2 Спирт из молочной сыворотки

Промышленное производство спирта из молочной сыворотки начато в различных странах более 20 лет назад. Первая промышленная установка для получения этилового спирта из молочной сыворотки создана на предприятии фирмы «Carbery Creamer Products» в 1978 г. в Ирландии. Производство осуществляли из подсырной сыворотки по методу «APV-Carbery process». Пермеат подсырной сыворотки после ультрафильтрации охлаждали до 30°С, подавали в ферментер и добавляли культуры

В Дании разработан процесс получения спирта из пермеата сыворотки. В процессе использованы дрожжи Kluyveromyces fragilis. Он включает ультрафильтрацию сыворотки, ферментацию пермеата, центрифугирование и дистиллирование. Выход спирта составляет 80 % от теоретического. Из 41 л. пермеата с 4,5 % лактозы получен 1 л. спирта.

В Италии пермеат сбраживали культурой дрожжей Kluyveromyces fragilis, выращенной на искусственных субстратах. Перед внесением дрожжей в пермеате регулировали величину рН дрожжей Kluyveromyces fragilis, Kluyveromyces lactis, Candida pseudotropicalis. В начале процесса доступ воздуха дозируют, чтобы рост дрожжей был минимальным во избежании потребления ими лактозы вместо перевода ее в спирт. После окончания процесса ферментации бражку перегоняют. При переработке 600 тыс.т сыворотки в день получали 25 тыс.л 95,5 % спирта.

Установка для выработки спирта из сывороточного пермеата работала также на заводе датской фирмы De - Danke Garyng. Производительность ее по переработке пермеата - 400 тыс.л в сутки или 10 тыс.л спирта-сырца.

Одними из первых начали производство спирта из сыворотки на установках собственной конструкции также фирмы Kraft (США) и Eupress Dairis (Великобритания). В дальнейшем это производство начали осваивать и другие фирмы.

Процесс брожения в сыворотке или ее пермеате с низкой концентрацией лактозы непродолжителен, однако эффективность  переработки (количество спирта полученного из единицы сырья) невелика по сравнению с другими субстратами. Поэтому более целесообразно использовать концентрированную сыворотку. В связи с этим исследования последних лет ведутся в этом направлении.

Культивируя различные виды и штаммы дрожжей на средах с различной концентрацией глюкозы и лактозы выявлено, что некоторые штаммы могут сбраживать лактозу 20 % концентрации, в то время как другие способны сбраживать лактозу лишь при низкой концентрации ее в среде.

Zall R.R. внося дрожжи Kluyveromyces fragilis в сыворотку с постоянно повышающейся концентрацией лактозы получил штаммы хорошо адаптирующиеся в концентратах с высоким содержанием лактозы. Адаптированные дрожжи вносили в сывороточные концентраты с 27 % лактозы и получили высокий выход спирта.

Известен способ, по которому концентрат сыворотки для брожения получают восстановлением сухой сыворотки распылительной сушки до приготовления жидкого продукта с содержанием общих сухих веществ 36 %. Из полученного раствора отделяют белки методом ультрафильтрации. Пермеат деминерализуют. Полученный субстрат содержит 24 % лактозы и имеет рН 4,8. Заквашивают дрожжами Kluyveromyces fragilis NRRLY 2415. Этот штамм продуцирует 108,8 г этанола из 1 л., что составляет 84,3 % от теоретического выхода.

Концентрирование сыворотки можно проводить также методом обратного осмоса. Так, в Великобритании запатентован способ получения этилового спирта из сыворотки, включающий предварительное удаление белка, концентрирование полученной безбелковой массы до содержания лактозы около 7 г/л, сбраживание полученного концентрата до этилового спирта и перегонку. Выделение белка проводят с помощью ультрафильтрации, концентрирование полученного раствора с помощью обратного осмоса. Для сбраживания используют культуру Candida pseudotropicalis NSYC 744. До сбраживания предусматривается введение в концентрат питательных солей, доведение рН до 4 – 5 и поддержание температуры в процессе брожения в пределах 20-35 °С.

Обширные исследования в ряде стран с развитой молочной промышленностью проведены в направлении получения этанола из сыворотки с помощью иммобилизованных клеток, сбраживающих лактозу а также с помощью иммобилизации неусваивающих лактозу дрожжей вместе с β - галактозидазой.

В Финляндии проведены работы по получению этанола из сыворотки с помощью иммобилизированных клеток Kluyveromyces fragilis. По этому способу клетки дрожжей включали в кальций-альгинатный гель. Были проведены Периодический и непрерывный способы получения этанолу Выход спирта в периодических условиях брожения составлял 92,6 и 83,3 % от теоретического при массовой доле лактозы в сыворотке 5 и 10 % и времени брожения 16 и 31 ч. В непрерывных условиях выход спирта (80-90 %) при концентрации лактозы 5 /о и рН 3 0 оставался постоянным в течение трех недель, а затем падал.

В Германии проведены исследования по иммобилизации tplCTOK Saccharomyces cerevisiae и Zymomonas mobilise помощью β - галактозидазы из Aspergillus orysae. Коиммобилизацию осуществляли двумя различными методами. В первом случае дрожжевые клетки обрабатывали β - галактозидазой, затем глутаровым альдегидом в присутствии таннина. В результате образовывались небольшого размера частицы, состоящие из одних клеток с активным внешним ферментным покрытием. Во втором случае бактерии Zymomonas mobilis, обработанные β - галактозидазой, включали в алыинатные шарики диаметром 2-4 мм. В результате иммобилизации изменялись некоторые свойства фермента. Так, связанная лактаза имела гораздо большую активность, чем нативная, оптимум рН для свободной лактазы составлял 4,7-5,2, а для связанной - 4,0-4,5, скорость сбраживания иммобилизованного на микроорганизмах фермента снизилась по сравнению с нативиым на 30 %. Основным недостатком периодического сбраживания с иммобилизованной системой является потеря активности фермента от одной загрузки колонки к другой.

В Швеции также проводились исследования по совместной иммобилизации фермента β - галактозидаза и дрожжей Saccharomyces fragilis на носителе для последующей обработки пермеата сыворотки с целью получения этанола. В качестве носителя использованы гранулы альгината которым заполняли колонку и пропускали через нее сывороточный пермеат. Элюат, содержащий 1,3 и 1,5 % этанола получали из сладкой сыворотки или подкисленного концентрата сыворотки. Использовали колонки со слоем адсорбента 7,5 мм при 30 °С и скорости потока 2,3 мл/ч. При работе реактора в течение 2 месяцев не наблюдалось уменьшение выхода спирта.

В США разработан способ получения этанола из смеси сыворотки и отходов кондитерского производства в соотношении 7 : 1. Полученная смесь содержит 18 - 20 % сухих веществ, 0,7 % золы и 0,7 % белка. Смесь обрабатывают препаратом газолаза, содержащим ферменты расщепляющие углеводы или лактазой, а затем сбраживают дрожжами Saccharomyces cerevisiae или смесью этих дрожжей cKluyveromyces fragilis при температуре 32 °С.

В Польше запатентован способ по которому ультрафильтрат сыворотки или ее сгущенный в 2 - 3 раза раствор подкисляют до рН 4 - 6, пастеризуют, охлаждают до температуры брожения и вносят дрожжи сбраживающие лактозу в спирт. После проведения брожения полученную массу смешивают с пастеризованной свеклосахарной мелассой, добавляют дрожжи Saccharomyces cerevisiae и снова проводят брожение. Из полученной бражки отделяют спирт известными способами.

Спирт полученный из сыворотки может быть использован в различных отраслях народного хозяйства, в том числе для приготовления крепких алкогольных напитков.

Технология производства сгущенных сывороточных концентратов

Выпускают следующие основные виды сгущенной молочной сыворотки: с массовой долей сухих веществ 13, 20, 30, 40, 60 и 75% (подсырная и творожная), сыворотку молочную сгущенную очищенную для напитков с массовой долей сухих веществ 30 % (творожная), сыворотку сгущенную со свекловичным сахаром с массовой долей сухих веществ 52,5; 65; 75 и 90 % (подсырная и творожная).

Молочную сыворотку (подсырную, творожную, казеиновую), а также другие основные материалы принимают по массе и качеству, установленному ОТК (лабораторией предприятия). В случае резервирования молочную сыворотку направляют на охлаждение до температуры (6 ± 2) °С. Допускается хранение подсырной сыворотки при указанной температуре не более 24 ч. Творожную и казеиновую сыворотку хранить не рекомендуется. При переработке подсырной сыворотки ее откачивают из сырных ванн до внесения соли, и она полностью поступает на переработку. Смешивать соленую и несоленую сыворотку нельзя.

Сепарирование сыворотки осуществляют на сепараторах марки А1-ОХС с целью выделения молочного жира и казеиновой пыли. Молочную сыворотку сепарируют при температуре (38 ± 2) °С. Приток сыворотки регулируют таким образом, чтобы жирность ее после сепарирования не превышала 0,1 %, а жирность сливок была 30 – 35 %. При сепарировании сыворотки на сепараторах других марок, обеспечивающих указанную степень обезжиривания, казеиновую пыль необходимо извлекать из сыворотки методами отстоя или фильтрации. Подачу сыворотки на сепарирование рекомендуется производить через фильтры механической очистки.

После сепарирования молочную сыворотку пастеризуют при температуре(72 ± 2)°С с выдержкой 15 с или при температуре (63 ± 2) °С с выдержкой не менее 30 мин – во избежание коагуляции белков. Пастеризацию осуществляют на пластинчатых или трубчатых пастеризационно-охладительных установках, обеспечивающих соблюдение указанных технологических режимов. В случае межоперационного резервирования пастеризованную молочную сыворотку подвергают охлаждению до (8 ± 2) °С.

Молочную сыворотку сгущают в вакуум-выпарных аппаратах любых конструкций при температуре (60 ± 5) °С. Перед подачей на вакуум-аппарат ее рекомендуется подогреть до температуры кипения в первом корпусе аппарата. При сгущении для снижения потерь рекомендуется понижать уровень продукта в пароотделителе и применять пеногасящие вещества. Конец сгущения определяют по плотности, измеряемой ареометром при температуре сгущения, или по массовой доле сухих веществ, измеряемой рефрактометром. Измерения проводят при температуре сгущения.

Готовые сгущенные концентраты охлаждают до температуры хранения в резервуарах, снабженных рубашкой и мешалкой, или в пластинчатых и трубчатых теплообменниках. Охлажденные концентраты направляют на упаковку и хранение.

Сгущенные концентраты, подвергаемые дальнейшей обработке, охлаждают в случае необходимости их резервирования перед обработкой до температуры (8 ± 2) °С. При этом не рекомендуется хранить охлажденные сгущенные концентраты более 24 ч перед дальнейшей обработкой.

Сгущенные концентраты сушат на распылительных и вальцовых сушилках. На вальцовых сушильных установках концентраты сушат при давлении пара (0,4 ± 0,15) МПа. Высушенные продукты размалывают в специальных мельницах или устройствах, входящих в комплект оборудования вальцовых сушилок.

При сушке концентратов на распылительных сушильных установках в зависимости от их конструктивных различий следует соблюдать определенный температурный режим:

Высушенные концентраты охлаждают до температуры (20 ± 2 ) °С. Если в конструкции сушильных установок не предусмотрены специальные устройства, охлаждение проводят естественным путем в открытых емкостях. Сгущенные и сухие концентраты из молочной сыворотки после упаковки должны храниться в хорошо вентилируемом помещении с относительной влажностью воздуха (80 ± 5) %

Сыворотка молочная сгущенная. Вырабатывают следующих видов: молочная сгущенная подсырная (СМСП), молочная сгущенная творожная (СМСТ), молочная сгущенная подсырная сброженная (СМСПсб). Все виды сыворотки молочной сгущенной вырабатывают с массовой долей сухих веществ 40 и 60 %. Для производства молочной сгущенной сыворотки используют сыворотку молочную, полученную при производстве сыра или творога и отвечающую требованиям действующего ОСТа с массовой долей жира не более 0,2 %.

При производстве сыворотки молочной сгущенной подсырной сброженной используют сыворотку молочную несоленую и бактериальную закваску, приготовленную из штаммов ацидофильной палочки. Бактериальную закваску готовят на обезжиренном молоке.

Сыворотка молочная сгущенная, вырабатываемая из подсырной или творожной сыворотки, предназначена для использования в производстве молочных продуктов, кондитерской промышленности, а также для кормовых целей. Для приготовления заменителей цельного молока (ЗЦМ) сыворотку молочную сгущенную подсырную можно вырабатывать из несепарированной подсырной сыворотки.

Ферментация проводится при выработке сыворотки сгущенной подсырной сброженной. Сыворотку после пастеризации охлаждают до температуры (43 ± 2) °С и направляют в ферментер. С целью быстрого повышения кислотности и исключения специфического запаха сыворотку сквашивают закваской из штаммов ацидофильной палочки, приготовленной на обезжиренном молоке. Закваску вносят в сыворотку в количестве 3 %. Сбраживание проводят до кислотности (65 ± 5) °Т при температуре (43 ± 2) °С в течение  6 ч. Конец сбраживания определяют по кислотности.

Сгущение и охлаждение осуществляются по общепринятым режимам. При этом плотность сыворотки сгущенной с массовой долей сухих веществ 60 % должна быть в пределах (1290 ± 10) кг/см³, плотность сыворотки сгущенной с массовой долей сухих веществ 40 % должна быть в пределах (1155 ± 15) кг/м³.

Сыворотка молочная концентрированная. Вырабатывают следующих видов: подсырная (СМКП) с массовой долей сухих веществ 13, 20, 30 %; творожная (СМКТ) с массовой долей сухих веществ 13, 20, 30 %; подсырная сброженная (СМКПсб) с массовой долей сухих веществ 30 %; подсырная с сахаром (CMKПC) с массовой долей сухих веществ 52,5; 65; 75; 90 %; творожная с сахаром (СМКТС) с массовой долей сухих веществ 52,5; 65; 75; 90 %.

Для производства сыворотки молочной концентрированной используют подсырную или творожную молочную сыворотку. Для производства сыворотки молочной подсырной сброженной используют сыворотку подсырную несоленую и бактериальную закваску, приготовленную из штаммов ацидофильной палочки. Для приготовления бактериальной закваски используют обезжиренное молоко.

Сыворотка молочная концентрированная предназначена для использования в производстве плавленых сыров, мороженого, безалкогольных напитков (искусственно газируемых и негазируемых), а также в хлебопекарной и кондитерской промышленности и для приготовления ЗЦМ. Производство сыворотки молочной включает следующие технологические процессы:

молочной концентрированной – подготовку сырья, пастеризацию, сгущение, охлаждение и нормализацию, упаковку и хранение;

молочной подсырной сброженной – подготовку сырья, пастеризацию, охлаждение, ферментацию, сгущение, охлаждение и нормализацию, упаковку и хранение;

концентрированной с сахаром – подготовку сырья, пастеризацию, сгущение, внесение свекловичного сахара, охлаждение и нормализацию, упаковку и хранение.

Подготовка сырья включает пастеризацию и охлаждение. Ферментацию проводят при выработке сыворотки молочной подсырной сброженной. Процесс этот аналогичен ферментации, проводимой при выработке сыворотки молочной сгущенной сброженной. Сбраживание ведут до кислотности (50 ± 5) °Т при температуре (43 ± 2) °С в течение 6 ч. Сгущение и охлаждение осуществляют по общепринятым режимам.

Сыворотку молочную концентрированную с сахаром получают путем внесения сахарозы в сыворотку, сгущенную до массовой доли сухих веществ 40 и 60 %, при температуре 65 – 70 °С в резервуарах, снабженных мешалкой и рубашкой. После внесения сахарозы смесь тщательно перемешивают и охлаждают до температуры (9 ± 1) °С.

Сыворотка молочная сквашенная сгущенная. Вырабатывают из творожной или подсырной сыворотки, сквашенной молочнокислыми бактериями с последующим сгущением. Предназначена для производства молочных десертов, напитков и кондитерских изделий.

Сквашенную сгущенную молочную сыворотку вырабатывают следующих видов: творожная с массовой долей сухих веществ 50 %; сгущенная с массовой долей сухих веществ 30 %; подсырная с массовой долей сухих веществ 30 %.

Технология производства сыворотки молочной сквашенной сгущенной включает следующие процессы: прием и подготовку сырья, пастеризацию и охлаждение молочной сыворотки, сквашивание, нагревание, сгущение, охлаждение и кристаллизацию лактозы, упаковку, маркировку, транспортировку, хранение.

Прием и подготовку сырья осуществляют аналогично этим процессам при производстве сыворотки сгущенной и концентрированной – по количеству и качеству. Пастеризацию сыворотки осуществляют при температуре (72 ± 2) °С с выдержкой 15 – 20 с, затем охлаждают до температуры 46 – 50 °С и направляют на сквашивание.

При сквашивании к каждой партии свежей сыворотки добавляют свежую производственную закваску бактериальную L. bulgaricum, приготовленную в соответствии с технологической инструкцией по производству закваски для сгущенной сквашенной молочной сыворотки, в количестве не менее 10 % объема сквашиваемой закваски на сыворотке и не менее 5 % объема сквашиваемой сыворотки для закваски на обезжиренном молоке.

Для приготовления сквашенной молочной сыворотки рекомендуется использовать резервуары с изоляцией, предназначенные для хранения молока, в которых можно поддерживать необходимую для сквашивания температуру 42 – 46 °С.

В процессе сквашивания сыворотку через каждые 3 – 4 ч необходимо тщательно перемешивать в течение 4 – 5 мин. Кислотность сквашенной творожной сыворотки 200 – 220 °Т, продолжительность сквашивания 35 – 48 ч. Кислотность сквашенной подсырной сыворотки 180 – 200 °Т, продолжительность сквашивания 48 – 72 ч.

Перед сгущением заквашенную сыворотку нагревают до температуры кипения. Сгущают ее в вакуум-выпарном аппарате периодического действия при 54 – 58 °С. Для предупреждения или уменьшения вспенивания понижают уровень сгущаемой сыворотки в калоризаторе вакуум-аппарата и используют пеногасители. Конец сгущения определяют по массовой доле сухих веществ продукта, охлажденного до 20 °С.

Сквашенную сгущенную сыворотку охлаждают до (20 ± 2) °С, добавляют затравку лактозы для образования центров кристаллизации и перемешивают в течение 1 ч. Сквашенную сгущенную молочную сыворотку расфасовывают в бочки фанерно-штампованные или деревянные вместимостью 50 и 100 л и в автомолцистерны для молока. Хранить сквашенную сгущенную творожную сыворотку с массовой долей сухих веществ 50 % следует при нерегулируемой температуре не более 6 месяцев со дня выработки, в том числе не более 1 месяца со дня выработки, на предприятии-изготовителе. Хранение сквашенной творожной и подсырной сыворотки с массовой долей сухих веществ 30 % должно производиться при нерегулируемой температуре не более 3 месяцев со дня выработки, в том числе не более 1 месяца со дня выработки на предприятии-изготовителе.