Разработка экструзионно-гидролитической технологии получения высококонцентрированного зернового сусла в спиртовом производстве

• Автор: Шариков, Антон Юрьевич
• Шифр специальности: 05.18.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 153 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Литературный обзор
1.1 Биотехнологические аспекты повышения концентрации
сбраживаемого сусла спиртового производства
1.2 Развитие технологии водно-тепловой обработки зернового сырья
1.2.1 Отечественные схемы водно-тепловой обработки
1.2.2 Ферментативная обработка биополимеров зернового сырья
в спиртовом производстве
1.2.3.1 Гидролиз крахмала
1.2.3.2 Гидролиз белка
1.2.3.3 Гидролиз некрахмалистых полисахаридов
1.2.3 Зарубежные схемы водно-тепловой обработки
1.3 Экструзионная технология переработки зернового сырья
1.4 Выводы и постановка задач исследований
2. Объекты, материалы и методы исследований
2.1 Объекты исследований
2.2 Материалы исследований
2.3 Экспериментальная установка
2.4 Определение физико-химических свойств сырья,
опытных образцов экструдатов и гидролизатов
2.5 Планирование экспериментов и математическая обработка
результатов исследований
3. Влияние режимов экструзионной обработки зернового сырья
на эффективность биотехнологических процессов
3.1. Изучение области режимных параметров термомеханической деструкции биополимеров зернового сырья
3.1.1 Построение математической-модели процесса
3.1.2 Изменение растворимости термомеханически деструктированного зернового сырья в факторном
пространстве режимных параметров
3.1.3 Изменение выхода редуцирующих углеводов из сухих веществ термомеханически деструктированного зернового сырья в факторном пространстве режимных параметров
3.1.4 Удельный расход электроэнергии и его влияние на растворимость
и выход редуцирующих сахаров из сухих веществ сырья
3.2. Исследование процессов сбраживания образцов высококонцентрированного сусла зернового сырья, прошедшего термомеханическую деструкцию при различных режимных параметрах
3.2.1 Биохимические показатели зрелой бражки
3.2.2 Образование побочных метаболитов
3.3 Краткие результаты и выводы.:

4. Реологические исследования высококонцентрированных гидролизатов экструдированного зернового сырья
4.1. Анализ влияния гидролитических ферментных препаратов на процесс разжижения сред с высокой концентрацией сухих веществ
4.2. Влияние концентрации среды и дозировки гидролитических ферментов на динамическую вязкость разжиженных гидролизатов из экструдированного зернового сырья
4.2.1 Построение математической модели реологического
состояния гидролизата
4.2.2 Влияние концентрации сухих веществ на динамическую вязкость гидролизатов экструдированного зернового сырья
4.2.3 Зависимость динамической вязкости высококонцентрированных гидролизатов от дозировки гидролитических ферментных препаратов
4.3 Краткие результаты и выводы
5. Интеграция термомеханических и биохимических процессов
при получении высококонцентрированного зернового сусла
5.1 Объединение экструзионного термомеханического и
биохимического процессов в одну реакторную систему
5.2 Расчет теплофизических характеристик для создания
оптимальных условий ферментативного гидролиза
5.3 Биохимические показатели зрелых бражек, полученных механико-ферментативным и экструзионно-гидролитическим
способами обработки зернового сырья
5.4 Разработка аппаратурно-технологической схемы на основе экструзионно-гидролитического способа переработки зернового сырья
5.5 Краткие результаты и выводы
6. Технико-экономическое обоснование ожидаемой эффективности внедрения экструзионно-гидролитической технологии подготовки
зерна к сбраживанию в спиртовом производстве
6.1 Сравнительные теплоэнергозатраты на переработку зернового
сырья различными способами
6.1.1 Расчет теплоэнергозатрат для технологии разваривания под давлением
6.1.2 Расчет энергозатрат для технологии
механико-ферментативной обработки
6.1.3 Расчет энергозатрат для разработанной
экструзионно-гидролитической технологии
6.2 Экономические преимущества использования экструзионного-
гидролитического способа переработки зерна в технологии спирта
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Повышение концентрации гидролизатов и крахмалсодержащих сред в перерабатывающих производствах пищевой биотехнологии является перспективным направлением интенсификации и экологизации отраслевых технологий АПК. Это позволяет увеличить производственную мощность ведущих технологических участков, повысить эффективность использования емкостного оборудования и производственных площадей, снизить энерго- и водопотребление. Биоконверсия
высоконцентрированных сред обеспечивает значительное снижение образования вторичных сырьевых ресурсов. Для спиртовой промышленности это позволяет сократить выход барды и затраты на ее переработку.
Возможность увеличения концентрации сухих веществ перерабатываемых сред спиртового производства лимитируют два основных фактора — ухудшение биохимических показателей процесса брожения в результате высокого осмоса бродильной среды и значительное возрастание вязкости зерновых гидролизатов в процессе водно-тепловой обработки сырья, осложняющее последующие тепломассообменные процессы и межстадийное транспортирование этих сред насосами.
В настоящее время проблемы селекции осмофильных штаммов спиртовых дрожжей и подбора оптимальных условий брожения находятся на стадии успешного решения. Так, сотрудниками ВНИИПБТ в результате селекции и мутагенеза получен новый осмофильный штамм Saccharomyces Cerevesiae 1039, способный сбраживать зерновое сусло концентрацией сухих веществ выше 30% с образованием этилового спирта в бражке выше 15 об.%. За рубежом в лабораторных условиях показана возможность сбраживания сред с концентрацией 38% растворимых сухих веществ с выходом спирта до 23 об%. этанола

полисахаридов. Также повышается ферментативная атакуемость биополимеров сырья гидролазами различного целевого назначения. Экструзия стерилизует перерабатываемое сырье, уничтожая патогенную микрофлору.
Перспективность совмещения в одной реакторной системе термомеханической экструзионной переработки зернового сырья с одновременным последовательным биохимическим воздействием на него комплекса гидролаз может обеспечить получение
высококонцентрированного сбраживаемого сусла спиртового производства в одну технологическую стадию с исключением из производственного цикла традиционных процессов водно-тепловой обработки сырья.
Интеграция термомеханического и биохимического процессов в одной реакторной системе путем последовательных физических и биохимических трансформаций перерабатываемого зернового сырья требует исследования и анализа каждого процесса в отдельности с учетом особенностей дальнейшего их совмещения. Так, в результате экструзии должен быть получен полупродукт обладающий необходимыми функциональными свойствами: максимальной растворимостью и выходом сбраживаемых углеводов, при этом должны соблюдаться условия энергоэффективности. Последующая ферментативная обработка экструдата с использованием амилолитических, протеолитических, гемицеллюлолитических гидролаз должна обеспечивать полную биоконверсию биополимеров, а также снижение вязкости перерабатываемой среды, являющейся лимитирующим фактором при получении высококонцентрированных сред биотехнологических производств.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
- изучить характер влияния основных технологических параметров