автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированных способов переработки сырья

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированных способов переработки сырья

Кузьменкова Наталия Михайловна

Специальность 05.18.07. -

Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Л.Н. Крикунова

Москва - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................................................5

1 Обзор литературы........................................................................................................................9

1.1. Агропромышленные аспекты производства кукурузы................................9

1.2 Техноэкономическое обоснование переработки кукурузы..................11

1.3. Биохимический состав зерна кукурузы....................................................................14

1.4. Анатомическое строение зерна кукурузы............................................................21

1.5. Способы изменения структурно-механических свойств зерна..........24

1.5.1 Способы обработки кукурузы для выделения зародыша....................26

1.6. Многопродуктовые технологии этанола................................................................29

1.7. Заключение..........................................................................................................................................36

2 Экспериментальная часть..........................................................................................38

2.1. Материалы, оборудование и методы исследования........................................38

2.1.1. Материалы исследования......................................................................................................38

2.1.2. Методы исследования................................................................................................................39

2.1.2.1 Определение физических, биохимических и реологических

характеристик сырья....................................................................................................................39

2.1.2.2. Исследование свойств образцов кукурузного крахмала........................41

2.1.2.3. Анализ полупродуктов спиртового производства (замеса, 42 разваренной массы, сусла, бражки)........................................

2.1.3. Использованное оборудование.......................................... 43

2.2. Результаты исследований и их обсуждение........................ 45

2.2.1. Способы предобработки зерна кукурузы............................... 45

2.2.1.1. Разработка технологических режимов гидротермической

47

предобработки...............................................................

2.2.1.2. Влияние метода ГТО на структурно-механические свойства

53

кукурузы........................................................................

Разработка технологических режимов биотехнологической

2.2.2. 57 предобработки..................................................................

2.2.2.1. Оптимизация технологического режима биотехнологической

63

предобработки сырья.......................................................

2.2.3. Изучение свойств образцов крахмала, полученных из исходного зерна и фракций зародыша...................................................

2.2.4. Изучение влияния способов предобработки на белки кукурузы.... 71

2.2.5. Изучение влияния способов предобработки на липиды кукурузы.. 75

2.2.6. Сравнительная характеристика показателей качества сусла......... 79

2.2.7. Изучение процесса сбраживания сусла из дифференцированной фракции эндосперма кукурузы прошедшей стадию

89

биотехнологической предобработки....................................

2.2.8. Сравнительный анализ образцов зрелой

бражки..............................................................................................................................................97

2.2.9. Разработка аппаратурно-технологической схемы производства 102 этанола на основе получения и сбраживания сусла из фракции эндосперма кукурузы.........................................................

3 Выводы........................................................................ 107

4 Список использованных источников................................. 109

Приложения

Введение

Актуальность работы. В настоящее время основным сырьем спиртового производства в Российской Федерации являются различные виды зерновых культур. Среди них в процентном отношении преобладает пшеница и рожь, реже на переработку поступает кукуруза. Имея несомненные преимущества перед другими видами крахмалосодержащего сырья, к которым в первую очередь следует отнести высокую урожайность и максимальное содержание крахмала, она имеет и ряд технологических особенностей, сдерживающих её применение в спиртовой отрасли.

Известно, что кукурузный крахмал в отличие от пшеничного и ржаного, труднее подвергается водно-тепловой и ферментативной обработке, поэтому переработка кукурузы чаще осуществляется по классической схеме с развариванием. К недостаткам данной схемы следует отнести, во-первых, пониженный выход спирта из-за потерь сбраживаемых углеводов за счет высокотемпературной обработки сырья, во-вторых, повышенное содержание вредных летучих примесей в бражке, к примеру, наиболее токсичной - акролеина, основным источником образования которого является жир. Данный компонент, сконцентрированный в зародыше кукурузы, является не только балластным соединением, но и по сведениям ряда авторов ухудшает перевод крахмала в растворимое состояние, его гидролиз.

Одним из возможных путей решения данных проблем может являться перевод процесса на комплексные технологии, являющиеся по данным специалистов наиболее эффективными. Для спиртовой отрасли России к ним относятся в первую очередь технологии, в которых крахмалосодержащее сырье (зерно) перерабатывается с выработкой этилового спирта и кормопродуктов. Вместе с тем, предлагаются и другие перспективные технологии, к примеру, связанные с выработкой продукции пищевого назначения (белковых концентратов, гидролизатов и т.д.).

Существующие технологии переработки кукурузы в крахмалопаточной отрасли, предусматривающие выделение фракции зародыша, не могут быть

реализованы на спиртовых предприятиях, так как не учитывают основных требований производства, а именно существенных потерь крахмала с выделяемой фракцией зародыша и получения технологической среды (замеса) с высоким разбавлением.

Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке научно-практических основ создания новой комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированных способов переработки сырья являются актуальными и перспективными. Официальным подтверждением этого является диплом XI Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ».

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась разработка комплексной технологии этанола из кукурузы на основе биотехнологического способа предобработки сырья, разделения его на дифференцированные фракции и их целевого использования.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи: •изучить влияние способов и параметров гидротермической обработки (ГТО) на распределение крахмала сырья по дифференцированным фракциям - фракция эндосперма и фракция зародыша;

•исследовать реологические характеристики исходных образцов кукурузы и прошедших стадию ГТО;

•обосновать выбор факторов биотехнологической предобработки кукурузы (ферментные препараты гемицеллюлозного и протеолитического действия; время обработки; норма внесения ферментного препарата);

•оптимизировать процесс биотехнологической предобработки кукурузы; •исследовать влияние способов предобработки кукурузы на характеристику крахмалов сырья с использованием системы для микроскопии;

•исследовать влияние способов предобработки кукурузы на белковый комплекс исходного сырья и фракции эндосперма;

•провести анализ образцов фракции зародыша по основным биохимическим показателям, а также фракционному и жирнокислотному составу липидов;

•определить факторы, влияющие на процесс получения и сбраживания сусла из фракции эндосперма, выделенной из кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической предобработки. Провести сравнительный анализ образцов осахаренного сусла из зрелой бражки контрольных и опытных вариантов по основным показателям качества и содержанию вредных летучих примесей;

•разработать аппаратурно-технологическую схему комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированных способов разделения сырья.

Научные положения, выносимые на защиту:

-режимные параметры метода ГТО и биотехнологического способа предобработки;

-технологические решения по разработке технологии этанола из дифференцированной фракции эндосперма кукурузы;

- результаты эффективности новой технологии.

Научная новизна. Впервые установлена корреляционная зависимость между реологическими характеристиками контрольных и опытных образцов кукурузы и эффективностью разделения сырья на дифференцированные фракции.

Разработан новый биотехнологический способ целенаправленного изменения структурно-механических свойств кукурузы, позволяющий увеличить различия в прочностных свойствах отдельных анатомических частей зерновки.

Научно обоснованы выбор ферментного препарата Вискоферм L и параметры проведения биотехнологической предобработки кукурузы, проведена оптимизация параметров.

Анализ образцов крахмала кукурузы, выделенных из исходного и прошедшего предобработку сырья с применением системы для микроскопии LEICA DMLM, позволил научно обосновать эффективность биотехнологического способа предобработки зерна.

Впервые выявлена взаимосвязь между параметрами получения этанола из фракции эндосперма кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической предобработки и показателями качества сусла и бражки.

Практическая значимость. Экономически обоснована перспективность включения в технологическую схему производства этанола из кукурузы стадии биотехнологической предобработки сырья, позволяющая в зависимости от режимных параметров процесса:

• сократить потери крахмала с выделяемой фракцией зародыша до 2-3%;

• повысить доступность крахмала к водно-тепловому и ферментативному воздействию.

Разработана новая комплексная технология этанола из кукурузы на основе биотехнологического способа предобработки сырья и разделения его на дифференцированные фракции; позволяющая сократить, при использовании механико-ферментативного способа, длительность обработки сырья в среднем в 1,3 -1,5 раза и снизить температуру стадий получения сусла; повысить качественные характеристики конечного продукта; повысить выход спирта из 1 т условного крахмала сырья. Технические решения, на основании которых разработана новая технология, позволили подать заявку № 2013107578 на получение патента РФ, положительное решение о выдаче патента №201307578/10(011248) от 23.01.2014г.

Проведена опытно-промышленная апробация разработанной комплексной технологии этанола из кукурузы на основе дифференцированного способа предобработки в условиях филиала ФГУП «Росспиртпром» (ФКП) «Арзинский спиртовой завод».

По результатам опытно-промышленных испытаний рассчитана условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции по новому варианту, которая для спиртового завода мощностью 3000 дал/сут составила 7, 9 млн руб.

1. Обзор литературы 1.1. Агропромышленные аспекты производства кукурузы

В настоящее время во многих отраслях, в том числе и спиртовой, стоят непростые задачи по совершенствованию производства, для увеличения конкурентоспособности готового продукта. В технологии этилового спирта есть несколько направлений действий для решения данной задачи, в первую очередь это увеличение выхода и повышение качества готовой продукции, сокращение теплоэнергетических затрат, более эффективное использование сырья [85, 86, 114, 144,146, 158, 165,181].

Основным сырьем спиртового производства в Российской Федерации являются различные виды зерновых культур. Среди них в процентном отношении преобладает пшеница, рожь, ячмень. Реже на переработку поступает кукуруза. Имея несомненные преимущества перед другими видами крахмалосодержащего сырья, к которым в первую очередь следует отнести высокую урожайность и максимальное содержание крахмала, она имеет и ряд технологических особенностей, сдерживающих её применение в спиртовой отрасли.

Кукуруза— это высокоурожайная зерновая культура. В южных районах России ее высевают на зерно, а в северных — для получения большого объема сочной зеленой массы на корм скоту для приготовления силоса. Она подразделяется на семь основных подвидов: лопающаяся, крахмалистая, кремнистая, зубовидная, восковидная, сахарная, пленчатая. Каждый подвид объединяет от 5 до 25 разновидностей, имеющих отличия по окраске зерновки, наличия цветковых чешуй и различий биохимического состава [71, 75, 173]. Так же выведено большое количество гибридов, позволяющих значительно расширить территорию выращивания данной культуры [14, 66, 72, 73, 92, 100, 160, 185].

Кукуруза, в отличие от основных злаковых культур менее прихотлива к почве, что позволяет ее высевать даже на песчаных, супесчаных и глинистых почвах, если они удобрены. Хорошо переносит засуху, так как имеет хорошо развитую корневую систему. Наоборот, почва, сильно обогащенная влагой

(болотистая и торфянистая) исключают возможность выращивания данной культуры, так как такие почвы плохо прогреваются, а холод кукуруза не переносит. Она не боится сорных трав.

Урожайность зерновых культур зависит от многих параметров в первую очередь от технологии выращивания, климата и сорта. В Российской Федерации урожайность зерновых культур с 1990 по 2012 год тоже колебалась, в зависимости от года, в следующих рамках:

озимая пшеница от 11,6 ц/га до 19,8 ц/га; яровая пшеница - 16,1 - 33,7 ц/га; рожь озимая — 7,6 - 20,5 ц/га; рожь яровая - 5,0 - 11,6 ц/га; ячмень озимый - 24,7 - 45,4 ц/га; ячмень яровой - 8,1 - 19,1 ц/га; кукуруза - 10,4 - 40,3 ц/га [22, 23, 58, 60, 95, 110, 124]. Из приведенных данных можно сделать вывод, что урожайность кукурузы находится на более высоком уровне по сравнению с основными зерновыми.

В промышленных масштабах традиционно кукуруза возделывается в Краснодарском крае, Ростовской и Волгоградской областях, республиках Северного Кавказа. В настоящее время производство данного вида зерна в России, как и во всем мире, возрастает. В период с 2006 по 2010 гг площади посевов кукурузы в РФ увеличились на 15% с 2,5 млн га до 2,9 млн га. По оценкам специалистов, к 2015 г посевные площади кукурузы вырастут до 3,1 млн га, при этом ожидаемый сбор урожая планируется на уровне 15,3 млн т кукурузы. В 2012 г наибольшее количество кукурузы на зерно произведено в Южном Федеральном округе - 4,01 млн т (44% от общего объема производства в стране), в Центральном Федеральном округе - 3,1 млн т (28%) и в СевероКавказском федеральном округе - 2,4 млн т (21%). Все эти данные позволяют сделать вывод о повышении «популярности» кукурузы среди производителей продукции из данной культуры [124, 125].

1.2. Техноэкономическое обоснование переработки кукурузы

Зерновое сырье для производства этилового спирта должно соответствовать нескольким требованиям и в первую очередь это:

- доступность сырья, т.е. его достаточное количество в стране для производств перерабатывающих данную культуру;

- биохимический состав сырья, позволяющий решать производственные задачи и улучшать характеристики конечного продукта;

- доступная стоимость, позволяющая повысить конкурентоспособность продукта.

В России основными зерновыми культурами являются пшеница, рожь, ячмень, реже на переработку поступает кукуруза. Согласно нормативной документации пшеница мягкая и твердая выпускается 5-ти классов, рожь - 4х классов, ячмень - 2х классов, кукуруза - Зх классов.

Пшеница является основной продовольственной культурой. Мягкая пшеница предназначена для получения хлебопекарной муки, а твердая — макаронной муки, крупы. Пшеницу в зависимости от качества зерна подразделяют на 5 классов. К показателям оказывающим влияние на определения класса относятся: цвет, массовая доля белка, массовая доля сырой клейковины, стекловидность и количество сорной примеси. Пшеница мягкая и твердая 1-4-го классов используется на продовольственные цели, а 5-го класса - на фуражные и технические цели [40].

Рожь в соответствии с ГОСТ Р 53049-2008 «Рожь. Технические условия» разделяют на 4 класса. Рожь 1, 2 и 3-го классов предназначена для переработки в муку; рожь 4-го класса - для переработки в комбикорма [36]. Основным показателем, влияющим на принадлежность ржи к определенному классу, является «Число падения». Данный показатель для ржи 1-го, 2-го, 3-го и 4-го классов соответственно составляет более 200 с; 200-141 с; 140-80 с и менее 80 с. «Число падения» является показателем активности амилолитических ферментов и зависит от характеристик углеводно-амилазного комплекса [157].

Ячмень разделяют на 2 класса. Ячмень 1-го класса предназначен для продовольственных целей, 2-го класса для комбикормов и производства солода в

спиртовом производстве. Продовольственный ячмень применяют для выработки крупы ячменной. Показателями, влияющими на классность, являются натура, и количество сорной примеси [39].

В зависимости от качества заготавливае