiei. Din această cauză, atât la fabricarea alcoolului cât și a drojdiei este absolut necesară adăugarea de săruri de azot sub formă de sulfat de amoniu, fosfat de amoniu, apă amoniacală, uree, ș.a. [8].

Substanțele neazotoase cuprind: pectine, hemiceluloze și produsele lor de hidroliză (arabinoză și galactoză) și săruri ale acizilor organici.

Dintre vitamine s-au găsit în melasa din sfecla de zahăr, tiamina, piridoxina și acidul pantotenic. Conținutul melasei în vitamine prezintă o mare importanță la fabricarea

alcoolului și mai ales a drojdiei.

Sărurile minerale se află în proporție de 6÷8% față de melasă și sunt reprezentate de săruri de K, Na, Ca și Mg ale acizilor carbonic, sulfuric, fosforic, ș.a.

Un loc aparte în compoziția melasei îl ocupă coloizii de natură proteică, pectică, melanoidinică, care împiedică funcționarea normală a celulei de drojdie și produc o spumă abundentă, nedorită, în linurile de fermentare, motiv pentru care este necesară limpezirea melasei.

Melasa mai conține substanțe colorante, care se compun din melanoidine, melanine, caramel, cât și suspensii formate prin coagularea coloizilor și precipitarea unor săruri anorganice și organice.

Compoziția și calitatea melasei diferă de la fabrică la fabrică și chiar în cadrul aceleași campanii, în raport cu:

– calitatea sfeclei de zahăr;

– natura solului pe care a fost cultivată sfecla de zahăr;

– cantitatea și calitatea îngrășămintelor aplicate solului;

– factorii meteorologici și climatici;

– procesul tehnologic de extracție a zahărului;

– condițiile de depozitare a melasei.

Materii auxiliare utilizate la fabricarea alcoolului etilic

Malț verde

Malțul verde este folosit ca agent de zaharificare în tehnologia alcoolului din materii prime amidonoase, datorită enzimelor amilolitice acumulate în timpul germinării. Fabricarea malțului verde pentru alcool este mai simplă în comparație cu producerea malțului pentru bere, deoarece în acest caz interesează în principal obținerea unei activități amilazice cât mai ridicate. Procesul tehnologic de obținere a malțului verde este asemănător cu malțul pentru bere, dar durata de germinare este mai mare [9].

Se folosește pentru conținutul său în enzime amilolitice, enzime de lichefiere și zaharificare a plămezilor.

Din punct de vedere al calității, malțul verde se apreciază după:

– aspectul exterior;

– activitatea α – amilazică (unități SKB care reprezintă grame de amidon solubil, dextrinizat de către 1 g malț verde, timp de 60 minute, la 20°C, în prezența unui exces de α- amilază);

– activitatea β – amilazică (unități Windisch-Kolbach – °WK), care reprezintã grame de maltoză rezultată prin acțiunea extractului provenit din 100 g malț verde asupra unei soluții de amidon solubil 2%, în timp de 30 minute, la 20°C și la pH = 7,4.

Dozarea rațională a malțlui verde la zaharificarea plămezilor din materii prime amidonoase trebuie să se facă în funcție de capacitatea sa amilolitică.

Întrucât de obicei acționează ca factor limitativ activitatea α-amilazei, aceasta este cea care se ia în calcul la stabilirea cantității necesare de malț verde.

Astfel, în funcție de activitatea α-amilazică a malțului verde se poate calcula cantitatea necesarã cu ajutorul formulei lui Pieper:

(1)

în care:

Mv – cantitatea de malț verde necesară pentru 100 kg materie primă amidonoasă, în kg;

Ca . cifra de amilază, constantă specifică pentru fiecare tip de materie primă ( de exemplu, Ca = 1054 pentru porumb și Ca = 1001 pentru grâu);

A – conținutul în amidon al materiei prime , în %;

α – activitatea α-amilazică a malțului verde în SKB.

Plecând de la această formulă, Pieper a întocmit tabele care indică cantitățile optime de malț verde pentru diferite materii prime amidonoase, în funcție de conținutul de amidon și de activitatea α-amilazică.

De exemplu, pentru un porumb cu 60% amidon și un malț verde cu activitatea α-amilazică de 50 unități SKB, cantitatea de malț verde necesară va fi:

porumb

Mărunțirea malțului verde. Înainte de utilizarea sa la zaharificare, malțul verde trebuie să fie cât mai bine mărunțit, astfel încât enzimele să fie trecute integral în soluție și să poată acționa cât mai repede asupra amidonului în cadrul operației de zaharificare.

Mărunțirea malțului se poate efectua în două moduri:

– în stare uscată – cu ajutorul zdrobitoarelor cu valțuri și a mașinilor de tocat cu cuțite;

– în stare umedă – cu ajutorul morilor centrifugale sau a morilor cu ciocane, când se adaugă apă la măcinare.

Măcinarea uscată este un procedeu mai vechi, care nu se mai practică în prezent în fabricile de alcool datorită manoperei ridicate și faptului că în timpul măcinării produsul se încălzește, favorizându-se dezvoltarea microorganismelor aderente. Aceste dezavantaje eliminându-se prin mărunțirea umedă a malțului prin care se realizează, în afară de operația de mărunțire propriu-zisă și trecerea enzimelor în soluție.

Pentru măcinarea a 100 kg malț verde sunt necesare 250-300 l apă. Pentru evitarea contaminării cu microorganisme în cursul zaharificării datorită încărcăturii microbiologice a malțului verde, laptele de slad ( malț) obținut se poate dezinfecta prin adaos de soluție de formalină 10% în cantitate de circa 3 litri la 1000 l lapte de slad cu cel puțin 30 minute înainte de utilizare. Aldehida formică este eficientă numai în primele ore de fermentare, deoarece în continuare este oxidată până la acid formic sau redusă până la metanol.

Preparatele enzimatice microbiene

Însușirea anumitor mucegaiuri și bacterii de a produce în cursul dezvoltării lor, ca de altfel și cerealele care germinează enzime amilolitice este de mult timp cunoscută în țările din Asia, în special Japonia și China.

Primul procedeu de zaharificare a porumbului pentru obținerea alcoolului, care s-a bazat pe folosirea enzimelor microbiene, procedeul Amylo, a apărut la sfârșitul secolului trecut în Franța, servindu-se de o cultură pură din mucegai Amylomyces rouxii, ca agent de zaharificare în locul malțului. La scurt timp, japonezul Takamin a obținut pe un mediu cu tărâțe de grâu prin cultivarea mucegaiului Aspergillus oryzae, un preparat enzimatic brut, din care, prin extracție cu apă și precipitare cu etanol, a rezultat un preparat enzimatic brut cu activitatea amilazică ridicată denumit takadiastază.

Aceste rezultate au reprezentat începutul fabricării enzimelor tehnice din microorganisme. Odată cu apariția procedeelor submerse de cultivare a mucegaiurilor și bacteriilor, după 1945 a fost posibilă obținerea de enzime microbiene la scară industrială mare.

Preparatele enzimatice de origine microbiană care trebuie să conțină enzimele de degradare a amidonului la glucide fermentescibile, se pot utiliza în urmãtoarele scopuri:

– pentru lichefierea prealabilă a materiilor prime în vederea zaharificării;

– pentru înlocuirea parțială a malțului;

– pentru înlocuirea totală a malțului.

Avantajele preparatelor enzimatice:

– sunt mai sărace în microorganisme dăunătoare;

– se obțin randamente mai ridicate în alcool deoarece pot hidroliza și alte poliglucide;

– sunt necesare spații mai reduse de depozitare și transport;

– se economisesc cheltuieli legate de producerea și mărunțirea malțului verde.

Speciile de microorganisme utilizate pentru obținerea preparatelor enzimatice sunt cele din genul Bacillus cu speciile Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus sthearothermophillus, care produc α-amilaze termorezistente, active chiar la 90÷100°C, astfel fermentația este protejată și sunt inactivate microorganismele contaminante. Mucegaiurile selecționate pot produce α-amilaze și glucoamilaze folosite pentru zaharificarea plămezilor amidonoase sub formă de preparate brute. Se folosesc mucegaiuri din genul Aspergillus cu speciile Aspergillus oryzae, Aspergillus niger, Aspergillus awamori, Aspergillus usamii. Poate produce glucoamilaze și drojdia Saccharomycopsis fibuligera (Endomycopsis fibuliger).

Preparatele enzimatice brute se adaugă în proporție de circa 10% în plămada ce urmează a fi zaharificată, care trebuie răcită la temperatura de 60°C. La această temperatură se menține o pauză de zaharificare de o oră dupã care se răceșe plămada la 25÷30°C și se însămânțează cu drojdie.

Creșterea de randament în alcool care se obține prin folosirea preparatelor enzimatice microbiene se datorează faptului că acestea hidrolizează până la glucide fermentescibile, substanțe care în mod normal la zaharificare cu malț nu suferă transformări. Există anumite materii prime ( exemplu, făina de manioc) la care pentru asigurarea unei bune zaharificări și obținerea unor randamente optime în alcool sunt posibile numai prin folosirea de preparate enzimatice microbiene.

Este însă necesar ca la utilizarea lor să se țină seama de condițiile optime de acțiune (pH, temperatură) în funcție de tipul de enzime pe care le conțin, astfel încât potențialul lor enzimatic să fie folosit integral [10].

Există mai multe firme care comercializează în prezent preparate enzimatice de origine microbiană cu utilizare în industria alcoolului: NOVO-NORDINSK (Danemarca), SOLVAY-HANOVRA (Germania). Fiecare produs comercializat este însoțit de o fișă tehnică în care sunt prezentate caracteristicile principale, domeniul de activitate enzimatică, doza de folosire și condițiile de depozitare și păstrare.

În afară de preparatele enzimatice amilolitice prezentate, se mai pot folosi, în funcție de materiile prime prelucrate, și alte preparate enzimatice: proteaze, β-glucanaze, pentozanaze, ș.a. [11].

Substanțe antispumante

La fabricarea alcoolului se formează cantități mari de spumă datorită coloizilor din melasă care se dispun la suprafața bulelor de aer care barbotează în mediu, stabilizând spuma formată. Cu cât melasa este mai bogată în substanțe coloidale și deci insuficient limpezită cu atât cantitatea de spumă formată este mai mare.

Substanțele antispumante se utilizează pentru împiedicarea formării spumei sau pentru distrugerea spumei deja formate.

Ca antispumanți se utilizează acidul oleic, uleiul siliconic, octadecanolul, polipropilenglicolul, hidrocarburi parafinice.

Substanțele antispumante folosite trebuie să fie inofensive pentru drojdie sau chiar asimilabile, să nu producă murdărirea utilajelor și conductelor tehnologice.

Acidulanți pentru plămada din cereale și cartofi sau melasă

Acidul sulfuric

Acidul sulfuric se utilizează pentru corectarea pH-ului mediilor de cultură. Are o concentrație de circa 96÷98% substanță pură. Se folosește acid sulfuric obținut prin procedeul de contact care conține o cantitate redusă de arsen de max. 10 mg/kg. Este interzis să se toarne apă în acid, ci în mod treptat acid în apă, sub agitare, deoarece la diluarea acidului sulfuric se dezvoltă o cantitate mare de căldură.

Substanțe nutritive

La fabricarea alcoolului este necesară adăugarea de substanțe nutritive care conțin azot, fosfor, magneziu cât și factori de creștere pentru a compensa deficitul substratului în aceste substanțe.

Fosfatul diamoniacal tehnic (îngrășământul complex), se utilizează ca sursă de fosfor și azot asimilabil în procesul de multilplicare a drojdiei. Este un amestec de mono și diamonofosfați, (NH4)H2PO4 și (NH4)2HPO4, cu un conținut foarte ridicat de fosfor și de azot. Este solubil în apă și insolubil în alcool etilic. Soluția apoasă 1% are pH-ul = 4,7, iar soluția saturată are pH-ul = 3,1. Produsul trebuie să conțină minimum 95 % substanță pură, max. 3 mg As/kg, max. 10 mg Pb/kg și max. 20 mg/kg alte metale grele [12].

Factori de creștere

Pentru multiplicare, drojdiile sunt dependente de prezența în mediul de cultură a unor substanțe numite factori de creștere.

Biotina intervine în multe din reacțiile metabolismului glucidelor și azotului și în biosinteza proteică (în carboxilarea acidului piruvic, în sinteza acizilor nucleici, în formarea bazelor purinice și pirimidinice) și în sinteza acizilor grași. Celula de drojdie nu este capabilă să sintetizeze biotina, dar prezența ei în mediu este necondiționat legată de o producție rentabilă. Cerința drojdiei în biotină scade parțial la prezența în mediu a aminoacizilor dicarboxilici (acid aspartic și acid glutamic). Eficacitatea aminoacizilor se mărește în condiții de aerare intensă.

Acidul pantotenic influențează metabolismul drojdiilor atât în condiții aerobe cât și anaerobe. El participă în transferul grupării acyl, ca un component al coenzimei A, în metabolismul glucidelor și al acizilor grași.

Inositolul stimulează creșterea drojdiilor, deficitul în inositol producând o slăbire a metabolismului glucozei atât în condiții aerobe cât și anaerobe. Inositolul, în special atașat de lipide, acționează ca un component structural. Activitatea fosfofructokinazei este afectată de deficitul în inositol.

Tiamina – Celula de drojdie este capabilă să sintetizeze tiamina în prezența ATP și ionilor de magneziu, totuși adaosul de tiamină în mediu stimulează suplimentar creșterea culturii. Tiamina este termostabilă rezistând la sterilizarea mediului.

Piridoxina participă la decarboxilarea, dezaminarea și transaminarea aminoacizilor absorbiți, iar acidul paraaminobenzoic la fixarea polipeptidelor.

Riboflavina este sintetizată de către toate drojdiile. Derivații riboflavinei, cum ar fi flavinadenindinucleotidul (FAD), flavinmono-nucleotidul(FMN) sunt cofactorii multor oxidoreductaze și joacă un rol important în reacțiile de oxidoreducere. Riboflavina este termostabilă. Atunci când celulele de drojdie de panificație sunt transferate din condiții anaerobe de cultură în condiții aerobe, în timpul propagării industriale, conținutul de riboflavină crește, iar creșterea este maximă în faza de creștere semiaerobă [13].

Substanțe antiseptice și dezinfectante

La fabricarea alcoolului sunt folosite o serie de substanțe cu acțiune antiseptică sau

dezinfectantă.

Substanțele antiseptice se folosesc pentru combaterea microorganismelor de contaminare în cursul fermentației plămezilor, în doze bine stabilite, la care să nu fie influențată negativ activitatea fermentativă a drojdiei.

Dintre antisepticii mai des utilizați sunt acidul sulfuric, formalina și pentaclorfenolatul de sodiu.

Prin adăugare de acid sulfuric în plămezile de drojdie este creată o aciditate ridicată care inhibă dezvoltarea bacteriilor de contaminare, în timp ce activitatea drojdiei este puțin influențată.

Formalina se folosește ca antiseptic în special la fermentarea plămezilor din cereale și cartofi, fiind utilizată în doze de 0,015÷0,02% față de plămadă.

Pentaclorfenolatul de sodiu se utilizează ca antiseptic la fermentarea plămezilor de melasă în cantități de 60÷90 g/tona de melasă, sub forma unei soluții alcoolice cu concentrația de 12÷17% substanță pură. Prin adaos de pentaclorfenolat de sodiu se pot fermenta plămezile din melasă fără sterilizare termică. Nu se recomandă folosirea acestui antiseptic atunci când din borhotul obținut de la fabricarea alcoolului din melasă urmează să se producă drojdie furajeră, deoarece antisepticul se acumulează în drojdie și este dăunător pentru animale și păsări.

Substanțele dezinfectante cele mai des utilizate pentru combaterea microflorei de contaminare la fabricarea alcoolului sunt: formalina, clorura de var, laptele de var, soda caustică și soda calcinată.

Formalina se folosește ca dezinfectant în soluții cu concentrația de 3÷5% aldehidă formică și chiar până la 10% pentru dezinfectarea conductelor și utilajelor tehnologice. Fiind o substanță volatilă, se sporește eficiența ei prin introducere de abur în urma tratamentului cu formalină.

Clorura de var se folosește sub formă de suspensie în apă cu concentrația de 1-3%, cu care se stropesc suprafețele utilajelor și încăperilor tehnologice.

Celelalte substanțe se folosesc în concentrații asemănătoare de 1,5÷5% [14].

CAP. 2. TEHNOLOGIA DE OBȚINERE A ALCOOLULUI DE UZ ALIMENTAR

Fabricarea alcoolului din cereale și cartofi

La fabricarea alcolului etilic sunt necesare anumite operații tehnologice prezentate în figura 2.1 [3d].

Fig. 2.1. Schema tehnologică de fabricare a alcoolului din cereale și cartofi

(procedeu fără fierbere sub presiune)

2.1.1. Recepția materiilor prime

Recepția materiilor prime se face cantitativ prin cântărire și calitativ – la cereale și cartofi prin determinarea conținutului de amidon, iar la melasă prin determinarea zaharozei.

Conținutul de amidon din cartofi și cereale se determină cu ajutorul nomogramelor sau polarimetric. În cazul cartofilor se poate folosi și balanța de amidon sau relația (2):

(2)

Conținutul de zahăr al melasei se determină polarimetric (direct sau cu invertirea zaharozei) sau prin metoda chimică (cu soluție Müller).

2.1.2. Depozitarea materiilor prime

Depozitarea cerealelor și cartofilor este o operație costisitoare, implicând imobilizarea spațiilor, mijloacelor circulante, consumurilor de utilități și a forței de muncă.

Pe parcursul depozitării au loc pierderi masice și de amidon, fiind cu atât mai mari cu cât umiditatea materiei prime si temperatura sunt mai mari. Pierderile masice pentru cereale sunt prezentate în tabelul 2.2, iar în tabelul 2.3 se prezintă pierderile masice pentru cartofi [3e].

Tabelul 2.2 – Pierderi la depozitarea cerealelor

Depozitarea cerealelor se poate face în magazii având capacitatea de 1500-5000 t și în silozuri metalice, cu diametrul de 6,5m și înălțime de 26m, cu capacitate de 690 t/celulă.

Depozitarea cartofilor este posibilă în șanțuri cu profil triunghiular, silozuri cu secțiune triunghiulară sau trapezoidală (cu înălțimea de 1,5-2 m), magazii cu capacitatea de 16-20 t, depozite cu ventilație mecanică (capacitate de 1500-2000 t).

Depozitarea melaselor se realizează în rezervoare metalice, de formă cilindrică, prevăzute cu conducte de alimentare/evacuare și cu serpentină de încălzire. Condiții de depozitare a melasei: temperaturi mai mici de 40 °C si pH de minimum 6,5. Rezervoarele de depozitare a melasei se dezinfectează cu soluții formol 30% înainte de introducere [15].

2.1.3. Pregătirea materiilor prime

Pregătirea cerealelor constă în precurățire pentru îndepărtarea impurităților mari sau mai mici decât cerealele (nisip, paie, pietre, fragmente de spic, pamânt, impurități metalice). Precurățirea se realizează cu tarare-aspiratoare, iar curîțirea finală cu ajutorul trioarelor (simple-lente, rapide sau ultratrioare, combinate, cu discuri). Impuritățile metalice (sârme,cuie, șuruburi) se îndepărtează cu separatoare magnetice, dupa finalizarea precurățirii.

Pregătirea cartofilor:

-spălare -pentru îndepărtarea pământului aderent, a nisipului și a unei părți importante din microbiota de contaminare; se realizează într-o mașină orizontală (diametrul de 1,5 m și lungimea de 3 m) prevăzută cu un agitatorcu palete.

-îndepărtarea pietrelor și a părților verzi rămase de la recoltare.

2.1.4. Mărunțirea materiilor prime

Operația de mărunțire este necesară când cerealele și cartofii se prelucrează printr-unul din procedeele fără presiune. În cazul acesta mărunțirea este necesară pentru obținerea randamentelor maxime în alcool, cu un consum minim de energie. Energia electrică pentru mărunțire, în cadrul acestor procedee, este de 20-40 MJ = 5-10 KWh/hL alcool etilic. Cu următoarea relație se calculează energia electrică necesară mărunțirii:

[KWh] (3)

în care:

– masa materiei prime ce se supune mărunțirii (t);

– constantă care depinde de proprietățile materiei prime și de transformarea energiei în moară ( = 0,26-0,35 pentru tuberculi și = 0,6-0,8 pentru cereale boabe)

– – raportul de mărunțite

– mărimea inițială a materiei prime (mm)

– mărimea finală a măcinăturii (mm)

Temperatura de începere a gelatinizării, producția de alcool etilic și cantitatea de amidon negelatinizat sunt influențate de dimensiunile măcinăturii.

În tabelul 2.4 se prezintă corelația dintre dimensiunile măcinăturii și temperatura de începere a gelatinizării [3f].

Tabelul 2.4 – Corelația dintre dimensiunile măcinăturii și temperatura de începere a gelatinizării

În tabelul 2.5 se prezintă corelația dintre dimensiunile măcinăturii și producția de alcool etilic [3].

Tabelul 2.5 Corelația dintre dimensiunile măcinăturii și producția de alcool etilic

În tabelul 2.6 se prezintă corelația dintre dimensiunile măcinăturii și procentajul de amidon negelatinizat.

Tabelul 2.6 Corelația dintre dimensiunile măcinăturii și procentajul de amidon negelatinizat

La mărunțirea cartofilor, mărimea finală a particulelor trebuie să fie de 50 – 100 μm , iar procentul de particule cu mărimea de peste 1 μm trebuie să fie de maximum 3 %.

Mărunțirea insuficientă a materiei prime poate conduce la pierderi în alcool de până la 20 L/ tona de cereale sau chiar mai mult.

Pentru mărunțirea cerealelor sunt folosite trei grupe de procedee :

–          măcinarea uscată

–          măcinarea umedă

–          măcinarea uscată și umedă ( în două trepte)

Măcinarea uscată. Pentru acest tip de măcinare se folosesc mori cu ciocane cu sită de 1 – 2 mm. De la moară , faina ajunge într-un buncăr de faină, din care este trecută în cazanul de zaharificare.

Măcinarea uscată este practicată de fabricile mici de alcool, prezentând avantaje și dezavantaje.

Avantaje:

se pot măcina boabe de mărimi diferite;

măcinătura este destul de fină și permite hidratarea ușoară;

operație de măcinare simplă;

întreținerea mașinii este simplă și necostisitoare.

Dezavantaje:

consum mare de energie la pornire;

formarea prafului care nu este igienic și prezintă pericol de explozie;

necesitatea de a avea un siloz pentru faină;

formarea unor cocoloașe la plămădire care pot reprezenta o sursă de infecție și de pierderi;

nivel mare de zgomot, necesitând izolație fonică în jurul mșinii.

Măcinarea umedă se poate realiza cu:

a) Moară cu valțuri (o pereche) în două variante:

-condiționarea cerealelor cu apă caldă la 50 – 70°C, umectarea cojii ajungând la 20%;

-înmuierea cerealelor în apă timp de 10 -30 min și temperatura de 30 – 50°C.

b) Mori speciale cu ciocane, alimentate cu cereale, apă de plămădire și enzime de fluidificare.

Comparând măcinarea umedă cu măcinarea uscată, cea umedă prezinta avantajul ca nu se formează praf și cocoloașe, procedeul  pretându-se  și pentru mărunțirea cerealelor cu umiditate ridicată, conservate în silozuri ermetice.

Măcinarea uscată și umedă (2 trepte). Printr-o simplă măcinare uscată sau umedă nu se poate obține granulația dorită a măcinișului, proces ce conduce la o zaharificare incompletă și la micșorarea randamentului în alcool. Din acest motiv este recomandată mai întâi o măcinare uscată cu ajutorul unei mori cu ciocane, cu sita cu ochiuri mai mari, urmând ca cea de a doua mărunțire umedă să fie făcută după fluidificare, într-o moară cu discuri. Prin această mărunțire în două trepte, necesarul de energie se poate reduce până la 16 kWh /tona de cereale [16].

2.1.5. Fluidificarea plămezii

Scopul fluidificării plămezii este acela de a transforma hidrotermic amidonul (gelatinizarea) care cuprinde trei faze:

umflarea (hidratarea) granulei de amidon;

gelatinizarea granulei în care granulele se fisurează și o parte din amiloză trece în soluție;

solubilizarea completă a amilozei care are loc atunci când se depășește temperatura de gelatinizare, rezultatul final fiind un sistem bifazic format dintr-o soluție vâscoasă de amiloză în care sunt dispersate așa-numitele granule „fantomă” de amilopectină.

Calitatea plămezii fluidificate depinde de felul fierberii: fără presiune și sub presiune. În cazul fierberii sub presiune este solubilizată toată amiloza.

Pentru fierbere se utilizează cazane simple în care se execută și lichefierea zaharificarea, aparate de fierbere sub presiune cu funcționare discontinuă și continuă tip Henze [3g].

2.1.6. Lichefierea – dextrinizarea plămezii gelatinizate

Aceasta este o operație realizată cu ajutorul α-amilazelor – enzime de lichefiere-dextrinizare.

Fabricarea alcoolului din cereale și cartofi se poate face prin două grupe de procedee de gelatinizare și lichefiere-zaharificare [3g]:

– cu fierbere sub presiune a materiei prime;

– fără fierbere sub presiune a materiei prime.

Procedee cu fierbere sub presiune a materiei prime

În această situație se utilizează α-amilaze normale, iar eliberarea amidonului din materia primă și gelatinizarea acestuia în prezența apei au loc la temperaturi mai mari de 100° C. Materia primă este folosită nemăcinată în cazul procesului discontinuu și măcinată la fierberea sub presiune continuă.

Reprezentantul acestor procedee este procedeul HPCP (High Pressure Cooking Process).

În figura 2.7 este prezentată instalația în care are loc procesul tehnologic al acestui procedeu [3g].

Fig. 2.7. Schema tehnologică a instalației HPCP (fierberea sub presiune)

Descrierea procesului tehnologic al procedeului HPCP [3]:

-fierberea materiei prime nemăcinate are loc în fierbătorul 1, prin încălzirea cu abur care se trimite în partea inferioară a fierbătorului;

-în funcție de materia primă, pe măsura încălzirii, presiune din fierbător ajunge la 4,5-6 bar (140-150°C);

-plămada fiartă se trece în cazanul 2, cazan de lichefiere-zaharificare;

-pentru lichefiere se folosește α-amilază termostabilă, introdusă în cazan înainte de descărcarea plămezii din fierbător;

-după lichefiere, plămada este răcită la 60-65°C și zaharificată cu amiloglucozidaza;

-urmează racirea plămezii zaharificate la 35°C și pomparea ei cu pompa 3 în tancul de fermentare 4, loc unde se însămânțează drojdie.

-fermentarea are loc 3 zile la 32-36°C, apoi plămada este trimisă cu pompa 5 în distilatorul 6, de unde rezultă vapori de alcool care se condensează în condensatorul 7.

Procedeele clasice de producere a alcoolului din cereale și cartofi se bazează pe fierberea sub presiune a materiei prime, care se face în scopul gelificării și solubilizării amidonului , astfel încât acesta să poata  fi atacat de către amilaze la zaharificare.

Dezavantajele acestor procedee:

–          consum ridicat de energie termică (600 – 800 MJ/hL alcool absolut)

–          modul de lucru este , de regulă , discontinuu cu posibilități reduse de recuperare a căldurii

–          datorită solicitării termice  ridicate a materiei prime ( 150…165°C) se formează melanoidine și caramel

–          plămezile obținute nu sunt omogene , iar borhotul rezultat are o valoare furajeră mai scăzută.

Procedee de fierbere fără presiune a materiei prime

Procedee care lucrează prin infuzie:

-procedeul KMV (Cold Mash Process);

-procedeul GLS (Grosse-Lohmann-Spradau);

-procedeul de măcinare și gelatinizare la temperaturi mai mari (MMP).

Procedee care lucrează cu reciclare:

-procedeul cu reciclare a borhotului (DMP);

Procedee cu recuperarea căldurii din borhot:

-procedeul Westphal.

Procedeul KMV (Cold Mash Process) prezentat in figura 2.8 se folosește în special pentru cerealele (grâu, secară) care au o activitate amiolitică bună, contribuind la lichefierea și zaharificarea parțială a amidonului conținut. Aceste procese se desfășoară în cazanul de zaharificare 2 care este dotat cu agitatorul 1. Măcinătura fină obținută în urma măcinării uscate se amestecă cu apă în cazanul 2 la temperatură mai mică de 15°C. Plămada se lasă peste noapte la rece pentru hidratare, iar pH-ul se ajustează în limitele 5,6-5,8. Când este cazul se adaugă și o enzimă de lichefiere bacteriană. După scurgerea a 48 ore, plămada se încălzește la 50°C cu abur direct timp de 3 minute, pentru pauza proteolitică, apoi este încălzită la 58-60°C timp de 60 min, în vederea lichefierii și zaharificării. După ce are loc lichefierea-zaharificarea plămezii dulci, aceasta este răcită la 35°C și trimisă în fermentatorul 3 unde este însămânțată cu drojdie. Durata fermentației este de trei zile, după care urmează distilarea în distilatorul 4, iar transportul se realizează cu pombele 5.

Fig. 2.8 Schema tehnologică a instalației KMV

Procedeul GLS (Grosse-Lohmann-Spradau) prezentat in figura 2.9 este mai puțin recomandat pentru porumb și cerealele măcinate pe cale uscată. Se recomandă în special pentru cartofi. Cu transportorul 1 se aduce materia primă la moara cu ciocane 2 prevăzută cu site cu ochiuri. La începerea lucrului, în aparatul Henze, se introduce apă necesară plămădirii la temperatura de 50°C și enzima de lichefiere. Apa care conține și preparatul enzimatic este recirculată de jos în sus cu ajutorul pompei 5 și intră în conducta prin care se aduce cu ajutorul pompei 3 și măcinătura. Amestecul măcinătură+apă+enzimă este distribuit în aparatul Henze prin distribuitorul 6. Plămada se încălzește cu abur direct atât în conducta de transport măcinătură, cât și în partea de jos a conului aparatului, până la temperatura de 90°C, pompele 3 și 5 fiind în funcțiune. Când aparatul este umplut până la cota maximă se stopează acțiunea morii cu ciocane și a pompelor 3 respectiv 5, iar temperatura plămezii se menține la 90°C timp de o oră, în vederea gelatinizării și zaharificării. După ce are loc lichefierea, plămada se transportă cu pompa 5 în cazanul de zaharificare 7 unde se răcește la 55°C, se adaugă enzima de zaharificare (o amiloglucozidază), pauza de zaharificare fiind de 15-30 min. Urmează răcirea plămezii zaharificate la 35°C si transferarea ei la un fermentator unde se adaugă drojdie pentru fermentare.

Fig. 2.9 Schema tehnologică a instalației GLS

Procedeul DMP este prezentat în figura 2.10 și are drept caracteristică reciclarea borhotului și dispersarea măcinăturii cu un aparat de dispersie de tip rotor/stator. Acest procedeu face posibilă prelucrarea cerealelor și a cartofilor sub formă de măcinătură grosieră sau ca atare. Când se realizează mai multe plămădiri, instalația funcționează cu două cazane prevăzute cu agitator și dispozitiv de dispersare rotor/stator. Mai este necesară și o moară cu ciocane prevăzută cu sită cu ochiuri, pentru măcinare grosieră. Procesul tehnologic decurge astfel: de la distilatorul 11 rezultă un borhot care este preluat cu pompa 1 și trimis în tancul decantor 2, unde se separă faza solidă și faza lichidă după aproximativ 3-5 ore. În cazul secarei și a grâului cantitatea de fază lichidă este de 50% din totalul borhot, în schimb în cazul porumbului este de 70%. Borhotul rezultat în urma prelucrării cartofilor este în proporție de 15% pentru reciclare. Cu pompa 3 se preia faza lichidă și se trimite la cazanele 4, folosite pentru lichefiere și zaharificare. Aceste cazane sunt prevăzute cu agitatoarele 5 și dispozitivele de dispersare 6. Măcinătura grosieră de la moara cu ciocane 12 se amestecă cu puțină apă și se trimite cu pompa 13 tot în cazanele 4. Aici este adusă și apa împreună cu enzimele de lichefiere. Prin injectarea de abur, plămada aflată în cazanele 4 este adusă la temperatura de lichefiere, cu dispozitivul de dispersare în funcțiune, pentru dezintegrarea măcinăturii și eliberarea amidonului. În momentul în care se consideră că dezintegrarea-dispersarea este bună, dispozitivul de dispersie se oprește și temperatura plămezii lichefiate se aduce la temperatura de zaharificare prin trimitere de apă în mantaua cazanelor 4 sau prin trecerea plămezii lichefiate prin schimbătorul de căldură cu plăci 7. Prin intermediul pompei, plămada cu temperatura de 53°C este readusă în cazanele 4, loc unde se aduce și enzima de zaharificare (glucoamilaza) sub agitare. După pauza de zaharficare, plămada se răcește până la temperatura de fermentare cu ajutorul răcitorului cu plăci sau direct în cazanele 4 prin intermediul apei care se trimite în manta și se aduce cu pompa 9 în tancul de fermentare 8, unde se însămânțează cu drojdie. După ce are loc și fermentarea, plămada se trimite cu pompa 10 în distilatorul 11, rezultând alcool brut și borhot. În urma folosirii acestei instalații randamentul în alcool este de 66 L/100 kg amidon [3h].

Fig. 2.10. Schema tehnologică a instalației DMP

Procedeul Westphal prezentat în figura 2.11 este folosit în cazul materiilor prime amidonoase măcinate umed. Descrierea procesului tehnologic: în moara 1 se macină umed materia primă, măcinătura se acumulează în recipientul 2, loc unde se aduce și preparatul enzimatic de lichefiere. Pompa 3 preia măcinătura care este încălzită în contracurent cu plămada dulce care iese din zaharificatorul 7 și dusă în schimbătorul de căldură 4. Intr-o altă secțiune a schimbătorului de căldură care lucrează cu apă de răcire se aduce plămada dulce la temperatura de fermentare. Măcinătura preîncălzită se trimite în fierbătorul Henze 5, unde se aduce prin încălzire directă cu abur la temperatura de gelatinizare-lichefiere. Plămada lichefiată se aduce în zaharificatorul 7 si se tratează cu amiloglucozidază. După ce are loc zaharificarea, plămada este trimisă la schimbătorul de căldură 4 pentru prerăcire și apoi la răcire până la temperatura de însămânțare-fermentare cu drojdii. Această instalație poate funcționa și cu recuperare de căldură de la borhotul fierbinte ce iese de la distilator. Astfel, borhotul se aduce în secțiunea I a tancului de borhot 9 și de aici în vasul de expansiune 10 unde se degajă abur secundar care este transformat în abur cu presiune ridicată prin intermediul ejectorului 11 ce lucrează abur motor. Se economisește energie termică deoarece aburul care iese din ejector se utilizează în fierbătorul Henze. Cu ajutorul pompei 12, borhotul care a cedat căldură (sub formă de abur secundar) se readuce în secțiunea a II-a a tancului de borhot 9 și de aici poate fi utilizat ca furaj/îngrășământ.

Fig. 2.11. Schema tehnologică a instalației Westphal

Procedeele de prelucrare fără presiune se bazează pe faptul că energia termică necesară pentru fierberea sub presiune este înlocuită, în mare parte, prin energia 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 și 30 kWh/ tona de cereale, fiind mult mai scăzut decât necesarul de energie termică de la fierberea sub presiune.

2.1.7. Pregătirea drojdiei pentru fermentare

Fermentarea plămezilor dulci din materii prime amidonoase se realizează cu ajutorul drojdiilor, care datorită complexului enzimatic conținut, transformă zahărul din plămadă în alcool etilic și dioxid de carbon.

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 la fermentare și să producă o cantitate cât mai mică de hidrogen sulfurat și alte substanțe de gust și aromă nedorite.

Drojdiile utilizate la fermentarea plămezilor din industria alcoolului se pot folosi sub formă de:

– drojdii lichide (cultivate în fabrică);

– drojdii uscate;

– drojdii comprimate (drojdia de panificație).

Pentru realizarea de randamente superioare s-a impus obținerea de mutanți prin utilizarea de agenți chimici. Aceste tulpini conțin ADN modificat mitocondrial și este inhibată producția de enzime necesare pentru metabolismul aerob.

Sub aspectul capacității de fermentare, drojdia pentru alcool trebuie să fermenteze cât mai complet glucidele din plămezi, într-un timp cât mai scurt, deci cu o viteză mare, pentru ca procesul de fermentare sã fie rentabil [17].

În tabelul 2.12 se prezintă puterea alcooligenă și toleranța la alcool a unor preparate de drojdie uscată, lichidă și comprimată [15].

Drojdiile lichide și drojdia comprimată au o putere alcooligenă mai scazută decât majoritatea drojdiilor uscate, astfel încât  costurile ceva mai ridicate pentru drojdiile uscate se compensează în timp scurt prin randamentele mai ridicate în alcool (11 – 12 % vol. ) [18].

2.1.8. Fermentarea plămezilor din materii prime amidonoase

Fermentarea reprezintã una din operațiile tehnologice cele mai importante de la fabricarea alcoolului în care se pot reflecta atât neajunsurile produse anterior la fluidificare și lichefiere– dextrinizare cât și deficiențele care pot să apară în timpul acestei operații.

Principalele cerințe care se impun la fermentare sunt următoarele:

– să se realizeze un grad de fermentare corespunzător într-un timp cât mai scurt posibil;

– plămada să fie ferită de contaminări cu microorganisme străine.

Fermentarea plămezilor din cereale și cartofi este de durată mai îndelungată de circa 72 ore, datorită zaharificării secundare a dextrinelor limită și comportă trei faze care se întrepătrund.

Faza inițială cuprinde aproximativ 20 ore, faza principală aproximativ 18 ore iar faza finală circa 34 ore, totalul fiind de 72 ore.

Faza inițială, care durează 18÷20 ore, se caracterizează în special prin multiplicarea drojdiei și prin fermentarea maltozei în procent de 40%. Prin folosirea unor culturi pure de drojdie viguroasă, fermentația maltozei se instalează rapid, astfel încât se modifică deja în faza inițială echilibrul stabilit la zaharificare între maltozã și dextrine.

Faza principală, cu durata 18÷20 ore, se caracterizează prin fermentația intensă a maltozei, cu formare de alcool, dioxid de carbon și căldură. Datorită creșterii concentrației alcoolice a plămezii peste 5%, încetează practic în această fază multiplicarea drojdiei. În timpul fermentării crește temperatura plămezii și este necesară răcirea linurilor de fermentare, astfel încât temperatura de fermentare să nu depășească 34°C. Faza principală durează atât timp cât în substrat se află maltoză.

Faza finală a fermentației începe după ce s-a terminat maltoza din plămadă și se caracterizează îndeosebi prin zaharificarea secundară a dextrinelor limită sub acțiunea amilazelor rămase în plămadă și fermentarea maltozei rezultate. Faza finală de fermentare are durata cea mai lungă de 32÷34 ore deoarece procesul de zaharificare secundară a dextrinelor decurge lent. În această fază temperatura optimă a plămezii este de 27°C. Fermentația se consideră terminată când extractul aparent al plămezii nu se mai modifică în ultimele 4 ore de fermentare [19].

Pentru scurtarea duratei de fermentare până la 47-48 de ore, se pot folosi diferite metode:

pornirea fermentației la temperaturi mai ridicate de 24-25°C, prin care faza inițială se reduce la 4 – 6 ore;

folosirea de borhot lichid recirculat la obținerea plămezii prin care se declanșează mai rapid fermentația, scurtându-se faza inițială pâna la 2–3 ore;

utilizarea unei cantități mai mari de lapte de slad pentru a asigura cantități suficiente de amilaze, pentru zaharificarea secundară;

folosirea unei cantități mai  mari de plamadă de drojdie de 10 – 15 %;

conducerea fermentației la temperaturi mai ridicate de 35-36°C

folosirea preparatelor enzimatice microbiene, care produc o hidroliză mai avansată a amidonului până la glucoză, fără formare de dextrine limită, scurtându-se, astfel, faza finală a fermentației [20].

În funcție de materia primă prelucrată și de procesul tehnologic aplicat, extractul aparent al plămezilor fermentate trebuie să prezinte urmatoarele valori:

–          pentru plămezi din cartofi :  0,3 – 1,5 %

–          pentru plămezi din porumb:  < 0

–          pentru plămezi din orez: 1,0 – 1,3 %

–          pentru plămezi din secară : 1,1 – 1,4 %

–          pentru plămezi din ovăz: 0,9 – 1,1 %

Controlul fermentației. Atât în timpul desfășurării fermentării cât și la sfârșitul acesteia se efectuează un control complex al plămezilor, care are drept scop asigurarea desfășurării normale a procesului de fermentare și obținerea unor randamente corespunzătoare. Se controlează temperatura, aciditatea, concentrația plămezii, puritatea microbiologică, zahărul rezidual și conținutul în alcool al plămezii finale [21].

2.1.9. Distilarea plămezilor fermentate

Plămada fermentată este un amestec apos de diferite substanțe aflate în soluție sau în suspensie, unele dintre ele fiind substanțe nefermentescibile provenite din materiile prime și auxiliare, iar altele produse ale fermentației alcoolice.

Concentrația alcoolică a plămezii fermentate variază în limite largi cuprinse între 6 și 12% în funcție de felul materiei prime și procesul tehnologic aplicat.

Distilarea se realizează prin încălzirea până la fierbere și fierberea plămezilor fermentate în instalații speciale, prin care alcoolul etilic și alți componenți volatili trec în faza de vapori și sunt apoi condensați prin răcire cu apă.

Separarea alcoolului etilic din acest amestec binar (alcool-apă)  se bazează pe diferența de volatilitate dintre acesta și apă [22].

Pentru a obține un produs cu un conținut ridicat în alcool sunt necesare distilări repetate și odată cu creșterea conținutului în alcool al lichidului supus distilării se realizează o concentrare din ce în ce mai redusă până în momentul în care se ajunge la așa numitul punct azeotropic, din care nu se mai poate realiza în continuare o concentrare prin distilare.

În afară de alcool și apă, prin distilarea plămezii fermentate trec în distilat și alte substanțe volatile conținute, cum ar aldehide, esteri, alcooli superiori, acizi volatili, alcool metilic, ș.a., care îi conferă un gust și un miros neplăcut, astfel încât se obține așa numitul alcool brut, care trebuie purificat în continuare prin operația de rafinare. Reziduul fără alcool rezultat de la distilare este denumit borhot.

Borhotul din cereale și cartofi

Borhotul din cereale și cartofi rezultat de la distilarea plămezilor fermentate conține atât substanțe nefermentescibile din materia primă (celuloză, proteine, pectine, grăsimi, acizi nevolatili, substanțe minerale), resturi de amidon, dextrine și uneori chiar maltoză nefermentată, produse secundare nevolatile ale fermentației alcoolice (glicerină, acid lactic) cât și celule de drojdii.

Datorită substanțelor nutritive pe care le conține, în special a substanțelor azotoase asimilabile, borhotul din cereale și cartofi constituie un furaj valoros. Acesta se poate folosi în stare proaspătă, îmbogățit în vitamine sau în lactat de amoniu sau sub formă de borhot uscat.

El mai poate fi folosit la obținerea preparatelor enzimatice fungice, a drojdiei de panificațe și furajere, a unor antibiotice (biomicina), a cleiului de borhot [23].

Prin prelucrarea fără presiune a cerealelor și cartofilor rezultă un borhot cu o valoare furajeră mai ridicată decât în cazul fierberii sub presiune, caz unde are loc degradarea termică a substanțelor valoroase din borhot. Astfel, în cazul folosirii procedeului de dispersie, valoarea furajeră a borhotului crește cu circa 45%, iar digestibilitatea substanței organice cu circa 24% față de procedeul de fierbere sub presiune.

2.1.10. Rafinarea alcoolului brut

În urma distilării rezultă ca produs intermediar alcoolul brut, care are o concentrație alcoolică de 80÷85% vol. și conține o serie de impurități, impurități rezultate din plămada fermentată, sau formate în timpul procesului de distilare.

Prin rafinarea se înțelege operația de purificare și concentrare a alcoolului brut, în vederea obținerii unui produs de puritate superioară denumit alcool etilic rafinat.

În urma rafinării alcoolul se concentrează, devine limpede, lipsit de gust și miros străin. Alcoolul rafinat trebuie să aibă o concentrație alcoolică de minimum 96%, nu trebuie să conțină alcool metilic și furfural, iar conținutul său în acizi, esteri, aldehide și alcooli superiori trebuie să fie foarte scăzut.

Pentru a se realiza o purificare ridicată a alcoolului este necesar ca la rafinare să se aibă în vedere două aspecte principale: temperaturile de fierbere ale impurităților și solubilitățile lor în amestecul de alcool-apă [24].

Impuritățile se vor repartiza în coloană în funcție de temperaturile lor de fierbere și solubilitatea lor, astfel:

– impuritățile mai volatile decât alcoolul etilic sunt ridicate de vaporii alcoolici spre partea superioară a coloanei, unde vor fi evacuați în stare de vapori sub formă de frunți;

– impuritățile mai puțin volatile formează cozile și se concentrează spre partea inferioară a coloanei.

Prin rafinarea alcoolului brut se obțin trei părți:

– frunțile;

– alcoolul rafinat;

– cozile.

2.1.11. Instalații de distilare și rectificare (rafinare)

Instalațiile de distilare utilizate in industria alcoolului pot fi clasificate în două grupe (fig, 2.12):

grupa instalațiilor cu o singură coloană, în care refluxul obținut în deflegmator se recirculă direct în coloana de distilare;

grupa instalațiilor cu două coloane în care refluxul de la deflegmator suferă o operație separată de evaporare în coloana (zona) de luter.

La instalația cu o singură coloană, coloana de distilare este formată din două zone:

zona inferioară denumită și coloana de plămadă sau de epuizare;

zona superioară denumită și coloană de concentrare.

În afară de coloana de distilare propriu-zisă, instalația de distilare mai are în componență un deflegmator separat de coloană sau inclus, un răcitor de alcool ( de regulă combinat; schimbător de căldură multitubular și schimbător de căldură în spirală), pompe, rezervor de alcool brut, felinare (lanterne) de control [25].

În figura 2.13 este prezentată schema instalațiilor de distilare.

Fig. 2.13. Schema instalațiilor de distilare

a – instalația cu o coloană; b – instalația cu două coloane;

A – coloană de distilare; B – coloană de epuizare; C- coloana (zona) de luter; D – deflegmator; F – condensator; K – separator de spumă; 1 – racord de alimentare cu amestec ( plămada fermentată); 2 – racord de golire borhot: 3 – racord evacuare condens;

4 – racord de golire etanol brut; racord de evacuare luter.

Instalațiile de rafinare cunoscute sunt de două tipuri:

instalații de rafinare cu funcționare periodică;

instalații de rafinare cu funcționare continuă.

Calitatea alcoolului obținut cu ajutorul instalațiilor cu funcționare continuă este mult mai bună, de aceea sunt mai des utilizate aceste instalații în industria alcoolului [26].

În figura 2.14 este prezentată schema instalației de rafinare cu funcționare continuă.

Fig. 2.14. Schema instalației de rafinare cu funcționare continuă

2.1.12. Caracteristicile alcoolului etilic rafinat

Alcoolul etilic rafinat se prezintă sub forma unui lichid incolor, limpede, complet volatil, cu miros pătrunzător și gust arzător. Este inflamabil și arde fără fum, cu o flacără albăstruie. Este necesar să distile în întregime între 78°C și 79°C. Este miscibil atât cu apa în orice proporție, cu degajare de căldură și contracție de volum, cât și cu acetona, cloroformul, eterul, glicerina,uleiul de ricin.

În tabelul 2.15 sunt prezentate proprietățile fizico-chimice ale alcoolului etilic rafinat.

Proprietățile fizico-chimice ale alcoolului etilic rafinat

Tabelul 2.15

CALCUL TEHNOLOGIC

CAP.3. BILANȚUL DE MATERIALE AL PROCESULUI DE OBȚINERE AL ALCOOLULUI ALIMENTAR

În acest capitol se va realiza bilanțul de materiale pe fluxul tehnologic al procesului de obținere al alcoolului din porumb și predimensionarea unei coloane de distilare.

Date de proiectare:

-Cantitatea de porumb prelucrată Mp: 1500 tone/an;

-Debitul de porumb prelucrat pe oră (D0) : 208,3333 kg/h

-timp de funcționare a instalației în regim continuu: 7200 h/an

-Compoziția porumbului în prelucrare:

-umiditate (u) : 11,5 %

– impurități (ip): 5 %

– conținut de amidon (a) : 56,5 %

-substanță uscată (s.u.) : 27 %

La fluidizare se folosește un abur cu caracteristicile :

– 5 kg abur / kg debit porumb intrat

– L ν = 2100 MJ/ kg

-Temperatura: t = 110 °C

În faza de precurățire se elimină conținutul de 5% impurități, iar reacțiile de zaharificare decurg cu randamentul ƞ = 92 %

În tabelul 3.1 este prezentată compoziția chimică a porumbului.

Tabelul 3.1 – Compoziția chimică a porumbului

În figura 3.2 se prezintă schema tehnologică de obținere a alcoolului din porumb.

Fig. 3.2. Schema tehnologică de fabricare a alcoolului din porumb

În tabelul 3.3 se prezintă pierderile tehnologige pe fluxul tehnologic de obținere a alcoolului din porumb.

Tabelul 3.3 – Pierderile tehnologice pe fluxul tehnologic de obținere a alcoolului din porumb

Determinarea bilanțului de materiale pe fiecare operație în parte reprezintă determinarea cantităților de substanță ce intră respectiv ies din fiecare operație în parte, ținând cont de pierderile specifice [27].

kg/h (4)

s.u. % = 100 – (u + a + ip)% (5)

s.u. % = 100 – (11,5 + 56,5 + 5) = 27 %

Recepție D0

P1 = 0,2%

D1

kg/h

kg/h (6)

kg/h (7)

Unde:

debitul de porumb inițial

pierderi la recepția materiei prime

debitul de porumb după etapa de recepție

Depozitare

D1

P2 = 0,15%

D2

kg/h

kg/h (8)

kg/h (9)

Unde:

pierderi la depozitarea porumbului

debitul de porumb după etapa de depozitare

Transport

D2

P3 = 0,15%

D3

kg/h

kg/h (10)

kg/h (11)

Unde:

pierderi la depozitarea porumbului

debitul de porumb după etapa de transport

Precurățire

D3

P4 = 0,2%

D4, Dprecurățire

kg/h

kg/h (12)

kg/h (13)

kg/h (14)

kg/h (15)

Unde:

pierderi la precurățirea porumbului

debitul de porumb după etapa de precurățire

debit precurățire

Compoziția de bază înainte de precurățire:

Compoziția de bază după precurățire:

% u

% a

% s.u.

Cântărire

D4

P5 = 0,2%

D5

kg/h

kg/h (16)

kg/h (17)

Unde:

pierderi la cântărirea porumbului

debitul de porumb după etapa de cântărire

Măcinare

D5

P6 = 0,3%

D6

kg/h

kg/h (18)

kg/h (19)

Unde:

pierderi la măcinarea porumbului

debitul de porumb după etapa de măcinare

Fluidizare

D6

P7 = 0,1%

D7

În această etapă se folosește abur la presiunea de 2 atmosfere și temperatura de 110° C. Debitul de abur este dat de relația:

kg/h

kg/h (20)

kg/h (21)

kg/h (22)

Compoziția de bză după precurățire:

kg

kg…………… kg u…………… kg a……….. kg s.u.

100 kg………………………………..x…………………………………..y……………………………….z

→

→

→

Compoziția după fluidizare:

Unde:

pierderi la fluidizarea porumbului

debitul de porumb după etapa de fluidizare

debitul de abur al etapei 7

Răcire la 55°C

D7

P8 = 0,1%

D8

kg/h

kg/h (23)

kg/h (24)

Unde:

pierderi în urma răcirii la 55°C

debitul de porumb după etapa de răcire la 55°C

Zaharificare

D8

P9 = 0,1%

D9

kg/h

kg/h (25)

kg/h (26)

Compoziția înainte de zaharificare:

100 kg…………………. u ………………………a …………………… s.u.

kg…………….x……………………………………….y…………………………………….z

kg/h (umiditate)

kg/h (amidon)

kg/h (substanță uscată)

Din 68,4778 kg amidon ………92% => zahăr ( ƞ = 92% )

kg amidon trecut în zahăr

kg amidon nereacționat

162……………..18…………..180

62,9995………..x……………..y

kg apă consumată în rația de zaharificare

kg zahăr format

Inițial avem :

1226,2387 kg……………1130,3554 kg apă………….68,4778 kg a……….31,0029 kg s.u.

Reacție avem:

6,9999kg apă consumată….62,9995 kg amidon reacționat….69,9994 kg zahăr

Final avem:

1130,3554 kg apă – 6,9999 kg apă = 1123,3555 kg apă

68,4778 kg amidon – 62,9995 kg amidon = 5,4783 kg amidon rămas

Total :

1226,2387 kg…..1123,3555 kg u……5,4783 kg a……31,0029 kg s.u. …..69,9994 kg z

68,4778 kg amidon….. u % ………………. a % …………….. s.u. % …………….. z %

Compoziția după zaharificare:

Unde:

pierderi la zaharificarea porumbului

debitul de porumb după etapa de zaharificare

Răcire la 30° C

D9

P10 = 0,2 %

D10

kg/h

kg/h (27)

kg/h (28)

Unde:

pierderi în urma răcirii la 30°C

debitul după etapa de răcire la 30°C

Însămânțare

D10

P11 = 0,1 %

D11

kg/h

kg/h (29)

kg/h (30)

Unde:

pierderi în urma însămânțării

debitul după etapa de însămânțare

Răcire la 20° C

D11

P12 = 0,1 %

D12

kg/h

kg/h (31)

kg/h (32)

Unde:

pierderi în urma răcirii la 20°C

debitul după etapa de răcire la 20°C

Fermentare

D12

P13 = 0,2 %

D13

kg/h

kg/h (33)

kg/h (34)

Compoziția amestecului înainte de fermentare este:

Deci debitul intrat la fermentare va conține înainte de fermentare:

kg apă/ h

kg amidon/ h

kg s.u./ h

kg zahăr/ h

C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2

Reacția de fermentare decurge cu un randament de 92 % ( ƞ = 92 % ). Astfel că din 69,5098 kg zahăr/h 92 % trece în alcool.

kg zahăr fermentat la alcool/h

69,5098 – 63,9490 = 5,5608 kg zahăr rămas nereacționat / h

180 kg zahăr………………….2 46 kg alcool …………….. 2 44 kg CO2

63,9490 kg zahăr……………x kg alcool …………………………y kg CO2

kg alcool/h

kg CO2/h

Din amestecul intrat la fermentare se va elimina CO2, deci după fermentare cantitatea de amestec va fi:

kg/h (35)

Unde:

pierderi în urma fermentării

debitul după etapa de fermentare

debitul de fermentare

Compoziția după fermentare va fi:

1186,4143 kg/h ……………………………………1080,2733 kg u /h

100 kg/ h ……………………………………………………..u %

1186,4143 kg/h …………………………………….5,4393 kg a /h

100 kg/ h …………………………………………………………a %

1186,4143 kg/h ……………………………………30,7853 kg s.u. /h

100 kg/ h ………………………………………………………..s.u. %

1186,4143 kg/h ………………………………………….5,5608 kg z /h

100 kg/ h ……………………………………………………………..z %

1186,4143 kg/h ………………………………………..32,6850 kg alcool /h

100 kg/ h …………………………………………………………..alcool %

Distilare

D13

P14 = 0,2 %

D14 ,Dborhot

kg/h

kg/h (36)

kg/h (37)

După etapa de distilare în amestec va rămâne doar alcool și apă, restul elementelor (amidon, substanță uscată, apă zahăr) trecând în borhot. Acesta conține 90 % apă și 10 % amidon + zahăr + substanță uscată.

100 kg amestec va conține la intrarea în etapa de distilare:

91,0536 kg apă..0,4584 kg amidon… 2,5948 kg s.u.. 0,4687 kg zahăr.. 2,7549 kg alcool

1184,0415 kg amestec va conține:

x kg u ………………y kg a ……………….z kg s.u. …………….M kg z…………………N kg alcool

kg/h (umiditate)

kg/h (amidon)

kg/h (s.u.)

kg/h z

kg/h alcool

În borhot vor trece: 5,4276 kg amidon; 5,5496 kg zahăr; 30,7235 kg s.u.

Totalul componentelor din borhot:

5,4276 + 5,5496 + 30,7235 = 41,7007 kg/h

100 kg borhot…………………….10 kg componente………………………..90 kg apă

y kg borhot………………………. 41,7007 kg componente…………………x kg apă

kg borhot

kg apă

Borhotul va conține:

417,007 kg borhot…..375,3063 kg u …..5,5496 kg z…..5,4276 kg a….30,7235 kg s.u.

100 kg borhot …………………u %……………………..z %……………a %………………..s.u. %

Compoziția borhotului:

În alcoolul obținut după distilare va rămâne:

1078,1124 – 375,3063 = 702,8061 kg apă și 32,6191 kg alcool

Cantitatea totală de amestec obținut după distilare este de:

702,8061 + 32,6191 = 735,4252 kg/h

735,4252 kg amestec………………………702,8061 kg u ………………..32,6191 kg alcool

100 kg amestec…………………………………………u % ……………………………………..alc. %

Debitele rezultate în etapa de distilare sunt:

kg/h (38)

kg/h (39)

Unde:

pierderi la distilare

debitul după etapa de distilare

debitul de borhot

Rafinare

D14

P15 = 0,1 %

D15

kg/h

kg/h (40)

kg/h (41)

100 kg soluție alcool prelucrată………………..95,5645 kg u ……………………..4,4354 kg alcool

734,6898 kg soluție alcool…………………………….x kg u …………………………………..y kg alcool

kg apă/h

kg alcool/h

100 kg alcool rafinat/h………………………….4 kg apă/h…………………………………96 kg alcool/h

x kg alcool rafinat/h…………………………….y kg apă/h …………………………32,5864 kg alcool/h

kg apă/h

kg alcool rafinat/h

kg alcool rafinat/h (42)

kg apă/h (43)

Unde:

pierderi la distilare

debitul după etapa de distilare

debitul de reziduu

Stocare

D15

P16 = 0,2%

D16

kg alcool rafinat/h

kg/h (44)

kg/h (45)

Unde:

pierderi la stocare

debitul după etapa de stocare

Îmbuteliere

D16

P17 = 0,2%

D17

kg/h

kg/h (46)

kg/h (47)

Unde:

pierderi la îmbutelierea alcoolului

debitul de alcool după etapa de îmbuteliere

Depozitare

D17

P18 = 0,1 %

D18

kg/h

kg/h (48)

kg/h (49)

Unde:

pierderi la depozitare

debitul după etapa de depozitare

Livrare

D18

P19 = 0,1 %

D19

kg/h

kg/h (50)

kg/h (51)

Unde:

pierderi la livrare

debitul după etapa de depozitare

În tabelul 3.4 este prezentat bilanțul general de materiale pe fiecare etapă de proces.

Tabelul 3.4. – Bilanțul de materiale pe fiecare etapă

CAP. 4. PREDIMENSIONAREA COLOANEI DE FRACȚIONARE

Se urmărește predimensionarea coloanei de fracționare finală a alcoolului etilic din cadrul instalației de obținere a alcoolului prin fermentație, pornind de la următoarele date de proiectare:

Curba de echilibru y-x; (x,y-sunt fracțiile molare din Tabelul 3.4);

Concentrația componentului mai volatil (conc. alimentării) ;

Concentrația produsului mai volatil în vârful coloanei ;

Temperatura la vârful coloanei ;

Temperatura în vasul de reflux ;

Coeficientul rației de reflux ;

Debitul de alimentare kg/h;

Debitul de produs de vârf

Alimentarea este la punct de fierbere .

În tabelul 3.5 sunt prezentate datele de echilibru lichid-vapori pentru amestecul alcool etilic-apă la presiune atmosferică.

Tabelul 3.5 – Datele de echilibru lichid-vapori pentru amestecul alcool etilic-apă

la presiune atmosferică

Schema instalației și întocmirea bilanțului de materiale

În figura 3.6 este prezentată o coloana cu o zonă de rectificare și o zonă de epuizare. Ea se numește coloana simplă sau coloană clasică și realizează separarea amestecului de alimentare în două produse: distilat și produs de blaz.

Fig. 3.6. Coloana de fractionare

Ecuațiile de bilanț de masă stau la baza tuturor metodelor de calcul al coloanelor pentru fracționarea amestecurilor binare și multicomponente [28].

Cu ajutorul bilanțurilor de masă se vor calcula principalele fluxuri ale coloanei: F (debitul de alimentare), D (debitul de distilat-alcool), B (debitul de produs din blaz-borhot), L (debitul de lichid din zona de rectificare a coloanei), V (debitul de vapori din zona de rectificare a coloanei), L' (debitul de lichid din zona de stripare a coloanei), V' (debitul de vapori din zona de stripare a coloanei).

R – rația de reflux; Rmin – rația minimă de reflux

(52)

kg/h

kg/h

Se va trasa curba (x-y), (fracție masică-fracție masică) Anexa 1=>

(53)

(54)

q = 1 =>

(55)

kg/h (56)

→

kg/h (57)

Determinarea numărului de talere teoretice

Metoda simplificată McCabe-Thiele

Metoda se bazează pe reprezentarea grafică a echilibrului lichid-vapori în sistem y-x, dar și pe ecuații de bilanțuri de materiale [28].

Se va trasa curba (x-y), (fracție masică-fracție masică).

q = 1

În cazurile de fracționare când se impunpurități avansate ale produselor de vârf și de bază, calculul numărului de talere teoretice se poate face cu relația lui Robu.

[Anexa 1] [Anexa 2]

(58)

Determinarea dimensiunilor coloanei echipată cu talere cu clopoței

Determinarea diametrului coloanei echipată cu talere cu clopoței

Diametrul coloanei echipate cu talere cu clopoței se calculează în două variante:

pentru sarcina maximă de vapori;

pentru sarcina maximă de lichid.

Calculul după sarcina maximă de vapori

Ecuația care stă la baza calculului diametrului coloanei de fracționare, indiferent de tipul amenajărilor interioare, este ecuația continuității curgerii:

(59)

debitul volumetric de vapori sau lichid, m3/s;

aria secțiunii de curgere, m2;

viteza liniară de curgere, m/s.

Pentru sarcina maximă de vapori, ecuația aplicată la condițiile specifice ale coloanei este:

(60)

(61)

(62)

(63)

debitul maxim de vapori calculat în condițiile de temperatură și presiune din locul unde acesta este maxim, (m3/s);

aria transversală a coloanei, (m2);

viteza admisibilă a vaporilor în secțiunea liberă a coloanei;

diametrul coloanei, (m);

densitatea vaporilor în condițiile de temperatură și presiune din coloană, (kg/m3);

densitatea lichidului, (kg/m3);

distanța dintre talere, (m): este cu atât mai mare cu cât diametrul coloanei este mai mare;

înălțimea zăgazului, (mm);

coeficientul de viteză sau coeficientuln de capacitate, (m/s): se poate citi din grafic funcție de s și h, care asigură închiderea hidraulică;

factorul de înnecare: depinde de tipul sistemului dacă este spumant sau nu, de exemplu pentru sistemele spumante apă-glicoli, apă-alcooli FF=0,75;

viteza maximă admisibilă, (m3/s).

La vârful coloanei:

Pentru presiuni mai mici de 5 bari în general se acceptă că gazele au o comportare ideală, iar densitatea se calculează cu relația:

(64)

g/mol (65)

°K

(66)

; ; ;

(67)

; ;

(68)

; ; ; ; ;

(69)

(70)

(71)

Calculul după sarcina maximă de lichid

Principiul calcului constă în aplicarea principiului continuității curgerii la curgerea lichidului prin deversor.

debitul maxim de lichid în coloană împărțit la numărul de pasuri de pe un taler, (m);

Pentru coloanele cu diametrele mici, până în 2 m, se fac talere cu un singur pas pe taler.

Pentru coloanele cu D>2 m se iau 2 sau 4 pasuri, deci debitul de lichid se va împărți la 2 sau la 4.

aria transversală a deversorului, reprezentând 10-15 %din A;

viteza în deversor, se alege cu valori între 0,06 și 0,14 m/s, în funcție de distanța dintre talere și de tipul de sistem (spumant/nespumant), astfel încât timpul de staționare al lichidului în deversor să fie de 3-8 secunde;

-se alege deoarece distanța dintre talere este de 0,6 m.

debitul de lichid din zona de stripare a coloanei.

kg/h

(72)

(73)

(74)

După determinarea diametrului în cele 2 variante se adoptă diametrul cel mai mare.

Determinarea înălțimii coloanei echipată cu talere cu clopoței

Pentru orice tip de coloană, numărul de talere practice se calculează cu relația:

(75)

Unde:

numărul de talere teoretice, ;

eficacitatea medie a talerului;

(76)

vâscozitatea lichidului din alimentare, .

Pentru amestecuri de compoziție cunoscută vâscozitatea amestecului se poate determina cu relația:

Pentru amestecul de alimentare:

(77)

→ temperatura medie din coloană

La

=

; ;

(78)

;

Vâscozitatea apei și etanolului se pot citi din nomogramă pentru determinarea vâscozității dinamice a lichidelor la diferite temperaturi [29].

Considerăm amestecul de la vârful coloanei:

la temperatura medie de :

După calcularea numărului de talere practice se poate calcula și înălțimea coloanei cu relația:

(79)

Unde:

distanța dintre talere, ;

distanța dintre talerul de sus și vârf, (), ;

distanța dintre talerul de jos și bază, (), ;

înălțimea coloanei,( ).

CAP 5. NORME GENERALE DE SĂNĂTATE ȘI PROTECȚIE ÎN MUNCĂ ÎN INSTALAȚIA DE OBȚINERE A ALCOOLULUI ETILIC

Pentru o normală exploatare a instalațiilor dintr-o fabrică de alcool trebuie să se ia urmatoarele măsuri:

Manevrarea întregii aparaturi tehnologice trebuie încredințată numai muncitorilor calificați și carora li s-a făcut instructajul de protecție a muncii pe locul respectiv.

Întreg personalul va fi dotat și va purta la fiecare loc de muncă echipamentul de protecție și uzură prevăzut de normativele în vigoare .

În secțiile umede, unde au loc degajări de aburi, vapori de apă (firbătoare, zaharificatoare), gaze nocive sau vapori de alcool (distilare, rafinare, depozitul de alcool brut și rafinat) se vor prevedea și folosi dispozitivele de ventilație naturală sau artificială.

În secțiile care prezintă pericol de incendiu se interzice fumatul, sudura de orice fel, precum și utilizarea instalației electrice (cabluri, întrerupătoare, motoare) neprotejate contra scânteilor. 

Fierbătoarele se supun periodic verificărilor metrologice deoarece ele sunt recipiente sub presiune. În construcția lor se va controla permanent tarea supapei de siguranță care va trebui să acționeze la presiune ridicată. Se interzice agățarea de contragreutăți suplimentare pe brațul supapei în afară de cea normală.

Scările, podelele, căile de acces de la înălțime trebuie prevăzute cu balustrade de protecție.

Curățirea fierbătoarelor execută numai de către muncitorii calificați și instruiți pentru această operație, respectând următoarele reguli :

se montează o flanșă oarbă pe conducta de intrare în fierbător ;

se închid ventilele de aburi și ele se imobilizează cu lacăt;

accesul în fierbător se va face numai după răcirea acestuia.

Pentru curățirea și spălarea zaharificatoarelor  se vor lua următoarele măsuri de siguranță: 

     -se deconectaeză electromotorul de siguranța de acționare al agitatorului și se scot siguranțele de la tabloul electric( când agitatorul este acționat prin curele, acestea se dau jos de pe roata de curea);

     -se închid ventilele de aburi și se imobilizează cu lacăt;

     -se închid și se imobilizează cu lacăt ventilele de descărcare de la fierbătoare .

Manipularea subsțantelor chimice (formol, acid sulfuric)  se va face utilizând echipamentul de protecție special (cizme, mânuși) și șorț de cauciuc, ochelari de protecție. O atenție deosebită se va acorda manipulării acidului, mai ales celui aflat în damigene din  sticlă. Muncitorii ce fac această operație vor fi special instruiți pentru a turna  întotdeauna acid sulfuric în apă treptat, și niciodată invers.

Spălarea linurilor de fermentare  se va face numai respectând următoarele reguli :

se elimină dioxidul de carbon prin deschiderea gurilor de vizitare de jos timp de 4 ore, imediat ce nivelul plămezii a scăzut sub acest nivel. Pe la partea superioară a linului se începe spălarea cu jet abundent de apă;

se constată lipsa bioxidului de carbon prin proba cu lumanarea aprinsă;

muncitorul echipat cu echipamentul de uzură și protecție, la care se mai adaugă masca de gaze izolată cu tub flexibil și priza de aer curat din exterior, și centura de siguranță cu  frânghie, poate coborî sub supravegherea a 2 muncitori, special instruiți pentru a interveni în caz de nevoie .

Curățirea și repararea aparatelor de distilare –rafinare se face numai după oprirea și răcirea lor și va fi încredințată numai muncitorilor calificați ce vor avea un instructaj special [30].

Protecția și securitatea incendiilor

În secțiile de distilare-rafinare de găsesc substanțe a căror prezență în atmosferă poate fi dăunătoare.

Aceste secții mai prezintă pericol și din punct de vedere a incendiilor datorită inflamabilităților produselor și posibilităților de formare în aer de amestecuri gazoase explozive. Datorită acestor considerente, secțiile de distilare-rafinare trebuie să fie instalate în încăperi izolate.

Pentru evitarea creșterii concentrației acestor substanțe peste limitele admise trebuie permanent controlată atât etanșeitatea aparaturii tehnologice cât și buna funcționare a sistemelor de ventilație.

Pericolul de incendiu apare în aceasta secție datorită temperaturii de aprindere, care de fapt este temperatura cea mai joasă la care vaporii substanțelor inflamabile dau cu aerul amestecuri explozive și care se aprind imediat la o sursă de foc .

Alcoolul formeză amestecuri explozive in limite largi de concentrație, cei mai periculoși sunt vaporii de ester și benzen.

Pentru preîntâmpinarea incendiilor și exploziilor trebuie respectate normele de securitate și sănătate în muncă, dintre care cele mai importante sunt:

izolarea și etanșarea perfectă a aparatelor;

asigurarea unei bune ventilații( naturale sau artificiale);

interzicerea de a se umbla cu foc (sudură, fumat);

eliminarea posibilităților de formare a scânteilor (scurtcircuite, scantei la colectoarele motoarelor electrice);

se vor folosi numai pompe cu aburi (duplex);

electropompele și aparatul electric generator de scântei se vor amplasa în afara depozitului de alcool [31].

Igiena muncii

Obținerea de randamente ridicate în fabricile de alcool este conditionata, în afara unui proces tehnologic optim, și de menținerea permanentă a unei igiene desavârșite. Ea trebuie facută și menținută cu grijă în scopul prevenirii infecțiilor ce pot apărea și care se pot transmite pe întreg procesul tehnologic.

Ori de câte ori o infecție este depistată, ea trebuie întâi localizată și apoi distrusă. De aceea curațenia trebuie făcută zilnic, cu deosebită grijă, deoarece în caz contrar, consecința este scăderea randamentului în alcool chiar până la 20%.

Scăderea randamentului se datorează acidificării anormale pe baza microbiană plămezilor din linurile de fermentație, fapt ce provoacă pierderi mari de zaharuri și dextrine. O parte din acestea se transformă în acizi, care ridică aciditatea, iar cealaltă parte, nefermentată, se pierde în borhot.

Pentru împiedicarea acestor neajunsuri se impune luarea următoarelor măsuri obligatorii de igienă:

zaharificatoarele după fiecare golire trebuie spălate cu apă rece și cu peria, curațindu-se toate colțurile în care pot rămâne resturi de plămadă. Apoi ele se vor spala cu apă fierbinte prin frecare cu peria, utilizându-se în final și agenți dezinfectanți (formol).

linurile de fermentare și vanele de drojdie se vor spala întâi cu peria și apă rece, se dezinfectează cu lapte de var gros sau formol, se clătesc cu apă fierbinte și apoi  din nou cu apă rece. În cazul în care aciditatea plămezii în timpul fermentației crește, linul, după golire, trebuie foarte bine dezinfectat cu clorură de var și apoi sterilizat cu aburi.

Apariția mucegaiului, a igrasiei și a mucozităților trebuie combătută prin spălare cu peria, apă fierbinte și apoi se face dezinfectarea cu var sau clorură de var.

Conductele prin care circulă plămada, precum și pompele trebuie bine spălate cu apă fiartă și apoi cu apă rece, după fiecare pompare de plămadă. Periodic ele se sterilizează prin umplere cu soluții dezinfectante de clorură de var, iar după golire sunt clătite cu apă și sterilizate cu jet de aburi [32].

CONCLUZII

Industria alcoolului ocupă un loc important în cadrul industriei fermentative prelucrătoare de materii prime agricole vegetale (cartofi, cereale,melasa).

Aceste industrii se bazează pe însușirea unor microorganisme (drojdii selecționate) care prin enzimele ce le conțin, transformă substanțele utile din materii prime prelucrate, în anumite condiții tehnologice, în alcool sau masă de drojdii ca produse principale și dioxid de carbon ca produs secundar.

Pe plan mondial cea mai mare parte de alcool se obține prin fermentarea materilor  prime, cel mai frecvent folosite fiind: melasa, cereale (porumb), cartofi, sfeclă de zahăr etc.

Pe cale industrială alcoolul se obține din gaze naturale fiind întrebuințat în scopuri tehnice.

Industria alcoolului valorifică importante cantități de pierderi agricole alterate, de exemplu: porumb necopt, cereale depreciate și melasă rezultată la fabricile de zahăr. 

În această lucrare se prezintă caracteristicile materiile prime cel mai des utilizate (cereale, cartofi, melasă) și a materiilor auxiliare (malț verde, preparate enzimatice microbiene, substanțe antispumante, acidulanți pentru plămadă, substanțe nutritive, factori de creștere, substanțe antiseptice și dezinfectante) folosite pentru obținerea alcoolului de uz alimentar.

Tehnologia de obținere a alcolului prezentată în capitolul doi folosește ca materie primă cerealele și cartofii, și cuprinde următoarele faze: recepția, depozitarea, pregătirea, mărunțirea materiilor prime, fluidificarea plămezii, lichefierea – dextrinizarea plămezii gelatinizate, pregătirea drojdiei pentru fermentare, fermentarea plămezilor, distilarea plămezilor fermentate, rafinarea alcoolului brut și prezentarea instalațiilor de distilare, rectificare (rafinare).

Calculul tehnologic cuprinde bilanțul de materiale și predimensionarea coloanei de fracționare finală a alcoolului etilic din cadrul instalației de obținere a alcoolului prin fermentație.

Bilanțul de materiale a fost realizat pentru fiecare operație din fluxul tehnologic, în vederea determinării cantităților de produși intermediari și a cantității de produs finit, cu stabilirea randamentelor de fabricație și a consumurilor specifice.

Capacitatea de procesare este de 1500 tone porumb/an, obținându-se 234648 kg alcool/an (32,59 kg alcool/h).

Pentru coloana de fracționare s-au determinat principalele caracteristici geometrice, înălțimea și diametrul.

Coloana este echipată cu talere cu clopoței și se obține diametrul de 1,39 m și înălțimea de 23,7 m.

BIBLIOGRAFIE

[1]. Rășenescu, I., et al., Lexicon. Îndrumar pentru industria alimentară, vol. I, Editura Tehnică, București, 1987.

[2]. Banu, C., et al., Manualul inginerului din industria alimentară, vol II, Editura Tehnică București, 1968.

[3a]. Banu, C., Tratat de industrie alimentară, Editura ASAB, București, 2009, 1101-1102.

[3b]. Banu, C., Tratat de industrie alimentară, Editura ASAB, București, 2009, 1102.

[3c]. Banu, C., Tratat de industrie alimentară, Editura ASAB, București, 2009, 1102-1103.

[3d]. Banu, C., Tratat de industrie alimentară, Editura ASAB, București, 2009, 1105.

[3e]. Banu, C., Tratat de industrie alimentară, Editura ASAB, București, 2009, 1106.

[3f]. Banu, C., Tratat de industrie alimentară, Editura ASAB, București, 2009, 1107.

[3g]. Banu, C., Tratat de industrie alimentară, Editura ASAB, București, 2009, 1110.

[3h]. Banu, C., Tratat de industrie alimentară, Editura ASAB, București, 2009, 1114.

[4]. Fang, Z.H., Zhang, J., Lu, Q-M., Bao, J., „Process development of short-chain polyols synthesis from corn stover by combination of enzymatic hydrolysis and catalytic hydrogenolysis”, Biotechnology Reports, 3, 15–20 (2014).

[5]. Rășenescu, I., et al., Lexicon . Îndrumar pentru industria alimentarã, vol. II, Editura Tehnică, București, 1988.

[6]. Bai, F.W., Anderson, W.A., Moo-Young, M., „Ethanol fermentation technologies from sugar and starch feedstocks”, Biotechnology Advances 26, 89–105 (2008).

[7]. Nasidi, M., Agu, R., Deeni, Y., Walker, G., „Improved production of ethanol using bagasse from different sorghum cultivars”, Biomass and bioenergy, 288-299 (2015).

[8]. Anghel, I., et al., Biologia și tehnologia drojdiilor, vol.I, Editura Tehnică, București, 1989.

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

[10]. Zarnea, G., et al., Bioingineria preparatelor enzimatice microbiene, Editura Tehnică, București, 1983.

[11]. Bahrim, G., Microbiologie tehnică, Editura Evrika, Brăila, 1999.

[12]. Cyimesi, J., Solyan, L., et al., Manualul industriei drojdiei și alcoolului, Editura Agricolă, Budapesta, 1979.

[13]. Oancea, I., Aspecte ale metabolismului unor substanțe fermentescibile la drojdii, Teză de doctorat, Universitatea Galați, 1974.

[14]. Konovalov, S.A., Biochimia drojdiei, Moscova, 1980.

[15]. Banu, C., et al., Manualul inginerului de industrie alimentară, vol. II, Editura Tehnică, București, 1999.

[16]. Jâșcanu, V., Operații și utilaje în industria alimentară, Universitatea din Galați, 1986.

[17]. Raicu, P., Badea, E., Cultura de celule și biotehnologiile moderne, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1986.

[18]. Banu, C., et al., Manualul inginerului de industrie alimentară, vol. I, Editura Tehnică, București, 1998.

[19]. Rotaru, V., Filimon, N., Tehnologii în industria alimentară fermentativă, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1976.

[20]. Matías, J., María Encinar, J., González, J., González, J. F., „Optimisation of ethanol fermentation of Jerusalem artichoke tuber juice”, Energy for Sustainable Development 25, 34–39 (2015).

[21]. Dan, V., Controlul microbiologic al produselor alimentare, Universitatea Galați, 1991.

[22]. Palacios-Bereche, R., Ensinas, A. V., Modesto, M., Nebra, S. A., „Double-effect distillation and thermal integration applied to the”, Energy 82, 512-523 (2015).

[23]. Vasiliki Kachrimanidou, Nikolaos Kopsahelis, Colin Webb, Apostolis A. Koutinas, „Bioenergy Technology and Food Industry Waste Valorization for Integrated Production of Polyhydroxyalkanoates”, C H A P T E R 24.

[24]. Banu, C., et al., Progrese tehnice, tehnologice și științifice în industria alimentară, vol.II, Editura Tehnică, București, 1993.

[25]. Enweremadu, C., Waheed, A., Ojediran, J., „Parametric study of an ethanol–water distillation column with direct vapour”, Energy for Sustainable Development 13, 96–105 (2009).

[26]. Ioancea, L., et al., Mașini, utilaje și instalații în industria alimentară, Editura Ceres, București, 1986.

[27]. Marinoiu, V., Paraschiv, N., „Automatizarea proceselor chimice”, Ed. Tehnică, București, 1992.

[28]. Koncsag, C.I., „Procese de transfer de masă în sistem lichid-vapori”, Ed. Virom, Constanța, 2004.

[29]. Soare, S., „Procese hidrodinamice”, Ed. Didactică și Pedagogică, București, 1979.

[30]. Norme de protecția muncii, Ministerul Industriei Alimentare, București, 1989.

[31]. Norme de prevenire și stingere a incendiilor, Ministerul Agriculturii, București, 1987.

[32].Dan,V., Controlul microbiologic al produselor alimentare, Universitatea Galați, 1991.