TEHNOLOGIA ALCOOLULUI RAFINATMATERII PRIME UTILIZATE N INDUSTRIA ALCOOLULUI Noiunea de alcool i are originea n cuvintele arabe: al (articol) i cohool (subtil), lucru subtil. Uzual, alcoolul produs pe cale industrial, este denumit spirt, prin acesta nelegndu-se un amestec de alcool, ap i alte elemente volatile, aldehide, eteri, esteri, ali alcooli i ap, alcoolul etilic fiind componentul principal. Denumirea tiinific a spirtului este cea de alcool etilic sau etanol. Alcoolul rafinat, care are un coninut de peste 96% alcool etilic din volum, este un lichid limpede, incolor, cu miros specific i gust arztor. Se amestec n orice proporie cu apa, este inflamabil, din aceast cauz, trebuind s fie depozitat, manipulat i transportat n condiii speciale. Materiile prime folosite pe plan mondial n industria spirtului sunt materiile care conin substane fermentescibile.Acestea se mpart n urmtoarele categorii: materii prime care conin zahr direct fermentescibil - din aceast categorie fac parte: melasa (subprodus n care componentul principal este zaharoza, rezultat la fabricarea zahrului din sfecl de zahr); materii prime care conin amidon (amidonoase) - n aceast grup sunt cuprinse: cartofii, cerealele (porumb, gru, secar, orz, ovz, mei, fric); tubercule de plante tropicale; Pentru fabricarea spirtului, n ara noastr, se utilizeaz, n principal melasa (peste 50% din producia de spirt se obine din aceast materie prim), precum i porumbul i cartofii. Materii prime care conin zahr direct fermentescibil Melasa, este un subprodus care rezult de la fabricarea zahrului din sfecl de zahr sau trestie de zahr. n procesul de obinere al zahrului, zaharoza se extrage din sfecla tiat sub form de tiei, prin difuzie cu ajutorul apei calde. Apoi, substanele minerale i organice se precipit prin adugare de lapte de var i prin saturare cu bioxid de carbon. Precipitatul se separ prin filtrare, iar siropul de zahr astfel purificat se concentreaz pn cnd ncepe cristalizarea. Cristalizarea zahrului are loc n dou sau trei etape. Zaharoza, care n ultima faz nu a mai cristalizat, mpreun cu srurile de potasiu i sodiu care nu au mai putut fi eliminate n procesul de fabricaie formeaz melasa. Din punct de vedere fizic, melasa se prezint ca un lichid vscos, avnd o culoare brun-neagr. Melasele de calitate normal au un miros plcut de cafea proaspt prjit i cu gust dulce-amrui. Greutatea specific n raport cu ap este de 1,3-1,45. Greutatea melasei se exprim n grade zaharometrice Balling (Bllg) sau Brix (Bx). Un grad zaharometric reprezint 1 g de substan uscat dizolvat n 100 g soluie. Melasa are concentraia cuprins ntre 75-80Bx (n 100 pri melas se gsesc 75-80 pri substan uscat i 20-25 pri ap). Materii prime amidonoase Materiile prime amidonoase cele mai utilizate sunt porumbul i cartoful. Porumbul (Zea mays L.) se folosete n alimentaie, ca furaj i n industria spirtului, a amidonului, a dextrinei i a berii. Boabele de porumb condiionate (uscate artificial) dup recoltare, conin: ap 12-15%; hidrai de carbon 68-72%, protein 9,5-11,5%; grsime 4,1-4,9%; celuloz 2,5-4,9%; substane minerale 1,4-1,8%. n general, pentru spirt se prelucreaz porumb de calitate inferioar cu un coninut etalon n amidon de 56%. Cartoful, face parte din familia Solanaceae. Este o materie prim amidonoas ce se cultiv pe mari suprafee n ara noastr. Comparativ cu porumbul, cartoful prezint urmtoarele avantaje: fierbe mult mai repede; conine cantiti mari de substane nutritive necesare dezvoltrii drojdiei; duce la obinerea unor plmezi cu fluiditate foarte mare. Cartofii conin circa 25% substan uscat i 75% ap. Valoarea industrial a cartofilor este dat de coninutul de amidon, care la rndul su este n funcie de soi. Compoziia chimic medie a cartofilor este urmtoarea: substane neazotoase 20,85% din care 18% amidon, 2,85% pentozani (zaharuri nefermentecibile), substane azotoase 2,0%, grsimi 0,15%, celuloz 1%, substane minerale 1%, ap 75%.

FABRICAREA ALCOOLULUI DIN MELAS

Obinerea alcoolului etilic din melas se desfoar conform schemei tehnologice prezentate n figura 1

Principalele faze ale procesului tehnologic, n ordinea desfurrii lor, sunt urmtoarele: recepia i depozitarea melasei parcursul acestei operaii melasa este supus unor analize fizico-chimice pentru determinarea calitii. Melasa se depoziteaz n rezervoare metalice de capacitate cuprins ntre 500-2000 t; pregtirea melasei pentru introducerea n fabricaie operaiile de pregtire constau n diluarea, neutralizarea, acidularea, adugarea srurilor nutritive i limpezirea melasei; prefermentarea este procesul tehnologic n care are loc multiplicarea drojdiei n cantitatea necesar care s asigure fermentarea plmezilor de melas. Prefermentarea este ultima faz de multiplicare masiv a drojdiilor de cultur (cultura de drojdie); fermentarea plmezilor de melas n aceast faz are loc transformarea de ctre drojdii a zahrului din plmezile de melas n alcool i CO2; distilarea plmezilor fermentate prin distilarea plmezilor de melas rezult alcoolul brut care are o concentraie alcoolic de 80-85%; plmada dezalcoolizat se numete borhot: rafinarea alcoolului brut const n ndeprtarea substanelor volatile cu punct de fierbere mai mic sau mai mare dect al alcoolului etilic.Pregtirea melasei pentru introducerea n fabricaie Recepionarea melasei. La intrarea n fabric, melasa se recepioneaz cantitativ i calitativ. Recepia cantitativ const n verificarea greutii melasei Un alt aspect al recepiei cantitative este i cel al coninutului de zahr al melasei. Procentul de zahr din melas este cuprins ntre 4252%. Pentru reglementarea modului de plat a melasei s-a stabilit un nivel de referin a coninutului de zahr, astfel, preul unei tone de melas este fixat pentru un coninut de referin de 50% zaharoz. Recepia calitativ. Prin recepia calitativ se urmrete efectuarea urmtoarelor analize: aspect, mirosul, consistena, culoarea, reacia melasei (acid sau alcalin) sau pH-ul, coninutul de substan uscat, densitatea, coninutul de zahr, aciditatea volatil, nitriii i numrul de microorganisme ntr-un gram de melas. Depozitarea melasei. Melasa se depoziteaz n rezervoare metalice de capacitate cuprinse ntre 500 i 2000 t. Modul de depozitare poate influena calitatea melasei. Diluarea melasei. Melasa este foarte vscoas i are un coninut mare de zahr. Din aceste motive, drojdiile nu pot produce fermentaia alcoolic, deoarece ele nu pot aciona ntr-un mediu cu concentraie mare de zahr, iar din cauza vscozitii mari, melasa nu are mobilitate. Diluarea melasei se realizeaz cu ap potabil pn la concentraia necesar (12-14Bllg pentru prefermentare sau 30-32Bllg pentru fermentare). Neutralizarea i acidularea melasei. Prin neutralizarea i acidularea melaselor cu acid sulfuric se realizeaz urmtoarele: se asigur pH-ul optim activitii drojdiilor; contribuie la limpezirea melasei, determinnd depunerea suspensiilor fine; acidul sulfuric are rol de antiseptic - doza convenabil drojdiilor fiind nociv pentru alte microorganisme; acidul sulfuric are proprietatea de a descompune nitriii i sulfiii care sunt nocivi pentru drojdie. Consumul de acid sulfuric pentru acidulare variaz n funcie de gradul de alcalinitate al melasei (ntre 2-7 L acid sulfuric concentrat pentru 1 t melas).

Adugarea srurilor nutritive n melas. Pentru dezvoltarea i activitatea normal a drojdiilor n timpul fermentrii este necesar adugarea n melas a soluiilor de sruri nutritive. Cantitile de azot i fosfor se sigur prin adugarea de soluii de superfosfat de calciu i de sulfat de amoniu. Limpezirea melasei. Prin aceast operaie se realizeaz ndeprtarea suspensiilor fine din melas i parial a substanelor coloidale. Suspensiile fine se depun pe membrana celulei de drojdie, mpiedicnd parial schimbul de substane care are loc ntre celul i mediul n care aceasta se afl. Se utilizeaz urmtoarele metode de limpezire: limpezirea prin sedimentare n mediu acid la cald sau la rece, limpezirea prin filtrare sau prin centrifugare. Dup limpezire soluia de melas este pompat n alt vas. Obinerea drojdiilor pentru fermentare Un rol important n obinerea unui randament superior i a unui produs finit de bun calitate, l are, alturi de calitatea materiilor prime i de parametri tehnologici, drojdia folosit la fermentarea plmezilor. n tehnologia de obinere a alcoolului rafinat se folosesc culturi pure de drojdii pe care le obinem prin multiplicare, plecndu-se de la o singur celul de drojdii. Se disting urmtoarele categorii de drojdii: drojdii de fermentaie superioar (Saccharomyces cerevisiae); drojdii de fermentaie inferioar(Saccharomyces carlsbergensis).

Prepararea culturilor pure de drojdii n laborator Pentru fermentarea plmezii din melas se folosesc culturi pure sau culturi relativ pure, obinute prin selecie natural. Se pornete de la o cultur pur de drojdie (de baz), iar n laborator, se multiplic treptat, pornindu-se de la o celul i se obin n final 5 L cultur de drojdie pur. nmulirea drojdiilor n secia de culturi pure Multiplicarea drojdiei n fabricile de alcool rafinat se desfoar n dou faze. n prima faz, drojdiile de cultur pur din laborator, se multiplic n vase cu capacitate mai mic (100 l), iar n a doua faz, n vase care au capacitatea de circa 10 ori mai mare dect primele (1000 l). Prefermentarea Dac n cazul obinerii alcoolului din materii prime amidonoase cultura de drojdie utilizat la fermentare reprezint 4-6% din volumul plmezilor supuse fermentrii, la utilizarea melasei ca materie prim, drojdiile de nsmnare trebuie s reprezinte 40-50% din volumul plmezii de melas care se supune fermentrii. Prefermentarea reprezint ultima etap de multiplicare a drojdiilor, n care se realizeaz cantitatea necesar fermentrii plmezilor de melas. Pentru prefermentare se utilizeaza melasa de 12Bllg, care a fost diluat i pregtit n prealabil. O Prefermentarea se poate realiza prin dou procedee: prefermentarea discontinu i prefermentarea continu.

Fermentarea melasei Instalaia n care se realizeaz fermentaia alcoolic a melasei este compus dintr-un numr variabil de vase pentru fermentare. Drojdia din prefermentator se introduce n vasul de fermentare dup sterilizarea acestuia, cnd temperatura a ajuns la 30-31C. Drojdia din prefermentator ocup 50% din volumul util al vasului de fermentare. n continuare ncepe alimentarea cu melas. Melasa care urmeaz s fie fermentat se dilueaz n prealabil la 30-32Bllg n vasele de pregtire. Controlul fermentrii plmezii din melasSe vor monitoriza urmatorii parametrii: temperatura de fermentare; aerarea plmezii; extractul aparent i extractul real; aciditatea plmezii; concentrarea alcoolic; controlul microbiologic.

TEHNOLOGIA FABRICRII ALCOOLULUI ETILIC DIN MATERII PRIME AMIDONOASE Schema tehnologic de obinere a spirtului din cartofi(I)i cereale (II)i este prezentat n figura 2.

Procesul tehnologic cuprinde urmtoarele faze: Pregtirea materiei prime, care const n curarea cerealelor sau splarea cartofilor nainte de introducerea n fabricaie. Curarea cerealelor se realizeaz n instalaii speciale care ndeprteaz praful, corpurile metalice, precum i corpurile strine cu dimensiuni mai mari dect ale bobului de porumb. Splarea cartofilor se realizeaz cu ajutorul spltoarelor de construcie adecvat; Fierberea cerealelor sau a cartofilor, prin care se elibereaz amidonul din celulele endospermului, pentru a putea fi zaharificat. Pentru fierberea cerealelor se folosesc recipiente speciale care lucreaz sub presiune circa 4 at); Zaharificarea cartofilor sau a cerealelor dezagregate const n scindarea amidonului pn la maltoz, care poate fi transformat de ctre drojdii n glucoz i aceasta din urm n alcool i bioxid de carbon. Zaharificarea se realizeaz n cazane speciale sub aciunea enzimelor amilolitice (pentru lichefiere i zaharificare), realizndu-se astfel hidroliza amidonului pn la maltozFermentarea Drojdiile utilizate la fermentare se prepar n cultur pur n laboratorul fabricii, apoi se multiplic n vasele speciale de cultur existente n fabric. Plmada de drojdii obinut, numit cuib de drojdie, sau drojdie de nsmnare, se adaug n plmada zaharificat n zaharificator i mai rar n vasele de fermentare. Distilarea este faza procesului tehnologic n care prin incalzire se separa alcoolul etilic i ali produi volatili din plmezile fermentate, folosind instalaiile de distilare. Prin procesul de distilare, pe lng alcoolul etilic, din plmada fermentat, se separa i ali produi mai greu sau mai uor volatili. Lichidul alcoolic obinut prin distilare n care predomin alcoolul etilic se numete spirt brut. Plmada dezalcoolizat se numete borhot.Rafinarea este ultima faz a procesului tehnologic n care din spirtul brut se separ alcoolul etilic ca principal component al alcoolului rafinat (minim 96% din acesta). Ca produse secundare mai rezult alcoolul tehnic, care este un amestec de produi mai uor volatili dect alcoolul etilic (aldehide i esteri) i mai greu volatili dect acetia (alcooli superiori).Fierberea Amidonul, cu cele dou componente ale sale amiloza i amilopectina se gsesc n celulele materiei prime vegetale sub form de granule cu structur compact, semicristalin, protejate de o membran lipoproteic ce ngreuneaz accesul enzimelor la lanurile polizaharidice. Fierberea materiilor prime amidonoase este operaia care are drept scop dezagregarea materiilor prime amidonoase pentru a facilita atacul enzimelor amilolitice n faza de zaharificare. n varianta tradiional fierberea se fcea la presiune atmosferic, ns aceasta a fost nlocuit cu fierberea sub presiune care are avantajul c se reduce durata de fierbere prevenind degradarea zaharurilor, se obin randamente mai bune i nu este necesar o mcinare fin a materiei prime amidonoase. Dezagregarea materiilor prime amidonoase se realizeaz n fierbtoare sub presiune. Dup fierbere, n momentul golirii autoclavei prin trecerea brusc a masei de la 4-4,5 atm, la presiunea ambiant (1 atm), (detent brusc). se produce explozia celulelor din care se elibereaz granulele de amidon, care se cleific i se solubilzeaz. Pentru fierberea cerealelor i a cartofilor se folosete ca utilaj de baz autaclava Henze. n cazul fierberii cartofilor sntoi se ajunge la o presiune de 3 atm; n cazul cartofilor sraci n zaharuri sau cu coaja mai groas se poate trece de presiunea de 3 atm; n cazul utilizrii cartofilor ngheai se adaug ap n cantitate egal cu 20% din greutatea lor. Mai nti se introduce apa n fierbtor i apoi cartofii ngheai. Durata fierberii poate fi cuprins ntre 35-50 minute. n cazul fierberii porumbului pentru fiecare 100 kg porumb se adaug 280-300 l ap. Durata de fierbere n aceast situaie este de 2 ore; n primele 60 minute, presiunea se ridic la 3 atm, n urmtoarele 30 minute la 3.5 atm, iar n ultima jumtate de or la 4 atm. Zaharificarea Zaharificarea este operaia de transformare a amidonului n zaharuri fermentescibile. Aceast operaie este necesar, deoarece drojdiile nu conin enzime specifice care s degradeze amidonul n zaharuri mai simple pe care ulterior s le transforme prin fermentare n alcool i bioxid de carbon. Zaharificarea se poate realiza cu ajutorul enzimelor amilolitice care fac parte din clasa hidrolazelor. n varianta clasic sursa de enzime o constituie malul din orz, iar n ultima perioad se folosesc preparate enzimatice de origine microbian care prezint o serie de avantaje tehnice i economice. n acest scop se folosesc preparate cu coninut de -amilaz bacterian pentru lichefiere i de amiloglucozidaz pentru zaharificare.

Fermentarea propriu-zis a plmezilor din materii prime amidonoase Cantitatea optim de drojdie pentru plmezile zaharificate care se supun fermentrii este de 6% (sub form de plmad de drojdie), raportat la plmada care urmeaz s fie nsmnat. Comparativ cu durata de fermentare a plmezilor de melas care este de circa 36 ore, plmezile din materii prime amidonoase necesit o durat de fermentare mai mare, de aproximativ 72 ore, deoarece transformarea dextrinelor limit n maltoz (zaharificare secundar) necesit mai mult timp i nu poate fi accelerat. Pentru fermentatia plemezii obtinute din materii prime amidonoase se disting trei faze i anume: faza iniial, care decurge n 22 ore; faza principal (tumultoas), care decurge n 18 ore; faza final, care decurge n 32 ore. Toate fazele se ntreptrund, ele pot fii deosebite doar prin procesele predominante specifice fiecrei faze. Faza iniial dureaz 22 ore. n aceast faz are loc multiplicarea celulelor de drojdie i transformarea maltozei n alcool i dioxid de carbon n proporie de 45%. Faza principal dureaz 18-20 ore. n aceast etap maltoza este transformat de celulele de drojdie n alcool, dioxid de carbon i o cantitate de cldur care crete temperatura plmezii. La nceputul acestei faze, temperatura ajunge la temperatura optim pe care o meninem n continuare la aceast valoare cu ajutorul sistemului de rcire. Deoarece concentraia n alcool a plmezii ajunge la peste 5%, are loc ncetarea multiplicrii celulelor de drojdie.

n aceast faz plmada se nclzete pn la 32C i se impune rcirea acesteia. Rcirea se face moderat i cu atenie meninndu-se temperatura plmezii la 30C, deoarece drojdiile sunt sensibile la ocurile termice care ar produce flocularea timpurie a drojdiilor. Tehnologia clasic de fementare indic folosirea de temperaturi optime de 28-30C, iar tehnologiile recente care folosesc preparate enzimatice microbiene, utilizeaz temperaturi mai ridicate de 35-36C. La acest temperatur ridicat are loc aciunea amilazelor care pun la dispoziie drojdiilor mari cantiti de glucide fermentiscibile. Fermentaia principal a plmezii dureaz pn la epuizarea maltozei fiind observat prin formarea unei cantiti mai mari sau mai reduse de spum, datorit dioxidului de carbon degajat. Faza final. Odat cu terminarea maltozei din plmad, fermentaia intr n ultima faz care se caracterizeaz prin zaharificarea secundar a dextrinelor limit, sub aciunea amilozelor rmase n plmad i fermentarea maltozei rezultate. Deoarece fermentarea dextrinelor limit decurge lent, aceast faz final dureaz 30-32 ore. Fermentaia are loc la o temperatur de 27C, deoarece la temperaturi mai ridicate, maltoza se epuizeaz i nu se poate transforma prin zaharificare secundar. Are loc ntreruperea activitii de fermentare a drojdiilor, iar in mediu rmn dextrine limit nefermentate. n decursul fermentaiei finale temperatura nu trebuie s depeasc 27C, iar aciditatea s nu depeasc 0,3Dlb. pentru a permite acionarea n condiii optime a drojdiei asupra unui mediu srac n zaharuri, cu prevenirea infeciilor. Fermentaia se consider finalizat cnd coninutul de substan uscat solubil msurat cu zaharometrul este aproximativ 0Bllg, iar ultimele 2 msurtori dau rezultate identice. Plmada fermentat este trimis la distilare sau n unele cazuri, n rezervoare tampon. Aciditatea plmezii se exprim n practic n grade Delbrck (Dlb) care reprezint ml NaOH 1n necesar pentru neutralizarea acizilor din 20 ml plmad. Aciditatea plmezilor dulci din cartofi sau porumb este cuprins ntre 0,10,3Dlb, ce corespunde la un pH de 5,35,7. Concentraia alcoolic a plmezii la finalul procesului de fermentare ajunge la 7-8% vol. alcool.DISTILAREA PLMEZILOR FERMENTATEPlmada fermentat este un amestec apos de diferite substane aflate n soluie sau n suspensie, fie din materii prime i auxiliare, fie produse ale fermentaiei alcoolice. Aceste substane se mpart n: substane volatile: alcool etilic, dioxid de carbon, aldehide, ulei de fuzel, acizi organici, esteri; substane nevolatile: resturi de extract nefermentat, materii celulozice i drojdii.Prin distilare se urmrete separarea alcoolului etilic i a altor substane volatile din plmad de restul substanelor nevolatile. Fraciunea volatil rezultat n urma condensrii se numete alcool brut i are o concentraie de 80-85% vol. alcool. Impuritile prezente n alcoolul brut i imprim acestuia gust i miros neplpcut, datorat substanelor volatile acumulate n timpul fermentaiei (aldehide, alcooli superiori, acizi organici) dar i n timpul distilrii propriu-zise (esteri). Reziduul rezultate de la aceast operaie se numete borhot (Substana uscat din borhot este de 8%). RAFINAREA ALCOOLULUI BRUTProcesul de rectificare a alcooluli are drept scop eliberare alcoolului brut rezukltat la distilare de substanele strine care-l nsoesc i concentrarea alcoolului etilic. Alcoolul brut are o concentraie alcoolic de 80-85% vol. alc. i conine o serie de impuriti (aldehide, esteri, alcooli superiori, ac izi volatili, baze azotate, amoniac, amine) provenite din plmada fermentat sau formate n timpul distilrii. ndeprtarea acestor impuriti se face: prin rafinare chimic; prin rafinare fizic sau rectificareRafinarea chimicPrin operaia de rafinare chimic se urmrete: separarea alcoolului de produsele secundare; creterea concentraiei n alcool a amestecului ap-alcool.Rafinarea chimic const n tratarea alcoolului brut cu substane chimice nainte de rectificare, prin care unele impuriti sunt transformate din stare volatil n stare nevolatil sau fix. Rafinarea alcoolului cuprinde urmtoarele faze: neutralizarea acizilor volatili: saponificarea esterilor: oxidarea aldehidelor i a altor substane oxidante.Prin folosirea rafinrii chimice se elimin o parte din acizii volatli, esteri, aldehide, dar nu se ndeprteaz alcooli superiori din alcoolul etilic.

Rafinarea fizic rectificarea Prin rafinare fizic se nelege operaia de purificare i concentrare a alcoolului brut realizat prin eliminarea impuritilor, n vederea obinerii alcoolului etilic rafinat, cu concentraia alcoolic de circa 96% vol. n urma rafinrii fizice rectificrii dispare gustul i mirosul specific al alcoolului brut, acesta devine limpede i cu un coninut redus de impuriti. Alcoolul etilic rafinat nu trebuie s conin alcool metilic i furfurol, iar concentraia n celelalte elemente, esteri, aldehide, alcooli superiori, trebuie s fie foarte sczut. Subprodusele eliminate la rafinare se mpart n urmtoarele fraciuni: fruni, care reprezint produsele mai uor volatile dect alcoolul etilic i anume: aldehida acetic, formiat de etil, acetat de metil i etil; alcool etilic, care reprezint fraciunea de mijloc i este n proporie de 85-94% din distilat; cozi, care reprezint fraciunile greu volatile i anume: alcooli propilic i izobutiric, izobutiratul de etil, butiratl de etil, alcoolul izoamilic i furfurolul.CARACTERISTICILE ALCOOLULUI RAFINAT Alcoolul rafinat obinut este un lichid limpede, incolor, cu miros caracteristic i gust arztor, nu prezint opalescen la amestecare cu apa distilat n raport de 3:7. Concentraia alcoolic a spirtului rafinat se exprim de obicei n procente volumetrice de alcool (Gay-Lussac) sau n grade dal. 1 Gay-Lussac =1 mL alcool absolut/100 mL lichid alcoolic; 1dal=100 mL alcool absolut.Se folosesc i procente masice, trecerea de la procentele volumice la cele masice fcndu-se pe baza tabelelor de calcul. Evidena cantitativ a alcoolului rafinat i a subproduselor se face n grade dal sau n mii de grade dal care se obin cu formula: dal =V(dal) C(% vol.)unde: V volumul de alcool n decalitrii, (dal); C concentraia alcoolic n procente volum, (% vol.).