PRODUCTION D'ÉTHANOL
Le marché mondial de l'éthanol représente environ 4 milliards de dals (décalitres d'alcool absolu) par an. Les leaders de la production d'éthanol sont les États-Unis, le Brésil et la Chine. Aux États-Unis, il existe 97 usines produisant de l'éthanol à partir de maïs (35 usines supplémentaires sont en construction) avec une capacité totale de 1,5 milliard de décalitres par an.
Les principaux domaines d'utilisation de l'éthanol dans la pratique mondiale :
− 60 % – additif au carburant automobile ;
− 25 % − industrie chimique ;
− 15% − industrie alimentaire(sa part diminue).
Le carburant automobile à base d'éthanol contient 10 % d'éthanol (carburant E-10) ou 85 % d'éthanol (E 85). Avec un prix du pétrole de 60 à 70 dollars le baril, le bioéthanol devient un carburant compétitif. L'introduction d'éthanol dans l'essence permet de supprimer l'ajout de plomb tétraéthyle au carburant, entraînant une réduction de la toxicité des gaz d'échappement et de la consommation de carburant.
Aux USA, des recherches à grande échelle sont menées sur la production de bioéthanol à partir de matières premières végétales renouvelables (tiges de maïs, canne, etc.)
Dans des conditions industrielles, l'éthanol est produit par hydratation de l'éthylène en présence d'un catalyseur (H 3 PO 4 sur gel de silice), à partir d'hydrolysats de matières premières végétales (bois, tiges de maïs, canne), ainsi qu'à partir de matières premières contenant de l'amidon matières premières (blé, seigle, triticale, pommes de terre), mélasse, lactosérum, topinambour. Le rendement moyen d'alcool éthylique à 95,5 % à partir de 1 tonne de divers types de matières premières est présenté dans le tableau 2.1.
Tableau 2.1
Rendement en éthanol de diverses matières premières
Fin du tableau 2.1
Dans les distilleries de la République de Biélorussie (il existe environ 70 distilleries en activité avec une capacité totale de plus de 9 millions de décalitres par an), des matières premières contenant de l'amidon, principalement des céréales, sont utilisées pour produire de l'éthanol. La teneur en amidon de divers types de céréales est (en %) : blé – 48–57 ; seigle – 46-53 ; orge – 43-55 ; avoine – 34-40 ; mil – 42–60 ; maïs – 61-70. Le grain contient également (en moyenne) du sucre ~ 3% ; fibres ~ 6 % ; pentosanes et substances pectiques ~ 9 % ; substances azotées (protéiques) ~ 11 %, graisses ~ 3 %.
Producteurs d'éthanol
En synthèse microbiologique, les producteurs classiques d'éthanol sont les levures - Saccharomycètes et Schizosaccharomycètes. La levure est utilisée le plus souvent Saccharomyces cerevisiae,Saccharomyces vini,Schizosaccharomyces pombe.
Les saccharomycètes ont des cellules de forme ronde mesurant 10 à 15 microns et se reproduisent par bourgeonnement. Les schizosaccharomycètes ont de grandes cellules en forme de bâtonnet d'un diamètre de 4 à 5 microns et d'une longueur de 18 à 20 microns qu'elles se reproduisent par division ; Les deux levures fermentent bien le glucose, le mannose, le fructose, le saccharose et le maltose ; elles fermentent plus difficilement le galactose et ne fermentent pas les sucres pentoses (xylose, arabinose).
Le rendement théorique en éthanol à partir de 100 kg de glucose fermenté est de 51,14 kg soit 64,80 l (avec formation de 48,86 kg de CO 2). En pratique, le rendement en alcool est de 82 à 92 % du théorique en raison de la consommation d'une partie du substrat pour la reproduction et la croissance des levures et la formation de sous-produits.
La synthèse de l'éthanol dans une cellule de levure s'effectue selon le schéma suivant :
Les sous-produits de la fermentation alcoolique sont la glycérine, les alcools supérieurs (fusel), les acides organiques (acétique, pyruvique, lactique, succinique) et les aldéhydes. Lors de la fermentation alcoolique, le sucre (glucose) est utilisé pour former diverses substances dans les quantités suivantes : éthanol - 46-47%, dioxyde de carbone - 44-46%, biomasse de levure - 1,8-4,0%, glycérol - 3-4%, alcools supérieurs - 0,3-0,7%, acides organiques- 0,2-1,0%, aldéhydes - 0,1-0,2%. Lorsque la levure est remise en fermentation à plusieurs reprises, la consommation de sucre pour la formation de biomasse est réduite et l'intensité de la fermentation augmente même légèrement.
La formation de glycérol lors de la fermentation alcoolique s'explique par le fait que pendant la période d'induction (avant la formation de l'acétaldéhyde) une réaction de dismutation se produit entre deux molécules de phosphoglycéraldéhyde sous l'action de l'enzyme aldéhyde mutase avec la participation d'une molécule d'eau. Dans ce cas, une molécule de phosphoglycéraldéhyde est réduite pour former du phosphoglycérol et l'autre est oxydée en acide 3-phosphoglycérique. Le phosphoglycérol ne participe pas à d'autres réactions et, après élimination de l'acide phosphorique, est un sous-produit de la fermentation alcoolique. L'acide 3-phosphoglycérique subit des transformations le long de la voie EMT avec formation d'acétaldéhyde. Après l'apparition de l'acétaldéhyde, commence une période stationnaire de fermentation, durant laquelle l'oxydation du phosphoglycéraldéhyde en acide phosphoglycérique se déroule de manière plus complexe, avec ajout de phosphate inorganique (voie EMP). À cet égard, avec l'éthanol, une certaine quantité de glycérol se forme toujours pendant la fermentation.
Lorsque l'acétaldéhyde est lié au bisulfite, le processus de fermentation est orienté vers la formation de glycérol :
C 6 H 12 O 6 ® CH 3 CHO + CO 2 + CH 2 OH-CHON-CH 2 OH.
Dans un environnement alcalin, une molécule d'acétaldéhyde subit une réaction redox avec une deuxième molécule, formant de l'éthanol et de l'acide acétique. Dans le même temps, le glycérol s’accumule. Le processus global est exprimé par l’équation suivante :
2C 6 H 12 O 6 + H 2 O ® ® 2CH 2 OH-CHON-CH 2 OH + C 2 H 5 OH + CH 3 COOH + 2CO 2.
Ces techniques sont utilisées pour fabrication industrielle glycérine.
Les alcools supérieurs sont formés à partir d'acides aminés (dans une moindre mesure d'acides cétoniques) contenus dans le milieu de fermentation à la suite de réactions séquentielles de désamination des acides aminés, de décarboxylation des acides cétoniques résultants et de réduction des aldéhydes.
Parmi les alcools supérieurs présents dans le moût : le propyle (formé à partir de la thréonine), l'isobutyle (à partir de la valine), l'amyle (à partir de l'isoleucine) et l'isoamyle (à partir de la leucine).
 |
Actuellement, une recherche intensive est en cours pour trouver des micro-organismes producteurs d'éthanol non traditionnels, capables de fermenter une large gamme de substrats ayant une productivité élevée en éthanol et une résistance accrue à l'éthanol et aux températures élevées. Les bactéries synthétisant l’éthanol sont intéressantes. Par exemple, les bactéries Zymomonas mobilis diffèrent des levures par leur métabolisme intensif : elles ont un taux spécifique de conversion du glucose en éthanol élevé, fournissent un rendement en éthanol plus élevé (jusqu'à 95 % du théoriquement possible) et sont plus tolérantes à l'alcool. Mais ces bactéries sont sensibles à la présence de milieux nutritifs inhibiteurs (furfural, phénols) et nécessitent que le processus de fermentation soit effectué dans des conditions aseptiques.
Bactéries thermophiles Clostridium thermocellum(température optimale de croissance 68°C) sont capables de transformer directement la cellulose issue des matières premières végétales en éthanol, mais les matières premières doivent être débarrassées de la lignine. Il n'a pas encore été possible d'obtenir un rendement élevé en alcool par conversion directe de matières végétales.
Souches de levures capables de fermenter les sucres pentoses ( Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shehata). Le rendement en éthanol lors de la fermentation de 100 kg de xylose atteint 35 à 47 litres.
Dans la pratique nationale, la production d'éthanol à partir de matières premières contenant de l'amidon utilise de la levure Saccharomyces cerevisiae, ayant une température de fermentation optimale de 29 à 30°C.
Saccharification enzymatique amidon
Les producteurs d'éthanol traditionnels ne sont pas capables de décomposer les polysaccharides. Par conséquent, lors de la production de moût, les matières premières contenant de l'amidon doivent être bouillies et saccharifiées. L'amidon de la plupart des plantes contient 20 à 25 % d'amylose et 80 à 75 % d'amylopectine. DANS cellules végétales l'amidon se présente sous forme de grains (granulés) dont la taille varie de 1 à 120 microns (la fécule de pomme de terre a des granules mesurant 40 à 50 microns, les granules d'amidon en grains - 10 à 15 microns). L'amidon, l'amylose et l'amylopectine sont insolubles dans eau froide, alcool, éther. L'amylose se dissout facilement dans l'eau tiède, l'amylopectine - lorsqu'elle est chauffée sous pression. La structure en réseau des molécules d'amylopectine provoque le gonflement des granules d'amidon sans leur dissolution (les liaisons secondaires sont affaiblies par l'hydratation). À une certaine température, les granules se détachent, brisant les liens entre les individus. éléments structurels, l'intégrité des granules est compromise. Dans le même temps, la viscosité de la solution augmente fortement - une gélatinisation de l'amidon se produit. La pâte se caractérise par une disposition aléatoire des molécules, une perte de structure cristalline. A une température de 120-130°C, la pâte devient facilement mobile. La dissolution la plus complète de l'amylopectine se produit dans l'amidon de blé à 136-141°C et dans la fécule de pomme de terre à 132°C.
L'amidon dissous lors de la cuisson des céréales ou des pommes de terre est hydrolysé (saccharifié) par les enzymes amylolytiques du malt de céréales ou des cultures de micro-organismes, principalement des champignons filamenteux et des bactéries. Parmi les matières végétales, la plus riche en enzymes amylolytiques est la céréale germée, appelée malt. Actuellement, l'industrie de l'alcool utilise largement des préparations enzymatiques à base de cultures de champignons filamenteux (ou bactéries du genre Bacille), qui présentent de nombreux avantages par rapport au malt. Les cultures de champignons filamenteux sont cultivées sur du son de blé ou de la farine de maïs, tandis que le malt nécessite des grains de qualité. Des micro-organismes étrangers sont introduits dans le moût en grande quantité avec le malt, ce qui affecte négativement le rendement en éthanol. Les cultures profondes de champignons sont cultivées dans des conditions stériles ; elles ne contaminent pas le moût avec des micro-organismes étrangers. La culture d'une culture de champignons en surface s'effectue beaucoup plus rapidement (1,5 à 2,0 jours) que la germination des grains (9 à 10 jours). Les champignons forment un complexe d'enzymes qui hydrolysent l'amidon en profondeur et décomposent également les hémicelluloses en monosaccharides, ce qui augmente le rendement en éthanol des matières premières.
Diverses enzymes sont impliquées dans le processus de saccharification des matières premières contenant de l'amidon. Les amylases sont de la plus grande importance en matière de production. Les α- et β-amylases catalysent le clivage uniquement des liaisons α-1,4-glucosidiques. Sous l’action des α-amylases, les liaisons sont rompues de manière aléatoire, mais majoritairement au sein des chaînes. En conséquence, ce sont principalement des dextrines qui sont formées, et non grand nombre maltose et oligosaccharides. En fonction de la nature de son action, l’α-amylase est appelée amylase endogène ou dextrinogénique.
L'action de la β-amylase est dirigée vers les liaisons terminales (externes) de l'amidon et séquentiellement, à partir des extrémités non réductrices des chaînes, deux résidus glucose (maltose) sont clivés. La β-amylase ne peut pas contourner les sites de ramification dans la macromolécule d'amidon, donc l'hydrolyse s'arrête au niveau de l'avant-dernière liaison α-1,4-glucosidique et des dextrines de haut poids moléculaire restent pendant l'hydrolyse de l'amylopectine. L'amylose est presque entièrement convertie par la β-amylase en maltose, amylopectine - seulement 50 à 55 %.
À la suite de l'action combinée des α- et β-amylases, un mélange de saccharides se forme, constitué de maltose, d'une petite quantité de glucose et de dextrines de faible poids moléculaire, dans lequel toutes les liaisons α-1,6-glucosidiques de l'amidon sont concentrés.
Les bactéries et les champignons microscopiques manquent de β-amylase, mais contiennent de l'α-amylase active, qui diffère par la composition des acides aminés de la protéine et la spécificité de son action. En particulier, lorsqu'elle est catalysée par l'α-amylase de champignons microscopiques, de grandes quantités de glucose et de maltose se forment. Parmi les amylases bactériennes, il existe à la fois des saccharogènes et des dextrinegènes. Les premiers hydrolysent l’amidon à hauteur de 60 % ou plus, les seconds à hauteur de 30 à 40 %. Les α-amylases d'origine microbienne, comme les α- et β-amylases du malt, n'attaquent pas les liaisons α-1,6-glucosidiques.
Les champignons microscopiques contiennent de la glucoamylase, qui catalyse le clivage des liaisons α-1,4- et α-1,6-glucosidiques dans l'amidon. Au cours de la catalyse par cette enzyme, les résidus de glucose sont séquentiellement clivés des extrémités non réductrices de l'amylose et de l'amylopectine. Une molécule d'eau se fixe à l'endroit où les liaisons sont rompues, donc le rendement théorique en glucose lors du processus d'hydrolyse est de 111,11 % en poids d'amidon.
Il existe trois modes d'interaction possibles entre une enzyme et un substrat (contenant un grand nombre de chaînes) : multichaîne, monochaîne et combiné.
Selon la méthode multi-chaînes, la molécule d'enzyme dans ordre aléatoire attaque l'une des chaînes polysaccharidiques, en en séparant un maillon, puis attaque également les chaînes suivantes dans un ordre aléatoire, y compris, éventuellement, celle attaquée plus tôt. Ainsi, au cours de l’existence du complexe enzyme-substrat, un seul acte catalytique se produit.
Dans la méthode à chaîne unique, la molécule d'enzyme, attaquant l'une des chaînes de polysaccharides dans un ordre aléatoire, en coupe séquentiellement les maillons jusqu'à ce que la chaîne soit complètement divisée. Au cours de l'existence du complexe enzyme-substrat, toutes les liaisons accessibles à l'enzyme sont hydrolysées.
La méthode combinée, ou méthode d'attaque multiple, consiste dans le fait que lors de l'existence du complexe enzyme-substrat, plusieurs liaisons sont hydrolysées. Dans ce cas, après la rupture d'un maillon, l'enzyme n'est pas repoussée, mais est retenue. L’attaque se produit en alternant des méthodes mono-chaînes et multi-chaînes.
Des études ont montré que les α- et β-amylases effectuent une hydrolyse par une méthode d'attaques multiples (la méthode multi-chaînes est caractéristique de l'α-amylase bactérienne).
Dans les distilleries nationales, le malt brut (non séché) sous forme de lait malté et de préparations enzymatiques (glucavamorine, amylorizine, amylosubtiline) sont utilisés pour la saccharification de l'amidon de la matière première. différents niveaux activité ou un mélange de lait malté et de préparation enzymatique.
La technologie de production de malt comprend les principaux processus suivants : trempage des matières premières pour atteindre une teneur en humidité de 38 à 40 % ; germination des grains pendant 10 jours dans une malterie pneumatique en couche de 0,5 à 0,8 m d'épaisseur ; broyer le malt dans des broyeurs à disques ou à marteaux ; désinfection du malt avec une solution de formaldéhyde ou d'eau de Javel et préparation de lait de malt. Le lait de malt est obtenu en mélangeant du malt broyé avec de l'eau (4 à 5 litres d'eau pour 1 kg de malt).
Le malt fabriqué à partir de différentes céréales contient des quantités variables de chaque enzyme amylolytique. Par exemple, le malt d'orge a une activité α- et β-amylolytique élevée, et le malt de mil a une forte activité dextrinelitique. Le plus souvent, un mélange de trois types de malt est préparé : l'orge (50 %), le mil (25 %) et l'avoine (25 %). Il est interdit d'utiliser du malt d'une culture dans la production d'alcool provenant de la même culture.
La plupart des enzymes industriellement importantes appartiennent à la classe des hydrolases, dont les besoins s'élèvent à des dizaines de milliers de tonnes. Les hydrolases jouent un rôle important dans la technologie de fermentation, car elles sont responsables de la préparation des matières premières pour la fermentation.
Les hydrolases comprennent les enzymes amylolytiques, protéolytiques, cytolytiques, lipolytiques, pectolytiques et autres.
L'hydrolyse de l'amidon est réalisée par des enzymes amylolytiques.
Amidon- un polysaccharide, lui-même constitué de deux polysaccharides, qui diffèrent par le degré de polymérisation et le type de structure - l'amylose (teneur approximative de 20 à 30 %) et l'amylopectine ( 70-80 %). L'unité structurelle de l'amidon et, par conséquent, de l'amylose et de l'amylopectine, est le glucose, dont les résidus sont reliés entre eux par des liaisons α-1,4 et α-1,6-glucosidiques.
Amylose a une structure linéaire, une liaison entre les résidus glucose α-1,4 (entre le 1er et le 4ème atomes de carbone). Soluble dans eau chaude sans gonflement. Forme des solutions de faible viscosité. Poids moléculaire de 60 à 600. Avec l'iode il donne une couleur bleue.
o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-
Figure 16 – Structure de l'amylose
Amylopectine est une chaîne ramifiée constituée d'un grand nombre de résidus glucose (environ 2500). La chaîne principale se compose de 25 à 30 résidus et les chaînes latérales de 15 à 18. Dans l'amylopectine, les résidus de glucose dans les régions linéaires sont liés par une liaison α-1,4 et dans les sites de ramification, il existe une liaison α-1,6. Ne se dissout pas dans l'eau. Lorsqu'il est chauffé, il forme une pâte. Avec l'iode, il donne une couleur violette.
L'hydrolyse de l'amidon et des produits de son hydrolyse partielle, ainsi que du glycogène, est réalisée par des amylases (α-amylase, β-amylase, glucoamylase et autres enzymes amylolytiques).
α-amylase(dextrinogénamylase) - selon le mécanisme d'action, il appartient aux endoenzymes, c'est-à-dire agit sur la molécule de substrat de l'intérieur, de manière aléatoire, ce qui entraîne une diminution rapide de la viscosité de la solution d'amidon. Hydrolyse les liaisons α-1,4 dans les polysaccharides contenant trois résidus D-glucose ou plus.
L'amylose, sous l'action de l'α-amylase, se décompose d'abord en dextrines de taille moyenne, qui sont ensuite décomposées en dextrines de faible poids moléculaire et en maltose. Avec une action prolongée de l'enzyme, l'amylose est presque entièrement transformée en maltose et en une petite quantité de glucose.
L'action de l'α-amylase sur l'amylopectine conduit à la formation de maltose et de dextrines de bas poids moléculaire.
Régime général hydrolyse de l'amidon par l'α-amylase :
α-amylase
Dextrines d'amidon de faible poids moléculaire
(beaucoup) + maltose (peu) + glucose (très peu)
Conditions optimales pour l'enzyme : pH 5,7, température 70 °C.
β-amylase(sugarogenamylase) __ exoenzyme, catalyse l'hydrolyse des liaisons α-1,4 dans les polysaccharides, clivant séquentiellement les résidus de maltose de l'extrémité non réductrice (où il n'y a pas de groupe aldéhyde libre) des chaînes. La β-amylase décompose complètement l'amylose (si le nombre de molécules de glucose qu'il contient est pair) en maltose, s'il est impair, alors le maltotriose se forme avec le maltose ;
Dans l'amylopectine, la β-amylase agit uniquement sur les extrémités libres et non réductrices des chaînes de glucose pour former du maltose et des dextrines de haut poids moléculaire. Son action s'arrête à l'approche d'une branche (où se trouve une liaison α-1,6) à une distance d'une molécule de glucose. Les dextrines résultantes sont ensuite hydrolysées par l'α-amylase en dextrines de poids moléculaire inférieur.
Schéma général de l'hydrolyse de l'amidon sous l'action de la β-amylase :
β-amylase
Amidon, dextrines de haut poids moléculaire (beaucoup) + maltose (beaucoup) + maltotriose (peu)
Conditions optimales pour l’action de la β-amylase : pH 4,7, température 63 °C.
Ainsi, quand action communeα- et β-amylases sur l'amidon, seulement 80 % de celui-ci est transformé en sucres fermentescibles (maltose, glucose, maltotriose) et 20 % __ en dextrines avec 5 à 8 résidus glucose.
Limiter la dextrine __ endoenzyme, hydrolyse de manière aléatoire la liaison α-1,6-glucosidique dans l'amidon, le glycogène et les dextrines. Le maltotriose se forme le plus souvent. Paramètres optimaux action : pH 6,5, température 50 o C.
Glucoamylase __ exoenzyme, hydrolyse les liaisons α-1,4 et α-1,6 dans les polysaccharides, éliminant séquentiellement un résidu glucose des extrémités non réductrices des chaînes. Les liaisons α-1,4 dans l'amidon sont détruites plus rapidement que les liaisons α-1,6. Conditions optimales : pH 4,5-4,6, température 55-60°C.
Différentes installations de fermentation ont des exigences différentes en matière d'hydrolyse de l'amidon. Dans la production d'alcool, il est nécessaire d'hydrolyser l'amidon le plus profondément possible afin d'obtenir des sucres plus fermentescibles, et donc un rendement en alcool plus élevé.
Dans la production de bière, l'hydrolyse complète de l'amidon n'est pas réalisée, car en plus des sucres fermentescibles (nécessaires à la formation d'une certaine quantité d'alcool), le milieu doit contenir des dextrines de bas poids moléculaire, qui confèrent à la bière plénitude de goût et de viscosité. .
Selon la source de l'enzyme, les propriétés des amylases et d'autres enzymes peuvent différer considérablement non seulement dans le mécanisme d'action et les produits de réaction finaux, mais également conditions optimales pour une activité maximale. Les paramètres d’action optimaux pour les α- et β-amylases du malt ont été indiqués ci-dessus.
Les amylases bactériennes diffèrent des amylases de malt en ce sens qu'elles sont plus stables thermiquement. Paramètres d'action optimaux : température 80-85 o C (parfois jusqu'à 90-95 o C), pH 5,5-5,8.
Les amylases fongiques (dont notamment la glucoamylase) sont plus résistantes aux réactions environnementales : les températures optimales sont de 50 à 60 °C, le pH de 4,2 à 4,7.
Ainsi, les amylases bactériennes sont plus thermostables et les amylases fongiques agissent dans un environnement plus acide que les enzymes du malt.
Soumettre votre bon travail à la base de connaissances est facile. Utilisez le formulaire ci-dessous
Les étudiants, étudiants diplômés, jeunes scientifiques qui utilisent la base de connaissances dans leurs études et leur travail vous en seront très reconnaissants.
Publié sur http://www.allbest.ru/
Introduction
L'alcool éthylique est largement utilisé dans économie nationale comme solvant, également utilisé dans la production de divinyle, dans les industries alimentaire et médicale, comme carburant pour moteurs de fusée, antigel, etc., est un produit intermédiaire important synthèse organique(dans la production d'esters, de celluloïd, de rayonne, d'acétaldéhyde, acide acétique, chloroforme, chloral, éther diéthylique et autres produits).
Ainsi, l'alcool éthylique est l'un des produits de synthèse organique de base à gros tonnage ; la production mondiale d'alcool éthylique dépasse 2,5 millions de tonnes/an (en termes de volume de production, il se classe au premier rang mondial parmi tous les produits biologiques).
L'essence de la technologie biochimique de préparation de l'alcool est la suivante : premièrement, les matières premières contenant de l'amidon sont broyées et bouillies jusqu'à ce que la structure cellulaire soit complètement détruite et que l'amidon qu'elles contiennent soit dissous. Ensuite, l'amidon dissous est « saccharifié », c'est-à-dire soumis à une hydrolyse sous l'action d'enzymes de malt ou de préparations enzymatiques microbiennes. Ensuite, le moût « sucré » obtenu est fermenté avec des levures alcoolisées. Dans ce cas, le glucose est décomposé par les enzymes de levure. Les principaux produits de fermentation sont l'alcool éthylique et dioxyde de carbone. Le moût mûr contient également des sous-produits de fermentation : aldéhydes, cétones, alcools d'huile de fusel, glycérine, acides carboxyliques, etc.
Pour éliminer et purifier l'alcool du moût, les spécialistes de l'usine utilisent des méthodes de rectification du moût, tout en possédant une installation unique de rectification du moût équipée système automatisé contrôle, qui élimine l'influence du facteur humain et améliore ainsi considérablement la qualité de l'alcool.
Les processus de bragorectification se déroulent en plusieurs étapes, au cours desquelles l'alcool est concentré et débarrassé d'une certaine partie des impuretés. Le résultat est un alcool rectifié (purifié) conforme à GOST R 51652 - 2000. Aujourd'hui, la technologie de rectification, développée spécifiquement pour l'usine par d'éminents scientifiques russes, permet d'obtenir des alcools contenant un ordre de grandeur moins d'impuretés que ceux requis par GOST.
1. Production d'alcool
Jusqu'à récemment, la production d'alcool éthylique reposait sur des matières premières alimentaires - la fermentation de l'amidon de certaines céréales et pommes de terre à l'aide d'enzymes produites par la levure. Cette méthode a été préservée à ce jour, mais elle est associée à des coûts élevés des matières premières alimentaires et ne peut satisfaire l'industrie. Une autre méthode, également basée sur la transformation des matières végétales, est la transformation du bois (alcool d'hydrolyse). Le bois contient jusqu'à 50 % de cellulose, et lorsqu'il est hydrolysé avec de l'eau en présence d'acide sulfurique, il se forme du glucose qui est ensuite soumis à une fermentation alcoolique :
(C 6 H 10 O 5) x + xH 2 O xC 6 H 12 O 6,
C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 .
L'alcool éthylique synthétique est produit par hydratation de l'éthylène.
L'hydratation de l'éthylène est réalisée par deux méthodes : à l'aide d'acide sulfurique (hydratation à l'acide sulfurique) et par interaction directe de l'éthylène avec la vapeur d'eau en présence d'un catalyseur.
La technologie de l'alcool comprend les processus suivants : préparation des matières premières pour l'ébullition, ébullition des grains avec de l'eau pour détruire la structure cellulaire et dissoudre l'amidon, refroidissement de la masse bouillie et saccharification de l'amidon avec des enzymes de cultures de malt ou de moisissures, fermentation des sucres par la levure en alcool, distillation de l'alcool de la purée et sa rectification .
Pour préparer le malt, on utilise de l'orge, du seigle, de l'avoine et du mil de haute qualité, qui doivent répondre aux exigences indiquées dans le tableau n° 1. La couleur de l'orge est jaune clair, le noircissement est autorisé ; avoine blanche ou jaune; millet jaune, rouge, gris, blanc ; jaune de seigle et vert dans différentes nuances ; odeur caractéristique du grain; Les odeurs de moisi, de moisi et autres odeurs étrangères ne sont pas autorisées.
Tableau 1. Caractéristiques de la qualité des grains
La qualité des céréales utilisées pour la cuisson n'est pas réglementée. Il est souhaitable que le grain soit sain, riche en féculents, avec une teneur en humidité de 14 à 17 % selon la culture et peu contaminé. Les céréales pré-saines sont évaluées de manière organoleptique.
Préparation des céréales.
Tous les types de céréales entrant dans la production sont nettoyés de la poussière, de la terre, des pierres, du métal et d'autres impuretés. Les céréales destinées à la fabrication du malt sont également débarrassées des grains chétifs, des moitiés et des graines de mauvaises herbes.
Séparation par tamis à air. Impuretés qui diffèrent du grain d'une culture donnée en épaisseur (largeur) et propriétés aérodynamiques(dérive), séparés sur un séparateur à tamis à air. Lors du nettoyage de l'orge, de l'avoine et du mil, la productivité du séparateur est réduite de 20 à 30 %. La teneur en impuretés des grains purifiés ne doit pas dépasser 1 %.
Séparation magnétique. Les petites impuretés métalliques contenues dans le grain après nettoyage dans des séparateurs à tamis à air sont éliminées à l'aide de séparateurs magnétiques.
Séparation des graines de mauvaises herbes.À l'aide de tamis, le grain ne peut être divisé qu'en fonction de son épaisseur et de sa largeur. Les impuretés qui diffèrent de la récolte principale par la longueur des grains sont isolées à l'aide de machines appelées trirèmes. Le corps de travail de la sonde est un cylindre ou un disque avec des cellules qui sélectionnent les particules courtes de la masse de grains. Selon l'objectif, on distingue deux types de sondes : les séparateurs à marionnettes - séparant les moitiés de grains et les impuretés sphériques, telles que les graines de pupes, de la récolte principale ; sélecteurs d'avoine - séparant les grains de la culture principale, par exemple l'orge, le seigle, d'un mélange de ceux-ci avec de longs grains d'avoine et de folle avoine.
Matières premières bouillantes.
L'ébullition est effectuée pour détruire les parois cellulaires, libérer l'amidon des cellules et le convertir en une forme soluble, dans laquelle il est plus rapidement et plus facilement saccharifié par les enzymes. L'ébullition des matières premières contenant de l'amidon est réalisée en les traitant à la vapeur sous une surpression de 400 à 500 kPa.
Lors de l'ébullition, un certain nombre de phénomènes physiques, physico-chimiques et changements chimiques. Lors du traitement thermique pendant le processus d'ébullition, l'amidon gonfle intensément, s'agglutine et se transforme en une forme soluble, en raison de l'absorption intensive de l'eau. Lorsque la masse bouillie sort du cuiseur, la pression chute jusqu'à la pression atmosphérique, ce qui provoque la transformation de l'eau contenue dans les cellules en vapeur dont le volume est plusieurs fois supérieur au volume d'eau. Une telle augmentation de volume conduit à la rupture des parois cellulaires de la matière première et à sa transformation en une masse homogène. Le processus d’ébullition s’accompagne d’une augmentation de la teneur en sucres et en dextrines due à l’hydrolyse partielle de l’amidon sous l’action des enzymes propres à la matière première et de son acidité naturelle. La température élevée au stade d'ébullition provoque les processus de formation de mélanoïdes (l'interaction des sucres avec les acides aminés), décomposition thermique sucres (caramélisation) et autres, ce qui entraîne une diminution de la quantité de sucres fermentescibles.
Actuellement, les matières premières contenant de l'amidon sont bouillies de trois manières : périodique, semi-continue et continue. Le plus répandu reçu une ébullition continue selon deux schémas. Selon le premier schéma, l'ébullition s'effectue à basse température (130 - 140°C), mais pendant une longue période (50 - 60 minutes). Selon le deuxième schéma, la température d'ébullition est de 165 à 172°C et la durée de cuisson est de 2 à 4 minutes. Lors d'une cuisson continue, la matière première se déplace selon un flux constant à travers l'appareil de cuisson pour assurer un écoulement uniforme, la matière première est broyée.
L'ébullition continue des matières premières broyées comprend les opérations suivantes : dosage des matières premières et de l'eau, préparation du lot et ébullition en deux temps (chauffage du lot à la température de cuisson et maintien du lot à cette température). Le processus d'ébullition continue est effectué comme suit. Le grain broyé est mélangé avec de l'eau à raison de 2,0 à 3,5 litres pour 1 kg de grain. De l'eau est ajoutée de manière à ce que la concentration du lot de grains soit de 16 à 17 % de matière sèche. Le lot de céréales est chauffé avec de la vapeur secondaire à 70-75°C et pompé dans la tête de contact, où le lot (bouillie) est instantanément chauffé avec de la vapeur à 100-110°C. Ensuite, le lot chauffé est introduit dans un appareil de cuisson composé de 2 à 4 étages (colonnes).
2. Refroidissementmasse d'arène et sa saccharification
Pendant la saccharification, la masse bouillie refroidie est traitée avec du lait de malt ou des préparations enzymatiques pour décomposer l'amidon et les protéines. Dans ce cas, le processus principal est l’hydrolyse de l’amidon en sucres fermentescibles par la levure.
Lors de la saccharification de la masse bouillie avec du lait de malt : l'amidon est hydrolysé à 70-75 % en maltose et glucose et à 25-30 % pour limiter les dextrines, qui se décomposent en sucres au stade de la fermentation. Lors de l'utilisation de lait de malt, le moût obtenu contient 71 à 78 % de maltose et 22 à 29 % de glucose provenant de la somme de tous les sucres fermentescibles. Le moût obtenu par saccharification avec des préparations enzymatiques d'origine microbienne contient 14 à 21 % de maltose et 79 à 81 % de glucose.
Cette différence dans les produits de l'hydrolyse de l'amidon lors de l'utilisation de différents matériaux saccharifiants est due au fait que le lait de malt contient de l'A- et de la B-amylase et de la dextrinese, et que les préparations enzymatiques d'origine microbienne contiennent de l'A-amylase et de la glucoamylase. nature de leur action sur l'amidon et en fonction de la température et de l'acidité du milieu. Selon leur origine, les A-amylases peuvent décomposer l'amidon uniquement en dextrines (A-amylases d'origine bactérienne) ou former à la fois des dextrines et des sucres (la plupart des A). -amylases d'origine fongique et enzymes de malt). La saccharification de la masse bouillie est réalisée à une certaine température, acidité, concentration du substrat et de la matière saccharifiante.
La méthode de saccharification la plus avancée est la saccharification continue avec refroidissement sous vide. Son essence réside dans la réduction de la pression, ce qui conduit à un refroidissement instantané de la masse bouillie en raison de la perte de chaleur due à l'évaporation de l'eau. Le refroidissement sous vide empêche l'inactivation thermique des enzymes présentes dans les matériaux saccharifiants. Des matériaux saccharifiants sont ajoutés à la masse refroidie. La température optimale pour l’action des enzymes amylolytiques est de 57 à 58°C. La saccharification continue de la masse bouillie est réalisée selon une méthode à un ou deux flux. Dans la méthode à flux unique, la masse bouillie et la totalité de la quantité calculée de matières saccharifiantes sont introduites dans le saccharificateur (un appareil cylindrique avec un fond conique et un agitateur) et conservées pendant 10 à 15 minutes. Dans la méthode à deux flux, la masse bouillie est divisée en deux flux égaux et envoyée à deux saccharificateurs. Les 2/3 des matières saccharifiantes sont fournis au premier saccharificateur ; dans le second, le moût partiellement saccharifié est refroidi et introduit pour la fermentation dans les premier et deuxième appareils de tête de la batterie de fermentation.
Le moût fini doit contenir 16 à 18 % de sucre sec, dont 13 à 15 % de sucres fermentescibles ; acidité 0,2 - 0,3 degrés. Lors du test d'iode, la couleur du moût ne doit pas changer.
3 . Fermentation
La fermentation de la masse saccharifiée (moût) commence à partir du moment où la levure de production y est introduite ; Sous l'action des enzymes de levure, le maltose est décomposé en glucose, qui est ensuite fermenté en alcool et en dioxyde de carbone, principaux produits de la fermentation. Parallèlement, des produits secondaires et sous-produits de la fermentation se forment : alcools supérieurs, acides et esters. Comme les mono- et disaccharides sont fermentés sous l'action d'enzymes amylolytiques, les dextrines et l'amidon contenus dans le moût sont encore saccharifiés. La durée de la fermentation dépend de la vitesse de ce processus.
Dans le processus de fermentation du moût, on distingue trois périodes : la fermentation, la fermentation principale et la post-fermentation. Dans la première période, une reproduction intensive des levures et une fermentation des sucres se produisent. La deuxième période est caractérisée par une fermentation vigoureuse des sucres et s'accompagne d'une libération rapide de dioxyde de carbone. Dans la troisième période, il y a une fermentation lente des sucres formés à la suite de la saccharification supplémentaire des dextrines du moût.
Le processus de fermentation est effectué dans des fermenteurs fermés pour éviter la perte d'alcool et le dégagement de dioxyde de carbone dans locaux de production. L'appareil de fermentation hermétiquement fermé est un cylindre vertical avec un fond sphérique ou conique ; un serpentin est installé à l'intérieur pour refroidir le moût en fermentation.
La fermentation du moût est réalisée de manière discontinue, cyclique et continue. La plus avancée et la plus efficace est la méthode à flux continu, réalisée dans une installation composée de deux cellules de levure, d'un fermenteur et de 8 à 10 fermenteurs reliés en série par des tuyaux de trop-plein. La levure et le fermenteur sont destinés à la cuisson quantité requise levure de production. Le processus se déroule comme suit. La levure est remplie de moût, pasteurisée à 80°C pendant 30 minutes, refroidie à 30°C, le pH est ajusté à 3,6-3,8 avec de l'acide sulfurique et la levure d'ensemencement est introduite à partir de la deuxième levure en une quantité de 25-30 %. du volume. La propagation de la levure se poursuit jusqu'à ce que la teneur en matière sèche du moût atteigne 5 à 6 %. Ensuite, 70 à 75 % de la levure est transférée au fermenteur, où le moût refroidi est simultanément fourni et la masse entière est acidifiée à l'acidité requise. La masse sous cette forme est laissée à la fermentation et à la propagation des levures. La partie restante de la levure (25 %) est introduite dans la deuxième levure pour la propagation.
Lorsque la teneur en matière sèche atteint 5 à 6 %, la masse est introduite dans le premier appareil de fermentation de tête, dans lequel le moût refroidi est simultanément introduit. Lorsque le premier appareil de fermentation de tête est rempli, le moût fermentescible s'écoule dessus, dans le deuxième appareil de tête, de celui-ci dans le troisième, etc. La durée de fermentation est de 60 heures A partir du dernier appareil, la purée mûre est alimentée pour la distillation. Pendant la fermentation, une certaine température est maintenue dans les appareils : dans le premier - 26 - 27°C, dans le deuxième - 27, dans le troisième - 29 - 30, dans les suivants - 27-28°C.
Le dioxyde de carbone libéré pendant la fermentation, ainsi que les vapeurs d'alcool, pénètrent dans des pièges spéciaux depuis l'appareil de fermentation, où l'alcool est dissous et le dioxyde de carbone est séparé. Le liquide hydroalcoolique du piège est envoyé avec la purée pour distillation, et le dioxyde de carbone est envoyé à un atelier spécial pour produire de la neige carbonique ou du dioxyde de carbone liquide.
Un breuvage mature doit répondre aux normes établies. La force de la purée (teneur en alcool éthylique en pourcentage volumique) doit être comprise entre 8,0 et 9,5 % en volume : la teneur en sucres non fermentés ne doit pas dépasser 0,4 à 0,5 % ; l'acidité de la purée mûre ne doit pas dépasser 0,5 à 0,6 degrés.
4 . Distillation de spiritueuxcelui de la purée et sa rectification
Le moût mûr issu de la fermentation a composition complexe. En plus de l'eau et de l'alcool, il contient divers produits biologiques et composés inorganiques: sucres, dextrines, minéraux, composés volatils(éthers, alcools, aldéhydes, acides), etc. La composition et la teneur en impuretés dépendent du type de matière première, de sa qualité et des modes de sa transformation au cours du processus technologique.
La rectification permet de séparer l'alcool de la purée et de la purifier. La rectification est le processus de séparation d'un mélange composé de deux ou plus composants bouillant à différentes températures. Lorsqu'un tel mélange bout, le composant ayant une pression de vapeur plus élevée (plus volatil) passe dans la phase vapeur à une vitesse relativement élevée. grandes quantités, et la phase vapeur est enrichie d'un composant plus volatil. Le point d'ébullition de ce composant à pression constante est plus bas. Par conséquent, lorsqu’un mélange de composants volatils bout, la phase vapeur s’enrichit d’un composant ayant un point d’ébullition plus bas. Dans une solution hydroalcoolique, la pression de vapeur de l’alcool, à n’importe quelle température, est nettement supérieure à la pression de vapeur de l’eau. En conséquence, la teneur en alcool de la vapeur est plus élevée que dans une solution eau-alcool bouillante.
La purification de l'alcool des impuretés par distillation est basée sur la différence de leurs coefficients d'évaporation. Le coefficient d'évaporation est le rapport entre la concentration d'une substance donnée en phase vapeur et la concentration en phase liquide. Les coefficients d'évaporation des différentes impuretés diffèrent les uns des autres et varient en fonction de la teneur en alcool éthylique. Pour déterminer la possibilité de purifier l'alcool éthylique des impuretés, il est nécessaire de comparer le coefficient d'évaporation des impuretés avec le coefficient d'évaporation de l'alcool éthylique.
Avec le coefficient de rectification, égal à un, la distillation est inefficace, puisque le distillat reste inchangé. Si le coefficient de rectification est supérieur à un, alors le distillat contient plus d'impuretés que le mélange d'origine. Si le coefficient de rectification est inférieur à un, alors le distillat contient moins d'impuretés que le mélange distillé. Pour les impuretés de tête, le coefficient de rectification est supérieur à un, pour les impuretés de queue, il est inférieur.
La purification de l'alcool brut des impuretés s'effectue actuellement principalement dans des unités de distillation continue, dans lesquelles l'alcool brut est débarrassé des impuretés conformément aux valeurs des coefficients d'évaporation. De telles installations sont utilisées dans les distilleries, où la principale matière première est l'alcool brut.
L'alcool rectifié est actuellement produit dans les distilleries directement à partir du moût dans des usines de rectification indirecte du moût. L'installation comprend trois colonnes : purée. salle d'opération et salle de rectification. Dans la colonne de purée, l'alcool éthylique et les impuretés volatiles sont séparés du moût, les impuretés de tête sont séparées dans la salle d'opération et l'alcool rectifié est obtenu dans la salle de rectification. L'installation comprend deux colonnes supplémentaires - fusel et finale. La colonne de fusel est conçue pour séparer la fraction d'alcools supérieurs (huile de fusel) et leur concentration, et la colonne finale est conçue pour éliminer en outre l'alcool éthylique des impuretés.
Dans une installation indirecte, le processus de rectification s'effectue comme suit. Le moût est chauffé à 90°C dans un chauffe-moût et servi sur le plateau supérieur de la colonne de purée, dans lequel la vapeur de chauffage entre par le bas. Les vapeurs s'élevant de la colonne de moût entrent dans le condenseur via le réchauffeur de moût, où elles transfèrent la chaleur au moût mûr entrant dans la colonne de moût. Dans le condenseur, la vapeur est complètement condensée et le condensat obtenu avec une concentration de 45 à 55 % en volume pénètre dans la colonne de fonctionnement.
Conclusion
rectification de l'hydrolyse de l'alcool éthylique
Production de qualité alcool de qualité alimentaire dans les volumes requis nécessite une disponibilité constante des matières premières, qu'il s'agisse de céréales ou de pommes de terre.
La technologie de production d'alcool est un processus technologique en plusieurs étapes.
La technologie de production d'alcool comprend des opérations de nature et d'origine différentes, depuis la mécanique (préparation des matières premières) jusqu'au transfert de chaleur et de masse (rectification), ainsi que l'utilisation d'enzymes d'origine microbiologique et biologique ainsi que de levures.
Malgré la longue histoire de la technologie de production, il existe de nombreuses façons d'améliorer la production et d'augmenter le rendement et la qualité des produits : moderniser les anciens équipements, développer de nouveaux appareils, améliorer les souches de micro-organismes et de levures, mener des travaux de sélection pour obtenir des matières premières de haute qualité.
Littérature
Général technologie chimique: Manuel pour les spécialités chimico-technologiques. T.2.
La production chimique la plus importante. / Mukhlenov I.P., Averbukh A.Ya., Kuznetsov D.A. et autres. Moukhlenova. - M. : Plus haut. école, 1984.
Timofeev V.S., Serafimov L.A. Principes technologiques de synthèse organique et pétrochimique de base. - M. : Chimie, 1992.
Kononova G.N., Safonov V.V. Manuel pédagogique et méthodologique « Production d'alcool éthylique par hydratation directe de l'éthylène ».
Publié sur Allbest.ru
Documents similaires
Production d'alcool éthylique par fermentation de matières premières alimentaires. Hydrolyse du bois et fermentation ultérieure. Préparation d'alcool éthylique à partir de liqueurs sulfites. Méthode d’hydratation de l’éthylène à l’acide sulfurique. Bases physico-chimiques du procédé. Département d'hydratation en éthylène.
thèse, ajoutée le 16/11/2010
Matière première pour la production d'alcool éthylique et procédés pour sa production. Justification physico-chimique des principaux processus de production d'alcool éthylique. Description du schéma technologique du processus de production, calcul des principaux indicateurs technologiques.
travail de cours, ajouté le 04/01/2009
Caractéristiques et étapes technologiques, matières premières et ressources matérielles pour la production d'alcool éthylique en industrie chimique, son principal physique et propriétés chimiques, mode d'emploi pratique. L'hydratation de l'éthylène et son schéma.
travail de cours, ajouté le 16/10/2011
Détermination des alcools, formule générale, classification, nomenclature, isomérie, propriétés physiques. Méthodes de production d'alcools, leurs propriétés chimiques et applications. Préparation d'alcool éthylique par hydratation catalytique de l'éthylène et fermentation du glucose.
présentation, ajouté le 16/03/2011
Description du procédé de production d'alcool isopropylique par la méthode d'hydratation au sulfate de propylène. Caractéristiques des matières premières et produits finis. Calcul du réfrigérateur, du matériel et bilan thermique colonnes. Indicateurs techniques et économiques de l'installation.
thèse, ajoutée le 27/11/2014
Méthodes d'obtention du produit cible. Analyse thermodynamique de la réaction. Récupération acides carboxyliques. Réaction du glycérol avec l'acide oxalique. Hydrogénation de l'alcool propargylique. Hydrogénation sélective de l'acroléine ou de l'alcool propargylique sur le palladium.
thèse, ajoutée le 18/05/2011
Propriétés chimiques de base de l'acétone et de l'alcool isopropylique, domaines d'application et effets sur l'homme. Préparation d'alcool isopropylique à partir d'acétone. Bilan thermique et matière des RIV et RPS adiabatiques. Programmes et résultats de calculs, sélection des réacteurs.
travail de cours, ajouté le 20/11/2012
Production d'acétone par fermentation d'amidon. Production d'acétone à partir d'alcool isopropylique. Justification de la création d’un CTS efficace. Détermination de la topologie technologique du CTS. Construction d'un modèle mathématique de CTS. Propriétés et efficacité de fonctionnement.
travail de cours, ajouté le 12/02/2009
Propriétés physiques et chimiques des alcools, leur interaction avec les métaux alcalins. Substitution groupe hydroxyle alcool halogène, déshydratation, formation d'esters. Production d'alcools éthylique, méthylique et autres, leurs domaines d'application.
présentation, ajouté le 07/04/2014
Production industrielle de butadiène à partir d'alcool éthylique en présence d'un catalyseur bifonctionnel. Caractéristiques du butadiène et sa portée. Préparation du catalyseur chrome-aluminium pour le fonctionnement. Produit d'activation thermochimique de l'hydrargillite.
Dans beaucoup production alimentaire l'hydrolyse des glycosides alimentaires, des oligosaccharides et des polysaccharides a lieu. L'hydrolyse dépend de nombreux facteurs : pH, température, configuration anomérique, complexe enzymatique. Il est important non seulement pour les processus d'obtention produits alimentaires, mais aussi pour leurs processus de stockage. DANS ce dernier cas les réactions d'hydrolyse peuvent entraîner des changements de couleur indésirables ou, dans le cas des polysaccharides, peuvent entraîner leur incapacité à former des gels.
Une grande attention est désormais accordée à l'obtention de divers sirops de sucre en grains à partir de matières premières bon marché contenant de l'amidon et de l'amidon (seigle, maïs, sorgho, etc.). Leur production se résume à l'utilisation de différentes combinaisons de préparations enzymatiques amylolytiques (b-amylase, glucoamylase, b-amylase). Les possibilités de la méthode enzymatique pour produire divers produits sucrés sont visibles dans les schémas (voir Fig. 1.1). La production de glucose (grâce à la glucoamylase), puis l'action de la glucose isomérase, permettent d'obtenir des sirops de glucose-fructose et à haute teneur en fructose, dont l'utilisation permet de remplacer le saccharose dans de nombreuses industries. Dans le tableau 1.1. des données sur la « douceur » de divers sirops sont présentées.
On sait que les liaisons b-D-(1,4) dans l'amidon sont plus facilement hydrolysées que les liaisons c-D-(1,4) dans la cellulose. De plus, la lente réaction d’hydrolyse de la cellulose est associée à sa structure.
Riz. 1.1. Possibilité d'obtenir divers sirops de sucre à partir d'amidon de maïs (méthodes acides, acides-enzymatiques et enzymatiques) : a-b - hydrolyse acide ; c-d - effet de l'amylase fongique sur l'hydrolysat acide (GE = 50) ; d-f - effet de la β-amylase sur l'hydrolysat acide (GE = 20) ; g-h - l'effet de la β-amylase sur le substrat liquéfié par l'α-amylase (GE = 20) ; i-k - action supplémentaire de l'amylase fongique ou en mélange avec la β-amylase et la glucoamylase
Lors de la production de sirops de sucre à partir d'amidon, le degré de conversion de l'amidon en D-glucose est mesuré en unités d'équivalent glucose (GE) - il s'agit de la teneur (en %) des sucres réducteurs obtenus, exprimée en glucose par matière sèche (DS ) du sirop.
Tableau 1.1. Composition et douceur des sirops typiques à haute teneur en fructose
Hydrolyse de l'amidon
1. Lorsque l'amidon est hydrolysé sous l'influence d'acides, les liaisons associatives entre les macromolécules d'amylose et d'amylopectine s'affaiblissent et se brisent d'abord. Ceci s'accompagne d'une perturbation de la structure des grains d'amidon et de la formation d'une masse homogène. Vient ensuite la rupture des liaisons b-D-(l,4) et b-D-(1,6) avec l'ajout d'une molécule d'eau au site de la rupture. Au cours du processus d'hydrolyse, le nombre de groupes aldéhyde libres augmente et le degré de polymérisation diminue. À mesure que l'hydrolyse et les substances réductrices (réductrices) augmentent, la teneur en dextrines diminue, le glucose augmente, la concentration de maltose, de tri- et tétrasucres augmente d'abord, puis leur quantité diminue (voir Fig. 1.2). Le produit final de l'hydrolyse est le glucose. Aux stades intermédiaires, des dextrines, des tri- et tétrasucres et du maltose se forment. A un certain rapport de ces produits correspond à une certaine valeur d'équivalent glucose, et en faisant varier la durée de l'hydrolyse et les conditions de sa mise en œuvre, il est possible d'obtenir différents ratios produits d'hydrolyse individuels à une valeur équivalente de glucose donnée.
Riz. 1.2.
Hydrolyse acide pendant longtempsétait le principal moyen d'obtenir du glucose à partir de l'amidon. Cette méthode présente un certain nombre d'inconvénients importants, associés à l'utilisation de concentrations élevées d'acides et haute température, ce qui conduit à la formation de produits de dégradation thermique et de déshydratation des glucides et à la réaction de transglycosylation.
2. L'amidon est également hydrolysé sous l'action d'enzymes amylolytiques. Le groupe des enzymes amylolytiques comprend la b- et la b-amylase, la glucoamylase, la pullulanase et quelques autres enzymes. Les amylases sont de deux types : endo- et exo-amylase. Une endoamylase clairement exprimée est la b-amylase, qui est capable de rompre les liaisons intramoléculaires dans les chaînes hautement polymères du substrat. La glucoamylase et la β-amylase sont des exoamylases, c'est-à-dire des enzymes qui attaquent le substrat par l'extrémité non réductrice.
La b-amylase, agissant sur le grain d'amidon entier, l'attaque, en relâchant la surface et en formant des canaux et des rainures, c'est-à-dire comme si elle divisant le grain en morceaux (voir Fig. 1.3). L'amidon gélatinisé est hydrolysé par celui-ci pour former des produits non colorés à l'iode - principalement des dextrines de faible poids moléculaire. Le processus d’hydrolyse de l’amidon se déroule en plusieurs étapes. Sous l'action de la b-amylase, dans les premières étapes du processus, des dextrines s'accumulent dans l'hydrolysat, puis apparaissent du tétra- et du trimaltose, non colorés à l'iode, qui sont très lentement hydrolysés par la b-amylase pour di- et monosaccharides.
Riz. 1.3.
Le schéma d'hydrolyse de l'amidon (glycogène) par l'a-amylase peut être représenté comme suit :
La β-Amylase (β-1,4-glucane maltohydrolase) est une exoamylase qui présente une affinité pour l'avant-dernière liaison β-(1,4) de l'extrémité non réductrice de la région linéaire de l'amylose ou de l'amylopectine (voir Fig. 1.4). ). Contrairement à la b-amylase, la b-amylase n'hydrolyse pratiquement pas l'amidon natif ; l'amidon gélatinisé est hydrolysé en maltose dans la configuration b. Le schéma peut s'écrire comme suit :
polysaccharide d'amidon d'hydrolyse alimentaire
Riz. 1.4.
La glucoamylase b-(1,4)-glucane glucohydrolase est une exoenzyme qui catalyse le clivage séquentiel des résidus terminaux b-D-glucose de l'extrémité non réductrice de la chaîne d'amidon. De nombreuses glucoamylases ont la capacité d'hydrolyser les liaisons b-1,6-glucosidiques aussi rapidement que la liaison b-1,4. Mais cela ne se produit que lorsque la liaison b-1,6 est suivie d'une liaison b-1,4, le dextrane n'est donc pas hydrolysé par celles-ci. Une caractéristique distinctive des glucoamylases est la capacité d'hydrolyser un substrat hautement polymérisé des dizaines de fois plus rapidement que les oligo- et disaccharides.
Riz. 1.5.
Le mécanisme d’action de la glucoamylase sur l’amidon est schématisé sur la Fig. 1.5.
L'hydrolyse enzymatique de l'amidon est présente dans de nombreuses technologies alimentaires comme l'un des processus nécessaires qui garantissent la qualité du produit final - en boulangerie (processus de fabrication de la pâte et de cuisson du pain), dans la production de bière (préparation du moût de bière, séchage du malt) , kvas (préparation de pain au levain), alcool (préparation de matières premières pour la fermentation), divers produits amylacés sucrés (glucose, mélasse, sirops de sucre). Sur la fig. 1.6 montre la composition de divers sirops de sucre obtenus par la méthode acide-enzymatique - prétraitement à l'acide, puis par l'action des enzymes b-, b- et (ou) glucoamylase. L'utilisation d'une telle méthode combinée d'hydrolyse de l'amidon ouvre de larges possibilités pour obtenir des sirops d'une composition donnée.
L'éthanol (alcool éthylique) C 2 H 5 OH est un liquide transparent et incolore avec une odeur piquante et caractéristique avec une densité relative de 0,79067. Le point d'ébullition de l'éthanol à pression normale est de 78,35 °C, le point d'éclair est de 12 °C et le point de congélation est de 117 °C. L'éthanol chimiquement pur a une réaction neutre ; L'alcool rectifié contient une petite quantité d'acides carboxyliques, sa réaction est donc légèrement acide. L'éthanol est très hygroscopique ; il absorbe avidement l'eau de l'air, des tissus végétaux et animaux, ce qui les détruit.
L'alcool est toxique pour les humains et les animaux, ainsi que pour les micro-organismes. Les vapeurs d'alcool sont également nocives. La concentration maximale admissible de vapeurs dans l'air est de 1 000 mg/cm3. L'alcool a des propriétés explosives. Les limites de la concentration explosive des vapeurs d'alcool sont de 2,8 à 13,7 % du volume d'air. L'éthanol est produit à partir de matières premières alimentaires sous forme d'alcool brut d'un titre d'au moins 88 % en volume et d'alcool rectifié d'un titre de 96,0 à 96,5 % en volume sous forme d'alcool rectifié de première qualité, de purification la plus élevée, « Extra » et « Lux », « Base », « Alpha ».
La production d'alcool à partir de matières premières contenant de l'amidon comprend les principales étapes technologiques suivantes : préparation des matières premières pour la transformation ; traitement thermique à l'eau (cuisson) des céréales et des pommes de terre; saccharification de la masse bouillie; culture de levure industrielle; fermentation du moût saccharifié et séparation de l'alcool de la purée et sa purification.
4.1. Préparation des pommes de terre et des céréales pour la transformation
La préparation des pommes de terre et des céréales pour la transformation consiste à acheminer les matières premières à l'usine, à séparer les impuretés, à broyer et à préparer le lot.
Les pommes de terre du champ de tas sont transportées par route vers des silos de réserve, d'où elles sont transportées vers la production par convoyeur hydraulique. Les impuretés légères, grossières et lourdes de la pomme de terre sont séparées en co-
pièges à lomo et à pierre. Les laveuses de pommes de terre sont utilisées pour laver et éliminer les impuretés restantes.
Le grain destiné à l'ébullition est nettoyé à l'aide d'un tamis à air et de séparateurs magnétiques.
Avec la méthode périodique de traitement thermique de l'eau, les pommes de terre et les céréales sont entièrement bouillies ; selon des schémas continus, les matières premières sont pré-broyées. Le degré de broyage affecte la température et la durée d'ébullition. Lors du broyage de pommes de terre sur un tamis d'un diamètre de trou de 3 mm, il ne doit y avoir aucun résidu, et lors du broyage de grains, le résidu sur ce tamis ne doit pas dépasser 0,1 à 0,3 %. Le passage de broyage à travers un tamis percé de trous d'un diamètre de 1 mm doit être de 60 à 90 %.
La préparation du lot consiste à mélanger les matières premières broyées avec de l'eau et à les chauffer à une certaine température. Ajoutez 280 à 300 % d'eau aux grains concassés et 15 à 20 % d'eau en poids de matière première à la bouillie de pommes de terre. La concentration de substances sèches dans le moût doit être comprise entre 16 et 18 %.
4.2. Traitement thermique à l'eau des céréales et des pommes de terre
La tâche principale du traitement thermique de l'eau est de préparer les matières premières pour la saccharification de l'amidon avec des enzymes amylolytiques de malt ou des préparations enzymatiques d'origine microbienne. La saccharification se produit plus complètement et plus rapidement lorsque l'amidon est disponible pour son action (non protégé par les parois cellulaires), est gélatinisé et dissous, ce qui peut être obtenu en utilisant un traitement thermique de matières premières entières à pression élevée ou, comme ce processus est couramment utilisé. appelé dans la production d'alcool, l'ébullition; broyage mécanique ultrafin de matières premières sur des machines spéciales ; broyage mécanique des matières premières jusqu'à certaines granulométries, suivi d'une ébullition sous pression (méthode combinée).
Les matières premières entières contenant de l'amidon dans une chaudière sont traitées avec de la vapeur d'eau saturée sous une surpression allant jusqu'à 0,5 MPa (température 158,1 °C). Dans ces conditions, l'amidon se dissout, les parois cellulaires de la matière première se ramollissent et se dissolvent partiellement, et avec le soufflage ultérieur de la matière première dans un séparateur de vapeur (support), la structure cellulaire est détruite en raison de la chute de pression, de l'effet de broyage de la grille dans la boîte de soufflage de la chaudière, ainsi que d'autres influences mécaniques sur le chemin du mouvement rapide de la masse bouillie d'un appareil à l'autre. Pendant le processus d'ébullition, les matières premières sont simultanément stérilisées, ce qui est important pour les processus de saccharification et de fermentation.
Lors du broyage des matières premières à une granulométrie inférieure à celle des grains d'amidon, la structure cellulaire des matières premières et les grains d'amidon eux-mêmes sont détruits, ce qui leur permet de se dissoudre dans l'eau à une température de 60 à 80 ° C et d'être saccharifiés par enzymes amylolytiques du malt et cultures microbiennes. La méthode de broyage ultrafin n'a pas encore été utilisée en raison de la consommation d'énergie élevée et du manque de compréhension de la problématique de la stérilisation des matières premières.
Une méthode combinée s'est généralisée, selon laquelle la matière première est d'abord broyée en particules de taille moyenne (1-1,5 mm), puis bouillie. Dans ce cas, la température et la durée d'ébullition sont inférieures à celles du traitement thermique de matières premières entières. Souffler la masse bouillie de matières premières broyées avec une différence de pression favorise sa dispersion ultérieure. Cette méthode de traitement thermique, associée à la continuité du processus, est considérée comme la plus progressiste. Avec une consommation d'énergie relativement faible pour le broyage des matières premières, de la chaleur pour l'ébullition et grâce à la « douceur » du mode d'ébullition, qui garantit une perte minimale de substances fermentescibles, le procédé permet une bonne préparation des matières premières pour la saccharification.
Lorsque les pommes de terre et les céréales sont bouillies, des changements structurels et mécaniques importants se produisent dans la matière première et des transformations chimiques des substances qui la composent.
