Instalatie de Obtinere a Alcoolului Etilic Din Cereale

Ingineria Produselor Alimentare

PROIECT LA OPERATII UNITARE IN INDUSTRIA ALIMENTARA

Coordonator:

Student:

2010 1

Cuprins Cap. I Tema proiectului…………………………………………………………………………..4 Cap. II Obiectul proiectului………………………………………………………………………5 2.1 Denumirea proiectului………………………………………………………………………….5 2.2 Descrierea materiei prime si a produsului finit…………………………………………….5 2.2.1 Cereale……………………………………………………………………….5 2.2.2 Materiale auxiliare……………………………………………………………8 2.2.2.1 Apa…………………………………………………………………8 2.2.2.2 Maltul verde………………………………………………………..9 2.2.2.3 Preparatele enzimatice microbiene………………………………….9 2.2.2.4 Sarurile nutritive si factorii de crestere……………………………10 2.2.2.5 Antispumantii……………………………………………………..10 2.2.2.6 Antiseptici si dezinfectanti……………………………………….10 2.2.2.7 Aerul tehnologic…………………………………………………..11 2.2.2.8 Energia electrica si aburul………………………………………..11 2.2.3 Caracteristicile produsului finit…………………………………………….11 2.2.3.1 Generalitati………………………………………………………..11 2.2.3.2 Chimismul procesului de obtinere a acoolului etilic de fermentatie..12 2.2.3.3 Fisa tehnica a produsului……………………………………………15 2.3 Descrierea procedeelor instalatiilor clasice si moderne de obtinere a alcoolului etilic.15 2.3.1 Instalatii de distilare modern…………………………………………………19 2.4 Alegerea si descrierea schemei tehnologice………………………………………………….27 2.4.1 Receptia cerealelor……………………………………………………………27 2.4.2 Depozitarea cerealelor………………………………………………………..28 2.4.3 Transportul cerealelor………………………………………………………..28 2.4.4 Precuratirea cerealelor………………………………………………………..29 2.4.5 Macinarea cerealelor…………………………………………………………29 2.4.5.1 Macinarea uscata…………………………………………………..31 2.4.5.2 Macinarea umeda…………………………………………………..31 2.4.5.3 Macinarea uscata si umeda………………………………………….31 2.4.6 Obtinerea plamezii dulci………………………………………………………32 2.4.6.1 Procesul de fierbere…………………………………………………33 2.4.6.2 Procesul de zaharificare…………………………………………….40 2.4.6.3 Pregatirea drojdiei pentru fermentare………………………………40 2.4.7 Fermentarea plamezii principale……………………………………………..41 2.4.7.1 Controlul fermentatiei……………………………………………..42 2.4.8 Distilarea plamezii fermentate……………………………………………….42 2.4.8.1 Borhotul din cereal…………………………………………………43 2.4.9 Rafinarea alcoolului brut…………………………………………………….44 Cap. III Bilantul de materiale……………………………………………………………………46 3.1 Receptie………………………………………………………………………………………….46 3.2 Depozitare………………………………………………………………………………………46 3.3 Transport………………………………………………………………………………………..46 3.4 Precuratie………………………………………………………………………………………47 3.5 Cantarire………………………………………………………………………………………..47 3.6 Macinare………………………………………………………………………………………..48 3.7 Fluidificare…………………………………………………………………………………….48 3.8 Racire la 55……………………………………………………………………………………49 3.9 Zaharificare…………………………………………………………………………………...49 2

3.10 Racire la 30…………………………………………………………………………………..50 3.11 Insamantare…………………………………………………………………………………50 3.12 Racire la 20…………………………………………………………………………………..51 3.13 Fermentare…………………………………………………………………………………...51 3.14 Distilare………………………………………………………………………………………52 3.15 Rafinare………………………………………………………………………………………53 3.16 Stocare……………………………………………………………………………………….54 3.17 Imbuteliere…………………………………………………………………………………..54 3.18 Depozitare…………………………………………………………………………………..54 3.19 Livrare………………………………………………………………………………………55 Cap. IV Bilantul termic………………………………………………………………………56 4.1 Fluidificare…………………………………………………………………………………56 4.2 Racire la 55…………………………………………………………………………………57 4.3 Racire la 30…………………………………………………………………………………58 4.4 Rcaire la 20………………………………………………………………………………….58 4.5 Distilare……………………………………………………………………………………..59 4.6 Rafinare…………………………………………………………………………………….60 Cap. V Alegerea si dimensionarea utilajelor…………………………………………………61 5.1 Dimensionarea coloanei de rectificare…………………………………………………..61 5.2 Calculul numarului de talere……………………………………………………………..62 Cap. VI Bibliografie…………………………………………………………………………63

Index Table 1…………………………………………….…………………………………………………5 Table 2………………………………………….……………………………………………………6 Table 3………………………………………….…………………………………………………..11 Table 4……………………………………………………………………………………………..35 Table 5…………………………………………………………………………………………….43 Table 6…………………………………………………………………………………………….44 Figura 1………………………………………….……………………………………………….16 Figura 2………………………………………….……………………………………………….17 Figura 3………………………………………………….…………………….…………………18 Figura 4………………………………………………………………………………..…………19 Figura 5………………………………………………………………………………..…………20 Figura 6……………………………………………………………………………….………….21 Figura 7………………………………………………………………………………..…………24 Figura 8……………………………………………………………………………….…………..25 Figura 9……………………………………………………………………………..…………….26 Figura 10………………………………………………………………………………………….26 Figura 11…………………………………………………………………………….……………27 Figura 12………………………………………………………………………………………….32 Figura 13………………………………………………………………………………………….34 Figura 14………………………………………………………………………………………….34 Figura 15……………………………………………………………………………...…………..35 Figura 16…………………………………………………………………………………………..38 Figura 17……………………………………………………………………………….……..…..39 Figura 18…………………………………………………………………………………………43 Figura 19……………………………………………………………………………..…………..45 Figura 20……………………………………………………………………………..…...………61

3

Cap. I Tema proiectului Sa se dimensioneze o instalatie de obtinere a alcoolului etilic din cereale stiind ca parametrii implicati sunt: •

Cantitatea de porumb prelucrata pe an este

•

2160 tone

Compozitia porumbului in prelucrare:  Umiditate: 16,6 %  Impuritati: 2 %  Amidon: 62,4 %  Substanta uscata: 19 % La fluidizare se foloseste un abur cu urmatoarele caracteristici: • 5 kg abur / kg debit intrat • temperatura de 110 ˚C In faza de precuratire se elimina continutul de 2 % impuritati, iar reactiile de zaharificare si fermenatare decurg cu randamentul η = 90 % . Sa se afle toti parametrii implicati in bialantul de materiale si cel termic.

4

Cap. II Obiectul proiectului 2.1 Denumirea proiectului Sa se dimensioneze o instalatie de obtinere a alcoolului etilic din cereale.

2.2 Descrierea materiei prime si a produsului finit •

• • •

Materiile prime folosite la producerea alcoolului prin fermentaţie se pot clasifica astfel: materii prime amidonoase:-cereale:porumb secară,grâu,orz,orez,sorg; -cartofi; -rădăcini şi tuberculi de plante tropicale; rădăcini de manioc, tuberculi de batate; materii prime zaharoase: -sfecla şi trestia de zahăr; -melasa din sfeclă şi trestie de zahăr; -struguri,fructe,tescovine dulci; materii prime celulozice: -deşeuri din lemn de brad,molid,fag; -leşii bisulfitice rezultate de la fabricarea celulozei; materii prime care conţin inulină şi lichenină: -tuberculi de topinambur; -rădăcini de cicoare; -muşchi de Islanda. Cele mai utilizate materii prime sunt cerealele,cartofii şi melasa. (Banu Constantin, 2002)

2.2.1 Cereale Compoziţia chimică a cerealelor variază în funcţie de soi, condiţii pedoclimatice şi agrotehnica aplicată.Compoziţia chimică a unor cereale folosite la fabricarea alcoolului (după Kreipe, 1972) este prezentată mai jos in tabelul 1 : Table 1

Compusul

Porum Secar b ă

Grâu

Orz

Ovăz

Umiditate % Substanţe extractive neazotoase din care amidon % Proteine % Lipide % Celuloză % Substanţe minerale

13,3 67,9 59,1

13,4 68,1 58,0

13,6 67,9 60,0

13,0 65,7 55,0

13,0 58,5 40,0

9,6 5,1 2,6 1,5

12,9 2,0 1,7 1,9

12,4 1,8 2,5 1,8

11,8 2,3 4,4 2,8

10,9 4,7 9,5 3,4

Cultura porumbului ocupă locul trei dintre plantele agricole cultivate pe toate continentele. Faţă de celelalte cereale, pe lângă producţia ridicată la hectar (până la 5000 kg boabe la ha), porumbul prezintă o rezistenţă sporită la secetă, la boli şi intemperii. Boabele de porumb se folosesc pe scară largă în alimentaţia omului, în industrie ca materie primă şi în furajarea animalelor. Făina de porumb obţinută din boabele de porumb, este folosită la prepararea unor produse alimentare cu valoare nutritivă ridicată. De asemenea se utilizează ca materie primă în industria alcoolului rafinat, a amidonului, a dextrinei şi glucozei, a uleiurilor rafinate (din germeni de porumb). În producţia 5

mondială de grăsimi vegetale comestibile, porumbul este folosit în proporţie de 2%. Din 100 kg boabe de porumb se obţin următoarele produse: 77 kg făină, 63 kg amidon, 71 kg glucoză sau 44 l alcool rafinat, iar din embrionul de porumb rezultă 1,8-2,7 l ulei rafinat dietetic şi 3,6 kg tărâţe folosite la furajerea animalelor. Folosirea unor soiuri de porumb productive (hibrizi dubli), natura solului, condiţii agrotehnice, etc duc la obţinerea unor recolte sporite. Porumbul face parte din fam. Gramineae, subfam. Panicoideae tribul Maydeae. Criteriile de bază ale porumbului (Zea mays L.) le constituie caracteristicile endospermului. Sub denumirea de hibrizi de porumb întelegem hibrizii obţinuţi pe bază de linii consangvinizate. Aceştia pot fi: • hibrizi simpli HS(între două linii consangvinizate); • hibrizi dubli HD(între doi hibrizi simpli) • hibrizi triliniari HT(între un hibrid simplu şi o linie consangvinizată). La noi în ţară se cultivă două soiuri şi anume: • porumb cu boabe mari(sticloase) care se caracterizează printr-un conţinut mare de substanţe azotoase; • porumb cu boabe făinoase, care are un conţinut mare de amidon şi mai scăzut în substanţe azotoase. Aceste soiuri se pretează pentru industrializare. Compoziţia chimică a bobului de porumb este variabilă de la un soi la altul şi chiar în cadrul aceluiaşi soi, în funcţie de condiţiile de climă şi sol. Compoziţia chimică a bobului de porumb este prezentată mai jos în tabelul 2: Table 2

COMPONENTE CHIMICE Apă Proteine brută Grăsime brută Substanţe extractive neazotoase Celuloză brută Cenuşă

VALORI % 11 - 15 9,5 – 11,5 4,1 – 4,9 68 – 72 1,9 – 2,5 1,4 – 1,8

La recoltare, porumbul are o umiditate de ridicată de 25%, de aceea el se usucă înainte de însilozare pentru a evita autoîncălzirea, datorită respiraţiei intense. Proteinele din embrionul bobului sunt de calitate, conţinând aminoacizi esenţiali, asemănătoare cu proteinele animale. Conţinutul în substanţe proteice este influenţat de factorii genetici şi de condiţiile externe (climă, sol, nutriţie, etc). O parte din hibrizii de porumb sunt bogaţi în aminoacizi esenţiali: lizina şi triptofan. Compoziţia medie a diferitelor părţi componente ale bobului este următoarea :  în embrion se găsesc 21,7% substanţe proteice;  în endosperm se găsesc 12,2 % substanţe proteice;  în coajă se găsesc doar 6,6% substanţe proteice. Subsţantele proteice formate din 90% compuşi cu azot sunt folosite în nutriţia drojdiilor după o hidroliză enzimatică, cu ajutorul malţului verde în cursul zaharificării plămezii. În porumbul matur activitatea β-amilazică este slabă, iar α-amilaza este inactivă. Substanţele proteice ale bobului de porumb aparţin: globulinelor 20%; prolaminelor 45%; gluteninelor 35%. Proteinele variază între 9 – 15%, porumbul cu bob sticlos este mai bogat decât porumbul dintre de cal. În jur de 73% din totalul proteinelor se găsesc în endosperm, 24% în embrion şi 3% în pericarp. 6

Extractivele neazotate sunt formate în cea mai mare parte din amidon 80%. Alături de amidon se mai găsesc cantităţi mici de zaharuri şi dextrine 3% din total, pentozani 6% şi celuloza 3%. Amidonul este repartizat în proporţie de 70% în endosperm, 28,2% în embrion şi 1,1% în pericarp. Amidonul din bob conţine 25% amiloză şi 75% amilopectina. Amiloza reprezintă partea cea mai solubilă din interiorul grăunciorului de amidon, iar amilopectina este partea greu solubilă din învelişul grăunciorului de amidon. Conţinutul în amidon al porumbului reprezintă cca 70% din substanţa uscată a bobului. De asemenea se găsesc zaharuri simple (2,2%), dextrine (2,5%), şi pentozani( 4,4%). Grăsimea în compoziţia căreia domină acizi graşi nesaturaţi, este repartizată 83% în embrion şi 2% în pericarp. Embrionul conţine 35 –38% grăsimi, care prin degerminare constituie materia primă pentru extragerea uleiului dietetic. Grăsimile sunt localizate în embrion şi nu influenţează spumarea plămezii, ceea ce permite utilizarea la maxim a capacităţii de fermentare, iar borhotul rezultat la distilare are o valoare furajeră ridicată. Componentele minerale din boabele de porumb se găsesc în proporţie de 11,7% din substanţa uscată. Cenuşa bobului este bogată în fosfor (45,61%), potasiu (29,78%) şi magneziu(15,52%). Şi substanţele minerale se găsesc localizate în embrion, coajă şi endosperm, valorile acestora fiind scăzute în comparaţie cu alte cereale. Din cantitatea totală de cenuşă a bobului 78,5% revine embrionului, 8,2% endospermului şi 2% pericarpului. În cenuşa porumbului se găsesc: fosfor, potasiu, magneziu, calciu, siliciu, sodiu şi microelemente: fier, zinc, mangan, cupru, etc. În boabele de porumb se găsesc şi vitamine: B 1, B2, B6, E, PP. Varietăţile de porumb roşu, galben sau potocaliu conţin provitamina A şi lipseşte vitamina C. Conţinutul în vitamina A este dependent de conţinutul în caroten şi pigmenti analogi. Dintre pigmenti, cei mai importanţi sunt: β-carotină, criptoxantină şi α-carotină, care sub acţiunea carotinazei dau naştere vitaminei A. Acumularea carotenoidelor în bobul de porumb este condiţionată de temperatura şi umiditatea din perioada de vegetaţie. Acidul nicotinic se găseşte în proporţia cea mai ridicată în porumbul zaharat (30 mg/kg). Este mai scăzut în boabele bogate în amidon şi scade în boabele bogate în proteină brută. Păstrarea corespunzătoare a porumbului constituie una din problemele principale şi uneori dificilă ale unităţilor de procesare a alcoolului rafinat. După câteva săptămâni de la recoltare, respiraţia este mai intensă, fiindcă bobul conţine un procent de umiditate mai mare. Uscându-se mai mult, intensitatea respiraţiei scade, fiincă bobul respiră şi zahărul din interior se împuţinează. Scăderea conţinutului de zahăr se datorează procesului de condensare care are loc imediat după recoltarea porumbului şi constă în aceea că substanţele solubile(zahăr, polipeptide) se condensează formând molecule de amidon şi de proteină, deci, constituind materialul de rezervă al endospermului. La concentraţii mici de umiditate(12-14%), embrionul nu foloseşte materialul de rezervă deoarece enzimele care solubilizează amidonul pentru a-l transforma în zahăr şi proteină în aminoacizi, nu pot reacţiona. În funcţie de metodele de recoltare, porumbul se păstreză în stiuleţi sau boabe. Cea mai extinsă formă de pastrare a porumbului este sub formă de ştiuleţi. Sub această formă porumbul se păstrează în spaţii numite pătule. Depozitarea porumbului se face în magazii sau silozuri. Pentru a evita pierderile în amidon la depozitarea porumbului se vor respecta următoarele condiţii: • înaintea depozitării porumbul se va supune operaţiilor de curăţire(vânturare) pentru îndepartarea plevei şi mătasei care împiedică o bună aerare; 7

• •

depozitarea se face în strat subţire şi pe toată suprafaţa magaziei sau în silozuri pline; se va controla periodic temperatura porumbului depozitat cu ajutorul termometrelor cu tijă lungă se face lopătarea periodică în funcţie de gradul de umiditate pentru a evita autoîncăzirea; • umiditatea relativă din spaţiul de depozitare se urmăreşte cu ajutorul higrometrelor sau a senzorilor de umiditate; • nu este permisă depozitarea porumbului umed cu cel uscat fiindcă umiditatea migrează şi se pot produce pierderi nedorite. În industria alcoolului rafinat se preferă porumbul cu boabe făinoase, ce conţine o cantitate mare de amidon şi mai scăzută în substanţe proteice. Porumbul folosit în industria alcoolului rafinat trebuie să îndeplinească urmatoarele calităţi:  să aibă un conţinut mare de hidraţi de carbon în special de amidon;  să conţină o cantitate redusă de substanţe proteice;  bobul să fie moale şi cu coaja cât mai subţire;  să fie ajuns la maturitate;  să aibă un conţinut redus de umiditate;  să se conserve timp îndelungat. Se apreciază ca porumbul a fost cultivat cam cu 4400-5000 de ani înainte de era noastră, reprezentând una dintre plantele dominante în cadrul mai multor civilizaţii precolumbiene, respectiv incaşă, mayaşă sau aztecă, cu precădere în Mexic. Primii europeni care au văzut porumbul au fost Cristofor Columb şi marinarii săi, în insula Cuba, cu prilejul primei expediţii (1492).În Europa a fost introdus mai întâi în Spania şi Portugalia, de unde apoi a fost luat de turci şi răspândit în bazinul Mediteranei, sud-estul Europei şi Asia Mică. Aşa se explică de ce mulţi europeni l-au numit “grâu turcesc”, în timp ce americanii i-au zis “grâu indian”. În Ţările Române, porumbul pătrunde în prima jumătate a secolului al XVII-lea, cultura lui înlocuind-o treptat pe cea a meiului Porumbul are efect împotriva stresului. Este bogat în vitaminele din grupa B, mai ales în vitamina B1, care are efect asupra funcţionării sistemului nervos, a muşchilor, a inimii şi asupra producţiei de globule roşii. 150 de grame de porumb acoperă aproximativ 25 % din cantitatea necesară de vitamina B1 pentru un adult. Porumbul conţine de asemenea un anti – oxidant de frunte şi anume vitamina E, care ne protejează împotriva artritei. Introducerea porumbului în meniul nostru zilnic micşorează riscul apariţiei bolilor de inimă şi a cancerului. Hidrocarburile cuprinse în porumb dau energie şi nu permit depunerea grăsimii. 2.2.2 Materii auxiliare Cele folosite la fabricarea alcoolului sunt apa, malţul verde, preparatele enzimatice microbiene, sărurile nutritive şi factorii de creştere, acidul sulfuric, antispumanţii, antisepticele şi dezinfectanţii, aerul tehnologic, energia electrica si aburul. 2.2.2.1 Apa În vederea desfăşurării unui proces tehnologic eficient se urmăreşte asigurarea fabricii cu necesarul de apă. Apa necesară este de două feluri: apă tehnologică şi apă de răcire. Apa tehnologică participă la obţinerea produsului finit şi este folosită la formarea plămezii, la obţinerea mediilor necesare preparării cuibului de drojdie, la spălarea utilajelor şi a conductelor tehnologice. Aceasta trebuie să aibă o puritate bacteriologică, adică să aibă calităţile apei potabile, fără germeni patogeni. Apa tehnologică sau apa industrială se poate procura din trei surse: • apă de suprafaţă provenită din fluvii, râuri, izvoare sau lacuri; • apă freatică de puţ • apă de conductă din sistemul de alimentare urban. Fabricile de alcool şi drojdie se alimentează cu apă potabilă de conductă care de regulă este cea mai curată. Cele mai infectate ape sunt cele obţinute din apele de suprafaţă. Uneori şi apele de 8

puţ pot fi infectate prin scurgeri directe de la suprafaţă sau prin infiltraţii de lichide cu mare încărcătură microbiană. Prin folosirea rezervoarelor colectoare de apă potabilă deschise, în acestea pătrund cu uşurinţă praful şi alte impurităţi care pot infecta apa. Infecţia se transmite din apă în plămadă, agenţii patogeni ajungând în produsul finit + cayul drojdiei comprimate. Se poate întâmpla la fel dacă se neglijează spălarea ţi dezinfectarea periodică a rezervoarelor colectoare şi distribuţia apei potabile în unităţile de producţie. Apa de răcire reprezintă ponderea cea mai mare din consumul de apă indrustrială la procesarea alcolului rafinat. Ea nu intră în contact cu produsul, deci nu este nevoie să îndeplinească condiţiile de calitate a apei potabile, dar trebuie să aibă temperatura şi duritatea cât mai scăzută. Consumul de apă de răcire este direct proporţional cu creşterea durităţii şi temperaturii acesteia. De multe ori este nevoie de o dedurizare a apei de răcire care nu este economică. Pentru a împiedica depunerea pietrii pe pereţii serpentinelor şi a conductelor este suficient adăugarea a 5 g polifosfat la 1m3 apă de răcire. În zona de şes se foloseşte apa de adâncime, care are o compoziţie şi o temperatură aproape constantă şi un număr mic de germeni. Apa de suprafaţă trebuie supusă tratării prin filtrare, aerare, clorinare, ozonificare etc. Prin aerare are loc precipitarea fierului şi magneziului ce influenţează negativ culoarea drojdiei de panificaţie. Clorinarea apei se face cu atenţie, în aşa fel încât clorul adăugat să fie deja consumat în momentul introducerii drojdiei în plămezi. La fabricarea alcolului rafinat se folosesc 7,5-15m3 apă/hl alcool absolut.(Modoran Dorel, 2004) 2.2.2.2 Maltul verde Este folosit ca agent de zaharificare a plămezilor din cereale şi cartofi,datorită conţinutului său în enzime amilolitice.Se obţine după o tehnologie asemănătoare cu cea de producere a malţului pentru bere,cu deosebirea că durata de germinare este mai lungă,urmărindu-se acumularea unei cantităţi maxime de amilaze. Aprecierea calităţii malţului verde se face atât după aspectul exterior,cât şi după activitatea enzimatică.Activitatea α-amilazică se exprimă în unităţi SKB,care reprezintă grame de amidon solubil dextrinizat de către 1 g malţ verde,în timp de 60 min.la temperatura de 20°C,în prezenţa unui exces de β-amilază.Activitatea β-amilazică se exprimă în unităţi Windisch-Kolbach,care reprezintă grame de maltoză rezultate prin acţiunea extractului provenit din 100 g malţ verde asupra unei soluţii de amidon solubil 2%,în timp de 30 min.,la 20°C şi la pH=4,3. Calculul cantităţii de malţ verde necesar la zaharificarea plămezilor se face cu formula lui Pieper: (1) Unde: =cantitatea de malţ verde necesară,în 100 kg cerea,e sau cartofi; cifra de amilază,constantă specifică fiecărei materii prime; A=conţinutul în amidon al materiei prime,în %; α=activitatea α-amilazică a malţului verde,SKB. Plecând de la această formulă,Pieper a întocmit tabele care indică cantităţile optime de malţ verde pentru diferite materii prime amidonoase,în funcţie de conţinutul în amidon şi de activitatea α-amilazică. Înainte de utilizare,malţul verde este mărunţit pe cale umedă în mori cu disc sau cu ciocane şi transformat într-un lapte de slad.Cantitatea de apă care se adaugă este de 250-300 l /100kg malţ verde.Pentru a se evita infecţiike cu bacterii în cursul zaharificării,laptele de slad este dezinfectat prin adăugare de formalină 40%,în cantitate de 150-200 ml la 1000 l plămadă,astfel încât să rezulte o concentraţie de 0,015-0,02%. Aldehida formică este eficientă numai în primele ore de 9

fermentare,deoarece în continuare este oxidată la acid formic sau redusă până la metanol. (Banu Constantin, 2002) 2.2.2.3 Preparatele enzimatice microbiene Se obţin prin cultivarea în condiţii absolut pure a unor tulpini de bacterii şi mucegaiuri pe medii de cultură adecvate,urmată de purificarea preparatului brut rezultat.În comparaţie cu malţul verde,ele prezintă următoarele avantaje: -activitate enzimatică standardizată,care se modifică puţin la depozitare; -α-amilaza bacteriană se caracterizează printr-o termorezistenţă mult mai ridicată; -sunt mai sărace în microorganisme dăunătoare; -se oţin randamente mai ridicate ăn alcool,deoarece pot hidroliza şi alte poliglucide; -sunt necesare spaţii mai reduse la depozitare şi transport; -se economisesc cheltuielile legate de producerea şi mărunţirea malţului verde. În afară de preparatele enzimatice amilolitice prezenate,se mai pot folosi,în funcţie de materiile prime prelucrate,şi alte preparate enzimatice:proteaze,β-glucanaze,pentozane etc. Gh. Stanciulescu, 1973) 2.2.2.4 Sarurile nutritive si factorii de crestere La fabricarea spirtului este necesara adaugarea de substante nutritive, care aduc in compozitia mediului azot, fosfor magneziu imprimand si complectand substratul cu aceste substante necesare nutritiei drojdiei. Deficitul deazot se complecteza prin adios de sulfat de amoniu ingrasaminte complexe ,amoniac sau uree.Necesarul de fosfor se asigura din superfosfatul de calciu ale ngrasamintelor complexe. Factorii de crestere se asigura prin adaugarea de autolizat de drojdie , extract de radicele de malt sau de porumb. 2.2.2.5 Antispumantii În procesul de fermentare de la fabricarea alcoolului rafinat, se formează cantităţi mari de spumă datorită coloizilor care se depun la suprafaţa bulelor de aer care barbotează în mediu, stabilizând spuma formată. Cu cât plămada este mai bogată în coloizi, cu atât cantitatea de spumă formată este mai mare. În vederea reducerii cantităţii de spumă se pot folosi substanţe antispumante. Dintre acestea amintim acizi graşi vegetali rezultaţi din procesul de rafinare a uleiurilor vegetale. Aceste uleiuri vegetale conţin acizi graşi până la 75% din compoziţie, restul fiind format din ulei neutru, apă şi alte substanţe grase. Ca antispumanţi se pot folosi şi uleiuri siliconice care au o eficienţă mai mare la distrugerea spumei. Siliconii sunt substanţe policondensate în constituţia cărora intră siliciul, oxigenul şi radicali organici (metil, fenil, etc) Alegerea antispumanţilor se face în funcţie de calitatea plămezii folosite, de procesul tehnologic şi de sistemul de aerare aplicat. Se urmăreşte ca antispumantul folosit să nu fie dăunator pentru drojdie, să nu producă murdărirea utilajelor şi conductelor. 2.2.2.6 Antiseptici si dezinfectanti Antisepticii se folosesc pentru combaterea microorganismelor de infecţie în cursul procesului fermentării plămezii, în doze bine stabilite, care nu influenţează negativ activitatea de fermentare a drojdiilor. O serie de substanţe chimice folosite ca dezinfectante pot fi antiseptice când sunt folosite în doze care omoară microorganismele. Cei mai folosiţi antiseptici sunt: acidul sulfuric şi formaldehida. Acidul sulfuric adăugat în plămada de drojdie creează o aciditate ridicată ce inhibă deyvoltarea bacteriilor de infecţie. Formaldehida se foloseşte la fermentarea plămezii de cereale, unde se adaugă în cantităţi de 0,015-0,020% faţă de plămadă. Se adaugă de regulă la zaharificare, fiind eficientă în primele ore de fermentare, protejând drojdia ce se multiplică împotriva infecţiilor de bacterii. În continuare formaldehida, prin oxidare se transformă în acid formic, sau, prin reducere în alcool metilic, substanţe ce nu au acţiune dezinfectantă. Se recomandă folosirea soluţiilor de concentraţie 3-5% 10

pentru dezinfecţia mediului nutritiv şi de 10% pentru dezinfecţia conductelor şi utilajelor tehnologice. Pentru a mări eficienţa acestei substanţe, este indicată introducerea de aburi după tratamentul cu formaldehidă. Formaldehida poate avea şi o acţiune nocivă din cauza combinării directe cu proteina din protoplasmă paralizând astfel funcţiile celulei de microorganisme. Alti dezinfectanţii folosiţi: clorura de var, laptele de var, soda caustică şi soda calcinată(cu acţiune detergentă puternică), compuşi de amoniu cuaternari. Clorura de var se foloseşte sub formă de suspensie în apă având concentraţia de 1-3%, cu care se şterge suprafaţa utilajelor şi încăperile tehnologice. Soda caustică şi soda calcinată se utilizează în concentraţii de 1,5-5%, cu ele se stropesc suprafeţele utilajelor tehnologice. Alti dezinfectanţi cum sunt compuşii cuaternari de amoniu se folosesc în soluţii cu o concentraţie de 0,1% recomandându-se o bună spălare şi clătire prealabilă deoarece substanţele organice şi detergenţii pot inhiba acţiunea acestora. 2.2.2.7 Aerul tehnologic Aerul tehnologic are dublu scop, acela de agent de transport şi sursă de oxigen. În unităţile de alcool, aerul se foloseşte fie la transportul pneumatic, fie pentru a asigura necesarul de oxigen al drojdiei în cursul fermentării sau a multiplicării drojdiei. Aerul comprimar se obţine cu ajutorul compresoarelor, suflantelor de aer, turbosuflantelor şi ventilatoarelor. Dimensionarea se face astfel încât necesarul de aer să fie satisfăcut în orele de vârf. Aerul obţiut este trecut prin filtre grosiere, după care se sterilizează printr-un filtru cu vată şi ulei bactericid. Este necesar ca în secţia de cultură pură să se folosească aer steril. 2.2.2.8 Energia electrica si aburul Unităţile de procesare a alcoolului alimentar sunt alimentate cu energie electrică din sistemul naţional. Pentru acţionarea motoarelor electrice se foloseşte curent electric la tensiunea de 380 V, iar pentru iluminat tensiunea de 220 V. Aburul este produs fie în centralele termice proprii, fie livrat de la cea mai apropiată centrală de termoficare. Aburul este folosit la procesarea materiilor prime amidonoase, la distilarea plămezii şi rafinarea spirtului brut. Debitul de abur este înregistrat cu ajutorul unui debitmetru. În vederea eliminării pierderilor de abur, conductele şi utilajele se vor izola termic. 2.2.3 Caracteristicle produsului finit 2.2.3.1 Generalitati În urma rafinării se poate obţine o gamă largă de sortimente prezentată în tabelul 3. Table 3

Sortimente tip M – pentru industria de medicamente tip A – pentru industria alimentară tip I – pentru alte industrii tip C1 – pentru fondul pieţii tip C2 – pentru fondul pieţii

Concentraţie alcoolică 96,1% vol. alcool 96,2% vol. alcool 95,5% vol. alcool 85% vol. alcool 72% vol. alcool

Evidenţa calitativă a alcoolului rafinat şi a subproduselor se face în grade dal sau mii de grade dal. De obicei când rostim cuvântul "alcool" ne gândim la spirtul medicinal sau la băuturile spirtoase, dar aceste tipuri de alcooli conţin o anumită substanţă organică numită etanol. Alcoolii sunt unii dintre cei mai utilizaţi şi cunoscuţi compuşi chimici. De fapt un alcool este un compus organic care are cel puţin o grupare hidroxil legată de un atom de carbon saturat. Dintre aceştia fac parte metanolul, etanolul, butanolul şi propanolul, aceştia formând serii omoloage Alcoolul etilic se produce pe plan mondial,în cea mai mare parte,prin fermentarea lichidelor care conţin zahăr,cu ajutorul drojdiei.Alcoolul etilic obţinut pe cale biotehnologică mai poartă denumirea de bioalool,deosebindu+se astfel de alcoolul etilic de sinteză. 11

Produsul finit obţinut din fabricile de alcool poartă denumirea de alcool rafinat. Etanolul se foloseste in domenii diferite de activitate, cateva exemple sunt date in continuare:  Ca dezinfectant, sub forma de solutie apoasa, care poate sau nu sa contina si alti componenti (coloranti,parfum); este comercializat sub numele de alcool sau spirt medicinal sau sanitar  Drept component de baza la prepararea bauturilor alcoolice si a esentelor  In sinteza de medicamente si la prepararea unor solutii folosite ca medicamente  Ca solvent la fabricarea lacurilor si a vopselelor, sau sub denumirea de alcool tehnic  In industria parfumurilor  Pentru conservarea unor preparate biologice  Ca lichid in unele tipuri de termometre folosite la temperaturi sub +78 ˚C (punctul lui de fierbere), dupa ce a fost colorat prin dizolvarea unui colorant (cel mai frecvent rosu)  Drept combustibil; de exemplu, in spirtierele folosite in unele laboratoare de chimie  Ca materie prima pentru sinteza altor compusi organici  Alcoolul absolut este folosit drept carburant la avioanele cu reactie sau in amestec cu benzina pentru motoarele cu explozie Alcoolul tehnic este un amestec de frunţi şi cozi, care pentru comercializare se obţin la o concentraţie alcoolică de 90%vol. Se denaturează cu 2% benzen şi se colorează în roşu de metil în proportie de 0,5mg/100ml alcool vodium. Este un lichid limpede sau slab opalescent fără sediment sau particule în suspensie, de culoare violetă cu miros caracteristic. Se foloseşte în industrie şi în uz gospodăresc. Nu se poate utiliza la prepararea băuturilor. Ulei de fuzel – rezultat de la rafinare se spală prin agitare cu o soluţie saturată de clorură de sodiu, se lasă 24 ore la decantare după care se separă stratul de ulei de deasupra. Este un lichid uleios, limpede, fără sediment, de culoare galben-brună, cu miros caracteristic. 2.2.3.2 Chimismul procesului de obtinere a alcoolului etilic de fermentatie Transformarea glucozei în alcool etilic are loc pe cale anaerobă printr-o serie complexă de reacţii biochimice (procese de esterificare a zaharurilor, transfer de grupe fosforice, oxido-reduceri, izomerizări, decarboxilări, etc.) Aceste reacţii alcătuiesc calea Embden-Meyerhof-Parnas de transformare a glucozei la acid piruvic. Sub acţiunea piruvat-decarboxilazei acidul piruvic este decarboxilat în continuare, la acetaldehidă, care este redusă la alcool etilic sub acţiunea enzimei alcool dehidrogenază, în prezenţă de NADH. În cazul unui metabolism aerob glucoza este convertită total la bioxid de carbon, apă, biomasă şi produse secundare, fără a se forma alcool etilic. Rezultă aşadar că pentru fabricarea alcoolului etilic trebuie favorizat metabolismul anaerob al glucozei. Degradarea iniţială a hidraţilor de carbon constă în formarea esterilor fosforici ai hexozelor. În metabolismul esterilor fosforici un rol important îl are restul adelinic; acid adenozinmonofosforic (AMP) , acid adenozin-difosforic (ADP) şi acid adenozin-trifosforic (ATP). (D. Motoc, 1962) 1.Conversia D-glucozei la etanol începe cu formarea D-gluco-6-fosfatului (esterul Robinson) conform reacţiei, catalizată de hexochinază.

12

CH2OH

CH2OP

O

O

Mg2+, Hexochinazã

OH

OH

OH

ATP

OH

ADP

OH

OH

OH

OH

(2) Enzima foloseşte ATP ca donor de fosfat şi este dependentă de prezenţa cationilor divalenţi Mg2+ sau Mn2+. 2.Conversia amidonului sau a altor polizaharide înrudite, ce conţin glucoză este catalizată de α-1,4-glucan fosforilaza (α-1,4-glucoză: ortofosfat glicozil transferază), care se găseşte în mare măsură într-o varietate de organisme. Fosforoliza începe la capătul liber, nereducător al lanţului de amiloză şi îndepărtează câte o unitate de glucoză (în total n+1 molecule de glucozo 1-fosfat), până ce se atinge capătul reducător. Dacă substratul este amilopectina, fosforilarea continuă până se ajunge la punctele de ramificaţie şi produsul este o dextrină limită. Legătura 1-6 din ramificaţie poate fi desfăcută de amilo 1-6 glucozidază, eliberând glucoza, după aceea poate avea loc fosforilarea până se ajunge la următoarea ramificaţie ş.a.m.d. 3.Fosfoglucomutaza este responsabilă de interconversia D-glucozei 1- fosfat (esterul Cori) (G1P) şi a D-glucozo 6-fosfat (G6P); reacţia necesită prezenţa ionilor Mg2+. CH2OH

CH2OP

O

O

OH

OH

OH

OP

OH

OH

OH

OH

(3) 4.Interconversia D-gluco-6-fosfatului şi a D-fructo-6-fosfatului (esterul Neuberg) este catalizată de fosfoglucoizomerază. CH2OP OH

CH2OH O

O OH

HO

OH

CH2OP

OH OH

OH

(4) 5.Fosfo-fructochinaza catalizează formarea D-fructo-1,6-difosfatului (esterul HardenYoung) din fructoză 6-fosfat, în prezenţa ATP-ului şi a ionilor Mg2+. CH2OH O

OH

ATP

ADP

CH2OP O

OH

HO

HO

CH2OP

CH2OP OH

OH

13

(5)

6.Esterul fructo-furanozo-1,6-difosfat sub acţiunea aldolazei se transformă în aldehidă fosfoglicerică şi fosfo-dioxi-acetonă: OH CH2OP CH2OPO3H2 CH2OPO3H2 O

Aldoza

HO CH2OP

C

+

O

CHOH CHO

CH2OH

OH

(6) 7.Aldehida 3-fosfo-glicerică şi fosfo-dioxi-acetona se găsesc în echilibru şi se pot transforma una în alta sub acţiunea fosfo-triozo-izomerazei. CH2OPO3H2 CH2OPO3H2 C

fosfo-triozo-izomeraza

O

CHOH CHO

CH2OH

(7) Numai aldehida 3-fosfo-glicerică suferă mai departe transformarea în etanol[2]. 8.Glicerinaldehid-3-fosfat-dehidrogenaza catalizează reacţia următoare. Prezenţa NAD+ şi a fosfatului anorganic este necesară. În reacţie, NAD+ este redus la NADH, care este apoi reoxidat în reacţia de reducere a acetaldehidei la etanol. CH2OPO3H2 CH2OPO3H2 H3PO4

CHOH NAD+

CHO

CHOH NADH

COOPO3H2

(8) 9.Enzima fosfo-gliceratchinaza catalizează transformarea acidului 1,3-difosfo-gliceric la acid 3-fosfo-gliceric, cu formarea unui mol de ATP. CH2OPO3H2 CH2OPO3H2 fosfo-gliceratchinaza

CHOH

CHOH

+ ATP

COOH

COOPO3H2

(9) 10.Acidul 3-fosfo-gliceric în prezenţa fosfo-glicero-mutazei, formează acidul 2-fosfogliceric: CH2OPO3H2 CH2OPO3H2 CHOH

fosfo-glicero-mutazã

H

COPO3H2

COOH

COOH (10) 11.Transformarea acidului 2- fosfo-gliceric în acid enol-fosfo-piruvic poate fi considerată o reacţie de deshidratare şi este catalizată de enolază: CH2OPO3H2 CH2

H

COPO3H2

enolaza

COPO3H2 COOH

COOH 14

(11)

12.Acidul 2-fosfo-enol-piruvic, în prezenţă de piruvatchinază (ATP: piruvat fosfotransferază) se transformă în acid piruvic cu formarea unui mol ATP: CH2 CH3 ADP ATP COPO3H2

C

O

COOH

COOH (12) 13.Pentru a formara etanol din acid piruvic, drojdiile care operează în condiţii anaerobe, decarboxilează ireversibil acidul cu ajutorul piruvat decarboxilazei, formând acetaldehidă şi bioxid de carbon: CH3 C

O

piruvat-decarboxilaza

CH3 HC

+ CO2 O

COOH (13) 14.Alcool dehidrogenaza catalizează apoi reducerea acetaldehidei la etanol. Ambele enzime au fost izolate din drojdie. CH3 CH3 + + NADH + H + NAD+ O HC HOH2C (14)

Conţinutul în glicerină, aldehidă acetică şi acid acetic depinde de condiţiile de fermentare şi în primul rând de pH şi de conţinutul de săruri, cum şi de cantitatea şi specia de drojdie. 2.2.3.3 Fisa tehnica a produsului Denumirea tehnică: alcool etilic rafinat, spirt Denumirea chimică: alcool etilic, etanol Formula brută: C2H6O Formula structurală: H3C-CH2OH Masa moleculară: M=46.7 Compoziţia elementară: 52.17%C, 13.04%H, 34.78%O Caracteristici tehnice: lichid limpede, incolor. Are mirosul caracteristic de alcool (iritant) şi gust arzător. Este foarte uşor inflamabil şi arde cu flacără albăstruie fără a produce fum. Concentraţie: min 96.2%÷96.6%vol Conţinut în: -aldehide: max. 4mg/L -ulei de fusel :max 4mg/L -metanol: max 300 mg/L -ester: max 25mg/L (Gh. Stanciulescu, 1973) Ambalarea şi depozitarea: Produsul se ambalează în vase de sticlă sau PET de 0.5÷1L.Depozitarea şi conservarea se face în rezervoare sau tancuri metalice fabricate din oţel inoxidabil, aluminiu sau alte metale, având pereţii interiori izolaţi cu lacuri acidorezistente. Ele pot avea forme paralipipedice sau cilindrice. Gh. Stanciulescu, 1973) Transportul -se face în cazul unor cantităţi mici în damigene de sticlă de până la 50L sau în vase de transport numite butoaie de transport, în cazul unor cantităţi mai mari. Vasele se transportă în vagoane şi camioane. Produsul destinat consumului se înfoliază in baxuri.

15

2.3 Descrierea procedeelor instalatiilor clasice si moderne de obtinere a alcoolului etilic de fermentatie Primele instalaţii de distilare cunoscute sunt următoarele: • tip Bohm; • tip Ilghes; • tip Kuzneţov-Alexeev; • cu separarea uleiului de fuzel. Instalaţia de distilare tip Bohm (fig. 1) este formată dintr-o coloană de plămadă 1, cu 11 site, cu fierbere simplă peste care este montată coloana de concentrare a alcoolului 2, cu 15-17 site, prima sită fiind un clopot.

Fig.1 Instalaţia de distilare tip Bohm Încălzirea coloanei se face prin injectare cu abur direct 3, reglat de un regulator de aburi. Vaporii de alcool care părăsesc coloana intră în deflegmatorul 4 unde sunt deflegmaţi în contracurent de plămada 5,6 şi răciţi în răcitorul 7. Aparatul distilă încet şi se obţine un alcool brut cu o concentraţie de 88-90% vol. alcool. Instalaţia de distilare continuă tip Ilghes (fig.2) este compusă din două coloane suprapuse: • coloană de plămadă 1 care are talere de o construcţie specială, tip conic-şicanat; • coloana de rafinare 2, de 1 m construită dintr-un taler-sită la partea inferioară care susţine încărcătura de bile de porţelan. Deflegmatorul 3 are ţevi orizontale, iar Ilghes este primul constructor care a dispus ţevile deflegmatorului în sens orizontal. Deflegmatorul este şi rectificator, permiţând obţinerea alcoolului brut cu o tărie ridicată fără a se folosi o coloană de rafinare cu 16 talere. Instalaţia este dotată cu un dispozitiv care reglează alimentarea constantă a coloanei cu plămadă. Plămada este pompată cu pompa 4, din rezervorul 5, în rezervorul 6 care alimentează coloana 1. Pe măsura evacuării borhotului realizat printr-un sistem de pârghii acţionate de jocul flotorului din regulatorul de borhot, acesta deschide şi închide orificiul de la baza rezervorului 6. Astfel se permite intrarea plămezii 8 în coloană, atunci când orificiul este deschis. Aburii injectaţi în coloana 1 trec prin stratul de lichid, modificându-şi direcţia de circulaţie, iar plămada se introduce în coloană fără a fi preîncălzită. Din coloana de plămadă 1 vaporii intră în coloana 2, unde întâlnesc pe bilele de porţelan contracurentul de amestec alcool şi apă, care se întoarce în deflegmatorul 3. Vaporii necondensaţi din deflegmator trec în răcitorul 7, unde sunt condensaţi şi răciţi. Alcoolul brut obţinut are o concentraţie de 92-93% vol. alcool. Consumul de abur este de 23 kg aburi/100 kg plămadă. 16

Fig.2 Instalaţia de distilare continuă tip Ilghes Instalaţia de distilare tip Kuzneţov-Alexeev (fig.3). Este formată dintr-o singură coloană fiind formată dintr-o coloană de concentrare suprapusă pe coloana de plămadă. Coloana de plămadă 1 are un număr de 14 talere, iar pe la partea inferioară se introduc aburii direcţi 2 pentru fierberea plămezii. Tot de aici se evacuează cu borhot prin regulatorul de borhot 3 dotat cu un aparat 4 care determină prezenţa urmelor de alcool din borhot. În partea superioară a coloanei 1 se găseşte un segment prin care se alimentează cu plămada care vine prin conducta de plămadă şi ajunge pe primul taler al coloanei 1. Coloana de concentrare 5 are un număr de 6 talere, iar în deflegmatorul tubular 6, plămada este preîncălzită în două compartimente înainte de a fi introdusă în coloană. Sectorul superior al deflegmatorului 6 are un compartiment suplimentar de deflegmare cu apă. Condensarea şi răcirea vaporilor de apă-alcool se face în condensatorul-răcitor tubular cu serpentină 7. Aparatul funcţionează astfel: plămada fermentată este pompată cu pompa 8 în deflegmatorul 6 unde este preîncălzită la 80°C. Pe conducta de alimentare se montează un dispozitiv 9 prevăzut cu un clopot cu aer care preia pulsaţiile pompei 8 realizând un curent de plămadă constant. Plămada preîncălzită intră pe primul taler al coloanei 1 şi coboară în stare de fierbere din taler în taler. Se realizează o eliberare treptată a vaporilor de alcool din plămadă până ajunge în baza coloanei, unde este evacuată cu ajutorul regulatorului de borhot 3. Vaporii de alcool circulă ascendent şi îşi măresc treptat concentraţia, părăsesc coloana 1 şi intră în coloana 5. Aici, se continuă procesele de fierbere, vaporizare, condensare, iar tăria alcoolică creşte datorită amestecului de alcool şi apă returnate din deflegmatorul 6. Vaporii necondensaţi în deflegmator sunt trecuţi în fază lichidă şi răciţi în condensatorul-răcitor 7.

17

Fig.3. Aparatul de distilare continuă Cuzneţov-Alexeev. Pentru recuperarea energiei calorice ieşite din instalaţie o dată cu borhotul, instalaţia a fost prevăzută cu un schimbător de căldură prin care borhotul circulă în contracurent. Se realizează o preîncălzire mai bună a plămezii înainte de a fi introdusă în coloană, după prima reîncălzire suferită în deflegmator. Această instalaţie de distilare are următoarele avantaje: • are o capacitate de producţie mare de 8500 l alcool/1 m 2 secţiune, la un diametru al coloanei de 840 mm, se poate alimenta cu 460 dal plămadă fermentată pe oră; • are un consum redus de aburi de 14,5 kg aburi/100 kg plămadă şi oră; • construcţia specială a talerelor coloanei de plămadă dublează capacitatea de fierbere; • preîncălzirea plămezii la 80oC în schimbătorul de căldură, prin care circulă borhotul în contracurent şi deflegmator; • deflegmatorul tubular funcţionează cu plămadă şi apă; • instalaţia este dotată cu aparate de reglare şi control(obţinut de aer pentru conducta de alimentare cu plămadă, manometru hidraulic pentru măsurarea presiunii de lucru în coloană, analizatorul de alcool de la regulatorul de borhot, termometre etc.). Instalaţii de distilare cu separarea uleiului de fuzel. Prin mărirea numărului de talere din coloana de concentrare a aparatului de distilare, se poate obţine un alcool brut de 93-95% vol. alcool. Pe talerele superioare ale coloanei de concentrare se găseşte un amestec format din apă şi alcool care are o concentraţie de peste 80% vol. alcool, fapt care permite colectarea alcoolului izoamilic pe ultimele talere. În vederea obţinerii unui alcool brut cu o concentraţie de 93-95% vol. alcool, este necesar ca instalaţia să funcţioneze cu un indice ridicat de amestec alcool şi apă, ceea ce implică un consum ridicat de abur şi apă şi o diminuare a producţiei de alcool brut. Uleiul de fuzel are drept componenţi principali alcoolii superiori şi anume alcool amilic (Pf = 137°C) şi izoamilic (Pf = 131oC):

18

Fig.4. Aparat de distilare cu separarea uleiului de fuzel. Instalaţia de distilare cu separarea uleiului de fuzel (fig. 4) este prevăzută cu două coloane suprapuse, iar coloana de concentrare 1 are un număr mare de talere. Alcoolii superiori separaţi pe ultimele talere ale coloanei 1 sunt extraşi sub formă lichidă, trecuţi prin răcitorul de fuzel 2 şi captaţi la lanternele de fuzel 3, în patru cilindri de probă. Aici se poate controla pe fiecare taler unde are loc cea mai mare concentrare a uleiului de fuzel. În lanternă se introduce apă prin conducta 4, iar amestecul format dintre alcool şi apă se emulsionează atunci când tăria alcoolică scade sub 40% vol. alcool. La concentraţia inferioară de 40% vol. alcool, solubilitatea uleiului de fuzel este nulă. De aici, emulsia este trecută în decantorul 5, unde, datorită densităţii subunitare, uleiul de fuzel se separă la suprafaţa lichidului. Apoi acesta se spală cu apa preluată din conducta 4 şi este trecută în separatorul de fuzel 6 unde se separă de amestecul apă-alcool. Lichidul alcoolic din partea inferioară a decantorului şi a spălătorului uleiului de fuzel, conţine 6% vol. alcool şi este preluat şi reintrodus pe primul taler al coloanei de plămadă 7. Vaporii de alcool eliminaţi din coloana de concentrare 1 sunt deflegmaţi în deflegmatorul 8 şi merg la răcitorul 9 din care se recuperează alcoolul brut. Pe la partea inferioară a coloanei de plămadă 7, se evacuează borhotul 10. Se obţin 3 l ulei de fuzel la 100 dal alcool absolut. 2.3.1 Instalatii de distilare moderne Instalaţiile de distilarea plămezii fermentate se împart în două grupe : • instalaţii cu coloane suprapuse; • instalaţii cu coloane adăugate. Instalaţiile cu coloane suprapuse se caracterizează prin aceea că au coloana de concentrare montată deasupra coloanei de plămadă.

19

Fig. 5 Instalaţie cu două coloane suprapuse 1- coloană de distilare; 2- deflegmator; 3- condensator; 4- răcitor; 5- filtru; 6- aparat de măsurare volumetrică a alcoolului brut; 8- pompă de plămadă; 9- rezervor alcool brut; 10- pompă alcool brut; 11- regulator de borhot; 12- regulator de abur; 13- felinar de control; A- plămadă; B- alcool brut; C- abur; D- reflux; E- apă de răcire; F-borhot. BPlămada fermentată este extrasă din tancul de fermentare cu ajutorul unei pompe cu piston 1 sau cu şurub, cu debit reglabil. Plămada fermentată este introdusă în deflegmatorul 2 în zona 2a, unde se încălzeşte la o temperatură apropiată de cea de fierbere, cu ajutorul vaporilor de alcool care se condensează. Plămada preîncălzită este introdusă pe la partea superioară a coloanei de plămadă 3a, formată din 12-16 talere cu clopote. Plămada circulă descendent în această coloană, în contracurent cu aburul direct care se barbotează la baza coloanei. Plămada se epuizează treptat în alcool rezultând borhotul care se elimină cu regulatorul de borhot 4. El joacă rolul de zăvor hidraulic, acela de menţinere la baza coloanei a unui nivel constant de lichid, iar vaporii nu vor putea să iasă din coloană odată cu borhotul. Regulatorul de borhot este prevăzut în interior cu un rotor care la creşterea nivelului de lichid din coloană, se ridică şi permite evacuarea borhotului şi invers. Vaporii de alcool brut diluat rezultat din coloana de plămadă 2a intră în coloana de concentrare 3b care este prevăzută cu 5-6 talere cu clopot sau site. Aici are loc concentrarea în alcool până la o tărie apropiată de cea a alcoolului brut, după care vaporii alcoolici rezultaţi din coloana 3 intră în deflegmatorul paralelipipedic combinat 2. În zona 2a, deflegmarea se face cu ajutorul plămezii care se preîncălzeşte, iar în zona 2b, cu ajutorul apei. Deoarece deflegmatorul este montat direct pe coloană, refluxul acestuia (R) se scurge în coloana de distilare. În practică se folosesc diferite tipuri de deflegmatoare: cilindrice, verticale, orizontale care se pot monta direct pe coloană sau alăturat. Deflegmatorul realizează o concentraţie suplimentară în alcool pe baza condensării componentelor mai puţin volatile. Rezultă vapori de alcool brut care sunt trecuţi în condensatorul răcitor 5. Aici se realizează condensarea în zona multitubulară 5a şi răcirea în zona cu serpentină 5b. Apa de răcire se introduce pe la partea inferioară a cilindrului de 20

condensare, în jurul serpentinei şi apoi prin ţevi în zona superioară 5a. În vederea reducerii consumului apei de răcire, apa caldă rezultată din condensator este refolosită şi introdusă în continuare în zona 2b a deflegmatorului. Atunci când nu se urmăreşte obţinerea alcoolului brut prea concentrat, se poate renunţa la introducerea apei de răcire în deflegmator. Pentru umplerea deflegmatorului se poate folosi numai plămadă, care astfel se încălzeşte. Alcoolul brut cu o concentraţie de 80-85% vol. alcool şi o temperatură de 15-20ºC, este introdus în felinarul de control 6 unde se citeşte concentraţia alcoolică cu ajutorul unui alcoolmetru. Alcoolul brut este trecut apoi, prin filtrul 7 care este prevăzut cu o serie de talere care servesc pentru depunerea impurităţilor antrenate de alcoolul brut. Aici se face omogenizarea alcoolului brut, după care se măsoară volumul obţinut cu ajutorul aparatului tip Siemens 8. Acesta este prevăzut cu două contoare în care unul înregistrează cantitatea de alcool brut care a trecut în unitatea de timp, iar al doilea, înregistrează gradele dal (1ºdall = 0,1 l alcool absolut). Aparatul este prevăzut şi cu o tijă cu indicator care arată în permanenţă concentraţia alcoolică şi este legat de un senzor de temperatură. Calculul ºdal se face după formula: ºdal = V × C unde:

(15)

V – volumul alcoolului, în dall; C – concentraţia alcoolică, în % vol. alcool. ºdall = 0,01×100 Instalaţia cu coloane suprapuse este cea mai folosită deoarece extragerea şi concentraţia alcoolului are loc într-o singură operaţie. Instalaţia se manipulează uşor, se consumă abur puţin, iar pierderile în alcool sunt mici. Dezavantajele acestei instalaţii sunt: coloana este înaltă, iar borhotul rezultat este diluat. Instalaţiile cu coloane alăturate sunt practice deoarece se elimină dezavantajele instalaţiei cu coloane suprapuse.

Fig. 6. Instalaţie de distilare cu două coloane alăturate 1-coloană de plămadă; 2- regulator borhot; 3- coloană de concentrare; 4-regulator de ape luter; 5-deflegmator; 6-răcitor; 7- felinar de control; 8- filtru de alcool brut; A-plămadă; B- alcool brut; C- abur; D-borhot; E-apă de luter; F- apă.

21

Plămada fermentată preîncălzită în deflegmatorul 6, se introduce pe la partea superioară a coloanei de plămadă 1, care este încălzită pe la bază, direct cu abur (Ab 1). Pe la baza coloanei se colectează borhotul care se evacuează prin regulatorul de borhot 3. În vârful coloanei rezultă vapori de alcool brut diluat care trec în separatorul de picături 2, unde picăturile sunt antrenate şi se reîntorc în coloana de concentrare 3. Vaporii de alcool se reintroduc pe la mijlocul coloanei de concentrare, care este încălzită pe la bază, cu Ab 2, realizându-se sub talerul de alimentare epuizarea în alcool, iar la bază va rezulta un lichid fără alcool, denumit apă de luter. Acesta se evacuează prin intermediul regulatorului 4 într-un tanc intermediar de colectare. La partea superioară a talerului de alimentare a coloanei, are loc concentrarea în alcool, rezultând vapori de alcool brut care sunt trecuţi în deflegmatorul 5. Refluxul (R) se reîntoarce în coloană, iar vaporii de alcool brut ajung în continuare în răcitorul 6, apoi la felinarul de control 7, filtrul 8 şi trecut prin aparatul de încălzire tip Siemens 9 în rezervorul tampon. Avantajele instalaţiei cu coloane alăturate sunt următoarele: • coloanele au înălţime mai mică; • se obţine un borhot concentrat – din 100 l plămadă rezultă în prima coloană 110 l borhot, iar din a doua coloană 100 l apă de luter; • prin folosirea încălzirii indirecte a coloanelor de distilare se reduce şi mai mult concentraţia în borhot. • Dezavantajele instalaţiei sunt următoarele: • deservirea instalaţiei este greoaie deoarece trebuie supravegheate două coloane; • un consum de abur mai ridicat; • pierderi în alcool mai mari; • pierderi în borhot; • pierderi în apa de luter. Principiul de funcţionare a unei instalaţii de distilare cu coloane adăugate este următorul: plămada preîncălzită se introduce la partea superioară a primei coloane fiind dirijată să se scurgă pe fiecare taler prin conducta de preaplin. Aburul circulă de jos în sus barbotând prin masa de plămadă pe care o aduce la fierbere. Astfel, aburul se îmbogăţeşte în alcool, iar plămada pierde alcoolul, iar la baza coloanei se scurge borhotul. Vaporii colectaţi la partea superioară a coloanei trec în a doua coloană, care se numeşte coloană de concentrare sau de luter. Aceasta se deosebeşte de prima prin faptul că are talere cu site. În această coloană, amestecul de vapori alcool-apă circulă de jos în sus. Are loc o răcire treptată în ascensiunea lor de pe un taler pe altul. Pe măsură ce se ajunge la un compartiment superior, are loc concentrarea în alcool a vaporilor ca urmare a separării alcoolului mai volatil, de apa mai puţin volatilă. Coloana este prevăzută cu un deflegmator care are rolul de a răci parţial amestecul alcool-apă şi a-l trimite în contracurent cu amestecul care urcă în coloana de luter. În urma răcirii parţiale se condensează un amestec slab alcoolic, denumit flegmă, realizânduse o concentraţie în alcool a amestecului. Vaporii bogaţi în alcool vor da prin condensare un lichid cu o concentraţie alcoolică mai mare şi mai pur. Deflegmatoarele sunt răcite cu apă sau cu plămadă, operaţia realizându-se prin deflegmare simplă sau treptată. Deflegmarea simplă constă în condensarea instantanee a vaporilor alcoolici. Deflegmarea treptată sau diferenţiată realizează condensarea treptată, lichidul obţinut prin condensare rămânând în contact cu vaporii. Metoda este superioară deflegmării simple. Amestecul alcool şi apă obţinut se introduce în coloană şi se realizează o răcire a vaporilor cu care vine în contact, favorizând separarea vaporilor de apă de cei alcoolici, respectiv concentrarea amestecului cu vapori de alcool. La exploatarea deflegmatoarelor se va ţine seama de următoarele principii: • amestecul alcool şi apă trebuie să circule în contracurent cu vaporii, astfel ca aceştia să treacă din zone mai reci spre zone mai calde; • amestecul alcool şi apă trebuie să aibă un contact cât mai intim cu vaporii. 22

Fabricarea alcoolului din cereale si cartofi se poate face prin doua grupe de procedee: • cu fierbere sub presiune a materiei prime (HDV); • fara fierbere sub presiune (DSA). Procedeele clasice de producere a alcoolului din cereale cartofi se bazeaza pe fierberea sub presiune a materiei prime, care se face tn scopul gelificarii §i solubilizarii amidonului, astfel TncSt acesta sa poata fi atacat de catre amilaze la zaharificare. Aceste procedee prezinta urmatoarele dezavantaje:  consumul de energie termica este ridicat (660 - 800 MJ / hi alcool absolut);  modul de lucru este, de regula, discontinuu iar posibilitatile de recuperare a caldurii sunt reduse;  datorita solicitarii termice ridicate a materiei prime (150 ... 165°C) se formeaza melanoidine §i caramel;  piamezile obtinute nu sunt omogene, iar borhotul rezultat are o valoare furajera mai scazuta. Procedeele de prelucrare fara presiune se bazeaza pe faptul ca energia termica necesara pentru fierberea sub presiune este inlocuita, in mare parte, prin energia de maruntire a materiei prime, astfel incat amidonul granular sa poata fi fluidificat §i zaharif'icat. Necesarul de energie electrica pentru maruntire variaza, in functie de gradul de maruntire dorit si de procedeul folosit, intre 16 si 30 kWh /1 cereale, fiind mult mai scazut decat necesarul de energie termica de la fierberea sub presiune. Instalatiile de distilare a plamezilor fermentate sunt prevazute cu doua coloane, de plamada si de concentrare, care pot fi amplasate suprapus sau alaturat. Cele mai utilizate in practica sunt instalatiile de distilare cu coloane suprapuse. In fig. 7 este prezentata o instalatie de distilare a plamezilor fermentate, prevazuta cu incalzire indirecta, care permite obtinerea unui borhot mai concentrat. Instalatiile de rafinare discontinua sunt prevazute cu separare de aldehide si ulei de fuzel (fig. 8). Pentru capacitati mai mari se folosesc instalatii de distilare – rafinare continua, care permit obtinerea alcoolului rafinat direct din plamezile fermentate. In fig. 9 este reprezentata schematic o instalatie de distilare – rafinare continua cu trei coloane, care se bazeaza pe antrenarea fruntilor direct din plamada fermentata. Consumul de abur pentru instalafia de distilare - rafinare continua (fig. 10) este de circa 5 kg /1 alcool absolut. Pentru reducerea consumului de energie la distilare si rafinare se pot folosi urmatoarele metode:  recuperarea caldurii din borhot prin recomprimare termica sau mecanica a vaporilor distilarea si rectificarea cu efect multiplu  folosirea pompelor de caldura Prin recomprimarea directa a vaporilor alcoolici rezultati din coloana de rectificare si refolosirea lor la incalzirea coloanei de plamada si hidroselectie, este posibila o reducere drastica a consumului de energie la distilare - rafinare. In acest caz (fig. 10), vaporii alcoolici rezultati din coloana de rectificare cu temperatura de circa 78°C §i concentratia alcoolica de 94 - 95% masice sunt comprimati in doua trepte, itr-un turbocompresor, pana la temperatura de 118 ... 120°C si refolositi ca agent de incalzire a coloanei de plamada si hidroselectie. (Banu Constantin, 2002)

23

Fig. 7. Instalatie de distilare a plamezilor fermentate (J. Carl - Germania): 1 - pompa de plamada; 2 - alimentare cu abur; 3 - coloana de plamada; 4 - coloana de concentrare; 5 - deflegmator combinat; 6 - vapori de alcool; 7,9- ap3; 8 - condensator racitor; 70-felinarde control; 11- alcool brut; 12- rezervor de alcool brut; 13 -pompa de borhot; 74-borhot.

24

Fig. 8. Instalatie de rafinare discontinue cu separare de aldehide si ulei de fuzel: 1- condens; 2-abur; 3-blaza; 4-racitor de ulei de fuzel; 5- coloana de rectificare; 6-conducta de vapori; 7-deflegmator; 8-racitor de aldehide; 9-racitor de alcool rafinat; 10,13-separatoare de ulei de fuzel; 17-felinar de control alcool rafinat; 72-apa; 74-ulei de fuzel; 15-apa de luter.

25

Fig. 9. Instalatie de distilare-rafinare continuaa cu trei coloane (J. CarlGermania): 1- coloana de plamada; 2-coloana de degazare si antrenare a fruntilor; 3, 6, 9-deflegmatoare; 4, 7, 10, 11-racitoare de alcool; 5, 13, 14, 15- felinare de control; 8-frunti; 11-coloana finala; 17-separator de ulei de fuzel; 18-borhot; 19-pompa de borhot.

Fig. 10. Instalatie de distilare - rafinare cu recomprimare de vapori (dupa STARCOSA BMA): 1 - pompa de plamada; 2 - plamada; 3 - coloana de plamada si hidroselectie; 4 - lihid; 5 - vapori; 6, 11 - frunti; 7 - condensator - racitor; 8 - apa de racire; 9 - coloana de rectificare; 10 - coloana de concentrare; 12 - fractiune metanol; 13 - coloana de metanol; 14 - abur de incalzire; 15-condens; 16- alcool neutru; 17-fractiune propanol; 18-uiei de fuzel; 19-apa de luter; 20 -compresor; 21 - borhot.

26

2.4 Alegerea si descrierea schemei tehnologice

Fig. 11. Schema-bloc a fabricarii alcoolului din cereale (procedeu fara fierbere sub presiune DSA). 2.4.1 Receptia cerealelor Recepţia cerealelor se face pe baza condiţiilor de calitate prevăzute de standarde şi norme interne, care sunt indicatori de stabilire a valorii de facturare. Se ţine seama de umiditatea şi conţinutul de corpuri străine a materiei prime, iar conţinutul în amidon, determinat prin metoda polarimetrică, permite evaluarea cantitativă a alcoolului rafinat. Cerealele necesare procesării alcoolului rafinat trebuie să îndeplinească anumite condiţii şi din această cauză se supun unor operaţii de separarea corpurilor străine prin sortare. Operaţia se execută cu instalaţiile de curăţire care sunt amplasate în spaţii separate. Cerealele sunt aduse în secţie cu mijloace de transport calea ferată, autocamioane, tractoare, hipo, fluvial şi recepţionate din punct de vedere cantitativ şi calitativ, conform standardelor şi norme interne. 27

Cerealele se transportă la fabrică cu ajutorul vagoanelor CF. Pentru descărcarea şi depozitarea cerealelor, fabricile sunt dotate cu instalaţii adecvate, iar transportul cerealelor de la o secţie la alta se face cu instalaţiile de transport. Descărcarea cerealelor din mijloacele de transport se face în buncăre sau silozuri tampon de depozitare. Descărcarea cerealelor din mijloacele de transport se face într-un buncăr cu grătar, de unde sunt preluate cu ajutorul unei instalaţii de transport pe verticală (elevatoare) sau instalaţii pneumatice şi conduse într-un silozuri tampon, pentru a fi depozitate. Transportul mecanic se realizează cu elevatoare cu cupe şi şnecuri transportoare, iar instalaţia pneumatică realizează transportul prin aspiraţie şi refulare cerealelor. De aici, cu ajutorul acestor instalaţii cerealele sunt ridicate în partea superioară a staţiei de curăţire, iar prin cădere liberă, sunt trecute prin utilaje de curăţire şi eventual sortare. Recepţia porumbului se face pe baza condiţiilor de calitate prevăzute de standard, în special a umidităţii şi conţinutului de corpuri străine în funcţie de care se stabilişte valoare de facturare. Conţinutul în amidon al porumbului se determină în practică prin metoda polarimetrică, metodă care dă erori în cazul în care porumbul conţine cantităţi mari de zaharuri simple. .(Modoran Dorel, 2004) 2.4.2 Depozitarea cerealelor Depozitele de cereale sunt necesară pentru asigurarea unei producţii continue şi a unei calităţi constante, pe o anumită prioadă. Pentru aceasta, este necesar ca depozitul să aibă o capacitate de stocare de minimum 30 zile de fabricare. Toate cerealele se păstrează în silozuri sau magazii prevăzute cu instalaţii de aerisire, de îndepărtarea dioxidului de carbon şi a apei rezultate din respiraţie. La depozitarea cerealelor se ţine seama: • de umiditatea boabelor; • de temperatura boabelor; • de pierderile de substanţe utile (amidon). Depozitarea în magazii se face sub formă de grămadă de o anumită grosime, având următoarele dezavantaje: • nu se pretează la mecanizarea operaţiilor de însilozare; • nu se pretează la mecanizarea operaţiilor de evacuare; • cerealele nu pot fi compartimentate după criterii calitative. Depozitarea în silozuri din metal sau beton permite o compartimentare riguroasă a cerealelor pe calităţi, prezentând avantajul realizării unei stocări mari, pe o suprafaţă redusă. Silozurilor sunt echipate cu utilaje şi instalaţii aferente operaţiilor tehnologice de descărcare a cerealelor, de transport în interiorul silozului, de sortare, de separare a impurităţilor, aparate de măsură gravimetrice (cântare automate), aparate de măsură volumetrice (aparate de procentaj), instalaţii de desprăfuire etc. Cerealele folosite în industria alcoolului rafinat sunt de cele mai multe ori, de slabă calitate şi de multe ori alterate. De aceea, la depozitarea lor trebuie avut în vedere stoparea alterării astfel ca pierderile în amidon să fie minime. Umiditatea potrivită este de 10-12%, la această valoare, embrionul din bob este în stare latentă, iar pierderile prin respiraţie sunt foarte mici. Este recomandat ca toate cerealele să fie vânturate înainte de înmagazinare, să fie depozitate în strat subţire şi lopătate des, funcţie de umiditatea lor. Se evită creşterea temperaturii din spaţiile de depozitare printr-o aerisire bună. Cerealele prea umede vor fi uscate în prealabil în uscătoare speciale până la o umiditate de 10-12% după care se depozitează. 2.4.3 Transportul cerealelor Transportul cerealelor, de la locul descărcării până la depozitarea temporară se face mecanic. La unităţile mici transportul cerealelor se face în saci. Instalaţiile pentru transportul cerealelor se pot împărţi în: 28

♦ instalaţii pentru transportul pe verticală al cerealelor:  elevatoare; ♦ instalaţii pentru transportul pe orizontală al cerealelor:  transportoare elicoidale;  transportoare cu bandă; ♦ instalaţii pentru transport pneumatic:  prin aspiraţie;  prin refulare. Din buncărul colector, cerealele sunt ridicate de elevator până la partea superioară a clădirii, de unde cad în aparatul pentru curăţirea ţepilor. Apoi, cerealele sunt trecute în separatorul-aspirator, unde se separă corpurile mari, iar praful şi pleava sunt îndepărtate cu ajutorul unor instalaţii de desprăfuire. Cerealele sunt trecute în separatorul magnetic şi în trioare, unde se separă corpurile rotunde. Din trioare, cerealele se conduc în aparatele de sortat unde, cu ajutorul unor site, se separă pe calităţi. Cerealele curăţite se transportă în silozuri, iar deşeurile rezultate în timpul operaţiei de curăţire se depozitează separat. Se obţin astfel, cereale curăţate şi selecţionate, care se poate introduce imediat în secţie. 2.4.4 Precuratirea cerealelor Cerealele se supun operaţiei de precurăţire cu ajutorul separatoarelor-aspiratoare şi a magneţilor, cu aceste utilaje se îndepărtează pleava, nisipul, paiele, pietrişul, corpurile metalice etc. Dacă cerealele sunt foarte murdare, îndepărtarea nisipului, paielor şi prafului aderent se face prin spălare cu apă, după care se cântăresc şi se introduc în mori. Cereala cea mai folosită este porumbul, iar ocazional se mai folosesc secara, grâul, triticale, mei sau orz. 2.4.5 Macinarea cerealelor Măcinarea este o operaţie mecanică cu o importanţă deosebită în transformările care au loc în etapele procesării alcoolului rafinat. Scopul operaţiei este acela de a permiterea enzimelor să acţioneze asupra componentelor cerealelor, în timpul fierberii şi zaharificării. Măcinarea influenţează: • randamentul în extract; • timpul de fierbere şi zaharificare; • calitatea plămezii; • viteza de fermentare a plămezii. Randamentul în extract depinde de fragmentele rezultate la măcinare, care este influenţat de tărâţele rezultate. Rolul cojilor este acela de a afâna plămada, de a permite o scurgere uşoară şi rapidă a plămezii dulci. Măcinarea cerealelor este o operaţie mecanică care constă în mărunţirea boabelor de cereale în particule mici, în vederea măririi suprafeţei particulelor de contact dintre enzime şi componentele cerealelor. Cu ajutorul apei se obţine o soluţie din care componentele solubile preexistente în materia primă, sunt transformate de enzimelor în componente fermentescibile. Gradul de mărunţire permite obţinerea unor fracţiuni de dimensiuni diferite, cu însuşiri mecanice diferite şi care vor genera grade de solubilizare diferite. În urma măcinării bobului se obţin componente ale cojii şi ale bobului: • coaja este formată din celuloză(cu însuşiri elastice), compuşi polifenolici(substanţe cu gust amar), substanţe colorante şi substanţe minerale(cu influenţe minore); • corpul bobului sau endospermul conţine componentele care formează extractului mustului. Este indicată o mărunţire fină a bobului, pentru ca în procesul de extracţie să se realizeze o suprafaţă mai mare de contact dintre 29

măcinătură şi apă. Particulele fine conţin cantităţi mari de extract care se spală şi se epuiză greu. Gradul de mărunţire determină solubilizarea bobului astfel: • când corpul bobului este afânat şi se realizează o mărunţire mare, solubilizarea este avansată; • când corpul bobului nu este afânat şi se realizează o măcinare avansată, solubilizarea este slabă; • dezintegrarea completă a endospermului permite un contact mai bun cu enzimele, în operaţiile de fierbere şi zaharificare; • cantitate mică de făină fină previne formarea de cocoloaşe la fierbere şi zaharificare. Prin măcinare bobului se obţine o anumită mărime a particulelor componente. Coaja bobului nu trebuie să fie mărunţită prea mult, pentru a permite formarea unui strat afânat de plămadă în cazanul de fierbere, iar datorează elasticităţii cojii de cereale să permită eliminarea uşoară a plămezii. Endospermul bobului trebuie bine măcinat deoarece acesta conţine un procent ridicat de amidon. Se ştie că solubilizarea componentelor din bob se realizează diferit, din exterior spre interior şi de la bază spre vârf. Acest lucru se datorează diferitelor tipuri de măcinări, care au diferite mărimi şi din care se obţin diferite randamente de extracţie. (D. Motoc,1962) Tipul de măcinare permit obţinerea unor substanţe care se dizolvă molecular sau coloidal şi care sunt principalele componente chimice ale plămezii: • partea solubilizată este măcinată mai uşor, fiind formată din particule fine şi medii, care se solubilizează şi hidrolizează în timpul fierberii şi zaharificării. • partea slab solubilizată formată din particule mari, grişuri mari, este măcinată mai greu şi necesită un tratament termice speciale. Procedeele de prelucrare indică o mărunţire a materiei prime, astfel încât să se obţină randamente maxime în alcool, cu un consum minim de energie. Pentru obţinerea unui randament mare în extract, este nevoie de o măcinare fină. Se realizează o extracţie uşoară a substanţelor, dar se facilitează şi extragerea compuşilor nedoriţi cum ar fi β-glucanii, pentozanii, polifenolii şi lipidele. Componenţi nedoriţi cauzează următoarele neajunsuri: • creşterea vâscozităţii plămezii dulci datorat β-glucanilor şi pentozanilor; • dificultăţi la trecerea prin conducte a plămezii dulci datorate β-glucanilor şi pentozanilor; • scăderea stabilităţii coloidale a plămezii dulci datorat β-glucanilor, pentozanilor şi polifenolilor. Apar mai multe situaţii: • măcinarea care conduce la obţinerea de grişuri şi făinuri fine asigură o fierbere şi zaharificare bună, plămada dulce se transportă greu, are un conţinut ridicat în extract şi un grad de fermentare mare; • măcinarea care conduce la grişuri mari, nu asigură o fierbere şi zaharificare bună a plămezii, plămada se transportă uşor, un randamentul în extract redus şi este greu fermentescibilă. Tipul măcinişului determină volumul plămezii şi structura acestuia, respectiv înălţimea acestuia din cazanul de fierbere şi zaharificare. Un măciniş grosier formează o plămadă voluminoasă, cu o structură afânată, care favorizează tansportul acesteia, în timp ce un măciniş fin conduce la o plămadă puţin voluminoasă, compactă, care îngreunează tansportul acesteia. Măcinătura de cereale trebuie să aibă următoarele proprietăţi: • să nu conţină boabe întregi; • coaja să fie intactă; 30

• coaja să nu adere la endosperm; • particulele de endosperm să fie uniforme ca mărime; • particulele de făină foarte fine să fie reduse. Dintre factorii care determină alegerea tipului de măcinare, gradul de solubilizare al endospermului influenţează dimensiunile particulelor măcinăturii, în sensul că: • un endosperm bine solubilizat are o rezistenţă redusă la măcinare, iar acesta devine friabilă şi afânată, se obţin grişuri fine care se vor solubiliza bine; • un endosperm solubilizat necorespunzător va fi mai tare, greu de măcinat, se obţin grişuri grosiere, care se solubilizează greu, iar randamentul în extract este mai redus. La alegerea procedeului de măcinare se are în vedere: • umiditatea cerealei supuse măcinării; • mărimea şi uniformitatea boabelor de cereale; • modificările care au avut loc la plămădire; • metoda de fierbere şi zaharificare folosită. Pentru mărunţirea cerealelor se folosesc trei procedee: • măcinare uscată; • măcinare umedă; • măcinare uscată şi umedă (în două trepte). 2.4.5.1 Macinarea uscata Se realizează cu o condiţionare care se aplică pentru a se evita o mărunţire prea fină a cojii cerealei, care ar duce la îngreunarea transportului plămezii fierte. Prin condiţionarea cu apă sau abur, umiditatea cerealei creşte cu 0,1% ceea ce determină o mărire a elasticităţii cojii şi măcinarea în fragmente mai mari. Absorbţia apei în cereală este neuniform, în sensul că umiditatea cojilor creşte cu 1,5-1,7%, iar cea a endospermului doar cu 0,3-0,5%, evitându-se lipirea acesteia de valţuri. Măcinarea uscată fără condiţionare prezintă următoarele dezavantaje: • se formează mult praf; • prezintă pericol de explozie; • se formează cocoloaşe la fierbere. Morile pentru măcinarea uscată a cerealelor au două, rifluite, cu viteze de rotaţie egale, se rotesc în sens contrar şi se folosesc în unităţile de capacitate mică. Moara este prevăzută cu o pâlnie de alimentare, cu valţuri care au rifluri mari şi jgheaburi pentru recoltarea măcinăturii. Cerealele sunt lăsate să cadă între valţuri de unde rezultă coji, grişuri foarte mari, grişuri mici, făină şi pudră. Măcinişul conţine: 30% tegumente, 50% grişuri şi 20% făinuri. Alimentarea se execută uniform, la 160-180 rot/minut şi se obţin 15-20 kg măciniş pe 250 mm lungime de valţ şi oră. (Banu Constantin, 2002) 2.4.5.2 Macinarea umeda Se realizeaza cu ajutorul unor mori speciale cu ciocane, alimentate cu cereale, apa de plamadire si enzime de fluidificare. Firma Westphal (Germania) a patentat un procedeu care se bazeaza pe folosirea unei mori cu ciocane fixe si a unei site cu orificii mai mari, avand o constructie speciala care permite reducerea consumului de energie electrica pentru macinare. Pentru macinarea umeda se mai folosesc morile produse de firmele Alex Faller si Cramer (Germania). In comparatie cu macinarea uscata, macinarea umeda prezinta avantajul ca nu se formeaza praf si cocoloase; acest procedeu se preteaza si pentru maruntirea cerealelor cu umiditate ridicata, conservate in silozuri ermetice. Necesarul de energie electrica este insa destul de ridicat, de circa 30 kWh/t cereale. 2.4.5.3 Macinarea uscata si umeda

31

Se realizează cu ajutorul unor mori cu ciocane care mărunţeşte materia primă, făina rezultată este amestecată cu apă, fiartă şi zaharificată după care este trecută printr-o moara cu discuri pentru omogenizare. Utilajele folosite la măcinarea cerealelor sunt grupate în funcţie de umiditatea cerealei.

Fig 12 Moară cu ciocane 1-gură de alimentare; 2-axul; 3-ciocănele zimţate; 4-suprafaţa rifluită; 5-sită; 6-colector; 7-pompă; 8-rezervor de colectare. 2.4.6 Obtinerea plamezii dulci Amidonul conţinut de materiile prime amidonoase este atacat de amilazele din preparatele enzimatice, după o gelificare a amidonului (cleificare) şi solubilizarea în mediului. Aceste transformări se realizează în fierbătoare şi zaharificatoare, sub presiune. Dintre cereale, doar secara şi grâul se pot solubiliza şi zaharifica parţial la 55-57°C fără o fierbere sub presiune, deoarece aceste cereale conţin o cantitate mare de amiloză. Cartofii şi porumbul nu sunt bogate în aceste enzime, deci ele vor fi supuse fierberii şi zaharificării sub presiune, în prezenţa unor preparate enzimatice. Plămada dulce principală se obţine din materii prime amidonoase, prin diferite operaţii care au drept scop aducerea amidonului din starea insolubilă în starea solubilă. Aceste este transformat de sistemul enzimatic adăugat, în zaharuri simple, care apoi sunt transformate în alcool etilic de către cuibul de drojdii. Prima etapă a procesării constă în dezagregarea materiilor prime prin fierbere sub presiune şi zaharificarea amidonului pe cale biochimică, sub acţiunea diastazei din preparatele microbiene. Astfel, se ajunge la maltoză, în proporţie de 80% şi dextrine, în proporţie de 20%. Plămada se îmbogăţeşte în produse azotate provenite prin descompunerea proteinelor, sub acţiunea enzimelor proteolitice din preparatele microbiene. Ele sunt hrana drojdiilor care fermentează zahărul din plămada principală. A doua etapă este fermentarea plămezii dulci. Din zaharificarea amidonului rezultă maltoza, care sub acţiunea diastazei, este transformată în alcool etilic şi dioxid de carbon. Drojdiile, în prima etapă hidrolizează maltoza, în două molecule de glucoză, prin intermediul maltazei. Fermentaţia poate dura 72 ore şi parcurge trei faze: • faza iniţială, are loc înmulţirea drojdiilor; • faza tumultuoasă, are loc hidroliza maltozei urmată de fermentarea completă a amidonului; • faza finală, are loc fermentarea dextrinelor formate la zaharificarea amidonului. Plămada fermentată conţine 10-12% vol. alcool şi este supusă procesului de distilare. Distilarea se face în aparate de distilat cu coloane, rezultând alcool brut, cu o concentraţie de peste 80% vol. alcool. Acesta este supus unei distilări fracţionate speciale, numită rafinare, pentru separarea impurităţilor. .(Modoran Dorel, 2004) 32

În urma rafinării se obţin trei fracţiuni: • frunţi sau cap de distilare, conţine impurităţile mai volatile decât alcoolul etilic; • mijlocul distilării, format din alcool etilic de 97,2% vol. alcool; • cozi de distilare, formate din impurităţi cu puncte de fierbere mai ridicate decât a alcoolului etilic. Din aceste impurităţi se separă uleiul de fuzel compus din alcooli superiori. • 2.4.6.1 Procesul de fierbere Gelificarea amidonului se face prin îmbibare cu apă şi încălzirea la temperatura de gelificare, care se alege în funcţie de felul amidonului: • pentru amidon din cartofi temperatura de gelificare este de 65°C; • pentru amidonul din porumb temperatura de gelificare este de 75°C; • pentru amidonul din grâu, temperatura de gelificare este de 7980°C; • pentru amidonul din orez şi orz, temperatura de gelificare este de 80°C. Chiar dacă temperatura de gelificare şi timpul de fierbere este de 1-2 ore, nu se poate realiza o solubilizare completă a amidonului. Odată cu ridicarea temperaturii la 100°C, prin fierberea şi zaharificarea sub presiune, are loc eliberarea granulelor de amidon din celule, gelificarea şi solubilizarea amidonului, care poate fi atacat de amilază. În timpul fierberii şi zaharificării, hemicelulozele din pereţii celulari suferă şi o serie de transformări. Proteinele sunt coagulate, iar la 100°C sunt solubilizate şi parţial hidrolizate, obţinându-se fracţiuni proteice şi o cantitate redusă de aminoacizi. Din reacţiile dintre zaharurile simple şi aminoacizi, la temperaturi ridicate, se formează substanţe melanoidinice, iar prin condensarea zaharurilor simple şi eliminarea apei, se obţine caramelul. Melanoidinele şi caramelul sunt substanţe nefermentescibile, iar formarea lor este nedorită deoarece sunt antiseptice pentru drojdii. Pentru evitarea acestor neajunsuri procesul se va conduce, ca durată şi presiune, astfel încât să se obţină o cantitate minimă din melanoidine şi caramel, dar să nu rămână nici amidon negelificat. Amidonul din cereale sau tubercule se prezintă sub formă de granule microscopice, care au forma, dimensiunea şi structura variabilă după specia de plantă. Din punctul de vedere al formei, granulele de amidon au dimensiuni variabile de la 1 până la 150 μ. Granulele de amidonului din porumb(fig.13.a) sunt de formă poliedrică, cu nucleul dispus central, având pe suprafaţă linii radiale şi dimensiunile granulelor cuprinse între 10 şi 30μ. Forma granulelor de amidon din grâu(fig.13.b) este aproape sferică, rareori poliedrică, granulele de dimensiuni mai mari, cuprinse între 5 şi 50μ, lenticulare. Granulele de amidon din cartofi(fig.13.c) au o formă ovoidă, asemănătoare cu o scoică şi au dimensiuni mari cuprinse între 1 şi 120μ. Din punct de vedere structural, amidonul este format prin unirea unui număr de molecule de glucoză (C6H10O5)n, alcătuit din doi componenţi şi nu este o substanţă omogenă. Deosebirea dintre cei doi componenţi, amiloza şi amilopectina, este de ordin structural, de felul cum sunt alcătuite moleculele rezultate prin condensarea mai multor molecule de glucoza.

33

Fig.13 Granule de amidon: a-amidon de porumb; b - amidon de grâu; c – amidon de cartofi. Amiloza (fig.14) este formată din unirea a circa 60-300 de molecule de glucoza, angajate liniar sau în formă de spirală, asemănătoare granulelor de amidon. Este solubilă în apa caldă, dau soluţii coloidale opalescente, fără a se cleifica şi reacţionează cu iodul dând o coloraţie albastră. Prin hidroliză, sub acţiunea amilazei, amiloza este scindată în molecule de maltoză.

Fig.14 Catene liniare de amiloză a-structura chimică; b-reprezentare schematică. Amilopectina (fig.15) are molecula formată din unirea a circa 300-6000 molecule de glucoză. Molecula amilopectinei este ramificată, formată dintr-un lanţ continuu, pe care sunt prinse lanţuri laterale scurte, de amiloză, care se găseşte la suprafaţa grăunţelor de amidon. În apa caldă, amilopectina se gelifică, formând un clei, iar cu o soluţie de iod, dă o coloraţie violetă. Vâscozitatea masei fierte de cereale şi cartofi, înainte de zaharificare, se datoreşte amilopectinei. Prin hidroliză, sub acţiunea amilazei, amilopectina este scindată într-o cantitate redusă de maltoză şi o cantitate mare de dextrine. Amidonul în contact cu apa caldă formează o masă gelatinoasă(cleiul de amidon), iar temperatura de formare a cleiului de amidon depinde de felul granulelor de amidon. Cleiul de amidon se fluidifică la 120oC, sub presiune şi rămâne în stare fluidă chiar şi după răcire. În stare 34

fluidă, la temperatura 55-60oC, cleiul de amidon, sub acţiunea diastazei din preparatul enzimatic, se solubilizează şi se zaharifică.

Fig.15. Catenă ramificată de amilopectină a-structura chimică; b-structura schematică. Amidonul în contact cu apa caldă formează o masă gelatinoasă(cleiul de amidon), iar temperatura de formare a cleiului de amidon depinde de felul granulelor de amidon. Cleiul de amidon se fluidifică la 120oC, sub presiune şi rămâne în stare fluidă chiar şi după răcire. Proporţia între amiloză şi amilopectina din amidonul diferitelor materii prime este între 1 şi 4, după cum rezultă din tabelul 4. Table 4

Provenienţa amidonului Amidon de porumb Amidon de cartof Amidon de grâu

Amiloză % 23 18 20

Amilopectină % 77 82 80

În funcţie de calitatea şi felul materiei prime, fierberea are regimuri diferite ca durată, temperatură, presiune, cantitate de apă adăugată şi de modul introduceri aburului în plămadă.Pentru gelificarea completă a amidonului este necesar ca în timpul fierberii să existe suficientă apă pentru a se evita formarea melanoidinelor şi a caramelului. La stabilirea cantităţii de apă se ţine seama de concentraţia extractului plămezii dulci pe care dorim să-l obţinem, astfel în cazul cerealelor, aburul se introduce numai pe la partea inferioară a fierbătorului, permiţând o mai bună omogenizare a plămezii. Operaţia de fierbere decurge în două etape: • încălzirea plămezii până la temperatura de fierbere; • menţinerea plămezii la temperatura de fierbere. 35

Este recomandat ca la prelucrarea cartofilor şi a cerealelor întregi, încălzirea produsului până la temperatura de fierbere să se facă mai lent, iar presiunea şi temperatura de plămădire, să se menţină un timp scurt. Fierberea clasică cuprinde următoarele etape: • introducerea apei calde rezultată de la răcirea plămezii din zaharificator, în fierbător, funcţie de calitatea materiei prime şi introducerea aburului până aproape de fierbere; • închiderea ermetică a gurii de încărcare şi introducerea aburului pe la partea inferioară a aparatului, lăsând ventilul de aer parţial deschis, se ridică treptat presiunea la 3 atm, la 3,5 atm şi la 4 atm, unde se menţine timp de 30 minute; • oprirea admisiei de abur, deschiderea capacului fierbătorului, iar prin trecerea de la presiunea de fierbere, la presiunea atmosferică se realizează implozia cerealelor şi a cartofilor, se obţine o plămadă uniformă, apoi se goleşte brusc fierbătorul. Scopul operaţiei este acela de obţinerea unei plămezi omogene în care amidonul este gelificat şi să poată fi degradat de preparatele enzimatice, în operaţia de zaharificare. Obţinerea unei plămezi omogene, în care amidonul se găseşte sub formă de gel, se realizează prin procedeu de dispersie, cu ajutorul aparatelor de dispersie. Dispersia hidrocoloizilor în apă conduce la sisteme cu proprietăţi reologice diferite. Principala diferenţă este prezenţa particulelor umflate în suspensie din faza lichidă, rezultând acest “microgel” prin agregarea lanţurilor macromoleculare. Dispersia amidonului este cel mai bun exemplu . Insolubilitatea amidonului în stare naturală se explică prin prezenţa unei organizări semicristaline în granulele de amidon. După dispersie în apa rece, granulele prezintă o uşoară capacitate de umflare şi de absorbţie a apei în partea amorfă. Sub influenţa căldurii, granulele vor absorbi apa (de 5-50 ori) şi o parte din conţinutul lor(amiloza) se va solubiliza, fenomen care provoacă creşterea vâscozităţii aparente a suspensiei de amidon. Aceste transformări pot fi urmate de dispariţia stării cristaline şi de gelatinizarea endotermă. Amidonul este întotdeauna considerat un amestec de granule umflate, fragmente şi macromolecule dispersate care sunt difuzate în afara granulelor. La o concentraţie de 2-6% (conform originii botanice), amidonul prezintă un comportament tixotropic reofluidizant. Interpretarea reologică a acestor sisteme necesită cunoaşterea a patru elemente: • fracţia volumică a componentelor macromoleculare; • proprietăţile sistemului vâscoelastic; • proprietăţile reologice ale fazei continue (soluţia macro moleculară); • interacţiunile dintre cele două faze. Această complexitate a fost semnalată de numeroşi autori (Bagley şi Christianson, 1982; Launnaz şi Kane, 1984) care au propus simplificarea modelelor. Amidonul este utilizat pentru proprietăţile sale gelifiante. Studiile au constatat că caracterizarea texturii, opalescenţei, sinerezei gelului depind de originea botanică. În această lucrare, atenţia este concentrată asupra cunoaşterii structurii fizico-chimice ale gelurilor. Gelificarea amidonului se bazează pe comportamentul amilozei şi amilopectinei în soluţie. În timp ce ceilalţi gelifianţi prezintă totdeauna o solubilitate foarte bună, amiloza şi amilopectina nu sunt stabile în soluţie la temperaturi sub 60°C. Soluţiile se separă în două faze: • fază bogată în polimeri umflaţi într-un solvent; • fază constituită din solvent, săracă în polimeri. Fenomen de separare stă la baza gelificării componenţilor amidonului. Gelificarea amilozei se realizează în trei etape: • separarea fazelor fenomen rapid, care poate dura câteva minute pentru o soluţie de 20% s.u., mediul devine opalescent şi un comportament vâscoelastic, diferit 36

de al fluidelor vâscoase, concentraţia critică este 1,5%, iar separarea fazelor conduce la formarea unui precipitat; • cristalizarea amilozei în faza bogată de polimeri, fenomenul se realizează printr-o creştere lentă a cristalinităţii gelului şi apariţia unei “fuziuni” endoterme ale acestor cristale, la o temperatură de peste 160°C, zonele de joncţiune dintre macromolecule este formată din zone cristaline, iar segmenţi de lanţ sunt stivuiţi în conformaţii elicoidale, fracţiunea cristalină a gelului este constituită din policolozide liniari cu un grad de polimerizare mediu de 45-50; • sinereza are loc prin evaporarea apei şi apare dacă uscarea este rapidă. Amilopectina gelifică după regulile fizico-chimice ale polizaharidelor , iar structura ramificată induce o dinamică a apariţiei mult mai mică (apariţia turbidităţii după 4-5 zile, iar cristalizarea maxim după 45 zile) cu o concentraţie critică mai ridicată (10 până la 15%). Cristalele sunt formate din lanţuri exterioare de amilopectină care sunt dispuse în ciorchine, iar lungime acestora explică temperatura scăzută necesară fuziunii cristalelor(50-60°C). Amidonul este considerat un ansamblu, care are o structură eterogenă formată din granule de amidon umflate (bogate în amilopectină), imersate într-o soluţie macromoleculară bogată în amiloză. În timpul răcirii, amidonul formează un “gel” dispersat de particule bogate în amilopectină, inserate într-un gel de amidon. Proprietăţile sale sunt: • vâscoelasticitatea gelului, care depinde de concentraţia în amiloză, există o corelaţie directă între conţinutul în amiloză al amidonului şi consistenţa amidonului obţinut; • rigiditatea fazei solide, cu cât granulele de amidon sunt mai puţin umflate, cu atât sunt mai rigide şi efectul lor în consolidarea gelului de amidon va fi mai important. Evoluţia gelului de amidon cuprinde două faze: • prima fază este rapidă, corespunzătoare gelificării amilozei şi este ireversibilă, la o temperatură mai mică de 140°C; • a doua fază este lentă, corespunzătoare recristalizării amilopectinei şi reversibilă la o temperatură de 90°C. Factorii care influenţează cinetica retogradării amidonului sunt: • originea botanică a amidonului, adică conţinutul în amiloză; • temperatura depozitării amidonului, optimul pentru viteza şi intensitatea retrogradării este temperatura de 0°C. Temperatura de gelificare a gelului retrogradat este proporţională cu temperatura de recristalizare; • conţinutul în apă, gelul care conţine 30-60% apă care se descompune repede; • prezenţa lipidelor complexe (acizi graşi, monogliceride) induc apariţia complexului amilozolipidic; • tehnologia preparării gelului, dispersia amidonului induce o distribuţie diferită a amilozei şi amilopectinei, deci structuri diferite a gelurilor. Factorii care influenţează formarea sistemelor disperse sunt: • natura, dimensiunea şi forma particulelor dispersate; • volumul mediului de dispersie din sistem (umiditatea plămezii); • compoziţia mediului de dispersie (natura şi concentraţia substanţelor solubilizate); • tăria legăturilor dintre mediul de dispersie şi particulele dispersate (capacitatea amidonului de a lega apa); • tăria legăturilor dintre particulele dispersate. Prin dispersie se înţelege distribuţia unei faze discontinue în faza înconjurătoare continuă, faze care nu sunt miscibile. Prin dispersie se obţin emulsii stabile şi depozitabile, emulsii care nu pot fi obţinute printr-o simplă agitare. Prin agitare se poate obţine un amestec omogen temporar, 37

datorită forţelor Van der Waals, separarea are loc în scurt timp, ca în cazul amestecului ulei-apă. Motivul acestei lipse a omogenităţii este că forţele create de agitator nu realizează o distribuţie uniformă şi fină a picăturilor şi particulelor. Aparatele de dispersie produc forţe necesare producerii emulsiilor şi suspensiilor stabile în timpul procesului tehnologic. Dispersoarele au sisteme de mărunţire formate din stator şi rotor, distanţa dintre cele două organe putând fi modificată după dorinţă. Atât rotorul cât şi statorul sunt prevăzute cu dinţi de măcinare care execută operaţii de tăiere, frecare, omogenizare şi transport. Mărunţirea în dispersoare are la bază fenomenul creării unor oscilaţii elastice de înaltă frecvenţă, iar frecvenţa oscilaţiilor cresc spre baza capului de mărunţire. Mărimea frecvenţei şi amplitudinea oscilaţiei este proporţională cu frecvenţa şi adâncimea danturii etajului de mărunţire, precum şi cu turaţia rotorului. Aceste oscilaţii de înaltă frecvenţă (de ordinul zecilor de kHz) provoacă fenomenul de dezintegrare a materiei prime în particule coloidale. Calitatea materiei rezultate se reglează prin acţionarea piuliţelor de reglare care ridică, respectiv coboară statorul în alezajul carcasei de alimentare, mărind, respectiv micşorând spaţiul dintre rotor şi stator. Reglajul poate fi utilizat şi în cazul uzurii danturii rotorului şi statorului pentru a reface mărimea corectă a spaţiului dintre rotor şi stator. Problemele nu apar după dezintegrarea materiei în particule de 1 µm, iar stabilitatea, controlul mediului fizic şi conducerea stării dispersate a materiei este constantă. Aparatele de dispersie cu rotor-stator sunt produse de IKAWerke GMBH (Germania), de tipul Ultra-Turrax şi Dispax-Reactor. Dispersoarele lucrează discontinuu sau continuu, existând variante de aparate pentru mediu steril. Dispersoarele discontinue sunt disponibile în trei serii UTC, UTS şi UTE şi pot fi folosite în cadrul operaţiilor de emusifiere, omogenizare, dizolvare moleculară-coloidală, extracţie, precipitare etc. În cadrul seriei UTS motorul electric este legat de generator prin intermediul unei flanşe, pot fi folosite în cazul proceselor sub presiune, în poziţie verticală. Părţile generatorului sunt realizate din aluminiu (fig. 16).

Fig.16. Generator de dispersie Dispersoarele continue sunt disponibile în două serii: cu o singură treaptă de dispersie sau cu trei trepte de dispersie. Pentru aceste dispersoare există zece modele de generatoare funcţie de domeniul de utilizare, aparatele sunt echipate cu încălzitoare sau răcitoare, iar părţile care vin în contact cu produsul sunt confecţionate din oţel Cr-Ni. Cu acest aparat se obţin particule cu dimensiuni mai mici de 5µm, funcţie de tipul de dispersor folosit. În fig. 17 este prezentat efectul dispersiei asupra dimensiunii particulelor.

38

Fig.17. Efectul dispersiei asupra dimensiunii particulelor Fierberea porumbului este diferenţiat, în funcţie de starea în care se găseşte porumbul, cel sănătos se fierbe la o presiune mai ridicată decât cel degradat parţial. La fierberea porumbului uscat se adaugă mai multă apă decât la porumbul cu umiditate ridicat, regimul de fierbere este influenţat de procentul de boabe sparte şi se realizează astfel: • se introduce în fierbător, apă caldă rezultată de la răcirea plămezii în zaharificator, în proporţie de 280-300 l pentru 100 kg porumb, după care se introduce abur până aproape de fierbere; • se închide ermetic gura de încărcare şi se introduce abur pe la partea inferioară a aparatului, lăsând ventilul de aer parţial deschis, se ridică presiunea treptat la 3 atm. şi se menţine timp de 60 minute, la 3,5 atm. şi se menţine timp de 30 minute şi apoi la 4 atm. unde se menţine timp de 30 minute; • se goleşte brusc fierbătorul, prin trecerea de la presiunea de fierbere la cea atmosferică se realizează o implozie a boabelor şi se obţine un terci uniform. La fierbere, este indicat folosirea apei calde provine din altă operaţie a procesului tehnologic. În secţiile la care se lucrează cu doua zaharificatoare în paralel, apa caldă rezultă de la răcirea masei fierte provenite de la o baterie de fierbătoare recent golită şi se folosesc pentru a doua baterie de fierbătoare pregătită. Folosirea apei calde la fierbere are mai multe avantaje, care constă în economii de căldură, de apă, în reducerea gradului de încărcare a canalizării etc. După introducerea apei în orificiul de admisie al plămăditorului, se fixează conducta rabatabilă a buncărului cu porumb cântărit, iar prin deschiderea şuberului, porumbul trece în plămăditor. Se închide gura de admisie, se deschide 1/4 ventilul conductei de aerisire şi se admite aburul în fierbător. Durată de fierbere durează două ore, în primele 60 minute, presiunea se ridică la 3 atm, în următoarele 30 minute, la 3 1/2 atm, iar în ultima jumătate de oră la 4 atm. Cu circa 10 minute înainte de finalizarea fierberii, se prelevă o probă, din care o porţiune se pune pe o sita şi se spală cu apă rece. Dacă cojile rămase pe sită sunt transparente şi lipsite de resturi de amidon, fierberea s-a terminat şi se procedează la descărcarea fierbătorului. (Banu Constantin, 2002) La fierberea porumbului cu un conţinut ridicat de umiditate, se foloseşte o cantitate mai reduse de apă. Cantitatea de apă folosită pentru 100 kg porumb de diferite umidităţi este cuprinsă între 260 l, pentru porumb cu 26% umiditate, până la 300 l pentru porumb cu 14% umiditate. Fierberea porumbului degradat sau cu procent ridicat de spărturi se efectuează la o presiune mai redusă, deoarece acesta conţine un procent ridicat de zaharuri, care la presiune ridicată duce la formarea de melanoidine şi caramel. Din aceea, presiunea maximă de fierbere este de 3,5 atm. timp de 2 ore (1 oră până la atingerea presiunii de 2,5 atm., 1/2 oră până la 3 atm. şi 1/2 oră la 3,5 atm.). 39

2.4.6.2 Procesul de zaharificare Operaţia se numeşte şi plămădire în care amidonul e transformat în zaharuri fermentescibile de către drojdii.Zaharificarea se realizează la 55-62°C ,în vederea eliminării infecţiilor microorganismelor termifile. De asemenea,se poate efectua zaharificarea şi la 55°C,în prezenţa formaldehidei ca dezinfectant. pH-ul trebuie să fie cuprins între 5,3-5,7.Dacă este mai scăzut de 5,3 se va adăuga lapte de var ,iar dacă depăşeşte 5,8 aciditatea se corectează cu H 2 SO 4 . În vederea evitării infecţiei cu microorganisme străine se execută o spălare şi o dezinfecţie a zaharificatorului.De asemenea se dezinfectează şi traseele de plămadă dulce ,inclusiv pompa de plămadă . Dezinfecţia se face cu formaldehidă 0,02%. După zaharificare,o parte din plămada dulce( 5-10 %), este trecută într-un vas unde se introduce şi drojdia în vederea preparării plămezii de drojdie prefermentate. Întreaga cantitate de plămadă dulce este răcită la 30°C ,peste care vom adăuga plămada de drojdie prefermentată. Se continuă răcirea plămezii până la 18-20°C,după care se pompează în linurile de fermentare . În urma zaharificării ,se obţine o plămadă dulce de 22 °Bllg. Prin adăugarea plămezii de drojdie concentraţia acestora scade aproximativ cu 2°Bllg. Conducerea zaharificării va ţine cont de : -temperatura optimă a amilazelor adăugate -termorezistenţele amilazelor folosite -pH-ul optim pentru enzimele utilizate -combaterea infecţiilor cu bacterii -simplificarea procedurilor Zaharificarea se controleaza cu ajutorul urmatoarelor elemente: -grdul de zaharificare -coeficentul caltativ al plamezi si gradul Balling -aciditatea si ph-ul plamezi dulci -controlul microbiologic Gradul de zaharificare se face cu ajutorul slutiei Lugol si se controleaza atat rezidul cat si filtratul limpede obtinut dintr-o cantitate de plamada;rezidul trebuie sad ea o coloratie rosiatica,iar filtratul trebuie sa aibe o culoare galbena deschis si un gust dulce,nu da coloratie cu solutia Lugol. Extractul plamezi se determina cu ajutorul zaharometrului Balling. Coeficientul calitativ al plamezi reprezinta procentul de zaharuri fermentscibile din extractul plamezi, avand aceleasi semnificatii cu gradul final al fermentatiei utilizat in industria berii. -pentru grau este de 89-90% Aciditatea plamezi se exprima in grade Delbrucki (D) ce reprezinta ml de NaOH 0,1n necesari neutralizari acizilor din 20 ml plamada.Prin insamantare cu drojdii , aciditatea plamezii cerste cu 0,1 D Ph-ul este cuprins intre 5,3-5,7 Puterea amilolitica a lamezii dulci se face pentru a cunoaste proportia de amilaze necesare din faza de secundara de zaharificare.Controlul microbiologic se face in vederea depistari unor eventuale infectii. 2.4.6.3 Pregatirea drojdiei pentru fermentare Atât plămada dulce din materii prime amidonoase cât şi melasa sunt supuse procesului de fermentare cu ajutorul drojdiilor . Acestea transformă zahărul din plămadă cu ajutorul complexului enzimatic în alcool etilic şi CO 2 . Se lucrează cu culturi pure ,plecând de la o singură celulă de drojdie care se multiplică în condiţii sterile în două faze : a)in faza de laborator b)în faza din secţia de culturi pure Se obţine astfel o cantitate suficientă de plămadă (cuib ) de drojdie,necesar însemânţării plămezii dulci principale sau a melasei. De regulă se folosesc drojdii de fermentaţie superioară din specia Saacharomyces cerevisiae ,cu putere alcooligenă ridicată ,ce sunt capabile să transforme 40

repede şi complet zahărul fermentescibil în alcool etilic şi să îl poată suporta în concentraţii ridicate de 10-12 % volum. Drojdia trebuie să se acomedeze la plămezi acide ,să fermenteze la 28-30 °C. Ea trebuie să formeze o cantitate redusă de spumă ,în vederea folosirii la maxim a capacităţii specifice de fermentare. Dintre factorii care influenţează activitatea fermentativă a drojdiei amintim: a)compoziţia plămezii-se asigură necesarul de substanţe nutritive pentru drojdii (zaharuri ,aminoacizi, substanţe minerale ,vitamine). În cazul melasei se vor adăuga substanţe minerale şi vitamine , b)concentraţia plămezii normale este de 14-15 °Bllg,dar pentru economisirea spaţiului de fermentare se lucrează cu concentraţii de 18-19°Bllg. c)temperature-optimul este de 30-35 °C,dar în practică se conduce la temperaturi mai scăzute de 28-30°C din cauta pericolului de infecţie cu microorganisme străine şi pierderi de alcool prin evaporare. d)aciditatea plămezii-în unele cazuri opreşte complet dezvoltarea bacteriilor din cauza înmulţirii şi activităţii fermentative intense a drojdiilor . La pH-ul de 3,3-3,5 prin adăugare de acizi drojdiile suportă mai bine acizii organici (acid lactic )decât acizii anorganici (H 2 SO 4 ) e)alcoolul acumulat în plămadă dacă este în jur de 4-5 % volum încetineşte înmulţirea drojdiilor , dar activitatea fermentescibilă a drojdiei poate avea loc la 15 % volum. f)aerisirea plămezii permite procesul de multiplicare a drojdiei. În industria spirtului acest lucru nu se efectuează decât când se foloseşte ca materie primă melasa . g)amestecarea plămezii favorizează nutriţia drojdiilor ce vin în contact cu noi cantităţi de substanţe nutritive . Prin degajarea de CO 2 din timpul fermentaţiei are loc o convecţie naturală a mediului ,deci nu este necesară o amestecare specială. Prin aerisire se asigură şi maestecarea plămezii. 2.4.7 Fermentarea plamezii principale Reprezintă cea mai importantă operaţie a procesului tehnologic. La fermentarea plămezii din cereale se impun următoarele condiţii: -este necesară folosirea unor drojdii viguroase cu o putere de fermentare ridicată şi libere de infecţii bacteriene -fermentarea trebuie să fie condusă la temperatură şi concentraţii optime -la finele fermentaţiei să obţinem un grad cât mai ridicat de fermentare apropiat de cel final. De regulă procesul de fermentare durează 72 de ore .Se disting 3 faze: a)faza iniţială -22 ore b)faza prinipală (tumultuoasă )-18 ore c)faza finală-32 ore  În această fază are loc multiplicarea celulelor de drojdie şi transformarea maltozei în alcool şi CO 2 în proporţie de 45%. Din zahăr 5% se consumă pentru satisfacerea necesităţilor energetice ale drojdiilor din procesul de respiraţie.Oxigenul înglobat în plămada dulce acumulat la zaharificare este suficient pentru tot procesul de respiraţie. Adesea plămada principală are o aciditate mai scăzută de 0,2-0,4,celulele de drojdie se înmulţesc mai rapid formând alcool în proporţie de 5%,după care încetează înmulţirea drojdiilor. Temperatura iniţială a plămezii este de 18-20°C, după care odată însemânţat mediu cu celulele de drojdie are loc degajarea de căldură din reacţiile ce au loc ,ceea ce duce la creşterea temperaturii până la 28-30°C. Drojdiile la 28-30°C fermentează rapid maltoza şi secreţia în zimază este redusă ,ceea ce duce la scăderea posibilităţii de fermentare a maltozei ce mai rezultă din zaharificarea lentă a dextrinelor din mediu. Mărirea linului de fermentare şi concentraţia iniţială a plămezii,are influenţă asupra temperaturii de pornire a fermentaţiei. 41

 În faza principală maltoza este transformată de celulele de drojdie în alcool, CO 2 şi o

cantitate de căldură ce creşte temperatura plămezii. Odată ce concentraţia în alcool aplămezii ajunge la peste 5% ,încetează fenomenul de multiplicare a celulelor de drojdie . Plămada se încălzeşte până la 32°C si necesită răcirea acesteia la 30°C . Fermentaţia principală aplămezii durează până la epuizarea maltozei,fiind observată prin formarea unei cantităţi mai mari sau mai reduse de spumă,datorită CO 2 degajat.Spuma este tulbure din cauza celulelor de drojdie din suspensie ce pot forma valuri ,ce se rostogolesc la suprafaţa plămezii. Fenomenul se numeşte fermentaţie ondulată şi arată normalitatea fermentaţiei .  Odată cu terminarea maltozeidin plămadă începe ultima fază care se caracterizează prin zaharificarea secundară a dextrinelor sub acţiunea amilozelor rămase în plămadă şi fermentarea maltozei fermentate . Fermentaţia are loc la o temperatură de 27 °C,maltoza se epuozează şi nu se poate transforma în dextrina necesară zaharificării şi apoi fermentării. .(Modoran Dorel, 2004) 2.4.7.1 Controlul fermentatiei Fermentatia este de regula dirijata prin urmarirea urmatoarelor elemente: -concentratia in extract a plamezii -aciditatea plamezii -temperatura plamezii in toate fazele fermentatiei -natura microbiologica a mediului fermentatiei. • Concentratia in extract a plamezi In timpul fermentatiei aceasta scade treptet datorita consumului de zahar si fiindca in mediu apare alcoolul.Extractul apparent (%) al plamezi de grau este 0,1-0,2%. Pentru plamada provenita din grau, extractul apparent poate avea si valori negative datorita alcoolului acumulat de aceasta si inflentei lui asupra substantelor nefermentescibile. • Aciditatea plamezii Creste daca fermentatia decurge normal cu 0,1-0,2 in cazul unei fermentatii mediocre cu 0,3 D.Daca aciditatea va creste cu valori mai ridicate de 0,3 D avem un indiciu ca plamada este infectata. • Controlul aciditatii Se face in plamada de fermentatie in vederea determinarii aciditati acestor enzime.Plamada fermentata contine amiloza suficienta daca in 1,5-2 ml din plamada filtrata sunt zaharificati complet(60 min. la 55 C) cei 10 ml solutie de amidon solubil 2%. • Temperatura plamezii Se are in vedere alegerea unei temperaturi optime de fermentare , care trebuie sa se mentina pe toata durata fermentarii.Drojdiile sunt mai sensibile la variatii mari de temperatura decat la valori ridicate ale acesteia.Temperatura maxima admisa este de 30 C pentru plamezile concentrate si cu aciditatea concentrate. • Natura microbiologica a mediului fermentatiei Plamada este supusa unui control microbiologic pentru caracterizarea starii fiziologice a drojdiilor si stabilrea prezentei bacteriilor de infectie care pot dauna procesul de acumulare a alcoolului .Dupa acest control putem interveni pentru inlaturarea bacteriilor si a altor microrganisme.Controlul drojdiilor poate duce la stabilirea temperaturilor de fermentare prin stabilirea turgescentei si granulatiei celulelor de drojdie.Prezenta unui numar mare de celule granulate ne arata o fermentare la temperaturi ridicate. Prezenta unor celule turgescente si putin granulate ne indica o fermentare normala. 2.4.8 Distilarea plamezii fermentate Plămada fermentată este un amestec apos de diferite substanţe aflate în soluţie sau în suspensie,fie provenite din materiile prime şi auxiliare,fie produse ale fermentaţiei 42

alcoolice.Concentraţia alcoolică a plămezii fermentate variază între limite largi,cuprinse între 6 şi 12 %,în funcţie de materia primă prelucrată şi de procesul tehnologic aplicat. Separarea alcoolului etilic din acest amestec se bazează pe diferenţa de volatilitate dintre alcool şi apă. Antrenarea unor produse secundare de fermentaţie cu alcolul la distilare se poate observa din figura 18 în care sunt prezentaţi coeficienţii de distilare ai unor produse secundare de fermentaţie,în funcţie de concentraţia alcoolică a lichidului.

Figura 18 Coeficienţii de distilare pentru alcoolul etilic şi acetatul de etil Plămada fermentată conţine 8-10% alcool etilic şi acid acetic ,alcooli superiori, glicerină , substanţe nevolatile (zaharuri, săruri minerale, substanţe proteice). Acestea se separă de celelalte componente ale plămezii în aparate speciale de distilare de tip coloană. Substanţele nevolatile din plămada fermentată sunt numite borhot. Acesta este folosit pentru furajarea animalelor . Distilarea se realizează în coloane de distilare cu talere. Se obţine alcoolul etilic brut având tăria alcoolică de 80-85 grade. 2.4.8.1 Borhotul din cereale Borhotul din cereale şi cartofi,rezultat de la distilarea plămezilor fermentate,prezintă compoziţia chimică,data în tabelul 5 Table 5

Componentele Porumb Substanţa organică,%s.u. 95,3 Proteină brută,%s.u. 25,5 Grăsime brută,%s.u. 11,7 Celuloză,%s.u. 10,6 Substanţe extractive 47,6 neazotoase,%s.u. Substanţe minerale,%s.u. 4,7 Substanţă uscată,%s.u. 8,5 (aproximativ)

Grâu 91,4 34,8 2,2 3,4 51 8,6 4,2

Borhotul din: Orz Orez 97,9 96,5 31,3 42,4 10,2 3,5 13,7 5,9 42,7 44,7 2,1 26

43

3,5 8

Cartofi 87,4 27 2,7 8,1 49,9 12,6 6

Prin substanţele pe care le conţin,borhotul din cereale şi din cartofi reprezintă un furaj preţios.Digestibilitatea principalelor componente ale borhotului pentru animale şi păsări este reprezentată in tabelul 6 Table 6

Componentele Substanţa organică Proteină brută Grăsime brută Celuloză Substanşe extractive neazotoase

Digestibilitatea,% pentru: Vite Porci Ovine 75 80 67

Păsări 58

73 81 32 89

78 56 36 51

78 92 81 91

64 89 59 71

Prin prelucrarea fără presiune a cerealelor şi cartofilor rezultă un borhot cu o valoare furajeră mai ridicată decât în cazul fierberii sub presiune,la care au loc procese importante de degradare termică a unor substanţe valoroase din borhot.Astfel,în czul folosirii procedeului prin dispersie,valoarea furajeră a borhotului creşte cu circa 45%,iar digestibilitatea substanţei organice cu circa 24% faţă de procedeul de fierbere sub presiune. (Banu Constantin, 2002) 2.4.9 Rafinarea alcoolului brut Rafinarea este operaţia de purificare şi concentrare în alcool,a alcoolului brut,în vederea obţinerii alcoolului etilic rafinat,cu concentraţia alcoolică de circa 96%.Rafinarea se poate face pe cale fizică sau pe cale chimică.Rafinarea chimică constă în tratarea alcoolului brut cu substanţe chimice,în vederea transformării unor impurităţi din formă volatilă în formă fixă. Separarea impurităţilor prin rectificare se bazează pe diferenţa de volatilitate şi de solibilitate în amestecul alcool etilic-apă. Pentru stabilirea comportării unei impurităţi la rectificare se calculează coeficientul de rectificare al impurităţilor respective : (16) Unde : =este coeficientul de distilare al impurităţii =coeficientul de distilare al alcoolului etilic. Impurităţile care au

>1 se concentrază la rectificare în faza de vapori formând frunţile,iar

cele care au