BIOTEHNOLOGII DE FABRICARE A SPIRTULUIPartea I-a

Industria spirtului se bazeaza pe insusirea unor microorganisme (drojdii selectionate), care prin enzimele ce le contin, de a transforma substantele utile din materiile prime in alcool sau masa de drojdie ca produse principale si dioxid de carbon, ca produs secundar.Alcoolul produs pe cale industriala se numeste spirt avand componenta: alcool etilic, alti alcooli, aldehide ,esteri,apa.Denumirea stiintifica a spirtului este alcool etilic sau etanol.

Materii primeMaterii prime amidonoase:Cereale:porumb, grau, secaraRadacini si tuberculi: cartofiMaterii prime zaharoaseSfecla si trestia de zaharMelasa din sfeclaMaterii prime celuloziceDeseuri din lemnLesii bisulfiticeMaterii prime care contin inulina si lichelina

Compoziia chimic [%] a unor cereale folosite la fabricarea alcoolului este dat n urmtorul grafic:

Pentru porumb raportul n care se gsesc componenii chimici este reprezentat n figur:

Materii auxiliare

Materiile auxiliare sunt formate din Mal verdePreparate enzimaticeSruri nutritiveAntispumani,antioxidani, antisepticiMalul Malul este folosit n tehnologia alcoolului din materii prime amidonoase ca agent de zaharificare, datorit enzimelor amilolitice acumulate n timpul germinrii.

Din punct de vedere al aspectului exterior malul se apreciaz dup:Aspectul exteriorActivitatea -amilazicActivitatea -amilazicMalul se folosete pentru coninutul su n enzime amilolitice, enzime de lichefiere i zaharificare a plmezilor.

Preparate enzimatice de origine microbian

Preparatele enzimatice de origine microbian care trebuie s conin enzimele de degradare a amidonului n zaharuri fermentescibile, se pot utiliza n urmtoarele scopuri:Pentru mbuntirea parametrilor tehnologici la prelucrarea materiilor prime n vederea zaharificriiPentru nlocuirea parial a maluluiPentru nlocuirea total a malului

Pentru obinerea de preparate enzimatice se folosesc microorganisme din genul Bacillus cu speciile: Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus sthearothermophilus care produc - amilaze termorezistente.Se folosesc mucegaiuri din genul Aspergillus cu speciile: Aspergillus oryzae, Aspergillus niger, Aspergillus usamii.Creterea de randament n alcool care se obine prin folosirea preparatelor enzimatice microbiene se datoreaz faptului c acestea hidrolizeaz pn la glucide fermentescibile.

DROJDII FOLOSITE N INDUSTRIA SPIRTULUI

La fabricarea alcoolului din diferite materii prime, principalul obiectiv este obinerea de randamente superioare n alcool.Un rol important l are fermentarea plmezilor. Pentru fermentare n condiii industriale se folosesc drojdiile: Sacharomyces cerevisiae, Sacharomyces carlbengesis, Sacharomyces bayanus,etc.Fermentarea plmezilor din materiile prime se realizeaz cu ajutorul drojdiilor care (datorit complexului enzimatic coninut) transform zahrul din plmad n alcool etilic i dioxid de carbon.

Saccharomyces bayanusSaccharomyces carlbergensisKlyveromycesSaccharomyces cerevisiae

Schema tehnologic de fabricare a alcoolului din materii prime amidonoaseeste dat n figur:BORHOT

TEHNOLOGIA DE OBTINERE A SPIRTULUICuratirea materiei prime: indepartarea din cereale a corpurilor metalice, a prafului, a corpurilor straine mai mari decat bobul de porumb.

Fierberea cerealelor si cartofilor: se realizeaza in recipiente sub presiune (4-4,5 daN/cm2) pentru a elibera granulele de amidon din celulele miezului.

Zaharificarea amidonului: se realizeaza cu ajutorul laptelui de slad care contine o enzima numita distaza sau amilaza care scindeaza amidonul la maltoza si dextrine. Se realizeaza in utilajul numit zaharificator.

4.Fermentarea plamezilor: zaharificate, in care maltoza si dextrinele rezultate la zaharificare sunt scindate de enzimele specifice din drojdii, in alcool si CO2.

5.Distilarea este faza in care se separa alcoolul etilic si alti compusi volatili, folosind caldura aburului.Lichidul aloolic obtinut prin distilare se numeste spirt brut.

6.Rafinarea are loc in instalatii speciale in care se realizeaza separarea alcoolului etilic care este componentul principal din spirtul rafinat.Din procesul de rafinare rezulta ca produse secundare:Spirtul frunti alcatuit din produsi usor volatiliSpirtul cozi compus din compusi greu volatiliAmestecul de spirt frunti si spirt cozi este denumit spirt tehnic.

Fabricarea sladuluiSladul se obtine din boabele de orz inmuiate si germinate.Maltoza este scindata prin hidroliza sub actiunea enzimei din drojdii numita maltaza, iar zaharoza sub actiunea enzimei specifice numita invertaza. Drojdiile nu contin enzima specifica numita amilaza care hidrolizeaza amidonul la maltoza. Aceasta enzima se adauga din exterior prin laptele de slad.Fabricarea sladului are etapele:Curatirea orzului: indepartarea mecanica a impuritatilor (praf, nisip, corpuri straine).Sortarea orzului: separarea boabelor dupa marime pentru o buna inmuiere si germinareInmuierea orzului: se realizeaza prin imbibarea acestuia cu apa pana la 42-45% , umiditate care favorizeaza procesele vitale din bob.Germinarea orzului: in anumite conditii de temperatura si umiditate pentru formarea enzimelor necesare transformarii amidonului in zaharuri.

Din punct de vedere biotehnologic la fabricarea spirtului intereseaza operatiile de fierbere, zaharificare , fermentare.Fierberea se realizeaza prin 2 procedee:Fierberea sub presiune a materiei prime (HDV)Fara fierbere sub presiune (DSA)Schema generala a procesului de fierbere este prezentata in figura:

De la cantarul 1 materia prima (cereale sau cartofi) trece in rezervorul de alimentare 2. Prin conducta 3 materia prima trece prin cadere libera in fierbatorul 4, in care se introduce apa prin conducta 5 si abur prin conducta 6.. Masa fiarta se evacueaza prin conducta 7 in zaharificatorul 8 iar aburul de circulatie in prinzatorul de amidon 9.

Fierberea se efectueaz cu abur la presiuni pn la 6 bari, n autoclave de tip Henze, avnd capaciti de 5-7 m3.

n figur este dat seciunea longitudinal a fierbtorului pentru cereale i cartofi.Acesta este format din:Corpul aparatului 1, care se confecioneaz din tabl de oel de 8-10 mm;Vrful conului 2, care este supus la cea mai mare uzur, este construit din tabl de oel de 12-14 mm;Capacul fierbtorului 3, care nchide orificiul pe unde intr materia prim i apa.Supapa de siguran 4 care este astfel reglat nct la depirea unei presiunis deschid orificiul de ieire a aburului din fierbtor;

Racordul pentru aburul de circulaie 5, prin care aburul care a strbtut masa din fierbtor iese n atmosfer sau este condus n prinztorul de amidon pentru recuperarea amidonului antrent din fierbtor;Manometrul 6 montat la captul unei conducte de cupru care se gsete la un nivel i poziie convenabil pentru a putea fi observat de operatori.Racordul 7 servete pentru introducerea aburului n fierbtor,Ventilul 8 pentru evacuarea masei din fierbtor;Conducta 9 servete pentru prelevareaprobelor din fierbtor

n funcie de modul n care se realizeaz mrunirea materiei prime, procedeele de fierbere sub presiune (DSA) pot fi:DSA cu mcinare uscat (procedeul Grosse-Lohmann-Spradau)DSA cu mcinare umed (procedeul Westphal)Fr presiune dar cu dispersia materialului cu ajutorul unui dispersorProcedeul prin dispersie prezint urmtoarele avantaje:Pot fi prelucrate toate tipurile de materii prime amidonoase cu randamente ridicate n alcoolSe poate obine un grad de mrunire optim al materiei prime prin controlul granulaieiSe poate realiza o economie de energie de 80% fa de procedeul de fierbere cu presiuneBorhotul obinut are o calitate superioarSe micoreaz consumul de ap de rcire

n figur este prezentat procedeul DSA cu mcinare uscat ( Grosse-Lohmann-Spradau)

Avnd n vedere folosirea enzimelor NOVO i ABM, se prezint schiele simplificate de fierbere discontinu i continu sub presiune i fr presiune cu etapele de utilizare a enzimelor:Fierberea discontinu sub presiune a cerealelor i cartofilor1-fierbator Henze;2-separator de abur; 3-zaharificator;4-cuva de fermentare

Fierberea discontinu fr presiune a materiilor prime amidonoase mrunite

1-amestector; 2-pomp de recirculare; 3-vas pentru diluare;4-zaharificator

Locul de adaos al enzimelor la fierberea continu fr presiune a materiilor prime amidonoase mrunite1-amestector; 2-injector; 3-aparate (utilaje) de fermentaie la cald; 4-sistem de rcire; 5-zaharificator; 6-rcitorTemperaturile optime pentru activitatea preparatelor enzimatice de lichefiere (fluidificare) a amidonului (-amilaze) depind de pH i de coninutul de ioni de calciu din plmad. Enzimele de fluidificare zaharificare (Fungamyl) sau cele de zaharificare Spirizym i San Super acioneaz mai bine la valori pH mai mici, iar dac pH-ul amestecului mcintur/ap este mai mare de 6,0, acesta va scdea pn la pH 5,5 cu acid sulfuric.

Preparatele enzimatice utilizate n industria spirtului pot aparine la una din grupele prezentate n tabel:

Grupa i preparatulSursa de obinereTemperatura optim, CpH-ul optimDoze folosite ml/tonEnzime de fluidificare dextrinizare-amilaze bacteriene termodurice Bacillus. licheniformisB- licheniformisBacillus stearothermophilus80-8590-9570-906-6,55-75-7150-400100-200400-600-amilaze bacteriene termostabileB. subtilis65-756-7200-500Enzime de fluidificare zaharificare-amilaze fungiceAspergillus oryzaeAspergillus oryzae50-6050-555-65-6100-150150-300Enzime de zaharificareamiloglucozidazaAspergillus nigerAspergillus nigerAspergillus niger55-6050-5555-654,5-55,0-6,0800-1200800-1200750-800

ZaharificareaZaharificarea este operaia prin care se realizeaz transformarea amidonului n glucide fermentescibile de ctre drojdie.Materia prima fiarta din bateria de fierbatoare 1 se descarca in zaharificatorul 2. Laptele de slad din rezervorul 3 este trecut in cantitatile stabilite, in zaharificator..1Dupa zaharificare (T=300C) a plamezii se introduce cantitatea de drojdie pentru fermentare. Plamada zaharificata dupa omogenizare si racire este preluata de o pompa si trimisa la linuri.

Structura amidonuluiSectiune prin molecula de amidon , vazuta la microscopul electronic

Operaia de zaharificare mai este denumit i PLMDIRE , deoarece se obine plmad care conine toate componentele insolubile ale materiei prime i ale malului.Zaharificarea se poate realiza n trei moduri, n funcie de agentul de zaharificare:Cu mal verde Cu preparate enzimatice microbieneCu acizi mineralin plmezile de materii prime amidonoase, n care amidonul a fost gelificat i solubilizat prin fierbere sub presiune, condiiile optime de temperatur i pH pentru cele dou enzime sunt: -amilaz -amilazTemperatura optim 0C 55-57 50-55pH optim 4,6-5,0 5,0-5,7

Plamadirea si zaharificarea

Stadiile de transformare a amidonului la plamadire

pH-ul si temperatura optima de actiune a enzimelor

Modul de actiune al enzimelor amiloliticeb-amilaza legindu-se la capatul nereducator B.Legarea unei molecule de apa C. Eliberarea a doua molecule de maltoza si eliberarea b-amilazei

Test cu solutie de iod pe cretaa. Inceputul plamadiriib. Plamada dupa 10 min c. Plamada dupa 20 min d. Plamada dupa 30 min

Daca lanturile de glucoza sint suficient de lungi (peste 9 molecule) acestea pot absorbi unul sau mai multi ioni de triiodura (I3) rezultatul fiind colorarea solutiei testate.

Fermentarea plamezilorFermentarea reprezint una dintre operaiile tehnologice cele mai importante de la fabricarea alcoolului , principalele cerine care se impun fiind:S se lucreze cu drojdie puternic la temperaturi optime de fermentareS se realizeze un grad de fermentare corespunztor ntr-un timp ct mai scurtPlmada s fie ferit de contaminri cu microorganisme strineOperaia de fermentare se realizeaz n utilaje denumite linuri de fermentare.Pentru creterea productivitii linurilor, se poate scurta durata de fermentare astfel:Folosirea preparatelor enzimatice microbieneConducerea fermentaiei la temperaturi >35-360C Utilizarea unei cantiti mai mari de plmadFolosirea de borhot lichid recirculat la obinerea plmezii prin care se declaneaz mai rapid fermentaia.

n figur sunt prezentate linurile de fermentare cilindrice verticale i cele paralepipedice.

Linul 1 este prevzut cu conducta de ncrcare cu plmad zaharificat 2, capacul superior de vizitare 3, capacul inferior de vizitare 4, conducta de evacuare a CO2 5,conducta de abur 6, supapa hidraulic de suprapresiune 7, tija pentru fixarea termometrului 8, instalaia de rcire interioar 9, racordul de ap rece 10 pentru serpentina de rcire, racordul 11 pentru ieirea apei de rcire i conducta 12 de evacuare a plmezii fermentate.

Fazele fermentarentrii plamezilor1)Faza initiala are loc multiplicarea drojdiei si fermentarea a 40% din maltoza.Folosind o cultura pura de drojdie, fermentatia are loc rapid, se modifica echilibrul dintre maltoza si dextrine.2) Faza principala fermentarea intensa a maltozei cu formare de alcool, CO2 si caldura. Deoarece creste concentratia alcoolica a plamezii, inceteaza multiplicarea drojdiei. Tfermentare< 340C.3.Faza finala incepe dupa ce s-a terminat maltoza din plamada si se carcaterizeaza prin zaharificarea secundara a dextrinelor sub actiunea amilazelor si fermentarea maltazei rezultate.Fermentatia se considera terminata cand extractul plamezii nu se mai modifica in ultimele 4 ore de fermentare.

La sfritul fermentaiei plmada se poate trimite direct la distilare sau ntr-un rezervor tampon, iar linul de fermentare se spal i se dezinfecteaz, acordndu-se o atenie deosebit evacurii dioxidului de carbon.n scopul creterii productivitii linurilor de fermentare sau a prelucrrii unor materii prime care se degradeaz rapid, se poate scurta durata de fermentare de la 72 ore la 48 ore sau chiar 36 ore, prin urmtoarele msuri tehnologice:folosirea preparatelor enzimatice microbiene, care prin hidroliza mai avansat a amidonului, conduc la scurtarea fazei finale de fermentaie;

conducerea fermentaiei la temperaturi mai ridicate de 35360 C cu asigurarea unor msuri speciale pentru evitarea contaminrilor cu microorganisme strine;utilizarea unei cantiti mai mari de plmad de drojdie de 1015% din cantitatea total de plmad;folosirea de borhot lichid recirculat (max. 60%) la obinerea plmezii prin care se declaneaz mai rapid fermentaia, scurtndu-se faza iniial pn la 23 ore.

Drojdii folosite la fermentarePentru prepararea plmezilor dulci se pot folosi:Drojdii lichide, pregtite n fabricDrojdii speciale pentru alcool uscate sau n form comprimatDrojdii de panificaieCriterile de caracterizare i selectionare a drojdiilor pentru fabricarea spirtului sunt:Capacitatea i viteza de fermentareTolerana la alcoolOsmotoleranaCapcitatea de formare a produselor secundareRezistena fa de antiseptice

Drojdia uscat se utilizeaz direct la fermentarea plmezii principale, dup o hidratare. Adugarea se face printr-o distribuie uniform pentru ca fermentaia s porneasc n ntreaga mas de plmad.Avantajele folosirii preparatelor uscate de drojdie sunt:Pornire rapid a fermentaieiRandament optim de transformare a zahrului n alcoolDesfurarea n condiii bune a fermentaieiCalitate constant a produsului finitO mic parte din drojdia uscat se mprtie la suprafaa plmezii pentru a intensifica producia de CO2 care formeaz un strat protector la suprafaa plmezii n vederea infectrii cu microorganisme.

Puterea alcooligen i tolerana la alcool a unor preparate de drojdie uscat n comparaie cu drojdia lichid sau comprimat sunt artate n tabel: