Использование мелассы методами брожения

Производство спирта. Основой мелассоспиртового производства является сбраживание сахара мелассы при температуре 20—25° С дрожжами и превращение его в спирт и углекислый газ

Сахароза при помощи инвертазы (или сахаразы) дрожжей превращается в смесь глюкозы и фруктозы, которые дальше другим ферментом — зимазой дрожжей — сбраживаются в спирт и углекислый газ.
Согласно приведенному уравнению, из 342 кг сахарозы (342 — ее молекулярная масса) получается теоретически 4*46= 184 кг алкоголя (46 — молекулярная масса алкоголя), или на 100 кг сахарозы — 53,8 кг, или 53,8 : 0,793 — 67,8 л.
Фактически получается 58—60 л спирта из 100 кг сахарозы, т. е. коэффициент использования сахарозы мелассы оказывается выше 85%. Спирт легко выделяется из сбродившего мелассового раствора перегонкой, причем имеющаяся примесь несахаров нисколько не мешает.
Меласса может содержать иногда значительные количества раффинозы (например, 1—3%). Обычные верхневые дрожжи спиртового производства расщепляют раффинозу лишь на фруктозу и мелибиозу, причем последняя дальше не сбраживается, так как в верхневых дрожжах нет фермента мелибиазы, расщепляющего мелибиозу. Такой фермент содержится в низовых пивоваренных дрожжах и в специальных расах дрожжей, которые и применяются в мелассоспиртовом производстве, они достаточно полно сбраживают и раффинозу.
Мелассу перед сбраживанием разбавляют до 25% СВ. После сбраживания и отгонки спирта остается барда, в которой содержатся все несахара мелассы. Концентрация барды приблизительно 10% СВ. Барду иногда спускают в поглощающие колодцы, причем все азотистые вещества мелассы и соли калия теряются без всякой пользы, а почва заражается гниющей бардой.
Гораздо целесообразнее сгущать мелассовую барду в трехкорпусной выпарке, например, до 33% СВ. Затем этот сгущенный раствор выпаривать досуха и сжигать в специальных бардосжигательных печах. В дальнейшем, при установившемся ходе, выпаривание и высушивание бардяного сиропа идут за счет тепла органических веществ барды, сгорающих в последнем отделении печи. Остаток от сжигания барды — так называемый бардяной уголь, который на 80—90% состоит из К2СО3 (поташ), служит хорошим калийным удобрением; его применяют также для получения очищенного поташа. На 100 кг сухого вещества мелассы получается 10—15 кг бардяного угля.
Недостатком бардосжигания является потеря всех органических и азотистых веществ мелассы. Из несахаров утилизируются лишь соли калия. Более полно можно использовать несахара, подвергая сгущенную барду сухой перегонке, причем в реторте остается бардяной уголь, а в погоне получается аммиак. При этом получаются также и соли синильной кислоты.
Возможна и сложная переработка барды с хорошей утилизацией ценных составных частей ее (Лохвицкий спиртовой завод). Барду выпаривают и уваривают, причем получаются соли калия, глутаминовая кислота и бетаин.
Быть может, самым простым полным использованием несахаров барды было бы применение сгущенной барды в качестве удобрения.
Производство дрожжей. Меласса в настоящее время служит главным и почти единственным основным сырьем для производства хлебопекарных дрожжей.
В дрожжевом производстве в противоположность спиртовому процесс направляют так, чтобы по возможности меньше получалось спирта и сахар мелассы расходовался на построение дрожжевых клеток.
Размножение и рост дрожжей сильно ускоряются в присутствии кислорода воздуха. Поэтому в дрожжевом производстве брожение ведут при энергичном продувании в бродящую массу большого количества воздуха.
Кроме того, брожение ведут в сильно разбавленном растворе, концентрация которого не должна быть больше 5% СВ. Таким образом, дрожжи получают лишь питательные вещества, необходимые для их роста, но не имеют избытка сахара для сбраживания в спирт.
Разбавленный раствор мелассы мог бы быстро истощиться, и дрожжи начали бы голодать. Поэтому брожение ведется по приточному способу, при котором по мере израсходования питательных веществ непрерывно приливают к бродящей жидкости свежий, более концентрированный мелассовый раствор.
Меласса не содержит некоторых веществ, необходимых для роста дрожжей. Сухие вещества дрожжей состоят наполовину из белков, т. е. содержание азота в сухом веществе дрожжей достигает 8%. Зола дрожжей состоит в основном из фосфорнокалиевой соли. В мелассе имеется в достаточном количестве для выращивания дрожжей лишь калий. Фосфорной кислоты в ней совсем нет, а азота содержится недостаточное количество (2% азота, но из них усвояемого дрожжами не более 0,8%, так как, например, азот бетаина дрожжами совсем не усваивается). Поэтому при производстве дрожжей прибавляют к мелассовому раствору сернокислый аммоний как источник хорошо усвояемого азота и суперфосфат как источник фосфорной кислоты.
При перечисленных условиях (продувание воздуха, разбавленные растворы, приточный способ и минеральная подкормка) выход дрожжей высокий, например на 100 кг мелассы получается 100 кг прессованных дрожжей, содержащих 25% сухих веществ.
Производство глицерина. Глицерин необходим в ряде производств: в текстильном, полиграфическом, фармацевтическом и т. п.
Старый обычный способ получения глицерина основывается на расщеплении жиров, но при омылении и расщеплении такого ценного сырья, как жиры, получается лишь около 10—15% глицерина (к их массе).
Из дешевого сравнительно сырья — мелассы — глицерин получают методом брожения при помощи дрожжей. При обычном брожении дрожжи превращают сахар в спирт и углекислый газ. Однако реакция спиртового брожения сахара в действительности идет не так просто, как изображено в схеме. Имеется ряд промежуточных стадий. В качестве промежуточных веществ при спиртовом брожении образуются глицерин и уксусный альдегид. Если уксусный альдегид связать, например, прибавляя сернистонатриевой соли (Na2SО3) и превращая альдегид в бисульфитное производное, можно остановить брожение на промежуточной стадии, т. е. получить глицерин, альдегид и лишь малое количество алкоголя.
Глицерино-альдегидное брожение идет, следовательно, в присутствии Na2SО3 и NaHSО3 и происходит по схеме

На 100 кг сахара, находящегося в растворе, приходится прибавлять при брожении значительное количество сульфита натрия, например 40 кг. Расход дрожжей также значителен, так как они развиваются в неблагоприятных условиях; на 100 кг сахара затрачивается 10 кг дрожжей. Мелассу для сбраживания разбавляют до концентрации 20% СВ.
Кроме глицеринового, все же идет в значительной степени и спиртовое брожение. Удается получить в заводских условиях около 20 кг глицерина на 100 кг сахара, или 10 кг глицерина на 100 кг мелассы, содержащей 50% сахара.
Довольно сложен процесс выделения глицерина из полученной после брожения бражки. В бражке содержится лишь 2—3% глицерина, 1—2% спирта и 1% уксусного альдегида.
Прежде всего путем декантации отделяют из бражки дрожжи, затем отгоняют спирт и альдегид. Потом бражку выпаривают до 50% СВ и охлаждением выкристаллизовывают главную массу Na2SО3. Прибавляя хлористый кальций и известковое молоко, осаждают и остальную часть сульфит-ионов в виде сульфита кальция. Очищенный таким образом раствор содержит 15—18% глицерина.
Наконец, отгоняют глицерин путем дистилляции под разрежением с перегретым паром. Полученный глицерин-сырец очищают вторичной дистилляцией.
Как видим, производство глицерина из мелассы сложно. Оно было поставлено на Эртильском и Кара-Балтинском заводах, но сказалось нерентабельным и прекращено.
Производство молочной кислоты. Молочная кислота весьма ценна для пищевой промышленности (кондитерской, консервной, хлебопекарной, при производстве фруктовых вод и т. п.); она имеет важное значение и в фармацевтической промышленности.
Молочная кислота легко получается сбраживанием сахарозы посредством молочнокислых бактерий при 50 С. Сахароза этими бактериями сначала расщепляется на глюкозу и фруктозу, которая затем сбраживается по уравнению

Брожение ведется в растворах мелассы, имеющих концентрацию около 15% СВ. В течение брожения добавляют понемногу мел, чтобы нейтрализовать образующуюся молочную кислоту, так как она иначе останавливает дальнейшее сбраживание. Таким образом, молочная кислота накопляется в растворе в виде ее кальциевой соли (10—12%). Брожение длится 6 дней. Выход молочной кислоты составляет 90% от теоретического.
Раствор фильтруют, очищают активным углем, концентрируют и при охлаждении выкристаллизовывают из него молочнокальциевую соль. Маточный раствор можно вторично сгущать и кристаллизовать.
Выделенную молочнокальциевую соль разлагают в деревянных чанах, прибавляя серную кислоту, причем образуется и выпадает в осадок сернокальциевая соль (гипс), а молочная кислота переходит в раствор. После отфильтровывания осадка получается довольно чистый раствор молочной кислоты, имеющий концентрацию около 25%.
Для дальнейшего сгущения раствор молочной кислоты выпаривают под разрежением в кислотоупорных вакуум-аппаратах; таким образом, получается более концентрированная молочная кислота (50—75%).
Для получения совершенно чистой молочной кислоты можно ее перегонять с перегретым острым паром под разрежением.
Производство лимонной кислоты. Для пищевой промышленности лимонная кислота еще более ценна, чем молочная. Ранее ее изготовляли исключительно лишь из сока незрелых лимонов. В настоящее время она производится главным образом из сахара мелассы под действием аэрофильных плесневых грибов типа аспергиллус. Это окислительное брожение требует притока кислорода воздуха и идет приблизительно по схеме

Приготовляют разбавленный раствор мелассы с добавкой солей, содержащих азот и фосфорную кислоту, наливают его в плоские сосуды и ведут брожение при температуре 25—35° С, подавая стерильный воздух. По окончании брожения раствор содержит 10—15% лимонной кислоты, которую осаждают в виде соли кальция, прибавляя горячего известкового молока и порошка СаСО3. Выход лимоннокальциевой соли около 60% к массе сахара. Далее, как и при производстве молочной кислоты, обрабатывают лимоннокальциевую соль раствором серной кислоты; при этом кальций будет в осадке в виде сернокальциевой соли, а в растворе будет лимонная кислота, которую после сгущения выкристаллизовывают.
Чтобы сделать менее громоздким этот способ, требующий больших поверхностей, нужно проводить брожение в погруженном состоянии с продуванием воздуха.
Из сахара мелассы методом брожения можно также получать ацетон и бутиловый спирт (ацетоно-бутиловое брожение).