ПРОИЗВОДСТВО СПИРТНЫХ НАПИТКОВ
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 віл 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 п 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
Таблица 18. Выход спирта из 100 кг сырья, л, [23|. |
|||||
Сырье, 100 кг |
Доля сахара (крахмала), мае. % |
Выход 100%-тного спирта при ведении производства, технологии 1 |
|||
Отличном |
Очень хорошем |
Хорошем |
Посредственном 1 |
||
Сахар |
100 |
64,0 |
62,0 |
60,0 |
58,0 |
Свекла сахарная |
8 |
5,12 |
4,96 |
4,80 |
4,64 |
—"— |
12 |
7,68 |
7,44 |
7,20 |
6,96 |
—"— |
16 |
10,24 |
9,92 |
9,60 |
9,28 |
Сахарный тростник |
16 |
10,24 |
9,92 |
9,60 |
9,28 |
—"— |
18 |
11,52 |
11,16 |
10,80 |
10,44 |
—"— |
20 |
12,80 |
12,40. |
12,00 |
11,60 |
Свеклосахарная патока |
46 |
29,44 |
28,52 |
27,60 |
26,68 |
—"— |
48 |
30,72 |
29,76 |
28,80 |
27,84 |
— |
50 |
32,00 |
31,00 |
30,00 |
28,90 |
Крахмал воздушный сухой |
82 |
54,9 |
52,5 |
50,8 |
49,2 |
Крахмал воздушный сырой |
50 |
33,5 |
32,0 |
31,0 |
30,0 |
Картофель |
14 |
9,4 |
9,0 |
8,7 |
8,4 |
—"— . |
20 |
13,4 |
12,8 |
12,4 |
12,0 |
—"— |
24 |
16,1 |
15,4 |
14,9 |
14,4 |
Рожь |
55 |
36,9 |
35,2 |
34,1 |
33,0 |
Ячмень |
58 |
38,9 |
37,1 |
36,0 |
34,8 |
Пшеница |
65 |
45,6 |
41,6 |
40,3 |
39,0 |
Овес |
52 |
34,8 |
33,3 |
32,2 |
31,2 |
Кукуруза |
61,5 |
41,2 |
39,4 |
38,1 |
36,9 |
Рис |
70 |
46,9 |
44,8 |
43,4 |
42,0 |
Гречиха и просо обрушенные |
70 |
46,9 |
44,8 |
43,4 |
42,0 |
| Солод ячменный |
50 |
33,3 |
32,0 |
31,0 |
30,0 I |
Этилового спирта, и, наконец, 162Дг 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,
Таблица 19. Нормы выхода спирта из 100 кг крахмала, входящего и состан І различного сырья, л, [3]. |
|
| Сырье |
Выход спирта |
Картофель |
64,6 |
Кукуруза |
63,9 |
Рожь |
62,8 |
Пшеница |
63,6 |
Ячмень |
62,3 |
Овес и чумиза |
61,7 |
Просо |
63,4 |
Гречиха |
61,0 |
Ъика и чечевица |
59,0 |
Меласса (в пересчете на условный крахмал) |
66,1 |
Сахарная свекла (в пересчете на условный крахмал) |
61,3 |
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.