Структурно-механічні та хімічні зміни сировини

Мета водно-теплової обробки зерна та картоплі полягає в зруйнуванні клі­тинної структури сировини і переведенні крохмалю в розчинний стан. Це необхід­но для забезпечення оптимальних умов оцукрювання крохмалю амілолітичними ферментами і гідролізу білкових речовин.

Порушення клітинної структури сировини досягають подрібненням її на дро­барках і спеціальних машинах з наступною водно-тепловою обробкою замісів із помелу сировини. Високодисперсні помоли зерна, одержані з використанням дизин-теграторів, шарових дробарок, корундових, струменевих та інших машин, мають не тільки порушену структуру зерна, клітин і крохмальних зерен, а і механодестру-ктуровані полімери - крохмаль, білки та ін., що дозволяє проводити їх водно-теп­лову обробку при температурах не вище 100° С. У результаті використання ВД помелів зерна зменшуються втрати зброджуваних речовин при розварюванні і зме­ншуються витрати теплової енергії.

Одним із нових наукових напрямів на стику двох наук - механіки і хімії є механохімія. Механохімія вивчає хімічні перетворення речовин, що проходять під дією механічних сил та перехід механічної енергії в різні форми хімічної. Такі пе­ретворення відкривають перспективи створення нових оригінальних способів пе­реробки зерна в спирт.

Саме тому перспективним для спиртової промисловості є створення про­гресивних технологій спирту з використанням дезінтеграторних, вібраційних, електромагнітних та інших подрібнювачів з метою більш ефективного викорис­тання сировини й оцукрюючих матеріалів, а також зменшення витрат теплової енергії.

На всіх спиртових заводах України, що переробляють крохмалевмісну сиро­вину, встановлені безперервно діючі апарати для подрібнення, водно-теплової об­робки й оцукрювання розвареної маси. Усі безперервні способи переробки сирови­ни в спирт потребують попереднього його подрібнення.

---------------------------------------------------- Приготування сусла з крохмалевмІсної сировини.............

Зернові культури подрібнюють механічним способом з використанням молот­кових дробарок різних конструкцій або валкових станків. Найбільш поширені моло­ткові дробарки типу ДМ, ДДМ, А1- або валкові станки типу ЗМ, ЕМ-200-100. При використанні таких подрібнювачів дисперсність помелів характеризуєть­ся такими показниками: прохід помелу зерна через сито з діаметром отворів 1 мм складає 60-90 %. Такий помел неоднорідний за розміром частинок, тому мілкі час­тинки підлягають надмірній тепловій обробці, утворюється значна кількість про­дуктів оксиметилфурфурольного розкладу цукрів і меланоїдинової реакції, а крох­маль великих частинок не повністю переходить у розчинний стан, внаслідок цього збільшуються втрати зброджуваних речовин.

На деяких заводах для одержання більш високодисперсного і рівномірного помелу використовують спосіб подрібнення зерна в дві стадії. На першій стадії зерно подрібнюють на молотковій дробарці, одержаний помел пневмотранспортом або системою механічних транспортерів спрямовують на розділювач з ситами для одержання двох фракцій помелу з різними розмірами частинок, наприклад, більше 1 мм і менше 1 мм. На другій стадії крупну фракцію помелу подають на повторне подрібнення на валкових станках.

Використання двохступеневого способу подрібнення зерна дозволяє зменши­ти температуру і тривалість розварювання замісів сировини і зменшити втрати збро­джуваних речовин. Але використання такого способу ускладнює технологічну схе­му, потребує додаткового обладнання і виробничих площ, збільшує витрати елект­роенергії на подрібнення зерна та транспортування помелу.

Витрати пари на розварювання досить значні - біля 15 кг на 1 дал вироблено­го спирту (приблизно 50 % по масі сировини). Використання високодисперсного помелу дозволяє проводити теплову обробку замісів сировини при температурі не вище 100 ° С, зменшити витрати пари на розварювання замісів на 50-70 % у порі­внянні з розварюванням замісів із крупного помелу зерна і збільшити вихід спирту на 2,5-3 %.

Особливості механохімічної деструкції (МХД) зерна. Механічна міцність зерна залежить від його виду, сорту і вологості. Різні частини одного і того ж зерна мають також різні структурно-механічні і фізико-хімічні властивості. Ендосперм і зародок мають порівняно велику крихкість, а оболонка - велику еластичність.

Ендосперм має зернисту будову і складається головним чином з крупних тон­костінних клітин з крохмальними зернами, проміжки між якими заповнені білком. Ендосперм скловидної пшениці - це монолітна система крохмаль-білка, в якій про­міжний білок міцно з'єднаний із зернами крохмалю. Консистенція ендосперму впли­ває на його міцність. При подрібненні пшениці з мучнистою будовою проміжний білок відділяється значно легше, звільнюючи крохмальні зерна. Проміжний білок скловидного ендосперму руйнується при подрібненні разом з міцно приєднаними до нього зернами крохмалю. Руйнівна сила при стисненні мучнистого ендосперму пшениці складає 1,7 МПа, скловидного ендосперму - 3,3 МПа. Значно менший опір ендосперму силам сколювання (в 3-5 разів) і найменший - різанню. Зародок більш пластичний у порівнянні з іншими частинами зерна, бо в ньому міститься

значна кількість жиру (до 12-14 % до маси.). Ця його властивість погіршує умови руйнування, особливо у випадку переважаючих зусиль стиснення і при незначних сколюючих зусиллях.

Алейроновий шар складається з дрібних клітин, які містять білкові, мінеральні речовини і жир. Клітини алейронового шару міцні і нелегко піддаються подрібненню.

Величина руйнівних зусиль для оболонок зерна залежить від культури зерна, його сорту, вологості і напряму цих зусиль (по довжині чи ширині зерна) і колива­ється у різних сортів від 9,4 до 31,6 МПа. Наприклад, руйнівне зусилля для оболо­нки твердої пшениці вологістю 18 % досягає величини 31,6 МПа (для порівняння -руйнівне зусилля деревини липи - біля 30 МПа).

У здерев'янілих клітинних стінках роль цементуючої речовини виконує ліг­нін, який скріплює поліцукридні структури і заповнює пустоти між фібрилами це­люлози і геміцелюлоз. Лігнін має високу міцність на стиснення, а целюлозні мікро-фібрили надають клітинним стінкам міцність на розтягнення.

Ціле зерно злакових культур можна розглядати як монолітну конструкцію або як "комплексну споруду", в якій стінки клітин є каркасом, а крохмальні зерна разом з білком - наповнювачем. і цей наповнювач за аналогією із залізобетоном працює головним чином на стиснення, а стінки клітин ендосперму і, головним чином, обо­лонок підлягають більш складним зусиллям зрізу.

Механічні властивості зерна в значній мірі залежать від його вологості. Сухе зерно - крихке, вологе - більш пластичне. Це пов'язано зі зміною колоїдних влас­тивостей крохмалю і білків. Питомі витрати енергії руйнування зерна з підвищен­ням його вологості збільшуються.

Ці особливості механохімічної деструкції зерна враховують при його переро­бці в спирт і виборі подрібнюючих машин.

Утворення нової поверхні при диспергуванні пов'язано з утворенням на пове­рхні й у всьому об'ємі частинок дефектів. Для тонкого диспергування характерне створення великої кількості дефектів, у результаті чого суттєво порушується стру-

ктура твердого тіла. Це спричиняє зміни фізичних властивостей і хімічної активно­сті речовин.

У результаті механохімічної деструкції високомолекулярних речовин зміню­ються їх механічні властивості, зменшується молекулярна маса, змінюються роз­чинність, прискорюються хімічні реакції за участю всіх речовин їх складових, збільшується біохімічна активність.

Механічне диспергування супроводжується зміною розмірів і форм частинок, молекулярної маси, мікроструктури, розвитком поверхні, зміною її властивостей.

Збільшення в сотні разів величини поверхні частинок подрібнювального ма­теріалу при його механічному диспергуванні сприяє прискоренню швидкості тех­нологічних процесів. Так, високодисперсні помели зерна не потребує розварюван­ня під тиском, вищим від атмосферного, збільшується коефіцієнт використання скла­дових речовин сировини. Тому умови інтенсифікації процесів, які призводять до збільшення питомої поверхні сировини, мають велике практичне значення в спир­товій промисловості.

Властивості високодисперсних матеріалів залежать не тільки від їх питомої поверхні, а й від типу диспергатора. Для одержання високої активації матеріалу, який подрібнюють, необхідне здійснення швидкодіючих послідовних зустрічних ударів при зростаючій відносній швидкості. Машини ударної дії активують матері­али більш інтенсивного, ніж шарові та вібраційні.

Наприклад, у дезінтеграторах подрібнення речовин відбувається в результаті ударів їх частинок з ударними елементами роторів, які обертаються в протилежний бік. Швидкість співударів частинок досягає 270 м/с, тривалість подрібнення - с і залежить від швидкості обертання і розмірів роторів. За цей час розміри части­нок можуть зменшуватися від 1-0,5 мм до 1 мкм, тобто одна частина подрібнюєть­ся більш ніж на 10⁶ частинок.