Если вы решили приготовить зерновой самогон, вам необходимо выбрать способ приготовления браги.
Рецептов пшеничной браги много, но в основе лежат всего 3 технологии осахаривания крахмалосодержащего сырья.
- Горячее осахаривание ферментами или ГОС
- Холодное осахаривание ферментами или ХОС
- Осахаривание солодом
Целью использования ферментов является подготовка сырья для сбраживания дрожжами. Крахмал в чистом виде дрожжи не могут переработать.
Для его расщепления применяют бактериальный ферментный препарат Глюкаваморин (Глюкоамилаза). Он работает в паре с Амилосубтилином (альфа-амилаза), который обеспечивает подготовку сырья к действию глюкоамилазы.
Это основная группа ферментов, без которых дрожжи не будут потреблять крахмал. Кроме них существуют вспомогательные ферменты, такие как Протосубтилин и Целлолюкс. Они частично расщепляют белки и целлюлозу, увеличивая выход спирта.
В солоде ферменты вырабатываются в процессе проращивания зерна. Для этого зерно проращивают до образования ростка 5-6мм. Затем сушат и удаляют проросшие ростки и корешки.
Дозировка различных ферментов
В солоде достаточно ферментов, что бы осахарить себя и еще 4-5 кг. несоложеного зерна. Таким образом, для осахаривания 1 кг. любого зерна потредуется 200-250гр. Солода.
Пропорции же искуственных ферментов зависит от срока хранения и их активности, которая измеряется в единицах на грамм.
Следует знать, что ферменты являются катализатором процесса, а не расходной единицей. Если вы внесете меньше ферментов, чем требуется, процесс осахаривания затянется, но все равно произойдет.
Для конкретного расчета дозировки ферментов можно воспользоваться этим калькулятором:
Приготовление самогона из крахмалсодержащего сырья – дело хлопотное, поскольку требует проведения осахаривания. Новички долго обходят его стороной, предпочитая простой и понятный рецепт сахарной браги. Не стоит лишать себя удовольствия собственноручно приготовить настоящий зерновой самогон, достаточно изучить понятное описание процесса, и смело браться за дело.
фото с сайта www.youtube.com
Осахаривание: виды и преимущества
В зерновых продуктах углеводы, которым предстоит с помощью дрожжей превратится в спирт, находятся в форме крахмала. Этот полисахарид представляет собой цепочку из простых сахаров – глюкозы, фруктозы и сахарозы. Чтобы дрожжи начали вырабатывать этанол, нужно разделить молекулу крахмала на простые сахара, для чего и используется осахаривание.
Холодное осахаривание
Гидролиз полисахаридов ускоряется за счет внесения ферментов, которые содержатся в солоде или покупаются в специализированных магазинах. Ферменты работают постепенно, поэтому моносахариды получаются медленно и сразу перерабатываются в спирт. Таким образом осахаривание проходит одновременно с брожением.
- Экономия сил и времени на постановку браги.
- Не требует использования специального оборудования.
- Брага менее подвержена кислому брожению в начале процесса.
- Нет нужды создавать и удерживать заданную температуру.
- Возможность перегонки прямым нагревом.
- Длительность сбраживания. Брага на ферментах способом холодного осахаривания будет готова через 2-3 недели, но особого внимания в этот период к себе не требует.
- Высока вероятность скисания на этапе дображивания. Этот минус нивелируется добавлением антибиотиков.
Горячее осахаривание
фото с сайта mirkateclapp.ru
Смысл технологии состоит в ускорении гидролиза крахмала на моносахариды за счет выдерживания определенных температур. При этом расщепление также происходит благодаря ферментам, которые получают из солода или вносят искусственные.
- Высокая скорость процесса осахаривания.
- Быстрое сбраживание.
- Сырье разваривается при высокой температуре. Если затор пригорит, запах гари из самогона вывести практически невозможно, поэтому приходится постоянно перемешивать сырье.
- Выдерживание температурной паузы, в течение которой необходимо сохранить температуру 60-65⁰С. В промышленных условиях это делает оборудование, а дома приходится укутывать сусло одеялами.
- На этапе осахаривания высока вероятность скисания сусла.
- Перед дистилляцией брагу обязательно нужно отфильтровать.
Когда в домашних условиях готовится брага на ферментах, холодное осахаривание предпочтительнее ввиду простоты технологии. Но если есть желание экспериментировать, можно опробовать и горячий способ.
Из чего делается брага на ферментах
фото с сайта tonnasamogona.ru
Выбор ингредиентов не зависит от технологии, поэтому не стоит описывать его отдельно для каждого способа. Общие вопросы, вроде выбора воды и дрожжей, каждый самогонщик решает самостоятельно. Кто-то доволен результатом от прессованных дрожжей и водопроводной воды, а кто-то использует только винные дрожжи и обязательно фильтрует воду. О вкусах не спорят, и если вы не первый день в самогоноварении, свой выбор наверняка уже сделали.
Крахмал
В самогоноварении крахмалсодержащим сырьем называется обширная группа продуктов. К ней относятся все виды зерновых культур, круп, муки, бобовых, крахмал, макаронные и даже хлебобулочные изделия. Иногда в ход идет все, что самогонщик может выгодно купить или достать. Но настоящие гурманы предпочитают использовать определенное сырье, получая характерные органолептические свойства готового напитка:
- Пшеница дает мягкий, приятный вкус. Неплохой выход самогона в 650 мл с килограмма сырья дополняется дешевизной зерна.
- Рожь придает самогону резкий, специфический привкус, который нравится не всем. Характерен выход самогона около 600 мл, и интенсивное пенообразование, из-за которого брага из ржаной муки на ферментах не должна заполнять больше половины емкости.
- Кукуруза дает характерный приятный привкус и высокий выход в 800 мл. Несмотря на большую стоимость, применяется часто, потому что совершенно некапризна в работе.
- Ячмень отвечает за яркий, интенсивный привкус и позволяет получить на выходе около 700 мл напитка.
- Рис с показателем почти в 900 мл является рекордсменом по выходу. Запах самогона очень мягкий, и легко забивается любым другим сырьем.
фото с сайта agro2b.ru
Вполне допустимо использовать смеси разных зерновых, только учитывайте, что мягкие и ненавязчивые ароматы потеряются на фоне более интенсивных. Брага из кукурузы на ферментах, если в нее добавлена ¼ ячменного солода, близка по составу к рецептам бурбона, так что фантазии есть где разгуляться.
Крупы бродят медленнее, чем мука из них, за счет чего увеличивается вероятность скисания браги. Ускорить этот процесс можно подробив их или смолов в муку. Нешлифованные крупы, с которых не удалена внешняя оболочка, не годятся для самогоноварения.
Ферменты
Адепты органических продуктов предпочитают получать ферменты из солода, утверждая, что искусственные в напитке ощутимы даже после тройной перегонки. Менее требовательные применяют готовые ферменты, наслаждаются удобством и дешевизной, и не отмечают отличий во вкусе. Не попробовав оба варианта на практике, решить, какой из них лучше невозможно.
Солод
Пророщенные зерна используются сразу после появления ростков длиной 2 см, и тогда это называется зеленый солод. После проращивания солод можно засушить впрок, и расходовать по мере необходимости. Засушенный солод называется белым и продается в готовом виде, что избавляет от части хлопот.
фото с сайта gotovimudoma.ru
Искусственные ферменты
- глюкаваморин (Г);
- амилосубтилин (А);
- целлюлокс (Ц);
- протосубтилин (П).
Последние два не являются обязательными, но, по отзывам, немного повышают выход спирта и снижают количество посторонних примесей.
Вспомогательные компоненты
Когда готовится зерновая брага на ферментах, желательно использовать еще ряд ингредиентов, которые не входят в классический рецепт, но упрощают работу с брагой и снижают вероятность уксуснокислого и молочнокислого брожения.
- Добавление кислот сдвигает рН среды в кислую сторону, неблагоприятную для бактерий. Используют ортофосфорную или лимонную кислоты.
- Антибиотик не дает развиваться бактериальной флоре. Лучше всего работает амоксиклав или другие препараты с клавулоновой кислотой.
- В качестве пеногасителя добавляется «софексил» или детский препарат «боботик» — работают одинаково, что получится достать, то и берите.
фото с сайта irecommend.ru
Зерновая брага на ферментах: холодное осахаривание
Приготовление достаточно простое, и справится с ним даже новичок, никогда раньше не ставивший брагу. Брага из муки и ферментов холодным способом готовится по одному рецепту, рассчитанному на килограмм сырья.
Зерновая брага на ферментах: рецепт
Не имеет значения вид продукта, а также используете вы крупу, зерно или муку – соотношение компонентов будет неизменным.
- 1 кг сырья (муки, кукурузы, крахмала и пр.);
- 3,5 л воды;
- по 3 г фермента А и Г;
- 20 г сухих дрожжей (или 100 г прессованных);
- 1 таблетка амоксиклава на 20 л;
- 1 мл пеногасителя на 20 л;
- 1-2 г лимонной кислоты;
При использовании солода учитывайте, что его количество должно составлять 150 г на кг сырья. Если в заторе меньше солода, следует добавить ферменты.
фото с сайта travelfotki.ru
Смешивание компонентов
- Разбродите дрожжи в теплой подслащенной воде до появления пены. Если через час брожение не началось, дрожжи использовать нельзя, они неактивны.
- Если планируете использовать антибиотик, замочите таблетку или содержимое капсулы в воде для растворения.
- Подготовьте емкость для сбраживания с учетом, что 1/3 объема должна остаться пустой для пенообразования.
- Налейте в емкость теплую (30-35⁰С) воду, добавьте ферменты, антибиотик, пеногаситель и лимонную кислоту.
- Засыпьте зерно или крупы, перемешайте лопаткой с длинной ручкой. Если используется рецепт браги из муки на ферментах, то для перемешивания пригодится строительный миксер.
- Добавьте дрожжевую закваску, снова перемешайте до однородности.
Поскольку холодное осахаривание происходит одновременно с брожением, продолжительность процесса достаточно велика, и стоит приложить все усилия для ее ускорения. Это снижает вероятность прокисания и количество посторонних примесей в браге.
- Обязательно установите на емкость гидрозатвор. В первые дни брожение будет очень интенсивным, и, если используется перчатка, ее может сорвать. Проколите перчатку медицинскими иглами и оставьте их, это облегчит выход углекислого газа. Когда газообразование уменьшится, иглы можно достать.
- Перемешивайте брагу. Отлично справляется с задачей аквариумная помпа, но, если ее нет, ежедневно взбалтывайте брагу вручную. В первые 2 дня можно даже снять гидрозатвор, а после этого просто вращайте бутыль на протяжении 3-4 минут.
фото с сайта sovetadieta.weebly.com
- Оптимальная температура для сбраживания 26-28⁰С. Поддержать ее поможет аквариумный термостат, пленка от теплого пола, размещение вблизи источника тепла или просто укутывание теплыми вещами.
- Сбраживание занимает от 1 до 3 недель, в зависимости от зернистости сырья, если остались крупные частицы, остаточное брожение продлевается еще на неделю. Практика показывает, что после 3 недель повышение крепости браги совсем незначительное 1-2%, учитывая вероятность скисания, дожидаться полного прекращения брожения нецелесообразно.
- Несколько раз в день проверяйте, как выглядит ваша брага. Появление пленки на поверхности на любом этапе – признак скисания. Такую брагу нужно срочно перегонять, так как спустя сутки весь спирт окислится до уксусной кислоты, и перегонять будет нечего.
После завершения брожения, брагу на муке следует вынести на холод для осветления и слить с осадка. Зерно или крупу профильтровать через сито и отжать.
Зерновая брага на ферментах: горячее осахаривание
фото с сайта playerist.ru
Классический метод, который сокращает время сбраживания, но сам по себе довольно трудозатратен. Горячее осахаривание выполняется в большой термостойкой посуде, которую предстоит греть на плите.
Ингредиенты
- 1 кг крахмалсодержащего сырья;
- 4,5 л воды;
- 150 г солода (или по 3 г ферментов Г и А);
- 5 г сухих дрожжей (или 20 г прессованных).
Ошибки нагрева
Если рекомендации по температурным паузам не были соблюдены, то осахаривание не произойдет совсем или будет лишь частичным. В таком случае ферменты будут работать по технологии холодного осахаривания, и брожение затянется. Повторно нагревать сусло, пытаясь исправить ошибку бесполезно.
Приготовление
- Засыпьте сырье в емкость и при постоянном перемешивании залейте горячей (55⁰С) водой. Не забудьте оставить треть свободного пространства для пенообразования.
- Прогрейте смесь до 60⁰С и варите при такой температуре в течение 15 минут.
- Доведите до кипения и варите 1-2 часа до получения однородной массы. Мука будет готова быстрее, а крупы придется готовить долго. Регулярно помешивайте, чтобы смесь не пригорела.
- Остудите полученную кашеобразную массу до 65⁰С и внесите молотый солод, перемешайте до однородности.
- Накройте крышкой и оставьте для ферментации на 3 часа при температуре 60-65⁰С. Первые 1,5 часа перемешивайте сусло каждые 30 минут.
- За 40-50 минут до окончания ферментации растворите дрожжи в теплой воде для разбраживания.
- Быстро охладите сусло до 26-30⁰С, например, поставив емкость в воду со льдом.
- Внесите дрожжи и размешайте до однородности.
фото с сайта doughpunching.blogspot.ru
Дальнейшие рекомендации по установке гидрозатвора, поддержанию температурного режима, перемешиванию и прочие практические советы такие же, как и при холодном осахаривании. Единственное отличие будет в сроках сбраживания, которое займет от 4 до 7 дней.
Теперь вы точно знаете, как готовится брага из муки и ферментов по холодной и горячей методике. Остается только перегнать ее, соблюдая все правила по отбору голов и хвостов, чтобы не испортить себе послевкусие и утреннее самочувствие. Попробовать настоящий зерновой самогон обязательно стоит, ведь его характерный вкус и аромат могут заставить навсегда отказаться от рецептов на сахаре в пользу аутентичного напитка.
Горячее осахаривание - это… Хотя нет, давайте начнём с другого. Если вы хоть раз заходили на форумы или группы самогонщиков в соц. сетях, то 100% часто встречали аббревиатуры ГОС и ХОС. ГОС - это горячее осахаривание, а ХОС - холодное. И тот и другой способ используется в винокурении, а также в пивоварении, да и выполняют одни и те же функции.
Само по себе осахаривание - это процесс, благодаря которому происходит расщепление крахмала до простых сахаров. Горячее осахаривание производится с помощью естественных ферментов при температурном воздействии.
Так каков же сам по себе процесс горячего осахаривания?
Нам понадобится солод! Солод может быть как зелёным, так и белым.
Зелёный солод - зерно только что давшее ростки нужной длины. Хранится он совсем немного - до трёх дней. Если злак высушить, то получится уже белый солод - его можно гораздо дольше хранить. С процедурой горячего осахаривания одинаково справляются оба этих вида.
Преимущество горячего осахаривания - малые затраты времени. Для получения сахара требуется всего несколько часов и брага отыгрывает гораздо быстрее, чем при ХОС.
Но недостатки у горячего осахаривания тоже имеются:
- Из-за использования высоких температур есть риск пригорания сырья.
- При горячем осахаривании нужно поддерживать постоянную температуру в течение нескольких часов, а дома это делать достаточно сложно.
- Готовое сусло может очень быстро скиснуть.
Технология горячего осахаривания солодом:
- Залить водой (50-55 градусов) крупу или муку, чтобы не образовывались комки - непрерывно помешивать. Рассчитывать количество воды исходя из пропорций: 4-5 литров воды на 1 кг сырья.
Ёмкость не должна быть заполнена более, чем на 75%. - Температуру поднимаем до 60 градусов и поддерживаем на протяжении 15 минут.
- Доводим массу до кипения и варим порядка двух часов до однородной кашицы.
- Полученную кашу охлаждаем, до 65-70 градусов и добавляем в неё измельчённый солод из пропорции 150 грамм солода на 1 кг сырья, постоянно перемешиваем.
- Как только температура упадёт до 62-65 градусов - закрываем варочную ёмкость крышкой и укутываем одеялом для сохранения тепла. Эту температуру нужно поддержать 2-4 часа., причём первую половину этого периода - перемешивать содержимое ёмкости.
- После этого пускайте это сырьё в производство как можно скорее, чтобы оно не скисло.
При нарушении температурного режима горячее осахаривание не удастся или получится неполным. По завершении не забудьте провести йодную пробу.
Ферменты для самогоноварения появились изначально в промышленности. Но постепенно вещества завоевали популярность и стали доступными в домашнем производстве. В целом популярность объяснялась легкостью в использовании, процессы готовки становились стабильными и количество спирта в итоге увеличивалось.
Фермент «Глюкаваморин» для зерновой браги
Именно ферменты помогают получить максимальное количество спирта из сырья. Они более эффективны, чем применение естественных методик, а также их наличие уменьшает количество вредной сивухи в напитке. Это полезный фактор не только для здоровья, но и для вкуса алкоголя.
Ферменты и их преимущества
В качестве ферментов для самогона используются такие препараты, как:
- «Амилосубтилин» - разжижает сырье и подготавливает его к перегонке;
- «Глюкаваморин» - подходит для осахаривания как крахмала, так и некрахмалистых полисахаридов в зависимости от разновидности фермента (виды «Г» и «Ц»);
- «Протосубтилин» - расщепляет белки растительного происхождения, что способствует активизации дрожжей.
Можно использовать несколько ферментов сразу. Но два самых необходимых для процесса – «Амилоубтилин» и «Глюкаваморин». Эти вещества являются основными составляющими и названиями ферментов. В магазинах они могут продаваться под торговыми названиями, поэтому обращайте внимание на состав.
А вот раньше до появления и распространения ферментов пользовались солодом. Сейчас методика неудобная и затратная. В частности, у солода есть такие недостатки, как:
- длительность выращивания растения;
- трудоемкость процесса (промывка, измельчение и переработка солода);
- ферментов в солоде немного;
- длительное осахаривание крахмала;
- ограниченность в площадях по выращиванию солода;
- зеленый солод хранится недолго;
- осахаривание происходит не полностью, при этом теряется алкоголь.
Использование ферментов, в свою очередь, имеет массу преимуществ:
- экономия времени и средств;
- быстрота процессов осахаривания (иногда в течение 2 часов);
- низкие затраты на приобретение ферментов;
- эффективность и полнота процесса;
- срок хранения готового продукта до двух лет.
После ознакомления с преимуществами переработки сырья ферментами, хочется узнать о дозировках. Обычно производители указывают дозу фермента в активных единицах на грамм жидкости для обработки. Иногда винокур самостоятельно корректирует количество фермента в зависимости от технического процесса.
Количество ферментов для процесса
- p - процент содержания в составе вещества, обработка которого предстоит (например, крахмал);
- r - рекомендованная доза активных единиц фермента;
- а - активность фермента в единицах на грамм.
Если сырье для приготовления напитка имеет какие-то недостатки вроде истекающего срока годности, то количество ферментов необходимо увеличить примерно на 25%. В домашних условиях придерживаться правильной и точной дозировки возможности нет, поэтому стоит взять приблизительные значения, чтоб ориентироваться в количестве вещества.
Расчет дозирования ферментов на 1 килограмм сырья:
| Расход фермента в граммах на 1 кг сырья | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Содержание (среднее), % | |||||||
| Сырье | Крахмал | Белок | Целлюлоза | А-1500 ед/г | Г-3000 ед/г | Ц-2000 ед/г | П-120 ед/г |
| Пшеница | 56 | 16 | 6 | 0.75 | 1.16 | 0.9 | 4.38 |
| Ячмень (шелушеный) | 49 | 13 | 7 | 0.65 | 1.01 | 1.05 | 3.79 |
| Кукуруза | 68 | 7 | 3 | 0.91 | 1.41 | 0.45 | 2.04 |
| Рожь | 50 | 15 | 2 | 0.67 | 1.03 | 0.3 | 4.38 |
| Тритикале | 53 | 13 | 2 | 0.71 | 1.1 | 0.3 | 3.79 |
| Просо | 51 | 13 | 8 | 0.68 | 1.05 | 1.2 | 3.79 |
| Овес (шелушеный) | 37 | 13 | 10 | 0.49 | 0.76 | 1.5 | 3.79 |
| Картофель | 18 | 2 | 2 | 0.24 | 0.37 | 0.3 | 0.58 |
| Рис | 73 | 8 | н/д | 0.97 | 1.51 | 2.33 | |
| Гречиха | 64 | 12 | н/д | 0.85 | 1.32 | 3.5 | |
| Горох | 59 | 29 | н/д | 0.79 | 1.22 | 8.46 | |
| Активность: | 1500 | 3000 | 3000 | 120 | |||
| Норма расхода ед: | 2 | 6.2 | 30 | 3.5 |
Интересно то, что если количество ферментов будет меньше необходимого, то сырье будет бродить медленнее. А если незначительно превысить дозировку, то на напитке это не скажется, за исключением чрезмерного использования ферментов.
Если берете 1 килограмм сырья, то использовать можно такую пропорцию:
- 1 грамм - «Амилосубтилин ГЗх1500»;
- 2 грамма - «Глюкаваморин ГЗх3000»;
- 1 грамм - «ЦеллоЛюкс-А 2000»;
- 4 грамма - «Протосубтилин 120».
Основные методики осахаривания ферментами
Существует несколько способов осахаривания. Технологии основаны на разных температурах, при которых происходит гидролиз крахмала. Среди них выделяют:
- горячая методика;
- холодное осахаривание.
В первом случае температура процесса достигает 50-80 градусов Цельсия. В таком состоянии ферменты держат до 20 часов. Преимуществами метода будет минимальный риск заражения сусла, а также эффективность ферментов. Способ чуть более трудоемкий, чем холодное осахаривание.
Последняя методика происходит при температуре около 30 градусов. Во время этого должно происходить брожение. Способ более долгий, а также есть риск скисания браги, поэтому по трудоемкости он незначительно отличается от предыдущего.
Конечно, есть и промежуточные способы осахаривания с помощью ферментов, но они используются индивидуально в зависимости от особенности напитка и технологии производства.
Существуют основные рецепты обеих методик. Горячее осахаривание с помощью ферментов может происходить так:
- Вначале сырье нужно размельчить, очистить от плевел, если такие есть.
- Закипятить воду в таком количестве: 7 литров воды на 1 килограмм крахмала или круп в сырье.
- В горячую воду необходимо добавить сырье, перемешивая жидкость. Для этих целей подойдет даже чистый шуруповерт или дрель. Сыпать сырье лучше всего прямо на насадку, которая вращается.
- После того как смесь остынет до 75 градусов Цельсия, нужно внести вторую половину дозы фермента ампилосубтилина. Перед тем как вносить, его также необходимо разбавить теплой водой в пропорции 1 к 10.
- Последующие полчаса нужно перемешивать сусло. После остывания сусла, в него можно вносить вторую часть фермента ампилосубтилин, а также глюкваморин. Дальше все тщательно перемешивается миксером.
- После того как перемешивание закончилось, сусло закрывают герметично, чтоб оно не заразилось во время остывания.
- По достижении температуры 30 градусов сусло следует перелить для брожения в емкость, куда внесут дрожжи, и дальнейшее действие будет проходить под гидрозатвором.
- Брожение продолжается в течение 4 дней, потом брагу переливают и взбалтывают.
Холодное осахаривание также происходит с использованием ферментов:
- Первый этап очистки идентичный.
- Подготовка 7 литров воды на килограмм крахмала в сырье. Температура воды - до 35 градусов Цельсия. Емкость при этом не заполнять более чем на 70%.
- В воду лучше добавить антибиотик «Доксициклин» (1 таблетка на 20 литров браги).
- Необходимо следить за кислотностью, она должна находиться в рамках 5–5,5 рН. Если значение отличается, регулируют с помощью пищевых кислот.
- В емкость вливается половина воды, а к ней добавляется смесь из ампилосублитина и глюкваморина по дозировке из таблицы.
- Иногда добавляют пеногаситель «Софэксил» – 1 мл на 20 литров жидкости.
- Далее добавляется сырье и все перемешивается.
- Следом кидают дрожжи и доливают воду.
Брага должна перебродить, только тогда ее можно использовать для перегонки. Если она покрылась пленкой, то, скорее всего, что продукт скис и непригоден для дальнейшего употребления. Использование ферментов практически безвредное, но вкус напитка может отличаться, особенно если человек делает самогон с ферментами впервые. Все зависит от субъективного восприятия, поэтому кто-то любит напитки на солоде или других растениях, а кто-то использует ферменты и не видит разницы.
ПРОИЗВОДСТВО ЭТАНОЛА
Мировой рынок этанола составляет около 4 млрд. дал (декалитров абсолютного алкоголя) в год. Лидерами в производстве этанола являются США, Бразилия, Китай. В США функционирует 97 заводов по производству этанола из кукурузы (строится еще 35 заводов) общей мощностью 1,5 млрд. дал в год.
Основные направления использования этанола в мировой практике:
− 60% − добавка к моторному топливу;
− 25% − химическая промышленность;
− 15% − пищевая промышленность (доля ее сокращается).
Автомобильное топливо на основе этанола содержит 10% этанола (топливо Е-10) или 85% этанола (Е 85). При стоимости нефти 60-70 $ за баррель биоэтанол становится конкурентоспособным топливом. Введение этанола в бензин позволяет отказаться от добавки в топливо тетраэтилсвинца, в результате чего снижается токсичность выхлопных газов и расход горючего.
В США проводятся масштабные исследования по производству биоэтанола из возобновляемого растительного сырья (из стеблей кукурузы, тростника и др.)
В промышленных условиях этанол получают гидратацией этилена в присутствии катализатора (H 3 PO 4 на силикагеле), из гидролизатов растительного сырья (древесины, стеблей кукурузы, тростника), а также из крахмалсодержащего сырья (пшеница, рожь, тритикале, картофель), мелассы, молочной сыворотки, топинамбура. Средний выход 95,5%-ного этилового спирта из 1 т различных видов сырья представлен в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Выход этанола из различных видов сырья
Окончание таблицы 2.1
На спиртовых заводах Республики Беларусь (функционирует около 70 спиртовых заводов общей мощностью более 9 млн. дал в год) для производства этанола используют крахмалсодержащее сырье, главным образом зерно злаков. Содержание крахмала в различных видах зерна составляет (в %): пшеница – 48–57; рожь – 46–53; ячмень – 43–55; овес – 34–40; просо – 42–60; кукуруза – 61–70. В зерне содержатся также (в среднем) сахара ~ 3%; клетчатка ~ 6%; пентозаны и пектиновые вещества ~ 9%; азотистые (белковые) вещества ~ 11%, жир ~ 3%.
Продуценты этанола
При микробиологическом синтезе классическими продуцентами этанола являются дрожжи - сахаромицеты и шизосахаромицеты. Чаще других используют дрожжи Saccharomyces cerevisiae , Saccharomyces vini , Schizosaccharomyces pombe .
Сахаромицеты имеют клетки округлой формы размером 10-15 мкм, размножаются почкованием. Шизосахаромицеты имеют крупные палочковидные клетки диаметром 4-5 мкм и длиной 18-20 мкм, размножаются делением. И те, и другие дрожжи хорошо сбраживают глюкозу, маннозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, труднее сбраживают галактозу и не сбраживают пентозные сахара (ксилозу, арабинозу).
Теоретический выход этанола из 100 кг сброженной глюкозы составляет 51,14 кг или 64,80 л (при этом образуется 48,86 кг СО 2). На практике выход спирта составляет 82-92% от теоретического в связи с расходом части субстрата на размножение и рост дрожжей и образование побочных продуктов.
Синтез этанола в дрожжевой клетке осуществляется по следующей схеме:
Побочными продуктами спиртового брожения являются глицерин, высшие (сивушные) спирты, органические кислоты (уксусная, пировиноградная, молочная, янтарная), альдегиды. При спиртовом брожении сахар (глюкоза) расходуется на образование различных веществ в следующем количестве: этанола - 46-47%, диоксида углерода - 44-46%, биомассы дрожжей - 1,8-4,0%, глицерина - 3-4%, высших спиртов - 0,3-0,7%, органических кислот - 0,2-1,0%, альдегидов - 0,1-0,2%. При многократном возврате дрожжей на брожение расход сахара на образование биомассы сокращается, а интенсивность брожения даже несколько возрастает.
Образование глицерина при спиртовом брожении объясняется тем, что в индукционный период (до образования уксусного альдегида) между двумя молекулами фосфоглицеринового альдегида под действием фермента альдегидмутазы при участии молекулы воды происходит реакция дисмутации. При этом одна молекула фосфоглицеринового альдегида восстанавливается, образуя фосфоглицерин, а другая окисляется в 3-фосфоглицериновую кислоту. Фосфоглицерин в дальнейших реакциях не участвует и после отщепления фосфорной кислоты является побочным продуктом спиртового брожения. 3-фосфогли-цериновая кислота претерпевает превращения по ЭМП-пути с образованием уксусного альдегида. После появления уксусного альдегида наступает стационарный период брожения, при котором окисление фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту протекает более сложным путем, с присоединением неорганического фосфата (ЭМП-путь). В связи с этим наряду с этанолом при брожении всегда образуется некоторое количество глицерина.
При связывании уксусного альдегида бисульфитом процесс брожения направляется в сторону образования глицерина:
С 6 Н 12 О 6 ® СН 3 СНО + СО 2 + СН 2 ОН-СНОН-СН 2 ОН.
В щелочной среде молекула уксусного альдегида вступает в окислительно-восстановительную реакцию со второй молекулой, образуя этанол и уксусную кислоту. Одновременно идет накопление глицерина. Суммарно процесс выражается следующим уравнением:
2С 6 Н 12 О 6 + Н 2 О ® ® 2СН 2 ОН-СНОН-СН 2 ОН + С 2 Н 5 ОН + СН 3 СООН + 2СО 2 .
Эти приемы используются для промышленного получения глицерина.
Высшие спирты образуются из аминокислот (в меньшей степени из кетокислот), содержащихся в ферментационной среде, в результате последовательно протекающих реакций дезаминирования аминокислот, декарбоксилирования образовавшихся кетокислот и восстановления альдегидов.
Из высших спиртов в бражке присутствуют: пропиловый (образуется из треонина), изобутиловый (из валина), амиловый (из изолейцина) и изоамиловый (из лейцина).
 |
В настоящее время ведется интенсивный поиск нетрадиционных микроорганизмов-продуцентов этанола, способных сбраживать широкий круг субстратов, имеющих высокую продуктивность по этанолу, обладающих повышенной устойчивостью к этанолу и высокой температуре. Представляют интерес этанолсинтезирующие бактерии. Например, бактерии Zymomonas mobilis отличаются от дрожжей интенсивным метаболизмом: имеют высокую удельную скорость конверсии глюкозы в этанол, обеспечивают более высокий выход этанола (до 95% от теоретически возможного), более толерантны к спирту. Но эти бактерии чувствительны к присутствию в питательных средах ингибиторов (фурфурола, фенолов) и требуют осуществления процесса брожения в условиях асептики.
Термофильные бактерии Clostridium thermocellum (оптимальная температура роста 68°С) способны непосредственно трансформировать целлюлозу растительного сырья в этанол, но при этом сырье должно быть освобождено от лигнина. Достичь высокого выхода спирта при прямой конверсии растительного сырья пока не удается.
Получены штаммы дрожжей, способные сбраживать пентозные сахара (Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shehata ). Выход этанола при сбраживании 100 кг ксилозы достигает 35-47 л.
В отечественной практике производства этанола из крахмалсодержащего сырья используют дрожжи Saccharomyces cerevisiae , имеющие оптимальную температуру брожения 29–30°С.
Ферментативное осахаривание крахмала
Традиционные продуценты этанола не способны к расщеплению полисахаридов, поэтому при получении сусла крахмалсодержащее сырье подлежит развариванию и осахариванию. Крахмал большинства растений содержит 20-25% амилозы и 80-75% амилопектина. В растительных клетках крахмал находится в виде зерен (гранул), размер которых колеблется от 1 до 120 мкм (картофельный крахмал имеет гранулы размером 40-50 мкм, гранулы крахмала зерна − 10-15 мкм). Крахмал, амилоза и амилопектин нерастворимы в холодной воде, спирте, эфире. Амилоза легко растворяется в теплой воде, амилопектин - при нагревании под давлением. Сетчатая структура молекул амилопектина обусловливает набухание крахмальных гранул без их растворения (вторичные связи ослабляются гидратацией). При определенной температуре гранулы разрыхляются, разрываются связи между отдельными структурными элементами, нарушается целостность гранул. При этом резко возрастает вязкость раствора - происходит клейстеризация крахмала. Для клейстера характерны беспорядочное расположение молекул, потеря кристаллической структуры. При температуре 120–130°С клейстер становится легкоподвижным. Наиболее полное растворение амилопектина происходит у пшеничного крахмала при 136–141°С, у картофельного - при 132°С.
Растворенный при разваривании зерна или картофеля крахмал гидролизуют (осахаривают) амилолитическими ферментами зернового солода или культур микроорганизмов, преимущественно мицелиальных грибов и бактерий. Из растительных материалов наиболее богато амилолитическими ферментами пророщенное зерно злаков, называемое солодом. В настоящее время в спиртовой промышленности широко применяют ферментные препараты на основе культур мицелиальных грибов (или бактерий рода Bacillus ), которые имеют ряд преимуществ по сравнению с солодом. Культуры мицелиальных грибов выращивают на пшеничных отрубях или кукурузной муке, тогда как для получения солода требуется кондиционное зерно. С солодом в сусло вносятся в большом количестве посторонние микроорганизмы, что отрицательно сказывается на выходе этанола. Глубинные культуры грибов выращивают в стерильных условиях, они не загрязняют сусло посторонними микроорганизмами. Выращивание поверхностной культуры грибов осуществляется намного быстрее (1,5-2,0 сут), чем протекает проращивание зерна (9-10 сут). Грибы образуют комплекс ферментов, которые глубже гидролизуют крахмал, а также расщепляют гемицеллюлозы до моносахаридов, что повышает выход этанола из сырья.
В процессе осахаривания крахмалсодержащего сырья участвуют различные ферменты. Наибольшее производственное значение имеют амилазы. α- и β-амилазы катализируют разрыв только α-1,4-глюкозидных связей. Под действием α-амилаз связи разрываются беспорядочно, но преимущественно внутри цепей. В результате образуются главным образом декстрины, небольшое количество мальтозы и олигосахаридов. Исходя из характера действия, α-амилазу называют эндогенной или декстриногенной амилазой.
Дейстивие β-амилазы направлено на концевые (внешние) связи в крахмале, при этом последовательно, начиная с нередуцирующих концов цепей, отщепляется по два остатка глюкозы (мальтоза). β-амилаза не может обойти места ветвления в макромолекуле крахмала, поэтому гидролиз прекращается на предпоследней α-1,4-глюкозидной связи и остаются высокомолекулярные декстрины при гидролизе амилопектина. Амилоза практически полностью превращается β-амилазой в мальтозу, амилопектин – только на 50–55%.
В результате совместного действия α- и β-амилаз образуется смесь сахаридов, состоящая из мальтозы, небольшого количества глюкозы и низкомолекулярных декстринов, в которых сосредоточены все α-1,6-глюкозидные связи крахмала.
В бактериях и микроскопических грибах отсутствует β-амилаза, но содержится активная α-амилаза, отличающаяся композицией аминокислот в белке и специфичностью действия. В частности, при катализе α-амилазой микроскопических грибов образуется большое количество глюкозы и мальтозы. Среди бактериальных амилаз имеются как сахарогенные, так и декстриногенные. Первые гидролизуют крахмал на 60% и более, вторые – на 30–40%. α-Амилазы микробного происхождения, как и α- и β-амилазы солода, не атакуют α-1,6-глю-козидные связи.
В микроскопических грибах содержится глюкоамилаза, которая катализирует разрыв α-1,4- и α-1,6-глюкозидных связей в крахмале. При катализе этим ферментом от нередуцирующих концов амилозы и амилопектина последовательно отщепляются остатки глюкозы. По месту разрыва связей присоединяется молекула воды, поэтому теоретический выход глюкозы в процессе гидролиза составляет 111,11% к массе крахмала.
Известны три вероятных способа взаимодействия фермента с субстратом (содержащим большое количество цепей): многоцепочный, одноцепочный и комбинированный.
По многоцепочному способу молекула фермента в случайном порядке атакует одну из полисахаридных цепей, отщепляя от нее звено, а затем также в случайном порядке атакует следующие цепи, в том числе, возможно, и атакованную ранее. Таким образом, за время существования фермент-субстратного комплекса происходит только один каталитический акт.
При одноцепочном способе молекула фермента, атаковав в случайном порядке одну из полисахаридных цепей, последовательно отщепляет от нее звенья до полного расщепления цепи. За время существования фермент-субстратного комплекса гидролизуются все доступные для фермента связи.
Комбинированный способ, или способ множественной атаки, заключается в том, что за время существования фермент-субстратного комплекса гидролизуется несколько связей. При этом после отщепления одного звена фермент не отталкивается, а задерживается. Атака происходит с чередованием одно- и многоцепочного способов.
Исследования показали, что α- и β-амилазы осуществляют гидролиз по способу множественной атаки (многоцепочный способ характерен для α-амилазы бактерий).
На отечественных спиртовых заводах для осахаривания крахмала сырья применяют сырцовый (несушенный) солод в виде солодового молока, ферментные препараты (глюкаваморин, амилоризин, амилосубтилин) различного уровня активности или смесь солодового молока и ферментного препарата.
Технология получения солода включает следующие основные процессы: замачивание сырья с достижением влажности 38–40%; проращивание зерна в течение 10 сут в пневматической солодовне в слое толщиной 0,5–0,8 м; измельчение солода в дисковых или молотковых дробилках; дезинфекция солода формалином или раствором хлорной извести и приготовление солодового молока. Солодовое молоко получают смешиванием измельченного солода с водой (4–5 л воды на 1 кг солода).
В солоде, приготовленном из зерна различных злаков, содержится неодинаковое количество каждого из амилолитических ферментов. Например, солод из ячменя имеет высокую α- и β-амилолитическую активность, а солод из проса отличается сильной декстринолитической активностью. Чаще всего готовят смесь из трех видов солода: ячменного (50%), просяного (25%) и овсяного (25%). Запрещается использовать солод из одной культуры при производстве спирта из той же культуры.
Loading...