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.