Выход спирта из различного сырья

Этиловый спирт C2H5OH, можно получить двумя способами:

• гидратацией этилена (синтетический);
• брожением (микробиологический).

Первый способ достаточно сложен для реализации даже в промышленных условиях, второй — использует результаты жизнедеятельности дрожжей по переработке натурального сахаросодержащего сырья. При этом, кроме спирта получается углекислый газ и побочные продукты.

Зная химию из школьного курса проведем расчеты по теоретическому выходу спирта и сравним эти данные с фактическим результатом.

Расчет выхода спирта по глюкозе (моносахарид)

Как видно из химического уравнения реакции, одна молекула сахара под действием дрожжевых клеток разлагается на две молекулы этилового спирта и две молекулы углекислого газа. Процесс сопровождается выделением тепла.

С6Н12О6 (глюкоза) = 2 С2Н5ОН (этиловый спирт) + 2СО2 (углекислый газ)+ Q (энергия)

Массы получаемых продуктов определяются через молярные массы участвующих в реакции веществ: С=12 г/моль, Н=1 г/моль, О=16 г/моль — отсюда,

• Молекулярная масса молекулы глюкозы: 180 г/моль
• Молекулярная масса молекулы этилового спирта: 46 г/моль
• Молекулярная масса молекулы углекислого газа: 44 г/моль

180 г/моль = 2*46 г/моль + 2*44 г/моль

Таким образом, из 180 кг глюкозы после переработки дрожжами можно получить 92 кг спирта и 88 кг углекислого газа.

Если глюкозу с молекулярной массой 180 г/моль принять за 100%, этиловый спирт 92 г/моль составит 51.2 %, а углекислый газ 88 г/моль – 48.8 %.

100% = 51,2% + 48,8 %

Следовательно, из 100 кг глюкозы получается:

100*0.512 = 51.2 кг спирта
100*0.488 = 48.8 кг углекислого газа

Плотности этилового спирта при 20 градусах = 0.7893 г/см3. Отсюда, 51.2 (кг) / 0.7893 (г/см³) = 64.9 литров абсолютного спирта. Под абсолютным подразумевается 100% безводный спирт со всеми сопутствующими примесями.

Полученный условный коэффициент 0.649 применим ко всем моно и дисахаридам.

Расчет выхода спирта по сахарозе (дисахарид)

Перед потреблением молекулы сахарозы, дрожжи расщепляют ее на молекулы глюкозы и фруктозы.

С12Н22О11 (сахароза) + Н2О (вода)= 4 С2Н5ОН (этиловый спирт) + 4 СО2 (углекислый газ) + Q (энергия)

С учетом коэффициентов в уравнении получим следующие массы участвующих в реакции веществ:

Сахароза – 342 г/моль
Вода – 18 г/моль
Этиловый спирт – 184 г/моль
Углекислый газ – 176 г/моль

В процентном соотношении получаемых продуктов:

Сахароза + вода – 360 г/моль — 100%
Спирт 184 г/моль — 51.2 %
Углекислый газ 176 г/моль — 48.8 %

Следовательно, из 100 кг сахарозы получается:

100*0.512= 51.2 кг спирта
100*0.488 = 48.8 кг углекислого газа

Во многих случаях сырьем для получения спирта служит не чистый сахар, а содержащие его продукты. В этом случае необходимо знать сахаристость сырья. Например, сахаристость винограда сорта Каберне 20%, а общая доля сока от массы плода достигает 85%. Это означает, что 1 кг винограда позволит получить 850 гр сока. Из него возможно получение 170 гр сахара, брожение которого даст 110 мл спирта.

Расчет выхода спирта из крахмала (полисахарид)

Нередко сырьем для спирта служит крахмалосодержащее сырье. В таком случае технологическая цепочка должна включать процесс гидролиза (превращения) крахмала в сахар под воздействием катализирующих ферментов:

(C6H10O5)n (крахмал) + (n-1)×H2O (вода) + катализатор = n×C6H12O6 (глюкоза)

n– количество гексоз, входящих в структуру крахмала.

Молекулярная масса единицы крахмала = 162 г/моль
Молекулярная масса единицы гексозы равна – 180 г/моль

Коэффициент перевода крахмала в гексозы равен 180/162 = 1.111

То есть из 100 килограмм крахмала получается 100*1.111= 111.1 килограмм гексоз.

Зная выход спирта из гексоз, несложно посчитать конечный выход:

1.11*0.648 = 0.72 литра спирта получается из 1 килограмма крахмала.

Например, из 1 кг зерен пшеницы, содержащей 60% крахмала, можно получить 600 гр крахмала, который после гидролиза преобразуется в 666 гр сахара, брожение которого позволит выделить 426 мг спирта.

Технологические потери спирта

На практике никогда не удается достигнуть теоретических значений, причем потери достигают 10…15%.

Температура процесса брожения не должна превышать 30°С. При более высокой температуре дрожжи быстро вырождаются. Концентрация спирта в браге по той же причине не должна превышать 12—15% об. При недостаточном естественном отводе тепла из бродильной емкости применяется искусственное охлаждение.

Потери при брожении складываются из трат сахара на поддержание жизнедеятельности и прироста биомассы дрожжей, а также образование побочных продуктов; потерь от нарастания кислотности затора; испарения спирта вместе с удаляемым углекислым газом; потерь вследствие недоброда сахаров.

Также, часть этанола теряется во время очистки, которая осуществляется путем перегонки или ректификации.