Производство алкоголя

БРОЖЕНИЕ

С момента внесения дрожжей в сусло начинается его брожение, целью которого является максимально полное и быстрое превращение Сахаров в спирт. Спиртовое брожение сложный биохимический процесс, в результате которого сахара бражки под действием ферментов дрожжей превращаются в спирт и углекис­лый газ. Превращение Сахаров в спирт и углекислый газ происходит внутри дрожжевых клеток. При этом сахара сначала адсорбируются на поверхности клетки, а потом диффундируют внутрь нее. При прочих равных условиях адсорбционная способ­ность дрожжевых клеток определяется суммарной площадью их поверхности, которая, несмотря на относительно малые размеры одной клетки, довольно значительна: при среднем диаметре дрожжевой клетки 8 мкм и с учетом того, что в 1 л нормально заправленной дрожжами бражки находится около 100 миллионов дрожжевых клеток, общая площадь поверхности их в 1 л составляет несколько десятков квадратных метров. С поверхности дрожжевой клетки адсорбированные молекулы Сахаров диффун­дируют внутрь клетки, где под действием находящихся в ней ферментов расщепляются на этиловый спирт и углекислый газ. В свою очередь, молекулы этилового спирта и углекислого газа диффундируют из дрожжевой клетки в окружающую среду. В силу высокой растворимости в воде этиловый спирт равномерно распределяется в бродящей среде. При этом его концентрация (до определенных пределов) в клетке остается все время выше, чем в сусле, и молекулы спирта непрерывно уходят за пределы дрожжевой клетки.

Углекислый газ имеет ограниченную растворимость в воде. Поэтому в начала брожения выходящие за пределы дрожжевой клетки молекулы углекислого газа равномерно распределяются в воде, что визуально не видно, а с достижением насыщения скапливаются на дрожжевых клетках и других частицах, имеющихся в бражке, образуя пузырьки. При достижении определенного размера пузырьки углекислого газа вместе с дрожжевыми клетками и частицами поднимаются вверх, где углекислый газ выходит за пределы бражки, а дрожжевые клетки и частицы опускаются вниз.

В сахарсодержащем сырье сахара представлены сахарозой,

I глюкозой, фруктозой и раффинозой (сусло из: сахарной свеклы, мелассы, плодов и ягод); крахмал содержащем — мальтозой, глюкозой и сахарозой (сусло из: зерна хлебных злаков, гороха, картофеля); инулинсодержащем — фруктозой. В процессе брожения сахароза под действием фермента дрожжей сахаразы превращается в глюкозу и фруктозу, которые под действием вырабатываемого дрожжами комплекса ферментов зимазы преваращаются в этиловый спирт и углекислый газ; мальтоза под действием фермента дрожжей мальтазы сначала превращается в глюкозу, а уже потом под действием зимаз также в этиловый спирт и углекислый газ. Скорость превращения в спирт и углекислый газ различных Сахаров различна. В случае, например, одновременного присутствия в бражке сахарозы, глюкозы, фруктозы и мальтозы сначала первая превращается в глюкозу и фруктозу, после чего образовавшиеся и уже имеющиеся глюкоза и фруктоза превращаются в спирт и углекислый газ и только после этого начинается превращение мальтозы в глюкозу и последней в спирт и углекислый газ [22]. В случае присутствия в бражке только фруктозы и глюкозы, дрожжи превращают в! спирт сначала глюкозу, а затем фруктозу [10].

С химической точки зрения превращение одних и тех же Сахаров любого сырья идентично и без учета промежуточных продуктов превращения описывается уравнениями:

С12Н22О11 + Н20 = СбНігОб + СбНігОб = 4C2HjOH + 4С02

Сахароза вода глюкоза фруктоза этиловый углекислый

Спирт газ

342,2г 18,0бг 180,1 г 180,Іг 4х46,05і=І84,2г 4х44і=І76г

N(C6Hio05) +п(Н20) = п/2(С|2Н220п +

Крахмал вода мальтоза

Пх 162,1 п х 18 п/2342,2

+Н20) = п (СбНігОб) = п(2С2Н5ОН + 2С02)

Вода глюкоза этиловый спирт углекислый газ

П/2 х 18г n х 180,1 г п<2 х 4б,05г-92,1г+2 х 44г-88г)

П(СбНю05> + п(НгО) = п (СбНігОб) = п(2СгН5ОН + 2СОг).

Инулин вода фруктоза этиловый спирт углекислый газ

П х 162,1г п х 18г п х 180,tr п(2 х46,05г - 92,1г + 2 X 44г=88г)

(С целью представления всего процесса превращения углеводов в спирт в двух нижних уравнениях в качестве исходных соединений приведены крахмал и инулин, которые, как это было сказано ранее превращаются в сбраживаемые дрожжами сахара в процессе осахаривания, до начала брожения).

В приведенных уравнениях реакций под обозначением участ­вующих в превращении молекул указана их молярная масса, откуда видно, что 180,1 г глюкозы или фруктозы дают 92,1 г этилового спирта; 342,2г сахарозы дают 360,2 г глюкозы и фруктозы, которые превращаются в 184,2г этилового спирта; 162,1 крахмала дают 180,1 г глюкозы, которая превращается в 92,1 г

Этилового спирта, и, наконец, 162,1г инулина дают 180,1г фруктозы, которая превращается в 92,1 г этилового спирта. Таким образом, из 1 кг сахарозы должно получиться 0,538 кг этилового спирта; 1кг глюкозы или фруктозы — 0,511 кг; 1 кг крахмала или инулина — 0,568 кг этилового спирта. С учетом того, что 1л безводного этилового спирта при 20°С имеет массу около 0,7893 кг, 1 кг сахарозы, глюкозы или фруктозы и крахмала или инулина дают, соответственно, 0,682, 0,648 и 0,72л этилового спирта. Приведенные цифры определяют теоретический выход этилового спирта, то есть количество спирта, которое можно получить с единицы массы сахарозы, фруктозы, глюкозы, крахмала и инулина в случае их полного превращения только в этиловый спирт и углекислый газ. На практике выход спирта ниже, что связано с расходованием Сахаров на размножение дрожжей, образование глицерина, уксусного альдегида, янтарной,

Уксусной, молочной и лимонной кислот, ацетона и спиртов сивушного масла. Кроме того, часть Сахаров и спирта потребляется имеющимися в бражке различными патогенными мик­роорганизмами, часть крахмала и инулина не превращаются в і сахара, декстринов ■*— в мальтозу, Сахаров — в спирт из-за | неполных осахаривания и брожения. И, конечно, часть паров спирта уходит в атмосферу во время брожения и перегонки.

Все это вместе взятое приводит к тому, что практический выход спирта на 12 — 28% ниже теоретического, причем значительная часть - этих потерь связана с несовершенством технологии Табл.18 характеризует количество спирта, получае - I мого из 100 кг сырья в реальных условиях промышленного производства на старых русских заводах.

В общем работники-практики придерживались правила, что независимо от используемого сырья брожение и перегонка проведены удовлетворительно, если получается столько литров 50°-ной водки, сколько килограммов Сахаров, крахмала или инулина содержалось в сырье, поступившем на переработку.

В зависимости от принятой технологической схемы и перерабатываемого сырья нормы выхода спирта на отечественных заводах (1965г.) приведены в табл.19.