Wstęp:

Podstawowymi surowcami wykorzystywanymi w produkcji spirytusu fermentacyjnego w Polsce są dobrej jakości surowce skrobiowe, głównie ziarna zbóż oraz w mniejszym stopniu ziemniaki.

Skrobia (polisacharyd glukozy) jest cukrem nie fermentującym występujących w tkankach zapasowych rośliny w postaci ziarenek, które nie rozpuszczają się w wodzie. Dlatego też surowiec skrobiowy należy poddać pewnym procesom technologicznym by przeprowadzić ją do cukrów prostych.

Parowanie to proces który ma na celu rozluźnienie substancji międzykomórkowych surowca, rozerwanie błon komórkowych, uwolnienie skrobi, skleikowanie jej i w maksymalnym stopniu przeprowadzenie jej w stan rozpuszczalny w wodzie.

Energooszczędną metodą uwalniania skrobi jest tzw. bezciśnieniowe uwalnianie skrobi (BUS) zwane również zimnym zacieraniem. Jest to zastąpienie ciśnieniowego parowania surowców ich mechanicznym rozdrabnianiem. W ten sposób umożliwia się dotarcie enzymów do ziaren skrobi. Upłynnienie i scukrzenie skrobi następuje przy udziale selektywnie działających preparatów enzymatycznych pochodzenia mikrobiologicznego.

Zacieranie ma na celu zhydrolizowanie rozpuszczonej skrobi do cukrów ulegających fermentacji czyli do glukozy i maltozy. Hydrolizę skrobi (scukrzanie) przeprowadza się w kadzi zaciernej zaopatrzonej w chłodnicę, mieszadło, wyziewacz i grzybek wydmuchowy, za pomocą enzymów amylolitycznych.

Fermentacja jest to proces biochemiczny, prowadzony przez drożdże Saccharomyces cerevisiae, zamiany cukrów na etanol. Proces ten obejmuje 3 następujące po sobie etapy: zafermentowanie, fermentację główną, dofermentowanie.

Obecnie najpopularniejszym zestawem enzymów amylolitycznych stosowanym w gorzelniach są preparaty Termamyl i San Extra.

Zasada oznaczanie zawartości alkoholu metylowego w spirytusie surowym polega na utlenieniu alkoholu metylowego do aldehydu mrówkowego i powstania barwnego związku tego aldehydu z odczynnikiem fuksynosiarkowym (odczynnik Schiffa).

Cel ćwiczenia

Otrzymanie spirytusu z ziaren zbóż.

Wykonanie

Wykonując nasze doświadczenie zastosowaliśmy metodę bezciśnieniowego uwalniania skrobi (BUS).

W tym celu w stalowym naczyniu umieściliśmy 14litrów ciepłej wody i dodaliśmy do niej 4 kg rozdrobnionego w młynku żyta, o zawartości skrobi równej 60%. Tak przygotowaną mieszaninę dokładnie wymieszaliśmy i podgrzaliśmy do ok. 90°C.

Wyliczyć możemy, że ilość skrobi w zacierze wynosiła 2,4 kg ( 4 kg∙0,6).

Do tak przygotowanego zacieru dodaliśmy enzymu upłynniającego α-amylazę w ilości 0,13ml/kg skrobi. Następnie całość podgrzaliśmy do temperatury 85-90°C (optimum działania enzymu). Następnie pozostawiliśmy tak przygotowana mieszaninę na 15-20 minut.

Następnie schładzamy zacier do ok. 30°C i dodajemy enzym scukrzający
glukoamylazę w ilości 0,6ml/kg skrobi.

Po zacieraniu otrzymaliśmy 20 litrów zacieru słodkiego o pH = 6,4. Następnie w ciepłej wodzie rozpuściliśmy 1,5 g drożdży Saccharomyces cerevisiae (0,1 kg/1000 l zacieru). Następnie całość zacieru zakwasiliśmy 25% kwasem siarkowym do pH = 4,65.Otrzymane w ten sposób mleczko drożdżowe wlaliśmy do zacieru. Później dodaliśmy 6g pożywki - fosforanu diamonu (0,2-0,4 kg/1000 l zacieru). Zacier odstawiliśmy do fermentacji na 7 dni, wystarczyłyby 3 dni, ale nie pozwalały na to warunki harmonogramu ćwiczeń. W zacierze zaszedł proces fermentacji, zgodnie z równaniem:

C₆H₁₂O₆ 2C₂H₅OH + 2CO₂ + energia

Po zakończeniu procesu fermentacji , rozpoczął się proces destylacji. Proces destylacji przeprowadziliśmy w specjalnej aparaturze odbierając po 500 ml spirytusu. W takich próbach dokonywaliśmy pomiaru mocy destylatu i przeliczaliśmy ją na objętość alkoholu etylowego 100%. Wyniki przedstawione są w tabeli poniżej.

L.p	Ilość odebranego destylatu [ml]	Moc destylatu [%]	Temperatura destylatu [^oC]	Moc destylatu w 20^oC [%]	Objętość etanolu 100% [ml]
1	500	48	15	49,87	249,35
2	500	45	14	47,11	235,55
3	500	38	14	40,41	202,05
4	500	34	14	36,45	182,25
5	500	25	14	27,24	136,20
6	500	20	14	21,88	109,40
7	500	15	17	15,7	78,50
8	500	8	16	8,61	43,05
Razem (Z):	= 1236,35ml

Przykład obliczania objętości etanolu:

Ilość destylatu - 500 ml

Moc destylatu w 20°C - X%

Objętość etanolu 100% - Y [ml]

Y= 500 ml ∙

Rachunek jednostek: Y=[ ml ∙
]=[ml]

Czyli: Y₁= 500 ml ∙
=249,35 ml

Sumaryczna objętość etanolu 100% (rzeczywista objętość etanolu 100%):

Razem: Z=Y₁+Y₂+…+Y₉

Z=[ml+…ml]=[ml]

Z=249,35+…+43,05=1236,35ml

Obliczenie objętości teoretycznej etanolu 100%:

n(C
H
O
)
n(2C
H
OH) + n(2CO
)+ energia

M_skrobii = 162 g/mol

M_etanolu=46 g/mol

Ze 100 g skrobii otrzymalibyśmy:

162 g/mol - 2∙46 g/mol

100 g - x

x = 56,8 g, ale my użyliśmy 2400 g skrobii, więc:

162 g - 92 g etanolu

2400 g -x

X= 1362,96 g etanolu

Z wzoru na gęstość można policzyć ile spirytusu po odpędzie powinniśmy otrzymać:

etanolu

Obliczenie pocentowej wydajności teoretycznej etanolu:

W_teoretyczna=


∙100%

W_teoretyczna=
∙100%

W_teoretyczna.= 71,57%

W_teoretyczna=[
∙100%]=[%]

Analiza zacieru słodkiego i odfermentowanego:

Gęstość zacieru, która podaje zawartości wszystkich substancji rozpuszczonych zmierzona za pomocą cukromierza Ballinga [°Blg], dała wyniki:

Ekstrakt rzeczywisty dla zacieru słodkiego w temp. 16°C wynosił 17,2° Blg.

Ekstrakt odfermentowany pozorny dla zacieru odfermentowanego wyniósł 1 °Blg w temperaturze 16°C.

Oznaczenie odfermentowania rzeczywistego i zawartości alkoholu:

Oznaczenie odfermentowania rzeczywistego, polega na usunięciu z zacieru pozornego alkoholu.

W tym celu odmierzono 100cm³ zacieru, dodano tyle samo wody i kamyczki wrzenie. Prowadzono destylację prostą, odbierając alkohol. Pozostałość zacieru przeniesiono do kolby 200 cm³ i uzupełniono wodą do kreski. Uzyskano w ten sposób zacier rzeczywisty. Zmierzono moc alkoholu (za pomocą alkoholomierza o zakresie 0-10% obj.) i gęstość zacieru rzeczywistego:

P= 9,9% w temp. 20°C,

Oznaczenie zawartości metanolu:

Reakcja ogólna:

2H⁺ + 5 CH₃OH + 2MnO₄^- 5HCOH + 2MnO + 6H₂O

Do oznaczenia zawartości metanolu przygotowano 2 próbki spirytusu o stężeniu 10%, poprzez rozcieńczenie 49,87% próbki wodą:

49,87 10 spirytus /:5 = 2 cm³

10

0 39,87 woda/:5= 8 cm³

Skład próbki 10% wynosi: 2 cm³ spirytusu i 8 cm³ wody.

Zasada oznaczanie zawartości alkoholu metylowego w spirytusie surowym, odbywa się następująco:

Do oznaczenia zawartości alkoholu metylowego w spirytusie surowym potrzebna jest krzywa wzorcowa. Aby ją sporządzić do trzech probówek odmierzyliśmy kolejno po 2,5 ml każdego z trzech roztworów wzorcowych. Następnie dodaliśmy do każdej probówki po 1 ml KMnO₄ i pozostawiliśmy na 10 minut. Później dodaliśmy po 1 ml kwasu szczawiowego, wymieszaliśmy, a po całkowitym odbarwieniu i rozpuszczeniu tlenków manganowych dodaliśmy po 2,5 ml odczynnika Schiffa. Wymieszaliśmy i pozostawiliśmy na godzinę. Po upływie tego czasu zmierzyliśmy absorbancję roztworów wzorcowych przy długości fali λ = 610 nm.

W podobny sposób (zamiast roztworów wzorcowych umieściliśmy badany roztwór) sporządziliśmy 2 próby z otrzymanego destylatu, który rozcieńczyliśmy do stężenia 10%.

W wyniku analizy otrzymaliśmy następujące wyniki:

Absorbancja prób wzorcowych

0,02g metanolu/100 ml spirytusu 100%
A = 0,042

0,05g metanolu/100 ml spirytusu 100%
A = 0,064

0,10g metanolu/100 ml spirytusu 100%
A = 0,098

Pomiary absorbancji badanej próby: A=0,034 oraz A=0,038

A_sr= 0,0955

Na podstawie otrzymanych wyników sporządzam krzywą wzorcową A=f ( c), gdzie:

A - absorbancja roztworów wzorcowych,

c - stężenie metanolu we wzorcu.

Równanie krzywej wzorcowej przyjmuje postać:

y = 0,698x + 0,028

Wiec dla Aśr prób =0,038 zawartość alkoholu metylowego w badanej próbie wynosi:

0,038= 0,698x + 0,028

0,038-0,028 = 0,698x

0,01 = 0,698x

x= 0,0143

Zawartość alkoholu metylowego w badanej próbie wynosi

0,0143 g metanolu w 100g spirytusu 100%

Wnioski

W wyniku prowadzenia naszego ćwiczenia otrzymaliśmy wysoką wydajność teoretyczną 71,57% oraz bardzo wysoką wydajność alkoholu równą 99%. Wynik ten świadczy o dokładnym wykonywaniu ćwiczenia, prawidłowej fermentacji oraz użyciu dobrych gatunkowo surowców.

Otrzymywane wartości absorbancji podczas przeprowadzania doświadczenia były bardzo niskie; co za tym idzie stężenie metanolu było poniżej najmniejszego wzorca 0,02g etanolu na 100ml spirytusu 100%. Uwalnianie skrobi metodą bezciśnieniową pozwoliło nam zaoszczędzić do 50% energii.

Ponadto osiągnieta ilość skrobii - 2400 g była duża.

---