Gorzelnictwo

Question 1

GORZELNICTWO

Answer 1

• mycie
• sortowanie owoców
• ważenie surowca
• odszypułkowanie (winogrona, porzeczki, wiśnie)
• usuwanie pestek (wiśnie)
• rozdrabnianie owoców
• obróbka miazgi przed tłoczeniem – preparat enzymatyczny, który działa na pektyny
Maceracja przeprowadzana zwykle na winach czerwonych, zwiększa ilość moszczu

Question 2

Surowce gorzelnicze:

Answer 2

Do produkcji spirytusu surowego można wykorzystać bardzo różne surowce pochodzenia roślinnego oraz odpady, szczególnie przemysłu spożywczego. Wyróżnia się dwie zasadnicze grupy surowców:
• Zawierające cukry bezpośrednio fermentujące, głownie sacharozę, glukozę, fruktozę
• Zawierające różne polisacharydy, które należy poddać hydrolizie do cukrów fermentujących, głównie mono- i dwusacharydów, ulegających fermentacji przy udziale niektórych rodzajów drożdży i bakterii

• Do pierwszej grupy można zaliczyć : owoce i warzywa, buraki cukrowe i trzcinę cukrową, odpady przemysłu spożywczego oraz melasę
• Do drugiej różne ziarna zbóż, ziemniaki, topinambur, cykorię, maniok (kasawę, tapiokę) , odpady przemysłowe, jak również surowce i odpady lignino-celulozowe

Question 3

Proces produkcji surówki gorzelniczej:

Answer 3

• Parowanie – > nawilżanie skrobi , pękanie granulek, hydratację - > skrobia jest wtedy bardziej podatna na działanie enzymów
• Alfa-amylaza – działa w środku, losowo; zmniejszanie lepkości
Alfa-amylaza – mają wysokie temperatury działania
Glukoamylaza- oddzielają pojedyncze cząsteczki glukozy

Question 4

Proces produkcji surówki gorzelniczej cd.:

Answer 4

• Drożdże
• Wszystkie produkty uboczne są niedobre, niewykorzystywane
• Bioetanol -> tylko dla silników wysokoprężnych

Question 5

Parowanie

Answer 5

Parowanie jest przeprowadzane w parnikach pod ciśnieniem ok 0,3-0,4 MPa ( temp. 120-140 st. C, 30-60 min). Ma na celu rozluźnienie sub. Międzykomórkowych, rozerwanie błon komórkowych, uwolnienie, skleikowanie i maksymalne rozpławienie skrobi. Dobre upłynnienie uzyskuje się wtedy, gdy ilość wody jest co najmniej czterokrotnie większa niż skrobi.

Question 6

Parnik gorzelniczy

Answer 6

Parnik gorzelniczy ( stosunek części cylindrycznej do stożkowej 1:2,5 lub 1:3 )

1. zbiornik walcowo – stożkowy
2. dno górne elipsoidalne
3. zawór spustowy
4. właz górny zasypowy
5. zawór bezpieczeństwa

Question 7

Zacieranie

Answer 7

Do upłynnienia zacierów stosuje się preparaty enzymatyczne ( głównie alfa-amylazy) , charakteryzujące się wysokim optimum temperaturowym ( 85-105 ̊C). Ich zadaniem jest obniżenie lepkości zacierów i ułatwienie scukrzania skrobi. Enzymy z tej grupy umożliwiają hydrolizę wiązań a-1,4-glikozydowych, zarówno w amylozie, jak i amylopektynie, a nie są aktywne w stosunku do wiązań a-1,6-glikozydowych. Działanie a-amylazy w środku łańcucha polimerowego powoduje gwałtowny spadek lepkości zacieru skrobiowego. Do tej grupy preparatów można zaliczyć:
• thermamyl ( firmy Novo Nordisk)
• amylexoht ( denisco)
• amylogal cs (pektopol)
Dawki enzymów upłynniających wahają się od 50 do 250 cm3/ tonę skrobi

Question 8

Zacieranie cd.

Answer 8

Do upłynnionych surowców dodaje się preparatów enzymatycznych, których zadaniem jest scukrzenie skrobi- rozkład łańcuchów amylozy , amylopektyny i powstałych podczas upłynniania dekstryn do cukrów fermentujących, głównie glukozy. Preparaty scukrzające wykazują aktywność glukoamylazy, hydrolizują wiązania a-1,4 oraz w niewielkim stopniu a-1,6 glikozydowe, odrywając pojedyncze cząsteczki glukozy od nieredukujących końców łańcucha skrobi, dekstryn i oligosacharydów. Preparaty scukrzające działają optymalnie w temp. 55-65 ̊ C i przy pH pd 4,0 do 5,3 i są dodawane do zacierów w dawkach 450-800 cm3/tonę skrobi. Jako przykłady
• SAN(firmy Novo Nordisk)
• DIAZYME®SSF (Denisco)

Kontrola procesu scukrzania polega na jodometrycznej ocenie rozkładu skrobi- reakcja barwna przefiltrowanego zacieru z roztworem jodku w jodku potasu.

Question 9

Zimne zacieranie

Answer 9

Gorzelnie, jako alternatywę dla metody ciśnieniowo- termicznej stosują tzw. Zimne zacieranie- bezciśnieniowe uwalnianie skrobi. Różnice polegają przede wszystkim na tym, że surowiec przed zacieraniem jest dokładnie rozdrabniany (zwykle do cząstek nie większych niż 1,7mm). Dzięki temu zabiegowi woda ma znacznie łatwiejszy dostęp do ziarenek skrobi. Nie trzeba więc stosować zbyt drastycznych warunków procesu ( ciśnienie, temperatura). Zimne zacieranie przebiega zazwyczaj w temp. ( 65-85 ̊C) , przez ok. 60 min.

Wykorzystuje się preparaty enzymatyczne charakteryzujące się kompleksowym działaniem na skrobię oraz struktury międzykomórkowe surowca gorzelniczego. Wykazują one, oprócz aktywności alfa- i glukoamylazy, również właściwości beta-glukanaz i ksylanaz, celulaz, proteaz, fosfataz i innych. Ich zastosowanie gwarantuje pełne scukrzenie zacierów oraz pozwala zwiększyć wydajność etanolu. Proces zimnego zacierania wymaga mniejszych , niż w technologii klasycznej, nakładów energii cieplnej i wody, ale konieczne jest rozdrabnianie surowca. Sumarycznie jednak obserwuje się niższe zapotrzebowanie energetyczne.

Question 10

Zalety zimnego zacierania:

Answer 10

1. Zmniejszone zużycie energii 3-5 razy ( z 1500-2500 MJ/tonę do 450-550 MJ/ tonę),
2. Zwiększenie wydajności etanolu
3. Skrócenie czasu zacierania i fermentacji
4. Zwiększenie wartości paszowej wywaru
5. Wykorzystanie surowców celulozowych do produkcji etanolu

Question 11

Wady: zimnego zacierania

Answer 11

1. Zwiększenie zużycia energii elektrycznej związanej z rozdrabnianiem surowców skrobiowych.

Question 12

Fermentacja

Answer 12

Po procesie scukrzania przeprowadza się fermentację zacieru słodkiego z wykorzystaniem specjalnych ras drożdży górnej fermentacji, należących głównie do gatunku Saccharomyces cerevisiae. Stosowane rasy drożdży gorzelniczych powinny szybko odfermentować cukry występujące w zacierze. Obecnie gorzelnie stosują najczęściej drożdże liofilizowany, np. Safdistil C-70, Ethanol 〖Red〗^TM (firmy Lesaffre), czy 4347 – Eau de 〖Vie〗^TM ( firmy Wyeast Laboratories, Inc.) w ilości ok. 0,5 g/d〖m 〗^3zacieru.

Proces fermentacji ( temp. 25-38 st. C, 2-3 doby) obejmuje glikolizę (cykl EMP) prowadzącą do powstania z cukrów kwasu pirogronowego, a następnie , w wyniku nieoksydacyjnej dekarboksylacji, pirogronian rozkłada się do aldehydu octowego i dalej do etanolu, pod wpływem współdziałającej z NAD dehydrogenazy alkoholowej.
Cykl EMP
Gliceryna – decyduje o ekstrakcie

Question 13

Kadź fermentacyjna cylindryczna

Answer 13

1. Walczak
2. Wymiennik ciepła
3. Wziernik
4. Właz górny
5. Właz dolny
6. Termometr
7. Kurki
8. Zawór spustowy
9. Króciec do przep

Question 14

Fermentacja cd

Answer 14

W fazie zafermentowania następuje intensywne rozmnażanie drożdży, które ulega osłabieniu w miarę zmniejszania się zawartości tlenu i wzrostu stężenia alkoholu etylowego. W tym czasie zacier jest najbardziej narażony na zakażenia mikrobiologiczne. Okres fermentacji główniej charakteryzuje szybki spadek gęstości zacieru, wzrost stężenia alkoholu i temp., która obniża się w końcowym etapie tego procesu.
Tworzony alkohol i inne związki hamują fermentację. Tolerancja drożdży na etanol zależy głównie od ich rasy (uwarunkowana genetycznie), składu lipidowego ściany komórkowej, obecności związków ochronnych ( protektorów) oraz pH, temp. I innych czynników. Dlatego w praktyce gorzelniczej końcowe stężenie etanolu wynosi zwykle od 8 do 12 % obj., w zależności od początkowego stężenia ekstraktu w zacierze.

Question 15

Wydajność teoretyczna etanolu

Answer 15

Teoretyczna wydajność etanolu zależy od rodzaju cukru poddanego fermentacji :
100 kg skrobi 56,82 kg = 71,54dm^3
100 kg maltozy, sacharozy 53,83 kg = 67,77dm^3
100 kg glukozy 51,14 kg = 64,39dm^3

Question 16

Wydajność praktyczna

Answer 16

Jest funkcją wielu czynników i kształtuje się w granicach od 85-92 % wydajności teoretycznej ( średnio 88% ) .

Question 17

Odpęd

Answer 17

Zacier odfermentowany zostaje poddany odpędowi- całkowite oddestylowanie etanolu i jego koncentracja do mocy co najmniej 88-92% obj. Proces odpędu odbywa się najczęściej w aparatach kolumnowych do pracy ciągłej, z wbudowanymi półkami ( sitowe, dzwonowe, kapslowe i inne), które zapewniają wielokrotne wygotowywanie i zatężanie składników łatwo lotnych w górnej strefie kolumny i trudno lotnych w dolnej części aparatu. W konsekwencji odbiera się z górnych półek, poprzez deflegmator i chłodnicę, spirytus surowy ( destylat rolniczy) , a z dolnej strefy wywar poprzez automatyczny wyrzutnik.

Question 18

Aparat odpędowy jednokolumnowy do pracy ciągłej:

Answer 18

1. Kolumna zacierowa
2. Kolumna spirytusowa
3. Deflegmator
4. Chłodnica

Question 19

Odpęd cd

Answer 19

Odpęd odfermentowanych zacierów owocowych prowadzi się zwykle w aparatach o prostej budowie, przeznaczonej do pracy okresowej, a otrzymany spirytus surowy poddaje się dalszej destylacji korekcyjnej i w konsekwencji odzyskuje się frakcję główną ( spirytus surowy uszlachetniony) z przeznaczeniem do produkcji wódek gatunkowych. W wyniku destylacji korekcyjnej można odebrać trzy frakcje : przedgon ( z przewagą związków o niższej niż etanol temp. Wrzenia, np. metanol, octan etylu) , frakcję środkową ( właściwą , w skład której wchodzi głównie alkohol etylowy i mniejsze ilości związków ubocznych) oraz frakcję pogonową, w której będzie wyższe stężenie kwasów tłuszczowych, alkoholi fuzlowych i innych komponentów trudniej lotnych.

Question 20

Zakażenia mikrobiologiczne

Answer 20

Największe zagrożenie w gorzelnictwie wywołują heterofermentatywne bakterie kwasu mlekowego, które rozwijając się w zacierze przetwarzają cukier na kwas, głównie mlekowy, który spowalnia scukrzanie. Możliwy jest również rozwój przetrwalnikujących bakterii kwasu masłowego. Powstały w wyniku ich metabolizmu kwas masłowy wpływa ujemnie na właściwości sensoryczne surówki. W warunkach gorzelniczych bardzo słabo rozwijają się natomiast bakterie kwasu octowego, a występujący kwas octowy może być wytwarzany przez bakterie masłowe.
Istotnym problemem w gorzelnictwie są również drożdże dzikie, najczęściej kożuchujące (Mycoderma i Pichia), które rozwijając się na powierzchni płynu tworzą szary kożuch. Możliwy jest rozwój innych szczepów drożdży dzikich, m.in. z rodzaju Torula, Candida, Monilia, które charakteryzują się niskimi wymaganiami środowiska. Wykorzystują źródło węgla w zacierze do przyrostu własnej biomasy, w konsekwencji obniżając wydajność etanolu i jakość spirytusu surowego, poprzez tworzone metabolity.

Question 21

Bioetanol

Answer 21

Azeotrop etanolu i wody o składzie : 97,2% obj.

Zwykła destylacja i rektyfikacja nie pozwala na uzyskanie odwodnionego etanolu.

Question 22

Zwykła destylacja i rektyfikacja nie pozwala na uzyskanie odwodnionego etanolu.

Answer 22

Odwadnianie metodą destylacji azeotropowej z użyciem cykloheksanu lub eteru dwuizopropylowego ( duże straty etanolu). Destylacja azeotropowa wymaga dużo energii na oddestylowanie wody. Destylacyjne odwadnianie zużywa od 50- 80% energii zużywanej przy produkcji etanolu.

Question 23

Metody ekstrakcyjne

Answer 23

• Przy użyciu ciekłego CO2

* CO2 nie tworzy z wodą azeotropu

Question 24

Metody adsorpcyjne:

Answer 24

• Adsorpcja w fazie ciekłej : tlenek glinu, mączka kukurydziana i inne ( ok. 99% EtOH)
• Proces ekologiczny, złoże mączki jednorazowe, niski koszt w stosunku do zeolitów
• Adsorpcja w fazie ciekłej i regeneracja w fazie gorącego gazu- mała trwałość sit molekularnych ( ok. 6 miesięcy, wysokie koszty)
• Sita molekularne

Question 25

Zeolity

Answer 25

Zeolity to krystaliczne , uwodnione glinokrzemiany metali (Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba), nieorganiczne polimery, w których rozmiar porów kształtuje się w granicach od 0,3- 1,0 nm. Na 1dm3 etanolu potrzeba 0,2195 kg zeolitu. Cząsteczki wody mają małą średnicę 0,28 nm i łatwo wnikają w komórki zeolitu. Cząsteczki etanolu są większe 0,44 nm i nie wnikają w strukturę zeolitu i nie mogą być zatrzymane w drodze absorpcji.

Question 26

Techniki membranowe – nanotechnologia membranowa ( perwaporacja)

Answer 26

• Rozdział mieszaniny podczas transportu przez porowatą membranę polimerową
• Rozdział niezależny od równowagi ciecz-para (separacja składników tworzących azotropy)
• Proces jednoetapowy bez potrzeby regeneracji membran
• Membrany polimerowe z polialkoholu winylowego lub membrany ceramiczne