ćwiczenie 10 biosynteza etanolu

Transkrypt

Biotechnologia ogólna dla kierunku biologia, inżynieria środowiska od 2014_2015
ĆWICZENIE 10 BIOSYNTEZA ETANOLU
Gorzelnictwo
Przemysł fermentacyjny dostarcza na rynek duże ilości wyrobów takich jak: wino, piwo i spirytus (z którego otrzymuje się wódki).
Przy wyrobie tych napojów wykorzystuje się funkcje życiowe komórek drożdży, przekształcających cukry w etanol. Surowce, z
których otrzymuje się alkohol muszą zatem zawierać odpowiednie cukrowce. Roztwory sacharozy mogą być bezpośrednio
poddane fermentacji z udziałem drożdży, natomiast wielocukry (np. skrobia) nie ulegają fermentacji i muszą być uprzednio
poddane hydrolizie do tzw. cukrów fermentujących, głównie cukrów prostych i dwucukrów – metabolizowanych przez drożdże.
Gorzelnictwo jest to gałąź przemysłu fermentacyjnego obejmująca produkcję spirytusu surowego na drodze fermentacji
alkoholowej cukrów, a następnie wydzielenie tego spirytusu z odfermentowanego zacieru.
Do produkcji spirytusu wykorzystuje się wiele surowców roślinnych zawierających różne węglowodany. Można je podzielić na dwie
grupy:
- surowce zawierające wielocukry: ziemniaki, zboża, odpady krochmalnictwa, mąki, kasze, otręby
- surowce zawierające cukry bezpośrednio fermentujące, głównie sacharozę, glukozę, fruktozę: melasa, buraki cukrowe, trzcina
cukrowa, marchew, owoce świeże i suszone, odpady przemysłu owocowego.
Ziemniaki
W gorzelnictwie należy stosować ziemniaki wysokoskrobiowe (przemysłowe) zawierające powyżej 18% skrobi. Im wyższa jest
zawartość skrobi w ziemniakach, tym lepsza wydajność spirytusu i tym tańszy transport. Oprócz skrobi, której zawartość wynosi
średnio ok. 17%, ziemniaki zawierają ok. 1% błonnika (celulozy) gromadzącego się głównie w korkowej, zewnętrznej warstwie
skórki. Młode ziemniaki zawierają jeszcze ok. 1,55% pentozanów. Związki azotowe występują w postaci białka, aminokwasów i
amidów. Jeden z aminokwasów - tyrozyna, pod działaniem tlenu powietrza daje związek o ciemnej barwie, zwany melaniną. Tym
tłumaczy się ciemnienie rozciętych ziemniaków i ich miąższu. Popiół składa się z soli potasu, magnezu, wapnia, sodu oraz innych
pierwiastków. Pod względem biologicznym i spożywczym bardzo ważna jest zawartość witaminy C, której ilość może dochodzić do
50 mg w 100 g ziemniaków. Natomiast substancją szkodliwą dla ludzi i zwierząt jest glikozyd - solanina. Ilość jej wzrasta w
ziemniakach kiełkujących i dlatego ich spożywanie i spasanie w większych ilościach jest niebezpieczne.
Surowce zbożowe
Jęczmień - Jęczmień należy do najstarszych roślin uprawnych. Od najdawniejszych czasów był znany jako surowiec do wyrobu
piwa. W gorzelnictwie rolniczym jęczmień jest najważniejszym surowcem pomocniczym, a w krajach anglosaskich - surowcem
głównym do produkcji wódek typu whisky. Rozróżnia się dwa gatunki jęczmienia: jary dwurzędowy oraz ozimy cztero- i
sześciorzędowy. Jęczmień jary jest lepszy do produkcji piwa, natomiast z ozimego jest lepszy słód gorzelniczy.
Żyto - Żyto jest najbardziej rozpowszechnioną rośliną uprawną w Polsce i jest głównym zbożem chlebowym. Nadaje się również
do przerobu na spirytus i w ostateczności na słód. Do przerobu na spirytus stosuje się ziarno zdrowe w celu otrzymania wódki żytniówki lub starki. Uprawa żyta w Polsce zyskała wielką popularność dzięki temu, że ma ono niewielkie wymagania glebowe i
nawozowe. Jako surowiec gorzelniczy żyto należy do bardzo wydajnych, a wywar z żyta ma wartość paszową znacznie wyższą niż
wywar z ziemniaków.
Kukurydza - W Polsce jest stosowana sporadycznie i tylko wtedy, gdy ziarno uległo zepsuciu lub zostało silnie zaatakowane przez
szkodniki. Ziarno kukurydzy łatwo się przerabia w gorzelni, a wywar kukurydziany ma najwyższą wartość pokarmową. Ponieważ
wydajność spirytusu z kukurydzy jest wysoka - ok. 35 l ze 100 kg, dlatego kukurydza jest uznana za jeden z najlepszych surowców
gorzelniczych.
Surowce pochodzenia przemysłowego
Melasa buraczana lub trzcinowa - Najcenniejszym, drugim po ziemniakach surowcem gorzelniczym stosowanym w Polsce jest
melasa buraczana lub trzcinowa. Dzięki dużej zawartości cukru (sacharozy) melasa jest cennym surowcem gorzelniczym, ale jest
przerabiana głównie w dużych gorzelniach przemysłowych. Tylko niewielkie ilości melasy trafiają do gorzelni rolniczych, co jest
uzasadnione głównie tym, że wywaru melasowego nie można używać jako paszy.
Odpady przemysłowe - Z odpadków przemysłu krochmalniczego gorzelnie przerabiają poślednie gatunki krochmalu, tzw.
sekundoskrobie i szlamy krochmalnicze rozcieńczone wycierką i wodami sokowymi. W niektórych przypadkach do przerobu na
spirytus
może
być
użyty
zanieczyszczony
syrop
ziemniaczany
(hydrolizat
skrobi).
Z odpadków przemysłu młynarskiego gorzelnie przerabiają te wszystkie produkty, które nie nadają się na paszę dla inwentarza. Są
to przede wszystkim nasiona chwastów. Taką mieszaninę otrzymuje się przy oczyszczaniu ziarna w tryjerze. Przerób nasion
chwastów nie nastręcza w gorzelni większych trudności, ze 100 kg uzyskuje się do 20 l 100-procentowego spirytusu.
Jeszcze lepszym surowcem są tzw. wytrzepy i zmiotki, które są zanieczyszczoną mąką. Wreszcie sporadycznie kieruje się do
przerobu w gorzelni mąkę, kasze i otręby silnie zaatakowane przez szkodniki lub stęchłe i spleśniałe. Te pasze, natomiast nie mają
większego wpływu na wydajność przy przeróbce na spirytus.
Odpady przemysłu owocowo - warzywnego - rzadko są przerabiane przez gorzelnie, jednak wskazane jest, aby przy dużych
przetwórniach owocowo-warzywnych znajdowały się małe gorzelnie. Począwszy od czerwca, kiedy przetwórnia przyjmuje owoce
miękkie, pewna ich część nie nadaje się do przerobu na dżemy i marmolady, ale może być przerobiona na spirytus. Również
sfermentowane soki pitne, syropy, dżemy oraz spleśniała marmolada nadają się tylko do przerobu w gorzelni. W wytwórniach win
tysiące litrów osadów winnych można kierować bezpośrednio do odpędzania, podobnie jak wina z wadami smaku i zapachu, a
więc nie nadające się do spożycia.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Odpady przemysłu celulozowego - w postaci płynów zawierających ok. 2% cukru są przerabiane w gorzelniach w dużych ilościach.
Są to tzw. ługi pocelulozowe (posiarczynowe) zawierające glukozę powstałą z częściowej hydrolizy celulozy. Ługi te poddaje się
fermentacji i otrzymuje ok. 1 l spirytusu 100-procentowego ze 100 l ługów lub prowadzi się na ługach hodowlę drożdży
pastewnych, które wykorzystują znajdujący się w ługach cukier do budowy swoich komórek.
Gorzelnie mogą również wykorzystywać do przerobu na alkohol odpady przemysłu piekarskiego. Są to przede wszystkim
pozostałości chleba zwróconego ze sklepów. Chleb czerstwy, czasem zapleśniały, ma mniejszą wartość przerobową. W zależności
od zawartości wilgoci w chlebie ze 100 kg otrzymuje się 18-25 l 100-procentowego spirytusu.
W gorzelnictwie ziemniaczanym i zbożowym produkcja spirytusu obejmuje następujące etapy: parowanie surowca, słodowanie
ziarna, zacieranie, fermentację zacieru i odpęd spirytusu.
Parowanie
Wszystkie surowce roślinne należy po oczyszczeniu poddać działaniu wody i wysokiej temperatury, czyli rozgotować. Rośliny
okopowe zawierają 70-80% wody, natomiast ziarno 13-15%. Dlatego jedne z nich poddajemy działaniu samej pary wodnej, a drugie
działaniu wody i pary.
Wielkość ziaren skrobi jest różna. Największe ziarna mają ziemniaki, drobniejsze - owies, jęczmień i proso, a najdrobniejsze ryż.
Ziarna skrobi składają się z małych igiełek, które są ułożone promieniście, tworząc jakby sferokryształ. Poszczególne igiełki są
zbudowane z łańcuchów amylozy i siateczek amylopektyny.
W temperaturze powyżej 40°C rozpoczyna się pęcznienie ziaren skrobi. Woda zawarta w soku komórkowym powoduje
rozluźnienie wiązań między poszczególnymi igiełkami skrobi, a w miarę wzrostu temperatury zachodzi kleikowanie skrobi. Skrobia
ziemniaczana kleikuje już w temp. 55-65°C, podczas gdy skrobia zbożowa - w temp. 60-80°C.
Większe ziarna skrobi szybciej kleikują niż małe, tworząc jednocześnie galaretowatą masę. W temperaturze poniżej 100°C kleik
jest bardzo lepki, a w miarę wzrostu temperatury lepkość się zmniejsza. Przy ochłodzeniu poniżej temp. 60°C kleik skrobiowy
zaczyna gęstnieć, a poniżej temp. 55°C zastyga w postaci galarety.
Aby skleikować skrobię zawartą w ziarnie, należy dodać czterokrotną w stosunku do skrobi ilość wody. Pod działaniem wody
następuje pęcznienie ziarna i to tym szybciej, im wyższa jest temperatura. W czasie gotowania ziarna z wodą pod ciśnieniem
zachodzą różne przemiany. Skórka lub okrywa owocowo-nasienna zbudowana z celulozy ulega mechanicznemu rozerwaniu
wskutek silnego napęcznienia ziarna, a ścianki komórek stają się gąbczaste i przepuszczalne dla kleiku skrobiowego. Dzieje się to
dzięki temu, że pentozany, z których są częściowo zbudowane błony komórkowe, pod wpływem wysokiej temperatury ulegają
rozpuszczeniu w wodzie. Mało odporne na wysoką temperaturę są substancje azotowe, jak białka i aminy. Po denaturacji część
substancji azotowych ulega rozpuszczeniu w wodzie. Skrobia po napęcznieniu i rozluźnieniu komórek kleikuje, jeżeli ma
wystarczającą ilość wody. Takie całkowite skleikowanie skrobi nazywa się rozpławieniem; zachodzi ono szybciej w wyższej
temperaturze.
Przy parowaniu surowców skrobiowych stosuje się ciśnienie 0,4 MPa, co odpowiada temp. 151°C. Jednak w tej temperaturze
zachodzi już karmelizacja cukrów prostych i dwucukrów, co jest równoznaczne z ich stratą. Im temperatura jest wyższa, a czas jej
działania dłuższy, tym straty są większe. Na przykład przy ciśnieniu 0,3 MPa po upływie 1 godziny strat w ogóle nie ma, a po upływie
1,5 godziny wynoszą one ok. 2%. Przy ciśnieniu 0,5 MPa po upływie 1 godziny występuje już 5-7% strat i dlatego takie ciśnienie
stosujemy tylko przez kilka do kilkunastu minut.
Ziemniaki zawierają średnio 1,7% cukrów ulegających bezpośrednio fermentacji, a więc podatnych na karmelizację. Przy dłuższym
działaniu wysokich temperatur skrobia ulega przemianie na dekstryny i karmel, który nie tylko nie fermentuje, ale również hamuje
fermentację.
Słodowanie ziarna
Słodem nazywamy skiełkowane ziarno. Słód jest głównym surowcem pomocniczym przy produkcji spirytusu z surowców
skrobiowych. Enzymy zawarte w słodzie rozkładają skrobię, która nie ulega fermentacji, na cukry ulegające fermentacji. Do
produkcji słodu stosuje się najczęściej ziarno jęczmienia dwurzędowego lub sześciorzędowego bardzo dobrej jakości.
Podstawowymi kryteriami oceny jakości ziarna są: energia i zdolność (siła) kiełkowania. Energią kiełkowania nazywamy ilość ziaren
(w %), które skiełkują w temp. ok. 22oC w ciągu 3 dni od chwili zamoczenia, a zdolnością kiełkowania nazywamy ilość ziaren (w %),
które skiełkują po 5 dniach od chwili zamoczenia. Energia kiełkowania nie powinna być niższa od 80%. Zdolność kiełkowania
powyżej 98% określa się jako bardzo dobrą, powyżej 96°/o jako dobrą, a powyżej 94% jako dostateczną.
Pod wpływem wody, ciepła i powietrza (tlenu) w warstwie aleuronowej zawierającej białko oraz w bielmie ziarna powstają enzymy.
Najważniejszym z nich jest amylaza, która jest enzymem rozkładającym amylozę skrobi na drodze hydrolizy, czyli przez przyłączanie
cząsteczek wody.
Amylaza składa się z dwóch różnych enzymów: α- i β-amylazy. Pierwszy z nich rozpuszcza skrobię, a drugi rozkłada skrobię najpierw
na większe cząsteczki, a następnie na mniejsze, tj. maltozę i częściowo glukozę. Ziarenka skrobi są zbudowane z amylozy i
amylopektyny. Cząsteczki amylozy mają postać długich, śrubowatych igiełek przylegających do siebie. Jedna spiralna drobina
amylozy zawiera 400-1000 cząsteczek glukozy. Natomiast drobiny amylopektyny są większe i zawierają do 6000 cząsteczek glukozy
i dodatkowo 0,17% P2O5. Zawartość amylozy w skrobi wynosi ok. 20%, a amylopektyny - ok. 80%.
Oba te wielocukry w kiełkującym ziarnie ulegają rozkładowi częściowo do maltozy a częściowo do stadium dekstryn, ale większa
część pozostaje nie rozłożona. Przyczyną tego jest ścisła budowa ziaren skrobi, które ulegają całkowitemu rozkładowi dopiero po
skleikowaniu skrobi, a więc w temp. powyżej 75°C.
Oprócz amylaz w kiełkującym ziarnie wytwarzają się inne enzymy.
 cytaza rozkłada hemicelulozę, dzięki czemu ścianki komórkowe z niej zbudowane stają się porowate i delikatne, ziarno zaś miękkie, a po wysuszeniu kruche. Rozkład błon komórkowych nazywamy rozluźnieniem bielma.
 enzymy wzrostowe pobudzają wzrost kiełka i korzonków,
 enzymy z grupy estera z rozkładają cząsteczki tłuszczu i zmieniają pH ziarna na nieco bardziej kwaśne.
 enzym fosfataza rozkłada organiczne związki fosforu.
Zacieranie
Po uparowaniu surowców skrobiowych otrzymany gesty kleik skrobiowy traktuje się mleczkiem słodowym w celu przerobienia nie
ulegającej fermentacji skrobi na cukry proste i dwucukry ulegające fermentacji. Przemiana skleikowanej skrobi na cukry nosi nazwę
zacierania, a scukrzona rzadka masa ziemniaczana lub zbożowa nazywa się zacierem. Pod wpływem α-amylazy słodu następuje
rozpuszczenie kleiku skrobiowego. Wówczas nawet w niskiej temperaturze kleik nie tworzy gęstego skrzepu, czyli galarety. Pod
wpływem działania drugiego enzymu β-amylazy zachodzi rozrywanie dużych cząstek amylozy i amylopektyny na mniejsze cząstki
dekstryn i jeszcze mniejsze cząstki dwucukru maltozy i cukru prostego glukozy. Szybkość przebiegu procesu scukrzania zależy od
temperatury, pH i gęstości masy oraz od rodzaju słodu i surowca.
Przebieg scukrzania można przedstawić w postaci graficznej (rys. VII-1).
Na podanym wykresie widać, że w pierwszych minutach szybkość rozpadu
cząsteczek skrobi jest największa, a w miarę upływu czasu staje się coraz
wolniejsza. Spadek aktywności amylazy jest spowodowany głównie wzrostem
stężenia cukrów w roztworze. Doświadczenie przeprowadzone na zacierach
bardzo rzadkich, o gęstości poniżej 5°Blg, wykazały, że 90% skrobi ulega
przemianie na maltozę. Przeciętny zacier gorzelniczy o gęstości 16-18°Blg
ulega scukrzeniu w 75-80%, a zaciery bardzo gęste, o gęstości powyżej 25°Blg,
osiągają niespełna 70% scukrzenia. Pozostałe niescukrzone dekstryny noszą
nazwę dekstryn granicznych lub opornych. Nawet dodanie zwiększonych ilości
słodu nie może doprowadzić do całkowitego scukrzenia zacieru.
Do momentu scukrzenia około połowy skrobi reakcja przebiega bardzo
szybko, a następnie daje się zauważyć zwolnienie tego procesu. Rozerwanie
dużej drobiny skrobi pod wpływem amylazy jest
procesem złożonym, α-amylaza rozrywa
łańcuchy glikozowe w określonych miejscach,
dzięki czemu powstają nie tylko drobiny
maltozy, ale i glukozy.
Ponieważ maltoza jest cukrem redukującym, tak
jak i glukoza, dlatego cukry redukujące w
zacierze słodkim oznacza się w przeliczeniu na
maltozę. Przebieg scukrzania wyjaśnia budowa
skrobi. Składa się ona z prostych łańcuchów
amylozy i rozgałęzionych - amylopektyny. Część
amylopektyny nie zostaje rozłożona przez αamylazę do końca i dlatego rozkład zatrzymuje
się na stadium dekstryn (rys. VII-2). Ostateczne
scukrzanie może nastąpić dopiero przy
rozrzedzeniu zacieru, pod warunkiem obecności
czynnej α-amylazy. Ma to miejsce w końcowym okresie fermentacji, zwanym dofermentowaniem. Wówczas gęstość zacieru z
kilkunastu stopni Ballinga spada do 2-3 i α-amylaza rozkłada pozostałe dekstryny na cukry, które natychmiast fermentują.
Ponieważ poszczególne rodzaje słodu i preparaty amylolityczne mają różną zawartość α- i β-amylazy, dlatego stosunek maltozy do
dekstryn jest po scukrzeniu różny.
We wszystkich procesach enzymatycznych duże znaczenie ma temperatura, w której te procesy zachodzą. Ze względu na białko,
które jest składnikiem enzymu, należy prowadzić scukrzanie w temperaturze optymalnej. Nie może ona być zbyt niska, gdyż
wówczas proces enzymatyczny przebiega bardzo wolno, ale i nie może być zbyt wysoka, aby nie nastąpiła dezaktywacja enzymów
wskutek denaturacji białka. Nie wszystkie rodzaje słodu są jednakowo wrażliwe na temperaturę. Na przykład słód z żyta, jęczmienia
lub pszenicy wykazuje optimum działania w temp. 49-55°C, a słód z prosa w temp. 58-59°C. Dezaktywacja enzymów wskutek
nadmiernej temperatury nie przebiega natychmiast, lecz wymaga pewnego czasu, który jest tym krótszy, im wyższa jest
temperatura. W temp. 60°C amylaza zupełnie nie traci swojej aktywności, natomiast dezaktywacja w temp. 75°C postępuje bardzo
szybko.
Skład gorącego zacieru również ma wpływ na amylazę. Cukry, peptony i dekstryny podwyższają odporność białka na wysokie
temperatury. Ponieważ zacier zawiera dużo takich substancji, temp. 62°C jeszcze nie szkodzi amylazie. Pod tym względem α- i βamylaza różnią się nieco od siebie. β-amylaza jest bardziej wrażliwa na wysokie temperatury i przy prowadzeniu zacierania w temp.
65-70°C tworzy się dużo dekstryn, a za mało maltozy.
Na podstawie właściwości amylazy stwierdzono, że optymalna temperatura zacierania wynosi 52-54°C.
Działanie amylazy uzależnione jest ponadto od odczynu środowiska, tj. zmiany pH zacieru. Optimum działania wykazuje amylaza
w środowisku kwaśnym, przy pH ok. 5, przy czym β-amylaza ma swoje optimum przy pH = 4,6 podczas gdy α-amylaza przy pH=5,8
a więc w odczynie niemal obojętnym. Punktami granicznymi aktywności amylazy jest pH = 2,3 dla maksymalnej kwasowości
zacieru, a pH=9,7 dla maksymalnej alkaliczności.
Ważnym czynnikiem w procesie zacierania jest czas - ze względu na zdolność produkcyjną aparatury, a nawet całej gorzelni.
Teoretycznie przedłużenie tego procesu jest korzystne, gdyż zwiększa się ilość scukrzonej skrobi i ilość dekstryn. Praktycznie
różnice te nie są duże. Przy zacieraniu rozgotowanej masy w ciągu 15 minut gęstość roztworu wynosi 13,5°Blg, a przy zacieraniu
w ciągu 2 godzin - 14,8°Blg, przy czym ilość cukrów redukujących jest taka sama, co oznacza, że przyrost gęstości w °Blg nastąpił
wskutek wzrostu stężenia dekstryn i produktów rozkładu białka. Można stąd wyciągnąć wniosek, że przy dobrym rozpławieniu
surowca i dobrze rozdrobnionym słodzie pierwszorzędnej jakości nie warto przedłużać zacierania. Enzymy słodu zawarte w słodkim
zacierze będą miały dość czasu podczas fermentacji, aby scukrzyć resztki drobin rozpuszczonej skrobi i dekstryn.
Z drugiej strony w celu zwiększenia ilości substancji buforowych i produktów rozkładu białka, należy zacieranie przedłużyć.
Wówczas substancje buforowe będą chroniły amylazę przed działaniem kwasów, których obecność w przycierku jest konieczna, a
produkty rozkładu białka zwiększą ilość substancji odżywczych przyswajalnych przez drożdże. Przedłużenie czasu zacierania
przeciwdziała zakażeniu słodu.
Fermentacja zacieru
Drożdże gorzelniane.
W gorzelnictwie stosuje się specjalne rasy drożdży należące do gatunku Saccharomyces cerevisiae. Są to drożdże górnej
fermentacji, silnie rozmnażające się, szybko fermentujące (glukozę, fruktozę, sacharozę, maltozę, niektóre rasy: mannozę,
galaktozę, laktozę i rafinozę), dające stężenie alkoholu etylowego do 10 –11%. Są one odporne na działanie takich kwasów
organicznych, jak winowy, jabłkowy, cytrynowy, lewoskrętny mlekowy, i innych kwasów nielotnych. Natomiast kwasy lotne, jak
octowy, a zwłaszcza mrówkowy, są dla drożdży toksyczne. Z kwasów nieorganicznych wybitnie toksyczny jest kwas siarkawy, który
przy stężeniu 0,1 g/l hamuje fermentację. Natomiast stężenie kwasu siarkowego wynoszące 4 g/l nie szkodzi zupełnie drożdżom,
a hamuje rozwój innych drobnoustrojów i dlatego stosuje się ten kwas jako środek bakteriostatyczny.
Sporządzanie przycierka.
Przycierkiem nazywa się zacier wzbogacony substancjami odżywczymi przyswajalnymi przez drożdże. W zależności od surowca, z
jakiego zacier został sporządzony, dodaje się mniej lub więcej pożywki. Zaciery zbożowe zawierają w dostatecznej ilości wszystkie
składniki potrzebne drożdżom, natomiast inne zaciery mają ich za mało. Zaciery ziemniaczane są zbyt ubogie w związki fosforu
oraz azotu, podobnie jak melasowe. Dawniej uniwersalną pożywką był gnieciony słód. Obecnie stosuje się wyłącznie pożywki
mineralne w postaci siarczanu amonowego, superfosfatu i mocznika syntetycznego. Na 100 l przycierka ziemniaczanego dodaje
się ok. 100 g (NH4)2SO4 oraz ok. 100 g superfosfatu.
Proces fermentacji.
W skrócie proces fermentacji obejmuje glikolizę prowadzącą do powstania z cukrów kwasu pirogronowego CH3COCOOH,
następnie jego nieoksydacyjną dekarboksylacje do aldehydu octowego oraz redukcję tego ostatniego do etanolu pod wpływem
współdziałającej z NAD dehydrogenazy alkoholowej.
W czasie fermentacji wyróżniamy 3 okresy: zafermentowanie, fermentację główną (burzliwą) i dofermentowanie.
Zafermentowanie.
Jest to początkowy okres fermentacji, który rozpoczyna się z chwilą dodania drożdży do zacieru słodkiego w zacierni. Komórki
drożdżowe rozproszone w świeżym zacierze przede wszystkim pączkują, a w mniejszym stopniu przerabiają cukier na alkohol i
dwutlenek węgla. Na początku zacier zawiera dużo powietrza, które dostało się w czasie mieszania w zacierni oraz w czasie
spadania zacieru słodkiego do kadzi fermentacyjnej. Dzięki temu drożdże wykorzystują tlen do oddychania i intensywnie się
rozmnażają. Dlatego w większych gorzelniach kadzie fermentacyjne mają urządzenia do napowietrzania zacieru, a w
drożdżowniach takie urządzenia są niezbędne. Rozmnażanie drożdży jest biologicznym procesem egzotermicznym, to znaczy, że
towarzyszy mu wzrost temperatury. Początkowo nastawia się ją (czyli chłodzi odpowiednio zacier) na 16-18°C w zależności od
gęstości zacieru i temperatury hali fermentacyjnej. Ponieważ początkowo zacier jest gęsty i lepki, wskutek ulatniania się cząsteczek
CO2, na powierzchni tworzy się piana. W miarę upływu czasu szybkość rozmnażania się drożdży maleje, natomiast coraz
intensywniej przebiega przemiana cukru na alkohol i dwutlenek węgla. Wydzielający się gaz po powoduje coraz silniejsze falowanie
i burzenie się całej masy. Rozpoczyna się fermentacja główna. Zafermentowanie trwa od kilku do osiemnastu godzin.
Fermentacja główna.
Okres ten charakteryzuje się gwałtownym falowaniem i kipieniem całego zacieru wskutek wydzielania się dużych ilości dwutlenku
węgla. Powierzchnia zacieru podnosi się o kilkanaście centymetrów, gdyż cały zacier jest nasycony pęcherzykami gazu i jego
objętość się zwiększa. Burzenie się zacieru jest tym gwałtowniejsze, im jest on gęściejszy i im więcej zawiera kleistych substancji.
Na całej powierzchni gromadzi się piana. O ile w czasie zafermentowania wzrost temperatury był niewielki, tj. o 4-6°C, o tyle teraz
temperatura wzrasta bardzo szybko i dochodzi do 30°C, a nawet powyżej. Należy zwrócić uwagę, aby temperatura zacieru nie
przekroczyła temperatury maksymalnej dla danej rasy drożdży, ponieważ wpływa to na ich osłabienie. Można temu zapobiec,
schładzając zacier o 1-2°C, ale nie więcej, gdyż większe ochłodzenie ma również ujemny wpływ na drożdże. Ponieważ koncentracja
alkoholu przekracza 5%, rozmnażanie drożdży ustaje, a działają tylko enzymy fermentujące. W tym czasie spadek gęstości zacieru
wynosi ok. 1 °Blg na godzinę. Odpowiada to odfermentowaniu 8,4 g maltozy na 1 litr zacieru.
Fermentacja główna trwa 12-18 godzin, a jej zakończenie daje się zauważyć przez zmniejszenie falowania zacieru i zniknięcie piany.
Przyczyną tego jest wytworzenie się alkoholu, przez co gęstość i lepkość płynu znacznie się zmniejsza. Z tą chwilą rozpoczyna się
trzeci, najdłuższy okres, zwany dofermentowaniem.
Dofermentowanie.
Po burzliwej fermentacji głównej kipienie zacieru całkowicie ustaje, a na jego powierzchni pojawiają się pojedyncze pęcherzyki
dwutlenku węgla, które natychmiast pękają, nie tworząc piany. Ponieważ nasycenie gazem jest mniejsze, objętość zacieru się
zmniejsza i poziom jego opada. Nie należy już zacieru chłodzić, gdyż temperatura sama się obniża. W czasie dofermentowania
zachodzi fermentacja dekstryn. Zawarta w zacierze amylaza zamienia dekstryny na maltozę, która fermentuje na alkohol. Jeżeli w
zacierze brak jest amylazy, nie zachodzi rozszczepienie dekstryn i wydajność alkoholu ulega znacznemu zmniejszeniu.
Dofermentowanie trwa 20-30 godzin i aż do końca na powierzchni zacieru pojawiają się drobne pęcherzyki gazu, co wskazuje na
dofermentowywanie resztek destryn. Zacier o powierzchni gładkiej, czyli martwy, wskazuje najczęściej na brak amylazy lub
osłabienie jej działania albo na zatrucie drożdży. Gęstość pozorna zacieru ziemniaczanego lub zbożowego wynosi 1-1,5 °Blg w
porównaniu z gęstością 17-99 °Blg zacieru słodkiego.
Teoretyczną wydajność alkoholu z cukru można obliczyć ze wzoru stechiometrycznego. I tak wydajność alkoholu z cukru prostego
oblicza się na podstawie reakcji
C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2
Obliczając poszczególne masy cząsteczkowe otrzymamy: 180 -> 92 + 88. Obliczając wydajność reakcji 100g cukru, powinniśmy
otrzymać 51,1g alkoholu i 48,2g dwutlenku węgla.
Podobnie oblicza się wydajność z dwucukrów, np. z maltozy lub sacharozy, na podstawie reakcji:
C12H22O11 + H2O -> 4C2H5OH +4CO2
342 + 18 -> 184 + 178
Przy odpowiednim przeliczeniu, ze 100g dwucukru otrzymuje się 53,8g alkoholu
Wreszcie z wielocukru, np. ze skrobi, wydajność oblicza się z reakcji:
(C6H10O5)n + (H2O)n -> (C2H5OH)n +(CO2)n
Po przeliczeniu ze 100g skrobi otrzymuje się 56,8g alkoholu.
W praktyce wszystkie obliczenia alkoholu podaje się w dm 3. Ponieważ gęstość alkoholu wynosi w przybliżeniu 0,79 kg/dm 3, ze 100
g dwucukru otrzymuje się teoretycznie 68,1 cm3, a ze 100 g wielocukru 71,9 cm3 alkoholu etylowego. Wydajność rzeczywista jest
ok. 12% niższa, gdyż część cukru zużywają drożdże do budowy swoich komórek, część ulega spaleniu w czasie procesu oddychania
drożdży i część ulega przemianie na inne substancje.
Zakłócenia w przebiegu fermentacji
Nadmierna piana wytwarzająca się podczas fermentacji jest szkodliwa, gdyż zanieczyszcza płuczkę CO 2, unosząc ze sobą część
alkoholu, a więc obniża wydajność gorzelni. Przyczyn powstawania obfitej piany jest wiele, a mianowicie: nietypowy skład
chemiczny ziemniaków spowodowany nadmiernym nawożeniem mineralnym, niedostateczne rozparowanie surowca, zbyt niska
temperatura zacierania i niedokładne scukrzenie skrobi, przedawkowanie melasy w zacierach mieszanych, a czasem zastosowanie
nieodpowiednich drożdży. Środkami zaradczymi są: parowanie pod zwiększonym ciśnieniem, do 0,5 MPa, pasteryzowanie i
chłodzenie melasy przed dodaniem jej do zacieru oraz silne ukwaszenie drożdży do pH poniżej 3,5. Niezależnie od postępowania
technologicznego stosuje się środki przeciwpienne, np. olej roślinny, który zmniejsza napięcie powierzchniowe roztworu,
powodując pękanie pęcherzyków i opadanie piany. Jeszcze innym środkiem zaradczym jest stosowanie słodu owsianego zamiast
jęczmiennego. Ze względu na mniejszą siłę enzymatyczną tego słodu zużywa się dwa razy więcej, a ponieważ zawiera on 4%
tłuszczu, działa podobnie jak olej.
Jednym z najczęściej spotykanych zaburzeń fermentacji jest zakwaszenie zacieru przez drobnoustroje. Wytwarzają one albo kwas
mlekowy prawoskrętny albo kwasy lotne, które niszczą drożdże. Jeżeli bakterie dostały się do zacieru na początku fermentacji,
wpłynęły hamująco na cały jej przebieg. Spostrzega się to zazwyczaj przy dofermentowaniu, albo po zakończeniu fermentacji, gdy
niedofermentowany zacier jest przekazywany do oddestylowania.
Aby zapobiec zakażeniu, należy zwrócić uwagę na higienę wszystkich procesów przetwórczych, a zwłaszcza na słodowanie,
mielenie słodu, rozmnażanie drożdży oraz na samą fermentację. Po każdorazowym opróżnieniu kadzi i płuczki z dwutlenku węgla
należy je dokładnie spłukać wodą, a następnie wyparować. Po wyraźnie zakażonym zacierze konieczne jest parowanie z dodatkiem
formaliny.
Drożdże dzikie w gorzelnictwie są bardzo szkodliwe ze względu na ograniczenie wydajności spirytusu do kilku procent (zużywają
resztę cukrów na przyrost własnej biomasy). Są to najczęściej tzw. Drożdże kożuchujące, które jako tlenowce rozwijają się na
powierzchni płynu, tworząc szarawy kożuch. Są to: Mycoderma, Willia, Pichia, Torula, Candida i Monilia. Ze względu na małe
wymagania tych odmian w stosunku do pożywienia znalazły one szerokie zastosowanie jako drożdże pastewne.
Skład chemiczny zacierów odfermentowanych
Odfermentowany zacier składa się z substancji nielotnych, tworzących suchą masę zacieru, oraz z substancji lotnych.
Skład suchej masy zależy od składu przerabianego w gorzelni surowca. Ogólnie w skład suchej masy wchodzą nie odfermentowane
cukry, celuloza, różne związki azotowe (np. białko) oraz sole mineralne. Zawartość suchej masy w zacierze odfermentowanym
wynosi 4-11%.
Spośród substancji lotnych zacieru najwięcej jest wody, tj. 77-87%. Na drugim miejscu pod względem ilościowym znajduje się
alkohol etylowy, którego w zacierze jest 7-11%. W czasie fermentacji alkoholowej powstają produkty uboczne. Ogólna ilość tych
produktów w zacierze nie przekracza zwykle 1%.
Około połowę ogólnej ilości produktów ubocznych fermentacji alkoholowej stanowi gliceryna, która przy odpędzaniu spirytusu
pozostaje w wywarze. Przy fermentacji niektórych surowców,
Skład zacierów odfermentowanych
np. ługów posiarczynowych, tj. produktu odpadowego
Składniki
Zawartość w % w zacierach odfermentowanych
powstającego w wytwórniach celulozy, wytwarza się duża ilość
zbożowych
ziemniaczanych
malasowych
metanolu, zbliżona do ilości gliceryny.
Sucha substancja
6-8
4-5
8-11
Odfermentowane zaciery zbożowe, ziemniaczane i melasowe
Woda
81-86
85-90
77-83
zawierają małe ilości metanolu. W zacierach tych znaczniejszą
Alkohol etylowy
7-10
7-9
8-11
pozycję spośród ubocznych produktów stanowią kwasy
Gliceryna
0,4-0,6
0,4-0,6
0,4-0,6
organiczne (kwas bursztynowy, octowy, mlekowy i inne) oraz
Alkohol metylowy
0,02-0,03
0,02-0,03
0
wyższe alkohole, tj. alkohol propylowy, izobutylowy, amylowy i
Kwasy organiczne
0,1-0,2
0,1-0,2
0,1-0,2
inne. Wyższe alkohole zawarte w odfermentowanym zacierze
nazywa się ogólnie fuzlami. W środowisku fermentującym
Kwasy nieograniczne
0,1-0,2
0,1-0,2
0,1-0,2
powstają ponadto różne estry i aldehydy.
Estry
0,01-0,02
0,01-0,02
0,01-0,02
Aldehydy
0,001-0,002
0,001-0,002
0,001-0,002
Podstawy procesu odpędzania spirytusu
Wydzielanie spirytusu z odfermentowanej brzeczki (zacieru) odbywa się za pomocą destylacji. Głównymi składnikami zacierów
odfermentowanych (brzeczek) są: woda i alkohol etylowy. Temperatura wrzenia czystego alkoholu etylowego wynosi 78,32°C, a
wody - 100°C. W czasie ogrzewania roztworu alkohol etylowy, jako bardziej lotny, będzie szybciej przechodził w stan pary niż woda.
A zatem z roztworu zawierającego małą ilość alkoholu można otrzymać destylat o znacznie większej zawartości alkoholu niż
roztwór wyjściowy.
Rysunek obok przedstawia temperatury wrzenia roztworów wodnoalkoholowych (zawartość wody stanowi uzupełnienie % obj.
alkoholu do 100%).
Linia przerywana oznacza temperatury obliczone na podstawie
składu roztworu oraz temperatury wrzenia alkoholu etylowego i
wody, a linia ciągła - rzeczywiste temperatury wrzenia tej cieczy o
różnym składzie. Najniższą temperaturę wrzenia, tj. 78,17°C,
wykazuje roztwór składający się z 97,2% objętościowych etanolu i
2,8% objętościowych wody. Para powstająca z roztworu o tym
składzie zawiera również 97,2% obj. etanolu i 2,8% obj. wody, a
zatem za pomocą zwykłej destylacji nie można otrzymać spirytusu o
stężeniu wyższym niż 97,2%. Spirytus o stężeniu 97,2% jest
mieszaniną azeotropową (faza ciekła mieszaniny ma taki sam skład
jak faza gazowa).
Spirytus surowy i rektyfikowany
Spirytus jest to wodny roztwór alkoholu etylowego. Przemysłowa produkcja spirytusu obejmuje dwa etapy: najpierw w gorzelniach
uzyskuje się spirytus surowy , następnie spirytus podlega oczyszczeniu, czyli tzw. rektyfikacji (oparta jest na zasadzie wielokrotnej
destylacji), przy czym uzyskuje się spirytus rektyfikowany (rektyfikat).
Do spirytusu surowego przechodzi około połowy ogólnej ilości produktów ubocznych wytwarzających się w czasie fermentacji
alkoholowej. Stanowią one zwykle ok. 0,5% w stosunku do alkoholu etylowego zawartego w spirytusie surowym. Skład chemiczny
spirytusu surowego jest podany w tabeli poniżej Niektóre rodzaje spirytusu surowego stosuje się bez oczyszczania do produkcji
napojów alkoholowych. Na przykład z surówki żytniej otrzymuje się starkę, ze spirytusu ze śliwek - śliwowicę, z ryżu - arak, z melasy
trzciny cukrowej - rum, z winogron - winiak (polski koniak).
Skład chemiczny spirytusu surowego
Rodzaj spirytusu surowego
melasowy ziemniaczany
Moc % obj. w temp. 20°C
94
91,2
Aldehydy ogółem w mg/l 100%
103,0
46,0
w tym
octowy
58,9
33,5
propionowy
9,7
4,7
izomasłowy
6,8
2,2
masłowy
0,9
0,3
izowalerianowy
20,3
0,8
walerianowy
0,7
Metanol w % obj.
0,05
0,3
Fuzle w g/l 100%
1,9
3,8
w tym
alkoh. n-propylowy
0,7
1,1
alkoh. izobutylowy
0,6
0,9
alkoh. n-butylowy
0,1
alkoh. amylowy (opt.cz.)
0,3
0,4
alkoh. izoamylowy
0,3
1,3
Kwasy ogółem w mg/l 100%
44,03
98,0
w tym
kwas octowy
31,6
19,9
kwas izomasłowy
2,9
0,8
kwas masłowy
1,2
0,2
kwas izowalerianowy
1,1
0,7
kwas walerianowy
0,5
0,03
kwas kapronowy
0,9
1,0
kwas enantowy
0,3
0,1
kwas kaprylowy
2,0
16,5
kwas pelargonowy
0,4
kwas 3,kaprynowy
1,9
33,4
kwas laurynowy
2,0
9,3
Estry ogółem w mg/l 100%
515,0
288,0
w tym
octan etylu
295,4
46,6
propianian etylu
19,1
1,4
maślan metylu
13,2
0,7
maślan metylu
4,9
octan butylu
22,6
5,5
izowalerian etylu
21,3
propionian izobutylu
29,4
walerianian etylu
54,4
1,5
walerianian izopropylu
49,9
230,6
propionian izamylu
pirydyna
0,5
9,0
kaproniana etylu
2,9
1,4
Zasady organiczne w mg/l 100%
pirydyna
0,5
9,0
p2-metyloirydyna
0,2
0,3
2,6-wdumetylopirydyna
0,1
2-metylopirazyna
2,8
2,5-dwumetylopirazyna
2,5
2,0
trójmetylopirazyna
2,0
0,3
L.p.
1
2
3
4
5
6
7
żytni
94,2
28,0
19,5
2,6
2,9
0,3
0,5
0,3
0,05
2,3
0,5
0,9
0,3
0,6
31,0
16,2
0,8
0,3
0,2
0,2
2,4
0,3
3,8
0,4
5,4
1,6
209,0
28,5
1,8
2,9
1,4
174,1
2,0
-
Spirytus surowy owocowy wchodzi w skład wielu wódek
gatunkowych. Korzystne właściwości organoleptyczne starki,
śliwowicy i winiaku spowodowane są obecnością w nich niektórych
związków wytworzonych przy fermentacji i powstałych w czasie
dojrzewania tych produktów, co nadaje im charakterystyczne
cechy. Dojrzewanie spirytusu (nazywane również starzeniem)
odbywa się w ciągu wielu lat w beczkach dębowych. Spirytus
surowy może być wykorzystywany również w przemyśle, np. do
produkcji octanu etylu, rozpuszczalników do farb i lakierów, politur.
Do produkcji wódek czystych oraz do wytwarzania wielu wyrobów
chemicznych i farmaceutycznych potrzebny jest spirytus z bardzo
małą ilością domieszek. Dlatego spirytus surowy poddaje się
oczyszczaniu w celu otrzymania spirytusu rektyfikowanego.
Wymagania jakościowe dla spirytusu surowego i różnych gatunków
spirytusu rektyfikowanego są podane w tabeli poniżej.
Przy transakcjach handlowych oraz przy przekazywaniu spirytusu
wewnątrz zakładu produkcyjnego, np. z rektyfikacji do magazynu,
trzeba określać moc spirytusu, tj. zawartość w nim alkoholu
etylowego. Po określeniu mocy oblicza się w litrach ilość spirytusu
100-procentowego i w takich jednostkach prowadzi się wszystkie
obliczenia.
Moc spirytusu można określać w procentach objętościowych lub w
procentach wagowych.
Jeśli w 100 cm3 spirytusu znajduje się 1 cm3 czystego alkoholu
etylowego, to taki roztwór ma moc 1% objętościowy albo 1°
(stopień). Na przykład moc 92% oznacza, że w każdych 100 cm 3
roztworu znajduje się 92 cm3 alkoholu etylowego. Ponieważ
objętość płynu alkoholowego zależy od temperatury, należy ustalić,
w jakiej temperaturze oznacza się moc. W Polsce moc spirytusu
oznacza się w temp. 20°C.
Procenty wagowe oznaczają, ile gramów czystego alkoholu
etylowego znajduje się w 100 g roztworu spirytusowego. Na
przykład moc 90% wagowych oznacza, że w 100 g spirytusu
znajduje się 90 g alkoholu etylowego.
2,0
0,3
2,0
3,0
1,5
Wymagania jakościowe dla spirytusu surowego i rektyfikowanego
Spirytus surowy
Spirytus rektyfikowany
Cechy
melasowy
rolniczy
techniczny
zwykły wyborowy
Moc w temp. 20°C % obj., nie mniej niż
92,5
88,0
95,0
96,0
96,5
Zawartość aldehydów w przeliczeniu na aldehyd octowy w 1
Nie normalizuje
0,2
0,2
0,005
0,002
l spirytusu 100%, g, nie więcej niż
się
Zawartość kwasów w przeliczeniu na kwas octowy w 1 l
0,1
0,2
0,02
0,02
0,015
spirytusu 100%, g, nie więcej niż
Pozostałość po odparowaniu w 1 l spirytusu 100%, g, nie
nie normalizuje
0,8
0,01
0,01
0,01
więcej niż
się
Zawartość fuzli w przeliczeniu na alkohol amylowy w 1 l
nie normalizuje się
0,1
0,005
0,002
Zawartość estrów w przeliczeniu na octan etylowy w 1 l
0,7
0,05
0,03
Zawartość alkoholu metylowego w przeliczeniu na spirytus
0,1
0,1
0,05
100%, g, na 100 cm3, nie więcej niż
luksusowy
96,5
0,010
0,015
0,01
0,001
0,03
0,03
Podstawy procesu rektyfikacji spirytusu
W spirytusie surowym stwierdzono dotychczas ok. 100 związków chemicznych. Nazwy oraz temperatury wrzenia niektórych
zanieczyszczeń spirytusu surowego są podane w tabeli poniżej.
Produkty uboczne fermentacji alkoholowej
znajdujące się w spirytusie surowym
Nazwa
Temperatura wrzenia w °C
Aldehydy
octowy
20,8
propionowy
49,0
furfurol
162,0
Estry
mrówczan etylu
54,2
octan metylu
56,0
octan etylu
77,2
izomaślan etylu
110,1
maślan etylu
121,0
octan izoamylu
142,0
izwalerianian etylu
134,3
Acetal
102,9
Alkohole
metylowy
64,7
n-propylowy
97,2
izobutylowy
107,0
n-butylowy
118,0
amylowy (optycznie czynny)
128,0
izoamylowy
132,0
Kwasy
mrówkowy
101,0
octowy
118,0
masłowy
163,5
Podobnie jak dla alkoholu etylowego, dla większości zanieczyszczeń spirytusu
obliczono tzw. współczynniki lotności (Kz). Współczynniki te wyrażają stosunek
zawartości danego związku w parze do jego zawartości w roztworze
alkoholowym z którego para powstała.
Lotność wszystkich zanieczyszczeń zmniejsza się wraz z podwyższeniem mocy
spirytusu.
Współczynniki lotności Kz niektórych związków, (aldehyd octowy, octan
metylu, mrówczan etylu i octan etylu) nawet przy wysokiej mocy spirytusu są
znacznie wyższe od jedności. Zanieczyszczenia takie nazywa się przedgonami,
ponieważ zawsze główne ich ilości wydzielają się w początkowej frakcji.
Inaczej zachowuje się główny składnik fuzli - alkohol amylowy (temp. wrzenia
128 oC). W roztworach alkoholowych o mocy poniżej 55% ilość alkoholu
amylowego w oparach jest większa niż w destylowanej cieczy, natomiast
powyżej tej mocy stosunek jest odwrotny. Ponieważ spirytus rektyfikowany ma
wysoką moc, alkohol amylowy będzie przechodził dopiero w końcowej frakcji.
Z tego względu zalicza się go do grupy tzw. niedogonów inaczej pogonów.
Do pogonów zalicza się oprócz fuzli, niektóre estry, kwasy organiczne.
Jeszcze dokładniej charakteryzuje zanieczyszczenia spirytusu surowego
współczynnik rektyfikacji K. Jest to stosunek współczynnika lotności badanego
składnika do współczynnika lotności alkoholu etylowego K=Kz/Ka.
Jeżeli K=1, to znaczy, że stosunek zanieczyszczeń do ilości alkoholu nie zmienia
się, czyli nie otrzymuje się rektyfikatu ani bardziej czystego, ani o większej
zawartości zanieczyszczeń niż w cieczy pierwotnej.
Jeżeli K jest większy od 1, to otrzymuje się produkt o większej zawartości
zanieczyszczeń niż płyn poddany rektyfikacji. Zanieczyszczenia, które przeszły
do destylatu, mają charakter przedgonów.
Jeżeli współczynnik rektyfikacji jest mniejszy od jedności - wtedy destylat jest
bardziej czysty niż ciecz poddana rektyfikacji, a zanieczyszczenia mają
charakter niedogonów (pogonów).
Na rysunku obok przedstawiono w sposób graficzny współczynniki rektyfikacji
(K).
Z przebiegu krzywych widać, że współczynnik K dla poszczególnych ubocznych
składników w spirytusie przy jednakowym stężeniu alkoholu jest różny.
Zmienia się on również w znacznym stopniu w zależności od mocy roztworu
alkoholowego, w którym znajduje się dany składnik.
Odwadnianie spirytusu
Spirytusem odwodnionym jest produkt zawierający powyżej 99,5% alkoholu etylowego. W okresie powojennym (do 1955 r.)
produkcja tego spirytusu w Polsce była wysoka i wynosiła ok. 80 mln l rocznie. Był on stosowany głównie jako domieszka do
benzyny w ilości ok. 15-20%. Spirytus odwodniony znajduje zastosowanie również w innych dziedzinach poza motoryzacją. Jako
dobry rozpuszczalnik jest stosowany do wyrobu wszelkiego rodzaju szybko schnących lakierów i politur, dermatoidu, błon i klisz
fotograficznych oraz kollodium. Przemysł farmaceutyczny stosuje spirytus odwodniony do przemywania wielu produktów
otrzymywanych przy syntezie, wykorzystując trudną rozpuszczalność wielu związków w bezwodnym alkoholu. Obecnie produkcja
spirytusu odwodnionego w Polsce wynosi kilka milionów litrów rocznie. Za pomocą zwykłej rektyfikacji można otrzymać spirytus
o mocy najwyżej 97,2% obj. Pozostałą ilość wody można odebrać np. za pomocą stałych środków odwadniających, jak potaż,
wapno i gips.
Potaż (K2CO3) jest to biały, krystaliczny proszek, który otrzymuje się z wodorotlenku potasowego lub z węgla wywarowego, tj.
produktu otrzymanego po spaleniu zagęszczonego wywaru melasowego. Po dodaniu do spirytusu potaż przyłącza do każdej swej
cząsteczki dwie cząsteczki wody. Płyn rozwarstwia się, przy czym warstwę górną stanowi spirytus o mocy 98-99%. Sposób ten nie
jest obecnie stosowany, gdyż potaż jest drogi. Wspominamy o tym jednak ze względów historycznych, gdyż już alchemikom
arabskim znany był fakt, że roztwór spirytusowy zmieszany z popiołem drzewnym podwyższa swoją moc. Popiół drzewny zawiera
między innymi potaż, było to więc wykorzystanie właściwości przyłączania wody przez ten związek.
Proces odwadniania za pomocą wapna polega na wiązaniu wody w myśl równania:
CaO + H2O -> Ca(OH)2
Do związania 1 kg wody potrzeba teoretycznie 3,11 kg wapna palonego (CaO), zatem do odwodnienia 1000 l spirytusu surowego
92-procentowego potrzeba 363 kg. Praktycznie zużycie wapna jest 1,5-2 razy większe, gdyż dla dobrego odwodnienia trzeba dać
nadmiar wapna. Prowadzenie tego procesu nie jest tak proste, jakby wynikało z równania chemicznego. Wodorotlenek wapnia
pod koniec destylacji tworzy ciężką do poruszenia masę, która zawiera jeszcze znaczne ilości alkoholu. Odwadnianie spirytusu za
pomocą wapna pozwala więc uzyskać tylko część zużytego spirytusu w postaci odwodnionej, a reszta, stanowiąca ok. 25%, może
być odpędzana dopiero po rozcieńczeniu wapna wodą. Straty spirytusu są wysokie i wynoszą 5-8%. Z tego powodu metoda nie
znajduje szerszego zastosowania.
W 1929 r. została opracowana metoda odwadniania za pomocą gipsu. Opiera się ona na zjawisku, że otrzymany z gipsu przez
ogrzewanie do temp. ok. 180°C bezwodny siarczan wapnia wiąże wodę, niezbędną do utworzenia semihydratu: CaSO4 x 1/2H2O,
z bardzo dużą prędkością, nie powodując twardnienia masy.
Najbardziej rozpowszechnione na świecie są metody azeotropowego odwadniania spirytusu. Zasada metody polega na dodaniu
do spirytusu takiego związku, który w czasie destylacji tworzy z wodą mieszaninę azeotropową o znacznie większej lotności niż
spirytus. W ten sposób woda jest porywana ze spirytusu, a produkt odwodniony zbiera się u dołu kolumny. Czynnikami
porywającymi wodę, czyli tzw. czynnikami azeotropującymi, mogą być: heptan, oktan, benzen, toluen, octan etylu, chloroform,
czterochlorek węgla, chlorek metylenu, trójchloroetylen (drawinol), eter etylowy i inne. W Polsce stosuje się do odwadniania
spirytusu mieszaninę benzyny wąskofrakcyjnej i benzenu. Benzyna wąskofrakcyjna zawiera głównie węglowodory: heptan i oktan.
Benzen, etanol,, heptan (lub oktan) tworzą z wodą azeotropy o zawartości ok. 7% wody i temperaturze wrzenia ok. 65°C. Azeotrop
po skropleniu tworzy dwie warstwy: górną, zawierającą głównie benzen, heptan (lub oktan), który zawraca się do obiegu, i dolną
- wodną, którą odprowadza się z rozdzielacza.
Produkcja wódek czystych
Wódki czyste są mieszaniną spirytusu rektyfikowanego z destylowaną lub zmiękczoną wodą. Ze spirytusu ziemniaczanego lub
melasowego produkuje się wódki czyste zwykłe, np. stołową, ze zbożowego - wódki żytnie, a z rektyfikatu wyborowego wódki
wyborowe, np. krakus.
Przy mieszaniu spirytusu z wodą zachodzi zjawisko tzw. kontrakcji, która polega na przenikaniu cząsteczek wody między cząsteczki
alkoholu. Następuje tarcie tych cząsteczek, wskutek czego temperatura cieczy wzrasta tym bardziej, im niższa była temperatura
wody i spirytusu przed zmieszaniem. Wzrost temperatury waha się w granicach 9-12°C.
Równocześnie ze wzrostem temperatury następuje zmniejszenie objętości, które w praktyce wynosi 3-3,5%. Na przykład w celu
otrzymania 100 l wódki o stężeniu 40%, należy wziąć 41,667 l spirytusu o stężeniu 96% i 61,336 1 wody.
Jakość wody użytej do produkcji wódek ma pierwszorzędne znaczenie. Musi to być woda pozbawiona wszelkich zapachów i smaku
oraz powinna zawierać jak najmniej rozpuszczonych związków chemicznych. Ponieważ nawet najlepsza woda pitna zawiera sole
wapnia i magnezu, dlatego musi być demineralizowana (do tego celu służą wymieniacze jonowe). Do wstępnego przygotowania
wody do produkcji wódek służą również odżelaziacze, filtry piaskowe i wymienniki absorpcyjne.
Produkcja wódek gatunkowych
W polskich wytwórniach wódek gatunkowych stosuje się ponad 60 rodzajów surowców, jak: owoce świeże i suszone, kora i
drewno, korzenie i kłącza, zioła i trawy, kwiaty, nasiona, olejki eteryczne, esencje, używki, barwniki.
Wódki gatunkowe są przygotowywane ze spirytusu rektyfikowanego, wody oraz składników zapachowo smakowych w takich
ilościach, aby napój różnił się wyraźnie od wódki czystej.
Wódki gatunkowe dzieli się w zależności od zawartości ekstraktu na:
W zależności od rodzaju składnika podstawowego wódki gatunkowe można podzielić na: naturalne, owocowe i inne.
Za wódkę naturalną uważa się taką, której podstawowym składnikiem jest spirytus surowy np. owocowy lub zbożowy. Najbardziej
znanymi wódkami naturalnymi są winiaki i koniaki. Produkuje się je z wina gronowego, którym napełnia się kubeł aparatu
destylacyjnego i odpędza destylat winny. W czasie destylacji usuwa się część przedgonów i niedogonów. Następnie destylat o
mocy nieco wyższej od gotowego produktu poddaje się leżakowaniu (starzeniu) w beczkach dębowych w ciągu co najmniej 3 lat.
Rum jest bardzo aromatyczną wódką produkowaną z melasy trzcinowej rozcieńczonej wywarem z rumu, miażdżonej trzciny
cukrowej i dodatków. Destylat z tego zacieru poddaje się starzeniu. Podobnie produkuje się arak z tym, że głównym surowcem
jest niełuszczony ryż.
Niektóre wódki naturalne produkuje się z owoców. Ze śliwek produkuje się śliwowicę, z wiśni - kirsch, z jabłek - calvados, a z jagód
jałowca - gin (dżin). Z jęczmienia, ściślej z wędzonego słodu jęczmiennego, produkuje się whisky szkocką, a z kukurydzy lub ryżu
whisky amerykańską, a także japońską.
Z żyta produkuje się w Polsce starkę. Jest to rodzaj żytniówki poddawany starzeniu przez co najmniej 2 lata, ale naprawdę dobry
produkt otrzymuje się po 5-letnim lub dłuższym leżakowaniu. Proces estryfikacji zachodzący w wódce można przyspieszyć przez
podwyższenie temperatury leżakowania.
Wódki owocowe, w skład których wchodzą soki kilku owoców, prawie w równych ilościach, nazywają się ratafiami. Z innych wódek
znane są jeszcze wódki sporządzone na nalewkach korzenno-ziołowych i olejkach, jak miętówka, angielska gorzka.
Destylacja prosta
Destylacja jest bardzo użyteczną metodą rozdziału wieloskładnikowych mieszanin ciekłych, a tym samym oczyszczania substancji
lotnych. Polega ona na odparowaniu najbardziej lotnego w danych warunkach ciśnienia i temperatury składnika, a następnie na
skropleniu par i zebraniu skroplonej cieczy (destylatu). Podczas ogrzewania cieczy prężność pary wzrasta aż do momentu, gdy staje
się równa ciśnieniu atmosferycznemu i rozpoczyna się wrzenie czyli parowanie w całej objętości cieczy. Temperatura wrzenia
cieczy jest to więc temperatura, w której prężność par cieczy jest równa ciśnieniu atmosferycznemu. Rozróżnia się cztery typy
destylacji: destylację prostą, destylację frakcyjną, destylację z parą wodną i destylację pod zmniejszonym ciśnieniem.
W destylacji prostej pary cieczy poddaje się skropleniu przez bezpośrednie oziębianie, co pozwala z reguły tylko na zagęszczenie
składników mieszaniny w poszczególnych coraz wyżej wrzących frakcjach.
Poniższy rysunek przedstawia typowy zestaw do destylacji prostej.
Kolbę destylacyjną zawierającą ciecz (i kamyczek wrzenny) umieszcza się w płaszczu grzejnym lub na łaźni wodnej. Montuje się
nasadkę destylacyjną, chłodnicę (w zależności od temperatury wrzenia cieczy wodną lub powietrzną) oraz przedłużacz. Niekiedy
te części aparatury stanowią całość, noszącą wówczas nazwę chłodnicy destylacyjnej. Chłodnicę wodną podłącza się do wody w
taki sposób, aby woda wpływała niższym, a wypływała wyżej
położonym tubusem. U wylotu umieszcza się odbieralnik. Może to być
kolba stożkowa, kolba okrągłodenna lub butelka ze szlifem. Termometr
umieszcza się w ten sposób, aby zbiorniczek rtęci znajdował się
naprzeciw wlotu par do chłodnicy. Szlify w zestawionej aparaturze
należy posmarować cienką warstwą smaru pamiętając, że nadmiar
smaru zanieczyszcza destylowaną ciecz. Istotną sprawą jest dobór
odpowiedniego rozmiaru kolby destylacyjnej. Przy rozpoczęciu
destylacji kolba nie powinna być napełniona więcej niż do 2/3 objętości.
Dodanie kamyczka wrzennego ma na celu zapewnienie równomiernego
wrzenia, ułatwia bowiem powstawanie pęcherzyków pary. Bez
kamyczków wrzennych następuje przegrzewanie cieczy i jej „rzucanie”.
Jeśli zapomniano o kamyczku wrzennym, a ciecz jest już gorąca i prawdopodobnie przegrzana, to przed dodaniem kamyczka
wrzennego należy ciecz ochłodzić. W przeciwnym razie może nastąpić gwałtowne wrzenie i wyrzucenie cieczy z naczynia.
Uwaga: Kamyczki wrzenne są jednorazowego użytku i po każdym przerwaniu wrzenia należy dodać świeży kawałek niepolewanej
porcelany.
Uwaga: Nigdy nie należy destylować substancji "do sucha"!
Wykonanie ćwiczenia
1.1. Nastaw fermentacji
1.2. Przygotować kolbę o pojemności 250/300 cm3 zawierającą:
- 170ml podłoża hodowlanego o składzie: sok owocowy (klarowny) o 20% zawartości sacharozy (oznaczyć poziom sacharozy
metodą refraktometryczną pkt. 1.3 i w razie potrzeby sok dosłodzić odpowiednią ilością cukru),
- 0,85g (NH4)2SO4 i 0,12g (NH4)2HPO4 na każde 100ml podłoża,
- 0,5 g pożywki dla procesu fermentacji,
W tak przygotowanym podłożu doprowadzić pH do wartości ok. 5,0 za pomocą 5N NaOH lub 10N H2SO4.
(kwas lub zasadę dodawać bardzo powoli – kroplami cały czas kontrolując pH).
1.3. Oznaczyć ekstrakt w hodowli – metodą refraktometryczną.
Pomiar wykonujemy refraktometrem lunetowym MASTER-TA z automatyczną kompensacją temperatury.
Pipetą nanosimy ok. 1 ml roztworu tak, aby zamykając osłonę ciecz równomiernie, bez pęcherzyków powietrza pokryła cały
pryzmat. Następnie patrząc przez lunetkę odczytujemy wynik w oBrix. (skala po lewej stronie w 0Brix, skala po prawej stronie
0
T.A.).
Po wykonaniu pomiaru refraktometr dokładnie płuczemy pod bieżącą wodą i wycieramy delikatnie do sucha papierowym
ręcznikiem.
1.4. Kolbę zaszczepić drożdżami Saccharomyces cerevisiae lub Saccharomyces bayanus (1g suszonych drożdży).
1.5. Kolbę zważyć, oznaczyć poziom cieczy, zamknąć szczelnie korkiem zaopatrzonym w rurkę fermentacyjną wypełnioną wodą
wapienną i inkubować w temperaturze 25-300C przez 1-2 tygodnie.
Po 1-2 tygodniach:
1.6. Opisać wygląd makroskopowy beztlenowych hodowli drożdży. Oznaczyć masę kolby i poziom cieczy (porównać z masą
wyjściową).
1.7. Oznaczanie mocy - pomiar metodą piknometryczną.
Do kolby destylacyjnej odmierzyć cylindrem miarowym 150ml przefermentowanej pożywki. Zmontować zestaw do destylacji
prostej i po uruchomieniu przepływu wody przez chłodnicę, ostrożnie prowadzić destylację zbierając destylat do zlewki.
Destylację zakończyć z chwilą uzyskania ok. 20-30ml destylatu - pozostałość w kolbie destylacyjnej zachować do oznaczenia
ekstraktu rzeczywistego !!!
Destylat przelać do cylindra miarowego o pojemności 50 cm3 - zanotować dokładną ilość destylatu.
Czysty i suchy piknometr zważyć na wadze analitycznej, następnie napełnić go uzyskanym destylatem i ponownie zważyć. Po
zważeniu destylat zlać ponownie do zlewki. Następnie wlać do piknometru dokładnie taką samą ilość wody destylowanej (jak
destylatu) i ponownie zważyć.
Gęstość destylatu (d) obliczyć ze wzoru:
𝒅=
𝑷𝟏 − 𝑷𝟎 + 𝒎
𝑷𝟐 − 𝑷𝟎 + 𝒎
Gdzie:
P0 – masa piknometru pustego [g]
P1 – masa piknometru z destylatem o temperaturze 200C [g]
P2 – masa piknometru z wodą o temperaturze 200C [g]
m – poprawka na ważenie w powietrzu, która wynosi 0,0012
Na podstawie gęstości destylatu odczytać zawartość alkoholu etylowego z tablic (załącznik)
1.8. Oznaczenie ekstraktu rzeczywistego - pomiar metodą refraktometryczną
Pomiar wykonujemy refraktometrem lunetowym MASTER-TA z automatyczną kompensacją temperatury.
W tym celu podnosimy osłonę pryzmatu, pipetą nanosimy ok. 1 ml roztworu tak, aby zamykając osłonę ciecz równomiernie,
bez pęcherzyków powietrza pokryła cały pryzmat. Następnie patrząc przez lunetkę odczytujemy wynik w oBrix. (skala po lewej
stronie w 0Brix, skala po prawej stronie 0T.A.)
Po wykonaniu pomiaru refraktometr dokładnie płuczemy pod bieżącą wodą i wycieramy delikatnie do sucha papierowym
ręcznikiem.
1.9. Opracowanie wyników
Wykonać następujące obliczenia:
- w oparciu o zawartość sacharozy w pożywce przed i po destylacji obliczyć, na podstawie poniższego równania reakcji,
wydajność rzeczywistą etanolu wytworzonego przez drożdże (wydajność rzeczywista stanowi 88% wydajności teoretycznej)
C12H22O11 + H2O → 4C2H5OH + CO2
w oparciu o moc uzyskanego destylatu obliczyć stężenie etanolu wytworzonego przez drożdże.
w oparciu o różnicę masy kolb (ilość wytworzonego CO2) obliczyć wydajność rzeczywistą etanolu wytworzonego przez drożdże
Uzyskane wyniki wraz z opisanymi wnioskami zamieścić w sprawozdaniu.
-
2.
-
Literatura
Kowal K., Libudzisz Z.; Mikrobiologia techniczna; Wyd. Politechniki Łódzkiej; 2000
Kunicki-Goldfinger W.; Życie bakterii; Wyd. PWN; Warszawa; 1998
Schlegel H.; Mikrobiologia ogólna; Wyd. PWN; Warszawa; 2000
Zależność pomiędzy gęstością wodnych roztworów etanolu w 200C, a udziałem objętościowym etanolu
d , kg/m3
Udział obj., %
d , kg/m3
Udział obj., %
d , kg/m3
Udział obj., %
d , kg/m3
Udział obj., %
789,3
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
800
801
802
803
804
805
806
807
808
809
810
811
812
813
814
815
816
817
818
819
820
821
822
823
824
825
826
827
828
829
830
831
832
833
834
835
836
837
838
839
840
841
100,00
99,86
99,66
99,46
99,26
99,06
98,85
98,63
98,42
98,21
98,00
97,76
97,53
97,30
97,08
96,84
96,59
96,35
96,11
95,86
95,61
95,36
95,11
94,85
94,58
94,32
94,06
93,79
93,52
93,24
92,97
92,69
92,41
92,12
91,84
91,54
91,25
90,96
90,66
90,36
90,07
89,76
89,45
89,15
88,84
88,52
88,21
87,89
87,57
87,25
86,93
86,60
86,27
842
843
844
845
846
847
848
849
850
851
852
853
854
855
856
857
858
859
860
861
862
863
864
865
866
867
868
869
870
871
872
873
874
875
876
877
878
879
880
881
882
883
884
885
886
887
888
889
890
891
892
893
894
85,95
85,62
85,29
84,96
84,62
84,28
83,94
83,60
83,26
82,91
82,57
82,22
81,87
81,52
81,16
80,81
80,45
80,10
79,74
79,38
79,02
78,65
78,29
77,92
77,53
77,18
76,81
76,43
76,06
75,68
75,30
74,92
74,54
74,15
73,77
73,30
73,00
72,60
72,21
71,82
71,42
71,03
70,63
70,23
69,83
69,42
69,02
68,60
68,19
67,78
67,37
66,95
66,53
895
896
897
898
899
900
901
902
903
904
905
906
907
908
909
910
911
912
913
914
915
916
917
918
919
920
921
922
923
924
925
926
927
928
929
930
931
932
933
934
935
936
937
938
939
940
941
942
943
944
945
946
947
66,12
65,69
65,27
64,85
64,42
63,99
63,56
63,13
62,70
62,26
61,82
61,38
60,94
60,50
60,05
59,60
59,16
58,70
58,25
57,80
57,33
56,87
56,40
55,93
55,46
54,99
54,50
54,02
53,54
53,05
52,56
52,08
51,57
51,07
50,57
50,07
49,56
49,04
48,52
48,00
47,47
46,93
46,39
45,85
45,28
44,74
44,17
43,60
43,03
42,44
41,84
41,24
40,62
948
949
950
951
952
953
954
955
956
957
958
959
960
961
962
963
964
965
966
967
968
969
970
971
972
973
974
975
976
977
978
979
980
981
982
983
984
985
986
987
988
989
990
991
992
993
994
995
996
997
998
998,2
40,01
39,38
38,75
38,11
37,45
36,78
36,11
35,41
34,71
34,00
33,26
32,52
31,75
30,98
30,18
29,35
28,52
27,67
26,83
25,96
25,09
24,19
23,29
22,38
21,46
20,53
19,59
18,64
17,69
16,76
15,85
14,95
14,05
13,17
12,31
11,45
10,61
9,77
8,94
8,13
7,33
6,55
5,70
5,02
4,29
3,58
2,87
2,17
1,49
0,81
0,13
0,00

ćwiczenie 10 biosynteza etanolu

Transkrypt

Podobne dokumenty

Słodka wódka pomarańczowa - Wirtualna Kuchnia Polska

ćwiczenie nr 3 - Bimber - domowy wyrób alkoholu etylowego

Kalkulator procentów - Jak rozrobi? spirytus z wod?

ubrowka - Pulpecik.pl

Gorzelnia z tradycją - ATEST Ochrona Pracy

"Zaborowicz" Przedsiebiorstwo Produkcyjno

produkcja biomasy cz-4

Policja Podlaska Garażowa „gorzelnia”