Ресурсосберегающие технологии в спиртовом производстве

В мире производится 5 млрд дал спирта, из них 3 млрд дал – из зерна. Вклад России в этот объем невелик – 70–80 млн дал.

Любовь РИМАРЕВА, заместитель директора по научной работе ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии Россельхозакадемии, заслуженный деятель РФ, член-корреспондент РАСХН РФ, д.т.н., профессор

В мире производится 5 млрд дал спирта, из них 3 млрд дал — из зерна. Вклад России в этот объем невелик — 70–80 млн дал (рис. 1 и рис. 2). Для производства спирта в мире перерабатывается 90 млн т зерна (в России — 2–2,5 млн т). При этом образуется 405 млн т барды, перерабатывается 284 млн т, или 70 %. В России эти цифры значительно скромнее: 10 млн т и 2,5 млн т (25 %) соответственно. Из всего количества производимого в мире спирта 75 % приходится на топливный спирт.

Спиртовая промышленность является самым крупномасштабным биотехнологическим производством. Пищевая биотехнология используется во многих перерабатывающих отраслях АПК. Она представляет собой процессы, которые связаны с живыми системами. Они представлены тремя группами. Первая — живые организмы и процессы жизнедеятельности в производстве кормопродуктов, спиртов, вина, пива, кваса, хлеба, кондитерских изделий, молочнокислых продуктов, сыров, пекарных дрожжей, БАД-пробиотиков. Вторая — продукты метаболизма микроорганизмов для пищевой промышленности: ферменты, органические кислоты, аминокислоты, антибиотики, витамины. Третья группа живых систем — микробная биомасса(дрожжей, базидиомицетов, микромицетов, водорослей, бактерий и др.) и процессы биокатализа в производстве кормовых добавок, биокорректоров пищи, белково-аминокислотных обогатителей, заквасок, БАД с функциональными свойствами, лечебно-профилактических продуктов. Технология спирта базируется на технически реализуемых биотехнологических процессах: гидродинамическом и ферментативном биокатализе зернового сырья при разжижении и декстринизации замеса, осахаривании крахмала и протеолизе белка, биокатализе некрахмальных полисахаридов, генерации дрожжей и сбраживании сусла, переработки барды. Спиртовое производство является материалоемким. Порядка 70 % себестоимости готового продукта приходится на перерабатываемое сырье — зерно. Поэтому чтобы снизить себестоимость спирта, нужно максимально использовать это сырье. Оно многокомпонентно. Перерабатывая все полимеры зерна, можно повысить его степень переработки на спирт и снизить потери сырья. Зерно перерабатывается с использованием ферментативных систем. Состояние ферментной промышленности в России на сегодняшний день достаточно сложное. На рынке преобладают импортные ферментные препараты (ФП), доля отечественных составляет только 30 %. Из российских ФП большая часть производится в ООО «Бердский завод биопрепаратов», порядка 15 % — в ОАО «Восток» и примерно столько же — в ферментных цехах, которые сохранились при некоторых спиртовых заводах. Преобладание на рынке импортных ФП способствует продолжению исследовательской работы с продуцентами ферментов в ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии Россельхозакадемии. В результате многоступенчатой селекции с использованием эффективного мутагенеза осуществлен скрининг высокоактивных мутантных штаммов микромицета Asp.awamori — продуцента глюкоамилазы (рис. 3).

Новые штаммы внедрены в ферментных цехах Мичуринского, Воскресенского и Мариинского заводов для получения глюкаваморина. Использование нового штамма позволяет повысить выход глюкоамилазы на 50–60 %, сократить энергозатраты на 15–20 %, снизить себестоимость продукции на 25–30 %. В 2010 году в ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии Россельхозакадемии проведена серьезная работа по созданию генно-инженерных штаммов-продуцентов глюкоамилазы. Создан рекомбинантный трансформант, в который встраивается вектор, несущий гены других ферментов. Были получены новые штаммы, которые, помимо глюкоамилазы, синтезируют β-глюконазу и ксилоназу. Мутантные штаммы уже внедрены в ферментных цехах таких спиртовых заводов, как Ядринский, Александровский № 14, Стерлитамакский СВК, ОАО «Спирткомбинат «Петровский», ОАО «Спирткомбинат г. Мариинск», МЭЗ. Объем спирта, выпускаемого с мутантными штаммами глюкоамилазы, на этих предприятиях составляет 74 тыс. дал/сутки. Общий объем производства спирта в РФ составляет 180 тыс. дал/сут. Основными приемами для повышения эффективности производства и качества спирта являются:

• подработка зерна (мойка, антисептирование) для устранения токсичных примесей и снижения риска инфицирования технологического процесса;
• гидродинамическая и ферментативная подготовка сырья по «мягкой механико-ферментативной схеме»;
• использование ФП со стабильным уровнем активности целевых ферментов;
• соблюдение технологических параметров и микробиологической чистоты процессов генерации дрожжей и спиртового брожения;
• соблюдение оптимальных условий для действия ферментов (рН замеса и сусла, температурный режим, стадия задачи ФП);
• подбор эффективных мультиэнзимных комплексов и норм расхода ферментов для вида перерабатываемого сырья и концентрации зернового сусла;
• рациональный выбор расы дрожжей в зависимости от концентрации сусла и температуры брожения.

Что касается выбора дрожжей, то чистые культуры более конкурентоспособны по отношению к посторонней микрофлоре, более устойчивы, чем сухие дрожжи. Сухие дрожжи удобно применять в экстренных условиях. Они нестабильны, нужно вносить постоянно новые партии, строго соблюдая технологию. Тем не менее того качества спирта, которое получается при использовании чистых культур, с сухими дрожжами достичь очень трудно. Также необходимо обеспечивать интенсивное брожение сусла. Чем быстрее оно сбродится, тем лучше будет качество спирта. Потому что все нежелательные процессы начинают интенсифицироваться на конечной стадии брожения. В табл. 2 отображено влияние качества сырья на технологические показатели бражки. Видно, что при высокотемпературном разваривании нивелируется негативное влияние некондиционного сырья. Это происходит потому, что посторонняя микрофлора практически погибает. При кондиционном сырье процесс идет, конечно, лучше. Но следует отметить, что сам режим высокотемпературного разваривания сказывается на процессе брожения и качестве спирта. Как правило, низкотемпературная подготовка сырья, «мягкие схемы» обеспечивают хорошие органолептические показатели спирта, если соблюдены все технологические условия производства. По механико-ферментативной схеме, где допускается температура до 100°С и даже (при установке стерилизатора) до 110°С, некондиционное сырье будет оказывать сильное влияние на показатели брожения. При холодном затирании влияние некондиционного сырья сказывается еще больше. Количество примесей повышается, а это ведет к потерям выхода спирта и снижению качества целевой продукции. Таблица 2. Влияние качества сырья на технологические показатели бражки

Влияние гидромойки некондиционного сырья на накопление примесей представлено на рис. 4, технологические показатели зрелой бражки из обработанного зерна — в табл. 3.

Таблица 3. Технологические показатели зрелой бражки из обработанного зерна

На Костюковичском спиртзаводе РУП «Климовичский ЛВЗ» внедрена ресурсосберегающая технология подготовки и переработки зернового сырья на спирт (рис. 5). Она обеспечивает снижение теплоэнергозатрат на 30 %, а также улучшение органолептических показателей спирта.

При ведении основных биотехнологических процессов спиртового производства важно обратить внимание на:

• разжижение и декстринизацию крахмала — это гидродинамическая и ферментативная обработка зерна с целью трансформации крахмала в растворимое состояние с образованием декстринов и олигосахаридов;
• осахаривание — гидролиз декстринов до моно- и дисахаридов;
• биотрансформация белковых веществ и некрахмальных полисахаридов зернового сырья;
• спиртовое брожение — это биоконверсия углеводов в этанол в процессе жизнедеятельности дрожжей;
• биоконверсия отходов спиртового производства в пищевые и кормовые добавки.

В спиртовом производстве эффективно применение кислых протеаз. Достигается эффект интенсификации процесса генерации дрожжей: увеличивается прирост биомассы, повышается бродильная активность и продуктивность, сокращается длительность, интенсифицируется процесс спиртового брожения, снижается образование побочных метаболитов, увеличивается выход спирта. Положительный результат достигается за счет гидролиза белка до ассимилируемых дрожжами аминокислот, повышения биодоступности крахмала к действию амилаз, повышения степени гидролиза крахмала, прямой ассимиляции аминокислот на построение биомассы, снижения трат сахара при конструктивном обмене.

В ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии Россельхозакадемии разработаны нормы расхода и технологическая инструкция по применению комплексных ферментативных систем для сбраживания сусла из различных видов зерновых культур. Эффективность применения полиферментного комплекса в технологии спирта объясняется их многокомпонентностью. Ферментные комплексы должны включать:

• β-глюканазу — для расщепления β-глюканов с образованием глюкозы, что ведет к увеличению выхода спирта;
• ксиланазу — для улучшения реологических свойств сусла, снижения его вязкости;
• целлюлазу — ее используют, как правило, при переработке ячменного сусла или зерна с повышенным содержанием целлюлозы;
• кислые протеазы — для гидролиза белков до коротких пептидов и аминокислот, что способствует обогащению сусла аминным азотом, необходимым для развития дрожжей.

Описанные ферментативные системы внедрены на 12 спиртзаводах с экономическим эффектом 12 млн российских руб./год. При этом обеспечивается интенсификация процесса брожения на 20–30 %, снижение вязкости сусла в 5 раз, увеличение выхода спирта на 1,2–3,0 %. В ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии Россельхозакадемии разработан экструзионно-гидролитический способ обработки зернового сырья при получении сусла в спиртовом производстве. Он обеспечивает высокую технологичность процесса получения концентрированного сусла, стерильность зернового сусла, в том числе высокой концентрации — 30 % и более, реологическую безопасность, гомогенную консистенцию. Повышается производительность технологического оборудования. Исключается многооперационная технология водно-тепловой обработки и межстадийной транспортировки полупродукта с заменой на одностадийный процесс переработки сырья в одной установке. Упрощается аппаратурное оформление технологической линии (компактность, одноэтажное расположение оборудования). Снижается энерго- и водопотребление. Увеличивается интенсивность процесса получения сусла, обеспечивающая оперативный контроль и регулирование биохимических показателей, в том числе концентрации сусла. Если говорить о ресурсосбережении не сырья, а самого производства — барды, то можно отметить несколько путей. Сокращение выхода жидкой фазы барды за счет основного производства происходит при повышении концентрации осахаренного сусла до 25–30 % сухих веществ и более, при использовании «глухого» обогрева бражной колонны (сокращение жидкой фазы барды на 20–25 %), при частичном использовании фильтрата барды на замес (до 30 %). В России перерабатывается в среднем порядка 2,5 млн т зерна на спирт и кормопродукты. В основном это пшеница и рожь (85–90 %), а также ячмень, кукуруза, сорго. При этом вырабатывается 70–80 дал спирта и около 10 млн дал барды. Среди перспективных направлений переработки спиртовой барды выделяют три основных:

• вакуум-концентрирование и сушка;
• микробный синтез белка;
• ультрафильтрация и сушка.

Барда — ценнейший продукт. В ее жидкой фазе содержатся аминокислоты, продукты метаболизма дрожжей: витамины, микроэлементы и др. В твердой фазе — грубая клетчатка от зерна, остатки биомассы от дрожжей и др. Химический состав барды представлен в табл. 4. Таблица 4. Химический состав барды

В России есть 14 заводов по производству кормовых дрожжей. Классическая схема — выращивание дрожжей на фильтрате барды. Более новая технология — производство кормовых дрожжей на цельной барде (табл. 5). Таблица 5. Производство кормовых дрожжей на основе спиртовой барды

Последние разработки — введение в технологию выращивания дрожжей отходов других производств — добавление отрубей, шрота, жмыха, что позволяет повышать белковую продуктивность дрожжей (рис. 7). Рис. 7. Биохимический состав кормовых дрожжей, выращенных на различных средах

На Песчанском заводе кормовых дрожжей (РФ) и на Караванском заводе кормовых дрожжей (Украина) внедрена биотехнология каротиноидных дрожжей Rodosporidium, культивируемых на барде и вторичных сырьевых ресурсах (ВСР) (табл. 6). Таблица 6. Биотехнология каротиноидных дрожжей Rodosporidium, культивируемых на барде и ВСР

Разработана комплексная ресурсосберегающая технология переработки зерна и барды на спирт и лизин.

Табл. 7. Сравнительная характеристика кормовых продуктов, полученных на основе ВСР спиртового производства

Разработана также биосинтетическая технология переработки барды и ВСР пищевой промышленности в добавки с защитными (биоконсерванты) и пробиотическими свойствами. Технология обеспечивает снижение себестоимости добавок на 25 %, повышение эффективности использования сырья, снижение потерь пищевой продукции при хранении на 15–20 %, снижение техногенного воздействия пищевых производств, импортозамещение, экономический эффект более 10 млн российских руб./год. Комплексная ресурсосберегающая технология переработки зерна на спирт и сухие кормовые добавки позволяет снизить себестоимость спирта, повысить рентабельность производства и снять экологическую напряженность вокруг завода.

Таким образом, реализация комплексных технологий переработки зерна обеспечит безотходную переработку барды в пищевые и кормовые добавки, снижение себестоимости спирта на 25–30 %, сокращение затрат на содержание очистных сооружений в связи с созданием замкнутого цикла, решение экологических проблем спиртовой отрасли.