TEHNOLOGIA DE OBTINERE A SPIRTULUI

Alcoolul etilic sau etanolul este un lichid straveziu, incolor, cu miros caracteristic, are temperatura de fierbere de 78,35⁰C, pH 7 si densitatea de 0,789. Este higroscopic, volatil, formind solutii cu apa de orice concentratii.

Etanolul se prepara dupa metoda microbiologica prin fermentarea zaharului cu levuri. Pe cale chimica se obtine din etilena, prin hidratare in prezenta acidului sulfuric.

Prin fermentare, etanolul alimentar se obtine din: cereale, cartofi, sfecla de zahar si melasa. Se mai obtine din deseurile de la vinificatie.

Alcoolul etilic se foloseste pe larg in industria fermentativa, la prepararea vinurilor alcoolizate, esentelor, infuziilor lichiorurilor si rachiurilor.

1. Clasificarea materiilor prime

4.1.1.     Materii prime amidonoase

cereale: porumb, secara, grau, orz, ovaz, orez, sorg;

cartofi;

radacini si tuberculi de plante tropicale.

4.1.2.     Materii prime zaharoase

sfecla si trestia de zahar;

melasa din sfecla si trestia de zahar;

struguri, fructe, tescovine dulci.

4.1.3.     Materii prime celulozice

deseuri din lemn de brad, molid, fag;

lesii bisulfitice rezultate de la fabricarea celulozei.

4.1.4.     Materii prime care contin insulina si lichenina

tuberculi de topinambur;

radacini de cicoare;

muschi de Islanda.

Cele mai utilizate materii prime sunt: cerealele, cartofii si melasa.

Compozitia chimica a cartofilor:

umiditate 75 %;

substante extractive neazotoase 20,85 %, din care amidon 18,0 %;

proteine 2 %;

lipide 0,15 %;

celuloza 1 %;

substante minerale 1 %.

1.5. Melasa reprezinta o solutie concentrata de zaharuri alaturi de care se mai afla diferite substante minerale si alti constituenti organici.

Compozitia chimica a melasei din sfecla de zahar:

apa 20-25 %;

substanta uscata 75-80 %;

zahar total 44-52 %;

zahar invertit 0,1-0,5 %;

rafinoza 0,6-1,8 %;

azot total 1,2-2,4 %;

substante minerale 7,6-12,3;

pH 6-8,6.

Materiile auxiliare folosite la fabricarea alcoolului sunt maltul verde, preparate enzimatice microbiene, saruri nutritive si factorii de crestere, acidul sulfuric, antispumanti, antiseptice si dezinfectanti.

Apa : Vezi Apa in industria fermentativa.

2. Depozitarea materiilor prime

Cartofii se depoziteaza in silozuri speciale, ferite de umiditate prin infiltrare si cu aerisire corespunzatoare.

In timpul depozitarii au loc unele pierderi atat ca greutate cat si la principalii constituenti. Odata cu cresterea temperaturii, cresc si pierderile in greutate.

Exemplu,  pierderile de amidon:

la 0^o sunt de 1,59 %;

la 5⁰ sunt de 1,38 %;

la 13⁰ sunt de 5,90 %.

Cele mai bune temperaturi de depozitare pentru cartofi sunt cuprinse intre 2 si 5⁰C.

Cerealele se depoziteaza si pastreaza in magazii uscate si dotate cu sisteme de aerisire, pentru evitarea instalarii mucegaiurilor. In acest caz are loc fenomenul de respiratie. Respiratia este accelerata de cresterea temperaturii si umiditatii.

In cazul unei umiditati sporite poate interveni autoincalzirea, urmata de instalarea microorganismelor. In aceste situatii consecintele sunt grave.

Melasa se depoziteaza in bazine de metal sau beton. La o depozitare de lunga durata, in compozitia melasei au loc unele modificari: Astfel, sporesc continuturile in aciditate si zahar invertit, scade continutul total de zaharuri.

3. Fabricarea spirtului din materii prime amidonoase

3.1. Fabricarea spirtului din orz

Aceasta tehnologie implica mai intii separarea sladului sau maltului. Se procedeaza ca si in cazul fabricarii berii.

Schema tehnologica de fabricare a alcoolului din cereale si cartofi implica urmatoarele secvente: receptia materiei prime, depozitarea, transportul, precuratirea, cintarirea, macinarea, fluidificarea, racirea la 55⁰C, zaharificarea, racirea la 30⁰C, insamintarea, racirea la 18-20⁰C, fermentarea, distilarea alcoolului brut, rafinarea, depozitarea alcoolului rafinat.

3.2. Fabricarea spirtului din cartofi

Materia prima se transforma mai intii intr-un terci printr-o maruntire inaintata. La maruntirea cartofilor, marimea finala a particulelor trebuie sa fie de 50-100 µm, iar procentul de particule cu marimea de peste 1 µm trebuie sa fie de maxim 3 %.

O maruntire insuficienta a materiei prime poate conduce la pierderi de alcool, de pina la 20 l/t. Terciul obtinut se amesteca cu apa, dupa care urmeaza fierberea. Durata de fierbere este in functie de temperatura. Exemplu: la temperatura de 172⁰C durata de fierbere este de 2-4 minute, iar la temperatura de 136-156⁰C durata de fierbere este de 35-38 minute.

In prezent se foloseste fierberea continua a materiilor prime amidonoase. Regimul termic in fierbator se mentine prin intermediul unui termoregulator, al carui mecanism este montat in circuitul de debitare al aburului.

Temperaturile de fierbere sunt de 147-156⁰C in cazul cerealelor si de 136-137⁰C in cazul cartofilor. Dupa fierbere urmeaza destinderea terciului fiert folosindu-se instalatii speciale pentru racire. Dupa racire terciul trece in faza de zaharificare.

Zaharificarea are loc sub actiunea amilazelor din slad, iar hidroliza proteinelor sub actiunea enzimelor proteolitice.

Zaharificarea plamezilor de cereale si cartofi se mai poate face si prin adaos de preparate amilalitice obtinute din mucegaiurile: Aspergillus niger, Aspergillus awamari, Aspergillus oryzae.

In Japonia, la zaharificarea plamezilor pentru spirt se folosesc si culturi de Rhizopus japonicus, care au actiune submersa alaturi de speciile Aspergillus batatae si Aspergillus usami cu actiune de suprafata.

Temperaturile optime pentru activitatea amilazelor sunt de 49-55⁰C la secara si grau si 49-54⁰C la orz. Actiunea amilazelor este evident usurata cind fierberea terciului a avut loc la temperatura mai ridicata.

3.2.1. Fermentarea plamezilor din cereale si cartofi

Pentru fermentarea plamezilor se pot folosi drojdii lichide (cultivate in fabrica), drojdii speciale pentru alcool (uscate sau comprimate) sau drojdii de panificatie.

La drojdiile lichide se folosesc 1-3 l drojdie la 1 hl plamada; la drojdiile uscate 10-20 g/hl plamada; la drojdiile comprimate 100-200 g/hl plamada.

Drojdiile utilizate trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii: sa aiba o putere alcooligena ridicata, sa se poata acomoda la plamezile acide din cereale si cartofi, sa declanseze rapid fermentatia, sa produca o cantitate cat mai mica de hidrogen sulfurat si alte substante cu gust si aroma nedorite. Se folosesc drojdii din genul Saccharomyces.

3.2.2. Pregatirea drojdiilor pentru insamintarea plamezilor zaharificate

In acest scop se folosesc de preferinta plamezi obtinute din materii prime nedegradate si medii amidonoase amestecate.

Modul de lucru: in plamezile zaharificate, provenite din materii prime de calitate superioara, se mai adauga slad (malt maruntit) suplimentar, in scopul completarii substantelor nutritive pentru drojdii (levuri). Dupa adaugarea sladului maruntit:

- plamada se mentine timp de 2-3 ore, la temperatura de 55 - 58⁰C, pentru ca amidonul din sladul suplimentar introdus sa fie zaharificat. Concomitent cu zaharificarea amidonului are loc si hidroliza proteinelor rezultind printre altele si aminoacizi, constituenti direct asimilabili de catre levuri, in nutritia lor plastica. Cantitatile de malt verde ce se adauga sunt: 0,6 kg la 10 l plamada de cartofi; 1,2 kg la 10 l plamada de porumb; 1 kg la 10 l plamada din alte cereale (orz, secara, ovaz, orez);

- se ridica temperatura la 75⁰C pentru terminarea zaharificarii;

- pasteurizarea (distrugerea tuturor microorganismelor) prin ridicarea temperaturii la 85⁰C pe durata de 15 minute;

- plamada se raceste la cca. 50⁰C si se adauga H₂SO₄, pentru corectarea pH-ului.

- se continua racirea pina la 30⁰C cind se insaminteaza cu drojdii in proportii de 8-12 %, provenind dintr-o plamada in fermentare, riguros pregatita si controlata sub aspect microbiologic. Aciditatea se corecteaza prin adaos de H₂SO₄ pina se atinge pH-ul de 3,8.

Fermentarea propriu-zisa dureaza 18 pina la 20 ore, perioada in care numarul de celule creste pina la 120-160 mil./ml de plamada.

Plamada de drojdii este pe deplin corespunzatoare pentru 'insamintarea' musturilor sau terciurilor de cereale, respectiv de cartofi, cind extractul din filtrat a coborat la 1/4 din cel initial, sau cind populatia a atins faza exponentiala sau logaritmica (dupa Monod).

Din drojdia 'matura' se iau 10-12 % si se insaminteaza o noua plamada pentru drojdii, iar restul se foloseste la insamintarea plamezilor zaharificate si racite destinate obtinerii spirtului.

3.2.3. Fermentarea plamezilor zaharificate

Fermentarea plamezilor zaharificate ca proces tehnologic si microbiologic comporta 3 etape:

- inceputul fermentarii;

fermentarea principala;

fermentarea finala (linistita)

Dupa insamintare, numarul de drojdii realizat este de 20-24 mil./ml. La sfarsitul fazei principale numarul celulelor ajunge la 120-150 mil./ml.

Cind procesul de fermentare este normal, in faza principala scaderea extractului este de aprox. 1 % pe ora. Adica la 1 l de plamada, intr-o ora fermenteaza 8,47 g maltoza cu formarea de 5,58 ml alcool (sau 4,43 g alcool), 2,1 l CO₂ si 1,13 kcal (sub forma de caldura).

In timpul fermentarii se zaharifica si apoi fermenteaza si amidonul insolubil din plamada care reprezinta 4-6 %.

In plamezi amidonul rezidual este de 1,5 - 2 % din cel total. Viteza de fermentare este puternic influentata de cantitatea de drojdie folosita la insamintare si de calitatea sladului folosit pentru zaharificare.

Viteza de fermentare scade evident in ultima faza, cind are loc fermentarea dextrinelor, dupa o prealabila zaharificare a lor.

Pentru fermentarea plamezilor amidonoase, in industria alimentara se practica metoda periodica, semicontinua si continua.

Temperatura initiala a plamezilor insamintate determina in mod hotarator durata fermentatiei.

- Cind temperatura initiala este de 22-23⁰C durata de fermentare este de 2 zile.

- Cind temperatura initiala este de 17-18⁰C durata de fermentare este de 3 zile.

- Cind temperatura initiala este de 27-28⁰C fermentarea se termina in 40 ore.

In cursul fermentatiei temperatura nu trebuie sa depaseasca 29 si 30⁰C cind durata este de 3 respectiv 2 zile, dar sa nu coboare sub 27⁰C. Fermentatia se considera terminata cind extractul final al plamezii nu se modifica timp de 4 ore.

Fermentarea melasei

La fermentarea melasei se folosesc procedee discontinue si continue. In ultima vreme au luat extindere cele continue. Metodele de fermentare continua se impart in doua grupe si anume: fermentarea continua cu separarea si reutilizarea drojdiei in procesul de fermentare.

Fabricarea alcoolului din melasa

Obtinerea plamezilor fermentate din melasa cuprinde 3 etape:

pregatirea melasei pentru fermentare;

pregatirea drojdiei pentru fermentare;

fermentarea plamezii principale

La fermentarea plamezilor din melasa se folosesc atat procedee cu functionare discontinua cat si continua.

Procedeele de fermentare continua se impart in doua grupe: procedee fara refolosirea drojdiei si procedee cu separarea si refolosirea drojdiei.

Pregatirea melasei cuprinde operatiile de diluare cu apa, neutralizare si acidulare, adaugare de saruri nutritive, limpezire si sterilizare (pasteurizare). Plamada principala se dilueaza pina la 30-34 % extract, iar plamada de drojdie pina la 12-16 % extract. Cele doua plamezi pot avea si aceeasi concentratie in extract de 23 %.

Pregatirea drojdiei cuprinde multiplicarea in laborator, in sectia de culturi pure si prefermentarea. In urma prefermentarii rezulta o cantitate mare de plamada de drojdie, reprezentind cca. 40 % din plamada totala.

Fermentarea continua are loc intr-o baterie formata din mai multe linuri de fermentare. Separarea drojdiei se face din ultimul lin de fermentare cu ajutorul unor separatoare centrifugale, care concentreaza drojdia intr-un volum reprezentind 7-10 % din plamada fermentata.

Laptele de drojdie obtinut este purificat prin tratare cu o solutie de acid sulfuric, timp de 1-2 ore la pH = 2,2 - 2,4 pentru distrugerea eventualelor bacterii de infectie, dupa care este refolosit la fermentare.

Procedeele de fermentare continua a melasei cu reutilizarea drojdiei prezinta urmatoarele avantaje:

cresterea randamentului in alcool pina la 64-65 l alcool absolul/100 kg zaharoza din melasa;

cresterea productivitatii si reducerea corespunzatoare a necesarului de spatiu si investitii de fermentare;

automatizarea mai usoara a procesului tehnologic;

micsorarea si uniformizarea consumului de utilitati.

Ca dezavantaj se mentioneaza pericolul mare de infectie. Pentru a elimina acest dezavantaj s-a conceput procedeul de fermentare continua a melasei, care permite obtinerea alcoolului cu o productivitate foarte ridicata din substraturi nesterile. Acest lucru s-a obtinut printr-o combinatie intre un bioreactor si o unitate de separare solid/lichid, cu ajutorul careia se recircula biomasa de drojdie in sistem pina la o concentratie foarte ridicata.

5. Distilarea si rafinarea alcoolului

Distilarea este procesul de trecere a unei parti din plamezile fermentate in stare de vapori, prin fierberea acestora in recipiente rezistente la temperaturi ridicate si condensarea vaporilor rezultati intr-un sistem racitor sau refrigerent.

Altfel spus, printr-un aport insemnat de calorii o parte din lichidul supus distilarii (in cazul nostru plamezile fermentate) se transforma in vapori.

Compozitia celor doua faze - lichida si de vapori - nu este in general identica. Faza de vapori este mai bogata in elementul cel mai volatil, decat faza lichida, din care s-a format sub actiunea caldurii. De aceea prin condensarea fazei de vapori se va obtine un lichid mult mai bogat in elemente volatile, decat plamada din care s-au obtinut vaporii (de 4-5-6 ori si chiar mai mult).

Plamezile fermentate constituie un amestec de apa, produse de fermentatie, alcool etilic si produse secundare (alcooli secundari, acizi organici volatili, aldehide s.a.).

In aceste plamezi concentratia in alcool etilic este de 8-11 vol % (8-11⁰).

Prin distilare alcoolul etilic si toate celelalte componente volatile trec in distilat, cunoscut sub numele de spirt brut.

La presiune normala (1 atm.) temperatura de fierbere a alcoolului etilic este de 78,3⁰C. Inseamna ca plamezile fiind, in general, amestecuri de alcool si apa, vor fierbe la temperaturi cuprinse intre 78,3⁰C si 100⁰C.

Cu cat concentratia in alcool a plamezilor este mai mare, cu atat si faza de vapori va fi mai concentrata in alcool.

Aparatele de distilare

Dupa modul de functionare se impart in: aparate cu functionare discontinua si aparate cu functionare continua.

In industria spirtului se folosesc instalatii cu functionare continua sau cu coloana. In cele mai multe cazuri se folosesc instalatii cu doua coloane: o coloana este pentru plamada iar cealalta cu doua parti (o parte de imbogatire in spirt si alta pentru epuizarea lichidului in alcool).

Rectificarea spirtului brut

Rectificarea este operatiunea tehnologica de purificare a spirtului brut de produsele secundare ce apar in procesul de fermentatie. Acesti constituenti secundari sunt: acizi organici, aldehide, alcooli superiori s.a.

Rectificarea se poate efectua in aparate cu functionare discontinua si cu functionare continua. In cele cu functionare discontinua sau periodica se separa 'fruntile' in care se gasesc constituentii care au puncte de fierbere sub aceea a alcoolului etilic; apoi se obtine spirtul rafinat si la sfarsit 'cozile'.

In 'frunti' se gasesc, in cea mai mare masura, aldehidele si alcoolul metilic iar 'cozile' sunt dominate de alcoolii superiori, urmati de unii esteri si acizi volatili.

In aparatele cu functionare continua 'fruntile', spirtul rafinat si 'cozile' se obtin in mod continuu.

Spirtul rafinat trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii: sa fie limpede, incolor, miros caracteristic si gust arzator; concentratia alcoolica, la 15⁰C minim 96 vol %; aciditate maxim 0,006 g acid acetic la 100 ml alcool absolut; aldehide maxim 0,002 g la 100 ml alcool absolut; alcooli superiori maxim 0,004 g la 100 ml alcool absolut; alcool metilic si furfurol absente.