PL202039B1

PL202039B1 - Sposób wytwarzania spirytusu surowego

Info

Publication number: PL202039B1
Application number: PL359166A
Authority: PL
Inventors: Krystyna Zielińska; Antoni Miecznikowski; Krystyna Stecka; Wojciech Wyborski
Original assignee: Inst Biotechnologii Przemys &
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2009-05-29
Also published as: PL359166A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania spirytusu surowego z kukurydzy. Spirytus ten stanowi półprodukt dla przemysłu spożywczego lub produkcji biopaliw. Istota sposobu według wynalazku polega na wytwarzaniu spirytusu surowego z kiszonego ziarna kukurydzy, całego lub rozdrobnionego do postaci śruty, kiszonego z dodatkiem preparatów bakteryjne enzymatycznych, a następnie zobojętnionego do pH w granicach od 5 do 6 przez dodanie alkalicznych związków chemicznych, korzystnie wapna hydratyzowanego, oraz poddanego działaniu temperatury co najmniej 100°C w czasie co najmniej 30 minut. Jako preparaty bakteryjne - enzymatyczne, w sposobie według wynalazku, najkorzystniej stosuje się kompozycje kultur starterowych bakterii fermentacji mlekowej z rodzaju Lactobacillus w ilości od 107 do 109 jednostek tworzących kolonie na 1 tonę ziarna kukurydzy, oraz preparatów enzymów celulolitycznych w ilościach równoważnych od 300 do 400 jednostek aktywności endo- 1,4-beta-glukanazy i endo-ksylanazy oraz preparatów enzymów amylolitycznych w ilości równoważnej od 1000 do 1500 jednostek aktywności glukoamylazy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania spirytusu surowego z kukurydzy. Spirytus ten stanowi półprodukt dla przemysłu spożywczego lub produkcji biopaliw.

Obecnie w Polsce obserwuje się duże zainteresowanie kukurydzą jako surowcem gorzelniczym z powodu zwiększonego areału upraw, zdecydowanie większych jednostkowych plonów skrobi w porównaniu z innymi zbożami i dużej podaży tego surowca na rynku.

W zależności od zawartości wody ziarno kukurydzy może być przechowywane w celu sukcesywnego wykorzystywania w procesie produkcyjnym (przy zawartości wody 12% lub mniej - co zdarza się sporadycznie), albo musi być przerabiane bezpośrednio po zbiorze lub konserwowane, jeżeli zawartość wilgoci w ziarnie jest wyższa. Ziarno to zawiera często w naszych warunkach klimatycznych dużą ilość wody, około 30 - 40%, znacznie wyższą niż ziarna innych zbóż i dlatego po zbiorze, przed upływem doby, powinno być zakonserwowane.

Znane jest konserwowanie kukurydzy, przeznaczonej dla przemysłu gorzelniczego, przez suszenie lub metodami chemicznymi.

Suszenie ziarna kukurydzy do wilgotności około 12%, zapewniającej możliwość przechowywania bez obniżenia parametrów jakości, jest procesem energochłonnym i drogim, stanowiącym do około 40% kosztów bezpośrednich produkcji ziarna. Przeszkody ekonomiczne utrudniają wykorzystywanie ziarna kukurydzy przez całą kampanię gorzelniczą.

Metody chemiczne polegają na stosowaniu preparatów, głównie zawierających kwas propionowy lub pirosiarczyn sodu. Wysokość dawek i czas działania tych preparatów zależy od początkowej wilgotności ziarna. Zastosowanie zarówno kwasu propionowego jak i pirosiarczynu sodu w dawkach około 1,5%, w stosunku do masy ziarna kukurydzy o wilgotności 30%, pozwala na przechowywanie go, bez strat wartości użytkowej, tylko przez około 60 dni. Przy wyższej wilgotności ziarna należy stosować wyższe dawki preparatów chemicznych, co podwyższa koszt przechowywania ziarna i pogarsza jego wartość oraz przydatność jako surowca do produkcji etanolu.

Innym sposobem przechowywania wilgotnego ziarna kukurydzy jest przetrzymywanie w hermetycznych silosach przy zastosowaniu próżni lub wypełnianie silosów gazem obojętnym. Jest to jednak proces bardzo drogi i z tego względu raczej niedostępny dla średnich i małych przedsiębiorstw jakimi są zazwyczaj gorzelnie rolnicze.

Znane sposoby wytwarzania spirytusu surowego składają się z następujących procesów jednostkowych: przygotowanie surowca skrobiowego, uwolnienie skrobi ze struktury komórkowej roślin (metodą ciśnieniową poprzez parowanie lub metodą bezciśnieniową poprzez rozdrabnianie mechaniczne), pasteryzacja - w przypadku metody bezciśnieniowej, rozłożenie skrobi do cukrów fermentujących (pod wpływem dodanych enzymów amylolitycznych), zaszczepianie drożdżami gorzelniczymi, fermentacja, destylacja.

Celem wynalazku jest opracowanie taniego i efektywnego sposobu wytwarzania spirytusu surowego z kukurydzy, umożliwiającego wytwarzanie spirytusu przez cały okres trwania kampanii gorzelniczej.

Istota sposobu według wynalazku polega na wytwarzaniu spirytusu surowego z kiszonego ziarna kukurydzy, całego lub rozdrobnionego do postaci śruty, kiszonego z dodatkiem preparatów bakteryjno - enzymatycznych, a następnie zobojętnionego do pH w granicach od 5 do 6 przez dodanie alkalicznych związków chemicznych, korzystnie wapna hydratyzowanego, oraz poddanego działaniu temperatury co najmniej 100°C w czasie co najmniej 30 minut.

Jako preparaty bakteryjno - enzymatyczne, w sposobie według wynalazku, najkorzystniej stosuje się kompozycje kultur starterowych bakterii fermentacji mlekowej z rodzaju Lactobacillus w ilości od 10⁷ do 10⁹ jednostek tworzących kolonie na 1 tonę ziarna kukurydzy, oraz preparatów enzymów celulolitycznych w ilościach równoważnych od 300 do 400 jednostek aktywności endo-1,4-beta-glukanazy i endo-ksylanazy oraz preparatów enzymów amylolitycznych w ilości równoważnej od 1000 do 1500 jednostek aktywności glukoamylazy.

W wyniku przeprowadzenia badań nieoczekiwanie okazało się, że kiszone ziarno kukurydzy, stosowane dotychczas wyłącznie do celów paszowych, może stanowić surowiec do produkcji spirytusu surowego, spełniającego wymogi normy jakościowej, przy uzyskaniu prawidłowej wydajności etanolu ze skrobi porównywalnej do uzyskiwanej w trakcie przerobu surowego ziarna kukurydzy.

Również nieoczekiwanie okazało się, że zastosowanie, w sposobie według wynalazku, ziarna kiszonego z użyciem biopreparatów daje efekt w postaci zmniejszenia zużycia enzymów amylolitycznych

PL 202 039 B1 w procesie zacierania oraz zwię kszenia wydajności etanolu z jednostki skrobi zawartej w surowcu, w porównaniu z ziarnem kiszonym bez dodatku biopreparatów.

Zakonserwowane poprzez kiszenie wilgotne ziarno kukurydzy nie podlega procesom degradacji, zachowując dobrą i stabilną jakość przez długi okres przechowywania, nawet powyżej 1 roku. Dodatek biopreparatów stymulujących proces kiszenia powoduje, oprócz ukierunkowania procesów fermentacji mlekowej, również częściowy rozkład polisacharydów nieskrobiowych i związane z tym uwolnienie pewnej ilości cukrów fermentujących, co wyrównuje lub nawet przewyższa ubytki tych cukrów związane z procesami metabolicznymi bakterii fermentacji mlekowej.

Sposób według wynalazku pozwolił ponadto na znaczne zmniejszenie zużycia energii na konserwowanie kukurydzy, w porównaniu z dotychczas stosowanym konserwowaniem poprzez suszenie ziarna oraz umożliwił zmniejszenie o 10% dawki enzymu scukrzającego w procesie zacierania.

W tabeli 1 zestawiono wyniki badań uzyskane w warunkach produkcyjnych, dotyczące wydajności etanolu ze skrobi i cukrów fermentujących zawartych w ziarnie kukurydzy: bezpośrednio po zbiorze, po wysuszeniu, po zakiszeniu wilgotnego ziarna lub śruty z dodatkiem preparatu bakteryjno - enzymatycznego Lactozym oraz wilgotnej śruty kiszonej bez dodatku tego preparatu.

T a b e l a 1

Wydajność alkoholu w zależności od użytego surowca

Surowiec do sporządzania zacieru	_pH ^*)	Wilgotność, %	Zawartość skrobi, %	Zawartość cukrów fermentujących, %	Wydajność, I etanolu/100 kg skrobi
Suszone ziarno kukurydzy	5,8	12,0	62,0	1,0	65,0
Wilgotne ziarno kukurydzy	5,8	30,0	48,5	1,2	65,0
Śruta ziarna kukurydzy, kiszona bez preparatu	4,6	30,0	47,0	0,2	63,5
Śruta ziarna kukurydzy, kiszona z dodatkiem preparatu Lactozym	4,3	30,0	48,0	0,5	65,0
Ziarno kukurydzy, kiszone z dodatkiem preparatu Lactozym	4,4	30,0	48,0	0,6	65,0

^*) - oznaczone w wodnej zawiesinie.

Przedstawione w tabeli 1 dane wskazują, że sposób według wynalazku umożliwia wykorzystanie kiszonego ziarna lub kiszonej śruty ziarna kukurydzy do produkcji spirytusu surowego. Wydajność etanolu ze skrobi zawartej w kiszonkach sporządzonych z dodatkiem preparatu Lactozym jest porównywalna do wydajności etanolu ze skrobi zawartej w ziarnie suszonym lub wilgotnym bezpośrednio kierowanym do produkcji. Natomiast wydajność etanolu ze skrobi w przypadku przerobu śruty ziarna, poddanej samorzutnej fermentacji, jest niższa na skutek wzrostu niepożądanej mikroflory bakteryjnej, co powoduje większe straty skrobi.

Sposób według wynalazku ilustrują przykłady wykonania, nie ograniczając jego zakresu.

P r z y k ł a d I

Kiszonkę do produkcji spirytusu surowego sporządzono z ziarna kukurydzy, charakteryzującego się następującymi parametrami: wilgotność - 30%, zawartość skrobi - 48,5%, zawartość cukrów bezpośrednio redukujących - 1,2%. Do ziarna kukurydzy dodano preparat bakteryjno - enzymatyczny Lactozym dozowany w dawce 8 g/t ziarna. W 1 g preparatu znajdowało się 10⁹ jednostek tworzących kolonie (j.t.k.) bakterii Lactobacillus plantarum C, oraz enzymy w ilości odpowiadającej następującym aktywnościom: endo-1,4-beta-glukanaza - 300 J CMC, endoksylanaza - 300 J X, glukoamylaza - 1000 J GA. Po 8 tygodniach kiszenia uzyskano kiszonkę charakteryzującą się następującymi parametrami: pH - 4,6, wilgotność 30,2%, zawartość kwasu mlekowego - 3,0%, zawartość skrobi 47,6%, zawartość cukrów fermentujących - 0,6%. Ukiszone ziarno kukurydzy wprowadzono do parnika zawierającego wrzącą wodę, w stosunku wagowym 1 : 2,5, po czym parowano przez 70 min. w następujący sposób: zwiększano ciśnienie do 0,25 MPa przez 25 min. i przeprowadzano pierwszą cyrkulację parowanej masy, zwiększano ciśnienie w parniku do 0,35 MPa przez 10 min. i dokonywano drugiej cyrkulacji,

PL 202 039 B1 zwiększano ciśnienie w parniku do 0,45 MPa przez 10 min. i wykonywano trzecią cyrkulację, następnie przetrzymywano parowaną masę pod ciśnieniem 0,45 MPa przez 20 min. i wytłaczano zawartość parnika do kadzi zaciernej. Po wytłoczeniu uparowanej masy do kadzi zaciernej regulowano pH za pomocą wapna hydratyzowanego do poziomu 5,6. Następnie w trakcie chłodzenia dodawano preparaty enzymów amylolitycznych w dawkach: Gamalpha 120 L - 0,14 l/t skrobi i Gamylo 300 L - 0,72 l/t skrobi. Otrzymany zacier słodki charakteryzował się średnim ekstraktem 15,5 °Blg. Zacier schłodzono do temperatury 28°C, zaszczepiono drożdżami Saccharomyces cerevisiae D2, po czym przetłoczono do kadzi fermentacyjnej; proces fermentacji trwał 72 h, przy maksymalnej temperaturze 38°C. Po zakończeniu fermentacji zacier charakteryzował się zawartością etanolu 8,5%, ekstraktem pozornym 0,1 °Blg, pH 4,2 i pełnym wykorzystaniem cukrów fermentujących. Wydajność etanolu wynosiła 30,9 I ze 100 kg kiszonki, co stanowi około 65,0 I etanolu ze 100 kg skrobi zawartej w kiszonce. Wyprodukowany spirytus surowy o mocy 91,5% obj. charakteryzował się jakością odpowiadającą wymaganiom Polskiej Normy.

P r z y k ł a d II

Kiszonkę do produkcji spirytusu surowego sporządzono z ześrutowanego ziarna kukurydzy, charakteryzującego się parametrami jak w przykładzie I. Sposób sporządzania kiszonki był również identyczny ze sposobem opisanym w przykładzie I. Czas kiszenia wynosił 6 tygodni. Gotowa kiszonka charakteryzowała się następującymi parametrami: pH - 4,4, wilgotność - 30,0%, zawartość kwasu mlekowego - 3,2%, zawartość skrobi - 47,0%, zawartość cukrów fermentujących - 0,2%. Zakiszoną śrutę kukurydzy wprowadzono do parnika częściowo napełnionego wodą o temperaturze nie przekraczającej 50°C, w stosunku wagowym 1 : 2,5, po czym parowano przez 70 min. w następujący sposób: zwiększano ciśnienie w parniku do 0,25 MPa przez 25 min. i przeprowadzano pierwszą cyrkulację parowanej masy, zwiększano ciśnienie w parniku do 0,35 MPa przez 15 min. i dokonywano drugiej cyrkulacji, zwiększano ciśnienie w parniku do 0,40 MPa przez 15 min. i wykonywano trzecią cyrkulację, przetrzymywano parowaną masę pod ciśnieniem 0,42 MPa przez 15 min. i wytłaczano zawartość parnika do kadzi zaciernej. Następnie postępowano w sposób podany jak w przykładzie I. Sporządzony zacier słodki charakteryzował się ekstraktem 15,2 °Blg. Po zakończeniu fermentacji zacier charakteryzował się zawartością etanolu - 8,2%, ekstraktem pozornym 0,0 °Blg, pH 4,2 i pełnym wykorzystaniem cukrów fermentujących. Wydajność etanolu wynosiła 30,5 I ze 100 kg kiszonki, co stanowi około 65,0 I etanolu ze 100 kg skrobi zawartej w kiszonce. Wyprodukowany spirytus surowy o mocy 91,0% obj. charakteryzował się jakością odpowiadającą wymaganiom Polskiej Normy.

Claims

1. Sposób wytwarzania spirytusu surowego polegający na przygotowaniu surowca skrobiowego, uwolnieniu skrobi ze struktury komórkowej roślin, rozłożeniu skrobi do cukrów fermentujących, zaszczepianiu drożdżami gorzelniczymi, fermentacji i destylacji, znamienny tym, że jako surowiec skrobiowy stosuje się kiszone ziarno kukurydzy całe lub rozdrobnione do postaci śruty, kiszone z dodatkiem preparatów bakteryjno - enzymatycznych, a następnie zobojętnione do pH w granicach od 5 do 6 przez dodanie alkalicznych związków chemicznych, korzystnie wapna hydratyzowanego, oraz poddane działaniu temperatury co najmniej 100°C w czasie co najmniej 30 minut.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako preparaty bakteryjno - enzymatyczne najkorzystniej stosuje się kultury starterowe bakterii fermentacji mlekowej z rodzaju Lactobacillus w ilości od 10⁷ do 10⁹ jednostek tworzących kolonie na 1 tonę ziarna kukurydzy, preparaty enzymów celulolitycznych w ilościach równoważnych od 300 do 400 jednostek aktywności endo-1,4-beta-glukanazy i endo-ksylanazy oraz preparaty enzymów amylolitycznych w iloś ci równoważ nej od 1000 do 1500 jednostek aktywności glukoamylazy.