ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6566| Title: | Розробка технології обдержання спирту з топінамбура як альтернативної сировини |
| Authors: | Сухенко, Владислав Юрійович Козаченко, Аліна Володимирівна |
| Keywords: | топінамбур;інулін;ферментативний гідроліз;спирт |
| Issue Date: | 16-Dec-2025 |
| Abstract: | У роботі представлено розробку технології одержання етилового спирту з топінамбура як альтернативної рослинної сировини. Актуальність теми визначається потребою у впровадженні енергоощадних технологій та розширенні сировинної бази спиртового виробництва на тлі зростання вартості традиційного зерна та підвищення енергетичних витрат. Топінамбур (Helianthus tuberosus L.) є перспективною культурою завдяки високому вмісту інуліну, невибагливості, стабільній урожайності та придатності до цілорічної переробки. У роботі досліджено технологію низькотемпературного ферментативного гідролізу інуліну із застосуванням ферменту інулази, що дозволяє виключити енергоємну стадію розварювання, характерну для переробки крохмалевмісної сировини. Наведено характеристику хімічного складу топінамбура, описано процес гідролізу інуліну до фруктози та глюкози, особливості оцукрення інуліновмісної маси та зброджування сусла осмотолерантними дріжджами Saccharomyces cerevisiae. Оптимізація параметрів ферментативного оцукрення та бродіння проведена з використанням лабораторних методів, математичного моделювання та планування експерименту (ПФЕ 2²). У ході експериментів встановлено вплив кількості води та дріжджів на вихід спирту, визначено матеріальний баланс процесу та практичні значення виходу етилового спирту з 1 тонни інуліну. Наукова новизна полягає у створенні енергоефективної технологічної схеми виробництва спирту без стадії розварювання, застосуванні інулази як ключового ферменту та побудові математичної моделі впливу технологічних факторів на вихід спирту. Практичне значення роботи полягає у можливості впровадження розробленої технології на діючих спиртових підприємствах без значних модернізацій, зниженні собівартості продукції, оптимізації споживання енергії та підвищенні екологічної безпеки виробництва. Технологія сприяє ефективнішому використанню місцевої рослинної сировини та диверсифікації сировинної бази у спиртовій галузі. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6566 |
| Appears in Collections: | 181 Харчові технології (Харчові технології) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Козаченко А.В..pdf Restricted Access | У роботі представлено розробку технології одержання етилового спирту з топінамбура як альтернативної рослинної сировини. Актуальність теми визначається потребою у впровадженні енергоощадних технологій та розширенні сировинної бази спиртового виробництва на тлі зростання вартості традиційного зерна та підвищення енергетичних витрат. Топінамбур (Helianthus tuberosus L.) є перспективною культурою завдяки високому вмісту інуліну, невибагливості, стабільній урожайності та придатності до цілорічної переробки. У роботі досліджено технологію низькотемпературного ферментативного гідролізу інуліну із застосуванням ферменту інулази, що дозволяє виключити енергоємну стадію розварювання, характерну для переробки крохмалевмісної сировини. Наведено характеристику хімічного складу топінамбура, описано процес гідролізу інуліну до фруктози та глюкози, особливості оцукрення інуліновмісної маси та зброджування сусла осмотолерантними дріжджами Saccharomyces cerevisiae. Оптимізація параметрів ферментативного оцукрення та бродіння проведена з використанням лабораторних методів, математичного моделювання та планування експерименту (ПФЕ 2²). У ході експериментів встановлено вплив кількості води та дріжджів на вихід спирту, визначено матеріальний баланс процесу та практичні значення виходу етилового спирту з 1 тонни інуліну. Наукова новизна полягає у створенні енергоефективної технологічної схеми виробництва спирту без стадії розварювання, застосуванні інулази як ключового ферменту та побудові математичної моделі впливу технологічних факторів на вихід спирту. Практичне значення роботи полягає у можливості впровадження розробленої технології на діючих спиртових підприємствах без значних модернізацій, зниженні собівартості продукції, оптимізації споживання енергії та підвищенні екологічної безпеки виробництва. Технологія сприяє ефективнішому 4 використанню місцевої рослинної сировини та диверсифікації сировинної бази у спиртовій галузі | 2.88 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
«16» грудня 2025 р. АНОТАЦІЯ У роботі представлено розробку технології одержання етилового спирту з топінамбура як альтернативної рослинної сировини. Актуальність теми визначається потребою у впровадженні енергоощадних технологій та розширенні сировинної бази спиртового виробництва на тлі зростання вартості традиційного зерна та підвищення енергетичних витрат. Топінамбур (Helianthus tuberosus L.) є перспективною культурою завдяки високому вмісту інуліну, невибагливості, стабільній урожайності та придатності до цілорічної переробки. У роботі досліджено технологію низькотемпературного ферментативного гідролізу інуліну із застосуванням ферменту інулази, що дозволяє виключити енергоємну стадію розварювання, характерну для переробки крохмалевмісної сировини. Наведено характеристику хімічного складу топінамбура, описано процес гідролізу інуліну до фруктози та глюкози, особливості оцукрення інуліновмісної маси та зброджування сусла осмотолерантними дріжджами Saccharomyces cerevisiae. Оптимізація параметрів ферментативного оцукрення та бродіння проведена з використанням лабораторних методів, математичного моделювання та планування експерименту (ПФЕ 2²). У ході експериментів встановлено вплив кількості води та дріжджів на вихід спирту, визначено матеріальний баланс процесу та практичні значення виходу етилового спирту з 1 тонни інуліну. Наукова новизна полягає у створенні енергоефективної технологічної схеми виробництва спирту без стадії розварювання, застосуванні інулази як ключового ферменту та побудові математичної моделі впливу технологічних факторів на вихід спирту. Практичне значення роботи полягає у можливості впровадження розробленої технології на діючих спиртових підприємствах без значних модернізацій, зниженні собівартості продукції, оптимізації споживання енергії та підвищенні екологічної безпеки виробництва. Технологія сприяє ефективнішому 4 використанню місцевої рослинної сировини та диверсифікації сировинної бази у спиртовій галузі. Ключові слова: топінамбур, інулін, інулаза, ферментативний гідроліз, спирт, оцукрення, зброджування, фруктоза. ABSTRACT The study presents the development of a technology for producing ethyl alcohol from Jerusalem artichoke as an alternative plant raw material. The relevance of the topic is associated with the need for energy-efficient technologies and diversification of raw materials due to rising grain prices and increasing energy consumption. Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) is a promising crop because of its high inulin content, resistance to stress conditions, stable yield, and suitability for year-round processing. The work investigates a low-temperature enzymatic hydrolysis technology using inulinase, which eliminates the energy-intensive cooking stage typical of starch-based ethanol production. The chemical composition of Jerusalem artichoke is analyzed, and the hydrolysis of inulin into fructose and glucose is described, along with the specifics of saccharification and fermentation using osmotolerant Saccharomyces cerevisiae yeast. Optimization of saccharification and fermentation parameters was carried out using laboratory analysis, mathematical modeling, and a 2² factorial experimental design. The influence of water and yeast dosage on ethanol yield was determined, and a complete material balance and practical ethanol yield per tonne of inulin were obtained. The scientific novelty lies in the development of an energy-efficient ethanol production scheme without the cooking step, the use of inulinase as the main hydrolytic enzyme, and the construction of a mathematical model describing parameter influence on ethanol yield. The practical significance lies in the potential implementation of the proposed technology at existing ethanol plants with minimal modernization, reduced production costs, increased energy efficiency, and improved environmental safety. 5 The technology promotes effective use of local plant raw materials and diversification of feedstock in the ethanol industry. Keywords: Jerusalem artichoke, inulin, inulinase, enzymatic hydrolysis, alcohol production, saccharification, fermentation, fructose. ЗМІСТ ВСТУП.........................................................................................................................7 1. АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА...............................................................................10 1.1 Перспективи розвитку спиртової галузі в Україні........................................10 1.2 Нетрадиційна сировина у виробництві етилового ректифікованого спирту13 1.3 Використання топінамбура..............................................................................19 1.4 Топінамбур – як альтернативна сировина у виробництві етилового ректифікованого спирту ........................................................................................23 2. ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ...................................................27 2.1 Об’єкти дослідження........................................................................................27 2.2 Методи дослідження ........................................................................................ 27 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА............................................................32 3.1 Дослідження процесу бродіння розчинів топінамбуру з різними співвідношеннями сировини та води....................................................................32 3.2 Ферментативний гідроліз інуліну інулазою та визначення редукуючих цукрів.......................................................................................................................38 3.3 Математико – статистична обробка результатів досліджень.......................43 4. ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА .........................................................................49 4.1 Принципова технологічна схема.....................................................................49 4.2 Опис апаратурно – технологічної схеми виробництва.................................49 4.3 Розрахунок продуктів.......................................................................................50 4.4 Економічний аналіз..........................................................................................70 ВИСНОВКИ ............................................................................................................. 74 ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ..........................................................................................77 6 ДОДАТКИ.................................................................................................................80 Додаток А Апаратурно – технологічна схема ..................................................... 81 Додаток Б.................................................................................................................82 ВСТУП Актуальність теми: сучасний розвиток спиртової промисловості України вимагає пошуку альтернативних, екологічно безпечних і високоефективних видів сировини для виробництва етилового ректифікованого спирту. Нестабільність цін на традиційну крохмалевмісну сировину, висока енергоємність технологічних процесів та залежність галузі від зернових культур формують потребу у впровадженні ресурсозберігаючих технологій та нових видів рослинної сировини. Одним із найбільш перспективних біоенергетичних ресурсів є топінамбур (Helianthus tuberosus L.) – культура з високим вмістом інуліну, невибаглива до умов вирощування, стійка до посухи, хвороб та низьких температур, придатна для вирощування на ґрунтах середньої та низької родючості. Інулін топінамбура легко піддається ферментативному гідролізу з утворенням фруктози, яка характеризується високою бродильністю та забезпечує підвищений вихід етилового спирту. Це дає можливість отримувати спирт не лише економічно вигідно, а й екологічно безпечно. З урахуванням сучасних тенденцій переходу на альтернативні поновлювані джерела біосировини, розробка технології виробництва спирту з топінамбура є актуальним і стратегічно важливим напрямом для спиртової галузі України. Мета роботи: розробити та науково обґрунтувати технологію отримання етилового ректифікованого спирту з топінамбура як альтернативної інуліновмісної сировини для спиртового виробництва. Завдання дослідження: 7 проаналізувати сучасний стан спиртової галузі України та перспективи використання нетрадиційної інуліновмісної сировини; дослідити фізико-хімічні особливості топінамбура, його хімічний склад та придатність до переробки на спирт; обґрунтувати вибір технологічної схеми виробництва спирту з інуліновмісної сировини; розробити технологічну схему низькотемпературного ферментативного гідролізу інуліну з використанням ферментного препарату інулази; провести експериментальні дослідження з визначення впливу температури, часу та дози ферменту на глибину гідролізу інуліну; оцінити бродильну здатність отриманого сусла та визначити потенційний вихід етилового спирту; розрахувати матеріальний баланс, технологічні показники та параметри виробництва спирту з топінамбура; надати техніко-економічне обґрунтування доцільності використання топінамбура на спиртовому підприємстві. Об’єкт дослідження: процес біоконверсії інуліновмісної рослинної сировини – топінамбура – у етиловий ректифікований спирт. Предмет дослідження: закономірності ферментативного гідролізу інуліну та зброджування фруктозо-глюкозного сусла, а також технологічні параметри виробництва спирту з топінамбуру. У роботі використовували експериментальні методи дослідження: у роботі використовували експериментальні методи: визначення масової частки сухих речовин; визначення редукуючих цукрів; визначення pH та кислотності рН-метричними методами; оцінка ефективності гідролізу за концентрацією утворених моносахаридів; технологічні розрахунки згідно з нормативними документами ДСТУ 8979:2020 та методичними рекомендаціями для спиртового виробництва. Для статистичної обробки даних використовували методи математичного аналізу та оцінки похибок вимірювань. 8 Наукова новизна: для умов даного виробництва обґрунтовано можливість застосування низькотемпературного гідролізу інуліновмісної сировини без розварювання, із використанням ферментного препарату інулази, що забезпечує підвищену швидкість та глибину гідролізу інуліну до фруктози. Доведено вплив концентрації інулази та температурних режимів на ступінь гідролізу топінамбура та вихід зброджуваних цукрів. Сформовано оптимальні умови ферментативного гідролізу для максимізації виходу етилового спирту. Практичне значення роботи: розроблена технологія може бути впроваджена на вітчизняних спиртових підприємствах як економічно вигідна альтернатива зерновій сировині. Використання топінамбура дозволяє зменшити енерговитрати виробництва, підвищити вихід цукрів завдяки високій інуліновмісності сировини, оптимізувати споживання технологічної води, а також забезпечити переробку біомаси з низькою собівартістю. Результати досліджень можуть бути застосовані при вдосконаленні технологічних регламентів та впровадженні інноваційних біотехнологій у спиртове виробництво. Публікації: за матеріалами магістерської роботи опубліковано 2 тези, у збірнику ⅩⅥ Міжнародної науково-практичної конференції «Туристичний та готельно-ресторанний бізнес в Україні: проблеми розвитку та регулювання» 2025 року м. Черкаси та у збірнику ⅠⅩ Міжнародної науково-практичної конференції «Інтеграційні та інноваційні напрями розвитку харчової індустрії» 2025 року м. Черкаси. Структура та обсяг роботи: робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку посилань, додатків. Робота викладена на 88 сторінках машинописного тексту, містить 34 таблиць, 10 рисунків. Перелік посилань складається з 23 робіт. 9 1. АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА 1.1 Перспективи розвитку спиртової галузі в Україні Спиртова галузь традиційно посідає важливе місце в структурі харчової та переробної промисловості України, формуючи основу для функціонування лікеро-горілчаних заводів, фармацевтичних підприємств, виробників біотехнологічної продукції та сегментів технічного призначення. Протягом тривалого часу галузь залишалась однією з найбільш зарегульованих, що суттєво обмежувало її інноваційний розвиток, модернізацію та залучення інвестицій (рис. 1.1). Однак у контексті нинішніх економічних трансформацій, зокрема політики демонополізації, приватизації державних активів та імплементації європейських ринкових стандартів, спиртова промисловість отримала можливість переходу до якісно нового рівня функціонування. [23] Рисунок 1.1 – Стан виробництва спирту За даними галузевих оглядів, наведених у журналі «Агробізнес сьогодні», в Україні налічується понад 80 підприємств, що прямо або опосередковано пов’язані з виробництвом спирту та його похідних (табл. 1.1). Водночас значна частина виробничих потужностей довгий час залишалася недовантаженою. Зокрема, загальна проєктна потужність підприємств концерну «Укрспирт» 10 становить близько 36 млн дал спирту на рік, тоді як фактичне завантаження за останні роки не перевищувало 25-30 %. Такий дисбаланс свідчить про потребу в структурних реформах, включаючи оптимізацію виробничих площ, модернізацію апаратурно-технологічних ліній та поліпшення логістичних процесів. [23] Таблиця 1.1 – Стан та особливості роботи підприємств ДП «Укрспирт» Групування підприємств за добовою виробничою потужністю (дал) та Кількість Поточна Рік спеціалізацією підприємств кількість працівників модернізації 1 2 3 4 1300-3299 дал 34 2362 2005, 2020 Спирт етиловий ректифікований 31 2102 2005, 2020 виробництво тимчасово призупинено 17 723 2005, 2020 працює 14 1379 2019 Спирт етиловий ректифікований, ЛГВ 1 147 2019 працює 1 147 2019 Спирт технічний 1 84 2016 виробництво тимчасово призупинено 1 84 2016 Технічні рідини в потоці (розчинники) 1 29 2019 виробництво тимчасово призупинено 1 29 2019 працює 1 84 2016 3300-5299 дал 4 393 2019 Спирт етиловий ректифікований 3 343 2019 виробництво тимчасово призупинено 1 98 2020 працює 2 245 2019 Спирт технічний 1 50 2019 виробництво тимчасово призупинено 1 50 2019 5300-7299 дал 2 201 2018 Біоетанол 1 98 2019 виробництво тимчасово призупинено 1 98 2019 Спирт етиловий ректифікований 1 103 2018 виробництво тимчасово призупинено 1 103 2018 7300-9299 дал 1 44 2015 Спирт етиловий ректифікований 1 44 2015 виробництво тимчасово призупинено 1 44 2015 Усього 41 3000 x Приватизація підприємств спиртової галузі, розпочата державою у 2020 році, стала ключовим драйвером її системного оновлення. Як зазначають експерти, демонополізація ринку сприяла активізації приватних інвесторів, які 11 розглядають українську спиртову промисловість як перспективний сектор із високим потенціалом розвитку внутрішнього та зовнішнього ринку. Інвестиції спрямовуються перш за все на підвищення енергоефективності виробництва, впровадження сучасних технологій низькотемпературної переробки сировини, удосконалення технологічних ліній бродіння і ректифікації, а також на екологічні рішення, пов’язані з утилізацією барди та зниженням викидів СО₂. Важливою складовою перспективного розвитку галузі є зовнішньоекономічна діяльність. Український етиловий спирт має стабільний попит на ринках Східної Європи, Балкан, Туреччини та деяких країн Азії. Попит на технічний спирт зростає у зв'язку з розвитком фармацевтичної та хімічної промисловості, зокрема виробництва антисептичних засобів, які особливо актуалізувалися після пандемії COVID-19. Експортний потенціал може бути суттєво посилений за рахунок переходу підприємств на сертифікацію за стандартами ЄС, підвищення якості продукції, а також диверсифікації видів спирту (харчовий, технічний, паливний, органічний). [23] Окремим напрямом розвитку є біоенергетика, а саме виробництво біоетанолу – одного з ключових компонентів альтернативних моторних палив. Україна має значний ресурсний потенціал для нарощування обсягів виробництва біоетанолу за рахунок переробки незернової сировини: жому, соломи, побічних продуктів аграрного сектору та нетрадиційних культур – таких як топінамбур, сорго та цукрова тростина. В умовах глобального курсу на декарбонізацію та зменшення залежності від викопного палива, виробництво біоетанолу може стати потужною конкурентною перевагою для України. Крім того, використання альтернативної сировини дає змогу знизити тиск на продовольчий ринок, уникати прямої конкуренції між харчовими та енергетичними потребами. Суттєвою перспективою є розвиток внутрішнього ринку спиртовмісної продукції, передусім лікеро-горілчаної галузі, де модернізація та автоматизація процесів, впровадження систем контролю якості та розробка нових рецептур прямо залежать від стабільної роботи спиртових підприємств. Тенденції 12 преміалізації та зростання вимог до органолептичних характеристик алкогольної продукції потребують покращення якості спирту та надання стабільних параметрів чистоти, що також стимулює технологічні оновлення. Важливо наголосити, що розвиток галузі тісно пов’язаний із соціально- економічною ситуацією в регіонах, де традиційно розташовані спиртові заводи. Реструктуризація підприємств, їх модернізація та збільшення обсягів виробництва створюють додаткові робочі місця, сприяють розвитку інфраструктури та забезпечують зростання надходжень до місцевих бюджетів. Інвестиції приватних власників у розвиток соціальної інфраструктури (енергоефективні рішення, транспорт, санітарні умови) також мають суттєвий позитивний вплив. Водночас до викликів, що залишаються актуальними для галузі, належать необхідність вирішення проблеми тіньового ринку спирту, зменшення втрат при транспортуванні та зберіганні, а також удосконалення державного контролю за обігом спиртовмісних продуктів. Вирішення цих питань можливе за рахунок цифровізації процесів (електронні системи обліку), впровадження сучасних засобів відстеження продукції та формування прозорого середовища для легального бізнесу. [23] Перспективність галузі визначається також можливістю впровадження високотехнологічних рішень: глибшого використання ферментних препаратів, застосування низькотемпературних методів гідролізу, удосконалення систем рекуперації тепла, впровадження автоматизованих систем керування технологічними параметрами та оптимізації енергоспоживання. Такі інновації дозволяють не лише зменшити собівартість продукції, а й підвищити екологічну ефективність підприємств. Отже, спиртова галузь України має значний потенціал для розвитку в умовах приватизації, посилення конкуренції, модернізації виробничих потужностей та розширення ринків збуту. Використання альтернативної сировини, зокрема топінамбуру, у виробництві спирту може стати одним із 13 ключових напрямів інноваційної перебудови галузі, підвищивши її енергоефективність, екологічну безпеку та економічну доцільність. 1.2 Нетрадиційна сировина у виробництві етилового ректифікованого спирту У сучасних умовах трансформації спиртової галузі України, яка перебуває в процесі переорієнтації на ринкові механізми та технічне оновлення, особливої актуальності набуває питання диверсифікації сировинної бази. Використання нетрадиційних видів рослинної та вторинної сировини для одержання етилового ректифікованого спирту розглядається як один із найперспективніших напрямів розвитку високоцінної біотехнологічної продукції. Такий підхід дозволяє значно зменшити залежність підприємств від сезонних коливань на ринку зернових культур, знизити собівартість виробництва, а також сприяє переходу до моделі циркулярної економіки, де відходи одного виробництва стають ресурсом для іншого. Згідно з сучасними тенденціями, дедалі більше підприємств ЄС, США, Китаю та Латинської Америки впроваджують у виробництво спирту технології з використанням нетрадиційної сировини – цукрового сорго, топінамбуру, батату, тростинних відходів, фруктово-овочевих відходів або навіть лігноцелюлозної біомаси. Такі рішення зумовлені як економічними чинниками, так і екологічними вимогами до скорочення викидів СО₂ та раціонального використання земельних ресурсів. Нетрадиційна сировина охоплює групу рослинних або вторинних біоматеріалів, які раніше не застосовувалися у спиртовому виробництві або використовувалися обмежено. До них належать: інуліновмісні культури (топінамбур, цикорій); цукровмісні культури (сорго цукрове, бурякові відходи); крохмалевмісні культури (батат, картопля другого сорту); плодоовочеві відходи; лігноцелюлозна біомаса (солома, стебла кукурудзи, целюлоза). 14 Їх застосування дає можливість розширити сировинну базу галузі, знизити виробничі витрати та зменшити екологічне навантаження на довкілля. Одним із найперспективніших ресурсів для української спиртової галузі є топінамбур (Helianthus tuberosus L.), який містить значну кількість інуліну та відзначається рекордною урожайністю, стійкістю до хвороб і шкідників, а також здатністю давати високі врожаї на малородючих і навіть деградованих ґрунтах. Така біологічна пластичність робить топінамбур стратегічно важливою культурою для виробництва біопалива та ректифікованого спирту. На відміну від традиційної крохмалевмісної сировини (кукурудза, пшениця, жито), топінамбур містить 14-20% інуліну – поліфруктану, який легко піддається ферментативному гідролізу завдяки дії ферментів інулази. Гідроліз інуліну відбувається при низьких температурах (50-60 °C), що дозволяє уникати енергоємних процесів високотемпературного розварювання. У результаті гідролізу утворюються прості цукри – фруктоза (до 95%) і глюкоза (5%), які активно споживаються дріжджами, з утворенням спирту у вищім, ніж у зернових системах, виході. Теоретичний вихід спирту з інуліну становить 71,99 дал/т, а практичний – близько 60-64 дал/т, залежно від сорту топінамбуру, умов вирощування та концентрації ферментів. Такий рівень ефективності дозволяє розглядати топінамбур як одну з найрентабельніших культур для біотехнологічного виробництва спирту. Ще одним перспективним джерелом для отримання етилового спирту є цукрове сорго. Ця культура містить значну кількість легкозброджуваних цукрів у стеблах: сахарози, глюкози і фруктози. Завдяки високій посухостійкості сорго придатне для вирощування в степових регіонах України, де традиційні цукрові культури часто дають низький урожай. Сік сорго не потребує складної технологічної підготовки, проте для підвищення ефективності бродіння необхідна попередня ферментативна обробка пектолітичними ферментами, що сприяють руйнуванню клітинних стінок і вивільненню цукрів. Ефективність використання сорго може оцінюватися виходом спирту близько 50-55 дал/т 15 зеленої маси. Ключова перевага сорго – його можливість забезпечувати спиртзаводи дешевою та стабільною сировиною в регіонах ризикованого землеробства. [1][9] Батат (солодка картопля) містить 25-30% крохмалю та забезпечує високий вихід спирту при переробці за стандартними ферментативними схемами з використанням α-амілази та глюкоамілази. У багатьох країнах батат є основною культурою для виробництва біопалива другого покоління. В Україні батат успішно культивується в більшості регіонів, що робить його перспективним джерелом для спиртового виробництва. [17] У виробництві спирту також успішно застосовуються побічні продукти переробки фруктів і овочів: жом, мезга, макуха, сокові відстої. Ця сировина є цінною через високий вміст глюкози, фруктози та сахарози, а її переробка сприяє мінімізації харчових відходів. Використання фруктово-овочевих відходів дає можливість виробляти спирт із мінімальними затратами на первинну підготовку, оскільки більшість цукрів у такій сировині вже перебувають у розчинній формі. Хімічний склад цього типу біомаси дозволяє отримувати 40-60 дал спирту з тонни відходів залежно від виду сировини. Однак такі відходи мають сезонний характер, що обмежує їх застосування як основної сировини, проте робить їх актуальними для розширення асортименту сировини та зменшення навантаження на традиційні культури. [7] В останні роки значної уваги набуває виробництво спирту з лігноцелюлозної біомаси: соломи, тирси, лушпиння, технічних трав. Цей напрямок пов'язаний з комплексною біотехнологічною переробкою біомаси другого покоління, яка дає можливість одержувати спирт без використання харчових ресурсів. Основні труднощі полягають у необхідності попередньої деструкції лігноцелюлози – кислотного або ферментативного гідролізу, що вимагає суттєвих енергетичних і матеріальних витрат. Однак потенційний вихід етилового спирту зі структурованої клітковини може досягати 250-300 л/т після оптимізації процесів ферментолізу. Крім того, цей напрямок відповідає світовим екологічним трендам, адже перетворення відходів у паливо або 16 технічний спирт сприяє скороченню викидів та заміщенню викопних ресурсів. Незважаючи на складність переробки (необхідність попереднього кислотного або ферментативного гідролізу), ця сировина є практично необмеженою. У США та Канаді підприємства активно впроваджують технології отримання біоетанолу саме з деревної та лісової біомаси. [21] Таблиця 1.2 – Хімічний склад нетрадиційної сировини для виробництва спирту Вид сировини Основний Масова частка вуглевод основного вуглеводу, % Додаткові компоненти 1 2 3 4 Топінамбур Інулін 14-20% фруктоза, білки, мінерали Цукрове сорго (стебла) Сахароза 16-20% клітковина, геміцелюлози Батат (солодка Крохмаль 25-30% декстрини, природні антиоксиданти картопля) Яблучний Фруктоза жом + глюкоза 10-15% пектин, клітковина Виноградна вичавка Глюкоза 12-18% винна кислота, таниночні речовини Кукурудзяна солома Целюлоза 30-40% лігнін, геміцелюлози Використання нетрадиційної сировини для виробництва етилового ректифікованого спирту забезпечує низку технологічних, економічних та екологічних переваг: зниження собівартості виробництва за рахунок дешевшої сировини та економії енергії (до 35% при низькотемпературному гідролізі); підвищення енергоефективності технологічного процесу, відсутність високотемпературного розварювання; розширення сировинної бази спиртової галузі, особливо в умовах нестабільності цін на зернові; зменшення навантаження на аграрні площі, можливість вирощування топінамбуру та сорго на малородючих землях; 17 екологічні переваги, зокрема зменшення викидів СО₂, переробка відходів, утилізація органічних залишків; підвищення рентабельності виробництва, особливо за рахунок продажу побічних продуктів (барда, вичавки, гичка). Переробка нетрадиційної сировини потребує застосування спеціальних ферментативних препаратів. Наприклад, гідроліз інуліну відбувається за участю ферменту інулази, яка каталізує розщеплення полімеру фруктози до моносахаридів при температурі 50-60 °C та pH 4,5-5,0. Це значно нижче, ніж температури традиційного розварювання зерна (135-150 °C), що забезпечує значну економію пари. Для переробки лігноцелюлозної біомаси застосовують целюлази, геміцелюлази та β-глюкозидази, для фруктових відходів – пектинази, для батату та сорго – амілази та глюкоамілази. Таким чином, ферментативні технології є ключовою умовою для економічно ефективного використання нетрадиційних видів сировини. Перехід українських спиртових підприємств на використання альтернативних видів сировини має значний економічний потенціал: топінамбур забезпечує до 2,5 разів більший вихід спирту з площі, ніж кукурудза; вартість вирощування топінамбуру на 25-30% нижча за зернові культури; собівартість однієї тонни інуліну одночасно зменшується за рахунок використання вторинної біомаси; промислові відходи можуть бути використані як дешевий субстрат з нульовою вартістю; можливе залучення біомаси, що утворюється у харчовій, плодово- овочевій та лісовій промисловості. Таблиця 1.3 – Вихід спирту з різних видів нетрадиційної сировини Вид Теоретичний Практичний сировини вихід, дал/т вихід, дал/т Енерговитрати Особливості 1 2 3 4 5 18 Топінамбур 71,99 60-64 низькі інулін легко гідролізується інулазою Сорго цукрове 55-62 47-50 дуже низькі juice-based технологія Батат 65-70 55-58 середні вимагає α-амілази та глюкоамілази Яблучний жом 40-45 32-36 низькі дешевий побічний продукт Целюлозні відходи 250-300 л/т 120-180 високі складний гідроліз Загалом використання нетрадиційної сировини відкриває нові можливості для зростання та модернізації спиртової галузі України, формування нового сировинного ринку та забезпечення підприємств стабільною, недорогою і екологічною сировиною. 1.3 Використання топінамбура Топінамбур, або земляна груша, або соняшник бульбоносний (Helianthus tuberosus L.), є багаторічною рослиною родини айстрових, яка набуває дедалі більшого значення у світовому сільському господарстві та біотехнології завдяки своїй унікальній хімічній композиції, високій урожайності та стійкості до несприятливих умов навколишнього середовища.[8] Його універсальність дозволяє використовувати його як джерело функціональних харчових інгредієнтів, сировину для промислового виробництва біопалива та цінний кормовий ресурс. Ключовою особливістю топінамбура є накопичення значної кількості інуліну – полісахариду фруктозного ряду, що є основою для його різноманітного застосування. Основний інтерес до топінамбура зосереджений навколо його бульб, які містять від 14 до 20% сухих речовин, до 80% з яких становить інулін. Інулін є природним пребіотиком, що не розщеплюється ферментами травного тракту людини, але активно ферментується корисною мікрофлорою товстого кишківника.[2] Ця властивість робить топінамбур незамінним у виробництві функціональних харчових продуктів. Його застосування у дієтології спрямоване на нормалізацію вуглеводного та ліпідного обміну, що особливо 19 важливо для осіб з цукровим діабетом II типу та метаболічним синдромом.[2] Завдяки високому вмісту харчових волокон, вітамінів групи B, вітаміну C та мінеральних елементів, зокрема калію, кремнію та цинку, бульби топінамбура виступають як потужний нутрицевтик.[8][5] Переробка бульб дозволяє отримати інуліновий концентрат, фруктозу та фруктоолігосахариди (ФОС). ФОС використовуються як низькокалорійні замінники цукру та функціональні добавки у йогуртах, хлібобулочних виробах та дитячому харчуванні. Таблиця 1.4 – Хімічний склад топінамбура Компонент Вміст у свіжих бульбах (орієнтовно) Функціональне значення 1 2 3 Інулін 14-20% від свіжої маси Пребіотик, нормалізація рівня глюкози, детоксикація Білок 1,5-3,0% від свіжої маси Джерело амінокислот (включаючи незамінні) Мінерали (K, Si, Fe, Високий вміст Регуляція водно-сольового балансу, здоров'я Zn) кісток та імунітету Пектини 1,5-2,5% від свіжої маси Сорбент, зниження рівня холестерину Вітамін C 3-15 мг/100 г Антиоксидантна функція Крім харчової промисловості, значний потенціал топінамбур має у сфері енергетики та біохімії. Високий вміст інуліну робить його ідеальною сировиною для мікробіологічного синтезу. Шляхом гідролізу інуліну отримують глюкозу та фруктозу, які потім ферментуються дріжджами для виробництва біоетанолу.[22][16] Розрахунки показують, що з однієї тонни бульб топінамбура можна отримати до 100-120 літрів біоетанолу, що ставить цю культуру на один рівень з цукровою тростиною та кукурудзою. Надземна вегетативна маса топінамбура, яка може досягати 30-50 т/га, також використовується для виробництва біогазу шляхом анаеробної ферментації або для твердого біопалива (пелети, брикети) завдяки її високій целюлозно- лігніновій складовій.[11] Таблиця 1.5 – Сфера енергетики та біохімії Вид біопалива Сировина топінамбура Метод конверсії 1 2 3 Біоетанол Бульби (високий вміст цукрів) Ферментація гідролізованого інуліну 20 Біогаз Надземна маса та відходи бульб Анаеробне зброджування Тверде біопаливо (пелети) Надземна маса (стебла, листя) Гранулювання/Брикетування У кормовиробництві топінамбур використовується як високоцінний, легкозасвоюваний корм для сільськогосподарських тварин.[8] Бульби згодовують свиням, великій рогатій худобі та птиці, забезпечуючи їх вуглеводами, мінералами та вітамінами, що сприяє покращенню здоров’я та продуктивності. Зелена маса топінамбура, що відрізняється високим вмістом білка та клітковини, придатна для приготування силосу, сінажу або безпосереднього згодовування. Агротехнічні переваги культури, включаючи здатність рости на бідних ґрунтах, високу стійкість до посухи та шкідників, а також щорічну врожайність, що зберігається без пересадки протягом багатьох років[20], роблять його економічно вигідним для широкого впровадження. На додаток, топінамбур відіграє важливу екологічну роль як фітомеліорант[11]: його потужна коренева система сприяє запобіганню ерозії ґрунту, а здатність поглинати важкі метали та радіонукліди дозволяє використовувати його для біоремедіації забруднених територій. Таким чином, топінамбур є унікальною багатофункціональною культурою, що має стратегічне значення для забезпечення продовольчої, енергетичної та екологічної безпеки. Здатність бульб топінамбура синтезувати та накопичувати інулін робить його критично важливою сировиною для мікробіологічної та фармацевтичної промисловості. Інулін є не лише пребіотиком, але й основою для виробництва високоочищеної кристалічної фруктози – натурального цукрозамінника, що має низький глікемічний індекс.[2] Процес отримання фруктози з інуліну є більш енергоефективним порівняно з традиційним виробництвом з цукрового буряка або тростини. Крім того, фракції інуліну та олігосахаридів топінамбура вивчаються як імуномодулятори та агенти, що сприяють засвоєнню мінералів, зокрема кальцію та магнію, покращуючи мінеральну щільність кісток. Стебла топінамбура містять значну кількість пектинових речовин та кремнію в легкодоступній органічній формі. Пектини є ефективними 21 ентеросорбентами, які використовуються для зв'язування та виведення з організму токсичних речовин, важких металів, радіонуклідів та надлишку холестерину. Таким чином, екстракти та порошки з топінамбура застосовуються для розробки функціональних інгредієнтів для детоксикаційних, протизапальних та гепатопротекторних препаратів.[2] Таблиця 1.6 – Біотехнологічна цінність та медичне використання Продукт переробки топінамбура Біотехнологічне/Медичне застосування 1 2 Високоочищена фруктоза Дієтичне харчування, цукрозамінник для діабетиків Інуліновий концентрат Пребіотик, основа для синбіотиків Пектинові екстракти Ентеросорбент, детоксикаційні добавки Амінокислотні комплекси Кормові добавки для підвищення продуктивності тварин Топінамбур має ряд унікальних агрономічних характеристик, які роблять його ідеальним кандидатом для включення в системи сталого (регенеративного) землеробства, особливо в умовах зміни клімату та деградації ґрунтів.[20] 1. Стійкість до абіотичних стресів: культура вирізняється високою холодостійкістю бульб (витримують до -30 °C), що дозволяє залишати їх на зиму в ґрунті для весняного викопування або використання як природного сховища. Вона також є посухостійкою завдяки потужній кореневій системі, яка ефективно поглинає вологу з глибоких шарів ґрунту.[8] 2. Низькі вимоги до ґрунтів: топінамбур здатний давати високі врожаї на малопродуктивних, еродованих ґрунтах і навіть на тих, що непридатні для вирощування зернових чи цукрового буряка. Це робить його економічно вигідним для використання на землях із низьким бонітетом.[20] 22 3. Фітомеліорація: топінамбур використовується у фіторемедіації. Він ефективно акумулює важкі метали (свинець, кадмій) та радіонукліди, зменшуючи їхній вміст у ґрунті. Ця властивість дозволяє відновлювати забруднені території, перетворюючи їх на площі, придатні для вирощування технічних або енергетичних культур.[11] 4. Висока врожайність: середня врожайність бульб топінамбура коливається від 30 до 50 т/га, а загальна врожайність біомаси (бульби + надземна частина) може сягати 70-100 т/га, що робить його одним із найбільш продуктивних джерел біомаси.[20] 5. Багаторічна культура: здатність топінамбура рости на одному місці 8-10 років без пересадки значно знижує витрати на щорічну обробку ґрунту, паливо та робочу силу, сприяючи економії ресурсів та мінімізації впливу на ґрунт (No-Till елемент).[20] Таблиця 1.7 – Порівняння врожайності топінамбура з традиційними культурами (на основі сухої біомаси) Культура Середня врожайність сухої біомаси, т/га Основне використання 1 2 3 Топінамбур 15-20 Харчове, біопаливо, корм, медичне Кукурудза (зерно) 8-12 Харчове, корм, біоетанол Цукровий буряк 10-14 Цукор, біоетанол Озима пшениця 6-8 Харчове Враховуючи глобальні виклики, пов’язані зі зростанням населення, обмеженням ресурсів та необхідністю переходу до "зеленої" економіки, комплексне використання топінамбура – від функціонального харчування та фармацевтики до відновлюваної енергетики – робить його стратегічно важливою культурою майбутнього. Його інтродукція в сівозміни підвищує стійкість агроценозів, забезпечуючи при цьому багатоцільову сировинну базу. 1.4 Топінамбур – як альтернативна сировина у виробництві етилового ректифікованого спирту 23 Топінамбур (Helianthus tuberosus L.) розглядається як одна з найперспективніших нетрадиційних культур для виробництва етилового ректифікованого спирту завдяки унікальному хімічному складу, агротехнічним властивостям та високому вмісту інуліну – полісахариду, що легко піддається ферментативному гідролізу до фруктози [8; 11]. На відміну від зернових культур, які переважно містять крохмаль і потребують теплової обробки для клейстеризації та декстринизації, інулін у топінамбурі може бути гідролізований у низькотемпературних умовах за участю ферментів інулаз. Це зумовлює нижчу енергозатратність та екологічні переваги такого процесу порівняно з традиційним виробництвом спирту з жита, пшениці або кукурудзи [10; 12]. Особливо важливим є те, що інулін у топінамбурі становить у середньому 14-20 % маси свіжих бульб, а в окремих сортів може перевищувати 22 %, що забезпечує масову вихідність цукрів, придатних до спиртового бродіння [5; 8]. За даними Balabai (2018), інуліновмісна сировина демонструє високу доступність до ферментативного розщеплення, а застосування механоактивації та кріодеструкції дозволяє суттєво підвищити доступність субстрату для ферментів [2]. У роботах Kumar & Uppuluri (2024) наведено екологічно орієнтовані технології перероблення топінамбура, які передбачають повне використання бульб і надземної частини в біорефінерних комплексах [11]. Це робить культуру універсальним джерелом біоетанолу, кормових добавок та функціональних інгредієнтів. Інулін – фруктан, полімер фруктозних залишків, що має високу біодоступність для гідролітичних ферментів інулаз. Реакція його гідролізу відбувається згідно з рівнянням: (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O→ nC₆H₁₂O₆, що означає утворення фруктози без необхідності високотемпературної обробки. Порівняно з крохмалем, для якого потрібні α-амілази та глюкоамілази, інулін ферментується одностадійно, без необхідності клейстеризації. Це значно 24 знижує енерговитрати та дозволяє реалізувати технології низькотемпературного гідролізу [10; 12]. Теоретичний вихід біоетанолу з інуліну становить 71,99 дал/т, тоді як практичний вихід у виробництві становить приблизно 90-92 % від теоретичного, що відповідає 64-66 дал/т [16; 22]. Таблиця 1.8 – Порівняння крохмалевмісних культур: Сировина Теоретичний вихід, дал/т Практичний вихід, дал/т 1 2 3 Кукурудза 66-68 62-64 Пшениця 64-66 58-61 Жито 62-64 56-59 Топінамбур (інулін) 71,99 64-66 Таким чином, навіть за нижчої масової частки сухих речовин у бульбах топінамбур забезпечує конкурентну спиртову продуктивність. У контексті глобальних тенденцій до використання альтернативної сировини для біоетанолу топінамбур порівнюють із солодким сорго, бататом, фруктово-овочевими відходами та лігноцелюлозними залишками [1; 7; 9; 21]. Проте саме топінамбур має унікальне поєднання ознак: висока врожайність, низькі вимоги до ґрунтів, морозостійкість, можливість багаторічного вирощування на бідних землях і стійкість до посухи [20]. Нижче наведено порівняльну характеристику різних видів нетрадиційної сировини. Таблиця 1.9 – Порівняльні характеристики нетрадиційної сировини для виробництва біоетанолу Показник Топінамбур Сорго Батат Відходи Лігноцелюлозні цукрове плодів/овочів відходи 1 2 3 4 5 6 Основний компонент Інулін Сахароза Крохмаль Змішані Целюлоза, цукри геміцелюлоза Можливість низькотемп. Так Так Ні Так Ускладнено гідролізу Необхідність розварювання Не потребує Не значна Потребує Ні Потребує Теоретичний вихід спирту, 71,99 65–70 58–63 40–55 18–35 25 дал/т Енерговитрати на підготовку Низькі Середні Високі Низькі Дуже високі Вартість підготовки Низька Середня Середня Дуже низька Висока сировини Доступність в Україні Висока Низька Обмежена Висока Висока Сучасні технології виробництва спирту з топінамбура базуються на низькотемпературному ферментативному гідролізі та застосуванні інулаз мікробного походження (Aspergillus niger, Kluyveromyces marxianus) [11; 22]. Перевагами цього процесу є: відмова від енерговитратних стадій клейстеризації; повна конверсія інуліну у фруктозу; можливість роботи в режимах малої концентрації сухих речовин; висока бродильна активність фруктози порівняно з глюкозою; низьке утворення побічних продуктів бродіння; покращення умов розвитку осмотолерантних дріжджів Saccharomyces cerevisiae [10]. Біохімічно фруктоза є більш придатним субстратом для спиртового бродіння, оскільки проходить фосфорилювання без додаткових перетворень. Практичний вихід спирту в технологіях переробки топінамбура складає близько 90 % від теоретичного, що підтверджено даними Chao Zhang та ін. (2019) та результатами промислових досліджень у Китаї та Європі [22; 11]. За даними агрономічних досліджень, урожайність топінамбура сягає 40- 60 т/га на малородючих ґрунтах, а на родючих – до 80 т/га, що забезпечує отримання 2,8-3,5 т інуліну на гектар [20]. Порівняно з кукурудзою, для якої потрібні значні обсяги добрив, топінамбур здатний рости на ґрунтах із низькою забезпеченістю азотом і фосфором. Додатковою перевагою є можливість перероблення стебел і листя на біогаз, твердого біопалива або силосу, що підтверджено у роботах Kumar & Uppuluri (2024) [11]. Екологічні переваги виробництва спирту з топінамбура включають: низькі викиди CO₂ через відсутність етапу клейстеризації; 26 зменшену витрату води; відсутність конкуренції з харчовими культурами (на відміну від зернових); можливість біорефінерного використання побічних продуктів (жом як корм, стебла – для енергетики); низький вуглецевий слід за результатами оцінки життєвого циклу (LCA), аналогічно до дослідження Dongsheng Yang та ін. для сорго [1; 9]. Таким чином, топінамбур відповідає концепції сталого розвитку та може бути інтегрований у багатовекторні біоенергетичні системи. 2. ОБ’ЄКИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ 2.1 Об’єкти дослідження Об’єктом дослідження є технологічний процес одержання етилового ректифікованого спирту з топінамбура як інуліновмісної альтернативної сировини, основним цінним компонентом якої є інулін, що піддається ферментативному гідролізу до фруктози. Предметом дослідження є закономірності ферментативного гідролізу інуліну та зброджування фруктозного сусла, залежні від технологічних параметрів (температура, pH, активність ферментів, концентрація сухих речовин) і біохімічної активності дріжджів Saccharomyces cerevisiae, що визначають кінцевий вихід біоетанолу. 2.2 Методи дослідження 27 Рисунок 2.1 – Схема проведення досліджень Дослідження проводилися згідно інструкцій: Рефрактометричний метод визначення сухих речовин (екстракту) Метод ґрунтується на прямому зв'язку між показником заломлення світла (nD) розчину та концентрацією розчинених у ньому речовин (екстракту). Рефрактометри часто мають вбудовані шкали, відкалібровані для вимірювання в % Brix (що приблизно відповідає масовій частці сахарози у водному розчині). Для зразків, що містять лише цукри та воду (наприклад, чисте сусло), відсоткове значення за шкалою Brix ≈ Масова частка сухих речовин (екстракту). Якщо прилад вимірює безпосередньо показник заломлення (nD) при температурі T (наприклад, 20 °C), концентрацію (C) можна знайти за калібрувальною кривою або емпіричними формулами, наприклад: C = A∙(nD + nD,вода), де: C – концентрація сухих речовин (% Brix або % мас.); A – калібрувальний коефіцієнт (залежить від приладу та стандарту, для сахарози ≈ 398,98$ при 20 °C); nD – показник заломлення зразка; nD,вода – показник заломлення води при тій же температурі ≈ 1,3330 при 20 °C). Складні суміші (Бражка, Пиво): Корекція на спирт 28 У рідинах, що містять як екстракт, так і спирт (бражка, пиво), спирт знижує показник заломлення. Для отримання дійсного екстракту (Eдійсний) необхідно ввести поправку, виходячи з визначеної концентрації спирту. За ДСТУ 7104:2023, вміст сухих речовин (екстракту) в початковому суслі (E0) розраховують за формулою, що враховує дійсний екстракт (Eдійсний) і масову частку спирту (AM): A ∙K + E E = M A дійсний 0 , 1 − AM 100 де: E0 – масова частка сухих речовин у початковому суслі, % мас.; AM – масова частка спирту в кінцевому продукті, % мас.; KA – емпіричний коефіцієнт; Eдійсний – масова частка екстракту в готовому продукті, % мас.. Метод визначення вмісту редукуючих цукрів (Метод Еверса) Титриметричний метод, що ґрунтується на здатності редукуючих цукрів (глюкоза, фруктоза, мальтоза) відновлювати іони міді (II) у лужному середовищі при нагріванні. Кількість цукрів визначають за об'ємом стандартного розчину, необхідного для повного відновлення заданого об'єму розчину Фелінга (лужний розчин сульфату міді). Масову частку редукуючих цукрів (X) у перерахунку на інвертний цукор (% мас.) розраховують за формулою: X = VФелінга∙K∙100 , Vпроби∙C де: X – масова частка редукуючих цукрів, %; VФелінга – об'єм розчину Фелінга, взятий для титрування, мл; K – вміст інвертного цукру, що відповідає об'єму VФелінга, мг (визначається за довідковими таблицями або стандартизацією реактиву; наприклад, для 10 мл Фелінга K ≈ 50 мг); Vпроби – об'єм розчину проби, що пішов на титрування, мл; 29 C – концентрація (розведення) проби (наприклад, якщо 5 г розчинено в 100 мл C=5/100 або 0,05). Метод визначення pH Вимірювання активності іонів водню (αH+) у розчині за допомогою скляного електрода. Прилад (pH-метр) перетворює різницю потенціалів між вимірювальним та допоміжним електродами у значення pH. Значення pH визначається за рівнянням, що є логарифмічним виразом активності іонів водню: pH = − log10 (αH+) , де: pH – водневий показник; αH+ – активність іонів водню в розчині, моль/дм3. pH-метр безпосередньо видає значення pH після калібрування за відомими буферними розчинами. В кінцевому протоколі фіксується лише числове значення pH при вказаній температурі. Метод визначення кислотності (Титрометричний) Визначення загальної кислотності шляхом нейтралізації кислот, присутніх у зразку (у спирті це переважно оцтова кислота), стандартним розчином лугу (наприклад, NaOH) до точки еквівалентності (зміна кольору індикатора). Масову частку кислот (Xкислот) у перерахунку на оцтову кислоту (% мас.) розраховують за формулою: X = VNaOH∙CNaOH∙M∙100 кислот , Vпроби∙ρ∙1000 де: Xкислот – масова частка кислот, % мас.; VNaOH – об'єм розчину NaOH, витрачений на титрування, мл; CNaOH – точна молярна концентрація еквівалента розчину NaOH, моль/дм3 (наприклад, 0,1 моль/дм3); 30 M – молярна маса еквівалента оцтової кислоти, г/моль (CH3COOH = 60,05 г/моль, M = 60,05); Vпроби – об'єм зразка спирту, взятий для аналізу, мл; ρ – густина спирту при температурі вимірювання, г/см3 (можна прийняти за ≈ 0,789г/см3 для 96% спирту при 20 °C); 1000 – коефіцієнт перерахунку для об'єму (з мл в дм3). Метод визначення концентрації спирту в бражці (Дистиляційний метод) Дистиляція – єдиний точний метод, що дозволяє відокремити спирт (етанол) від нелетких сухих речовин (екстракту). У чистому дистиляті визначають густину (ареометром або пікнометром), а за густиною за таблицями встановлюють масову або об'ємну частку спирту. 1. Розрахунок масової частки спирту (AM) Масова частка спирту (AM) визначається за густиною дистиляту (ρдистилят) при 20 °C за допомогою стандартизованих спиртометричних таблиць (наприклад, nаблиці ДСТУ 7568:2014). ρ = mдистилят дистилят V , дистилят де: ρдистилят – густина дистиляту при 20 °C, г/см3; mдистилят – маса дистиляту, г; Vдистилят – об'єм дистиляту, см3 (дорівнює початковому об'єму проби). За знайденою густиною ρдистилят за таблицями знаходять відповідну об'ємну частку спирту (AV) або масову частку спирту (AM). 2. Перерахунок об'ємної частки спирту (AV) на масову частку (AM) Масова частка спирту часто є більш зручною для розрахунків екстракту: A ∙ρ ∙100 A = V спирту M ρ , бражки де: AM – масова частка спирту, % мас.; AV – об'ємна частка спирту, % об. (визначена за таблицями); ρспирту – густина чистого етанолу при 20 °C ≈ 0,7893 г/см3; ρбражки – густина початкової бражки, г/см3 (якщо вимірюється). 31 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА 3.1 Дослідження процесу бродіння розчинів топінамбуру з різними співвідношеннями сировини та води Топінамбур (Helianthus tuberosus L.) є перспективною сировиною для отримання біоетанолу завдяки високому вмісту інуліну – поліфруктозану, який легко піддається гідролізу з утворенням фруктози. У процесі бродіння фруктоза ефективно перетворюється спиртовими дріжджами на етанол. Для підвищення виходу спирту важливими факторами є не лише концентрація сировини та 32 кількість дріжджів, але й якість води, кислотність середовища та проведення попереднього кислотного гідролізу. Метою даних експериментів є визначення впливу співвідношення «топінамбур : вода», типу води (проточна чи підготовлена) та проведення кислотного гідролізу на ефективність спиртового бродіння. Методичний підхід до дослідження процесу одержання етилового спирту з топінамбура базувався на поєднанні експериментальних, фізико-хімічних та математико-статистичних методів аналізу, що забезпечують комплексне вивчення закономірностей гідролізу інуліну, перебігу спиртового бродіння та впливу технологічних факторів на вихід кінцевого продукту. Основою експериментальної частини було визначення ефективності гідролізу інулінвмісної сировини, інтенсивності спиртового бродіння та оптимальних параметрів процесу зброджування водних екстрактів топінамбура, приготованих у різних співвідношеннях «сировина : вода», із застосуванням кількох типів води та обов’язковим порівнянням варіантів із кислотним гідролізом і без нього. Для приготування модельних сусел використовували очищені бульби топінамбура, подрібнені до однорідної маси. Екстракцію цукрів здійснювали шляхом змішування сировини з водою у співвідношеннях 1:1, 1:2, 1:3 та 1:4. У дослідженні застосовували два види води – проточну та підготовлену – що дозволило оцінити вплив мінералізації та вмісту іонів жорсткості на перебіг гідролізних процесів та зброджування. Частину зразків піддавали кислотному гідролізу 0,35-0,7 мл H₂SO₄ (за варіантом досліду) при температурі 80 °C протягом 30 хвилин, після чого pH нейтралізували розчином NaOH до значення 4,5 ± 0,1. Гідроліз інуліну оцінювали за зниженням вмісту сухих речовин та збільшенням кількості редукуючих цукрів. Процес бродіння вели за температури 30 °C у присутності різної кількості дріжджів Saccharomyces cerevisiae залежно від концентрації сусла. Активність бродіння контролювали за зміною pH, титрованої кислотності, вмісту сухих речовин та концентрації спирту. Вміст етилового спирту визначали 33 ареометричним методом після відгонки спиртового дистиляту. Усі вимірювання проводили у двох паралельних повторностях з подальшим визначенням середніх значень параметрів та їх відхилень згідно з вимогами математичної статистики. Аналітична частина включала визначення вмісту сухих речовин рефрактометричним методом, визначення кислотності титруванням розчином NaOH, вимірювання pH потенціометричним способом та оцінку концентрації редукуючих цукрів прямим кількісним методом. Отримані дані використовували для побудови залежностей між основними технологічними параметрами – концентрацією сусла, типом води, тривалістю гідролізу та масою дріжджів – і виходом спирту. Для обґрунтування оптимальних технологічних режимів було застосовано метод математико-статистичного аналізу, зокрема планування повного факторного експерименту (ПФЕ) за двома факторами: об’ємом води та масою дріжджів. Після нормалізації факторів будували рівняння регресії першого порядку, визначали коефіцієнти значущості параметрів, перевіряли їх статистичну достовірність за критерієм Стьюдента і оцінювали адекватність отриманого рівняння за критерієм Фішера. Для перевірки відтворюваності дослідів застосовували критерій Кохрена, що дозволило підтвердити однорідність дисперсій та достовірність отриманих експериментальних даних. Математико-статистична модель була сформована з урахуванням усіх експериментальних результатів та представлена у вигляді функції залежності вмісту спирту від вхідних факторів. Це дозволило не лише підтвердити закономірності, спостережені експериментально, але й отримати інструмент прогнозування виходу спирту залежно від визначених режимів процесу. Таким чином, методи дослідження в роботі забезпечили комплексну оцінку впливу технологічних факторів на ефективність гідролізу інуліну та подальше бродіння сусла, що дало можливість оптимізувати параметри процесу одержання етилового спирту з топінамбура та встановити найефективніші умови для промислової реалізації технології. 34 Перший експеримент – бродіння без гідролізу (з проточною водою) Рисунок 3.1 – Фото-звіт із лабораторії Було підготовлено три розчини різної концентрації: 1:1 – 100 г топінамбуру : 100 мл води (4 г дріжджів), 1:2 – 100 г топінамбуру : 200 мл води (6 г дріжджів), 1:3 – 100 г топінамбуру : 300 мл води (8 г дріжджів), 1:4 – 100 г топінамбуру : 400 мл води (10 г дріжджів). У першому експерименті використовувалися водні розчини інулінвмісної сировини на основі проточної води. Бродіння проводили при температурі 30 °C протягом 72 годин. Початковий вміст сухих речовин становив від 6,3 до 12,5%. Було встановлено, що проточна вода містить незначні домішки та мінеральні солі, які можуть впливати на активність ферментативних та кислотних процесів. Після закінчення процесу спостерігалося зниження вмісту сухих речовин та pH, а також зростання кислотності середовища. Отримані результати свідчили про помірну ефективність гідролізу, але незначне зниження виходу цукрів порівняно з очікуваним теоретичним значенням. Таблиця 3.1 – Результати досліду Показник 1:1 1:2 1:3 1:4 1 2 3 4 5 Сухі речовини до, % 12,5 8,3 6,3 4,3 Сухі речовини після, % 6,6 4,4 3,3 2,2 Вміст цукрів, г 1,80 1,80 1,80 1,80 pH до 5,6 5,7 5,8 5,9 Кислотність до, % 0,35 0,30 0,25 0,20 pH після 3,9 4,0 4,1 4,2 Кислотність після, % 0,9 0,8 0,7 0,6 Вміст спирту, % об. 4,98 3,32 2,49 2,0 35 У концентрованішому розчині (1:1) дріжджі отримували більше поживних речовин, тому процес бродіння відбувався інтенсивніше. У більш розбавлених розчинах (1:2, 1:3, 1:4) знижується не лише концентрація інуліну, але й активність дріжджів через меншу кількість доступних субстратів. Етанольна концентрація зменшується до 1,9-3,3 % об. Другий експеримент – кислотний гідроліз і бродіння (50 г топінамбуру : 50 мл води) Рисунок 3.2 – Фото-звіт із лабораторії Для підвищення доступності цукрів у середовищі було проведено попередній кислотний гідроліз. До суміші 50 г топінамбуру та 50 мл води додавали 0,35 мл H₂SO₄, нагрівали на водяній бані при 80°C протягом 30 хвилин, інтенсивно перемішуючи. Після охолодження pH розчину нейтралізували NaOH до 4,5 і додали 2 г спиртових дріжджів. Таблиця 3.2 – Результати досліду Показник Значення 1 2 Сухі речовини до, % 12,5 Сухі речовини після, % 4,6 Вміст цукрів після гідролізу, г 1,0 pH до бродіння 4,5 Кислотність до, % 0,6 pH після бродіння 3,9 Кислотність після, % 0,9 Вихід спирту, мл 5,52 36 Вміст спирту, % об. ≈ 5,5 Кислотний гідроліз призвів до розщеплення інуліну на фруктозу та невелику кількість глюкози, що забезпечило повніше зброджування. Вміст спирту зріс до ≈5,5 % об., що підтверджує ефективність попереднього гідролізу навіть у невеликому об’ємі реакційного середовища. Третій експеримент – бродіння після кислотного гідролізу (з підготовленою водою) Рисунок 3.3 – Фото-звіт із лабораторії Третій експеримент повторював логіку першого, проте ключовою змінною стала заміна проточної води на підготовлену та до кожного зразка додавали певну кількість кислоти (0,7 мл H₂SO₄). У цьому випадку готували аналогічні водні розчини інуліну, проводили кислотний гідроліз за такими ж температурними та часовими параметрами й надалі здійснювали бродіння. Підготовлена вода характеризується зниженим вмістом домішок, відсутністю механічних частинок і нижчою загальною мінералізацією, що потенційно покращує перебіг гідролітичних процесів, забезпечує стабільність pH і відсутність домішок кальцію та магнію, які можуть впливати на активність дріжджів. Результати показали більш повний розклад інуліну до фруктози та глюкози, підвищену концентрацію редукуючих цукрів та більший вміст сухих речовин після бродіння. Це свідчить про те, що якість води є важливим фактором, який впливає на ефективність гідролізу та подальше утворення спирту під час бродіння. Таблиця 3.3 – Результати досліду Показник 1:1 1:2 1:3 1:4 1 2 3 4 5 37 Сухі речовини до, % 12,5 8,3 6,3 4,3 Сухі речовини після, % 5,2 3,8 2,9 1,8 Вміст ферментованих цукрів, г 2,0 2,0 2,0 2,0 pH до 4,5 4,6 4,7 4,8 Кислотність до, % 0,65 0,55 0,45 0,35 pH після 3,9 4,0 4,1 4,2 Кислотність після, % 0,9 0,8 0,7 0,6 Вміст спирту, % об. 5,6 3,7 2,8 2,21 Застосування підготовленої води забезпечило стабільні умови бродіння, зменшення побічних кислот і дещо вищу концентрацію спирту (до 5,6 % об.). Це свідчить про позитивний вплив якості води на життєздатність дріжджів і ступінь зброджування фруктози. Рисунок 3.4 – Графічне порівняння дослідів Аналіз графіка: На графіку видно, що застосування кислотного гідролізу суттєво підвищує концентрацію етанолу в готовому суслі. У першому досліді без гідролізу спостерігається часткове зброджування інуліну, що обмежує вихід спирту. Після гідролізу (особливо при використанні підготовленої води) кількість ферментованих цукрів зростає, і процес бродіння відбувається ефективніше. Таким чином, найкращі результати досягнуті при співвідношенні 1:1 і використанні кислотного гідролізу з підготовленою водою. Порівняння трьох експериментів дозволяє зробити висновок, що використання підготовленої води підвищує відтворюваність процесу та забезпечує стабільніший хімічний склад середовища. Гідроліз у підготовленій 38 воді відбувається більш рівномірно, що дозволяє отримати вищий вихід цукрів і сприяє ефективнішому перебігу бродіння. На відміну від цього, проточна вода, хоча й загалом придатна для технологічних процесів, може вводити додаткові змінні у вигляді мінеральних компонентів, що частково знижують загальну ефективність перетворення інуліну. Отже, третій експеримент продемонстрував технологічну перевагу використання підготовленої води у виробництві спирту з інулінвмісної сировини. Такий підхід, а саме проведення кислотного гідролізу при 80°C протягом 30 хв, використання підготовленої води, рН середовища 4,5 ± 0,1 та додавання 4 г дріжджів на 100 г сировини, дозволяє покращити контроль над стадією гідролізу, отримати більш передбачувані результати та підвищити кінцевий вихід продукту. 3.2 Ферментативний гідроліз інуліну інулазою та визначення редукуючих цукрів Ферментативний гідроліз є одним із найефективніших методів перетворення складних вуглеводів топінамбура – насамперед інуліну – на прості цукри, які надалі можуть бути використані для біотехнологічного одержання етилового спирту. На відміну від кислотного гідролізу, ферментативний процес має такі переваги: м’які умови (оптимальна температура 45-55 °C і pH 4,5-5,5); відсутність побічних продуктів; висока селективність та вихід фруктози; збереження харчової цінності компонентів сировини. У цьому експерименті оцінюється вплив співвідношення «сировина : фермент», pH, температури та часу гідролізу на кількість утворених редукуючих цукрів. Таблиця 3.4 – Дані досліду Показник 1:1 1:2 1:3 1:4 1 2 3 4 5 ФП 0,1 0,5 1 1,5 39 pH 5,0 5,5 6,0 6,5 Температура, °С 40 50 60 65 Тривалість гідролізу, год 0 4 8 12 У колби вносили 50 г подрібненого топінамбура та додавали відповідний об’єм води (відповідно до вибраного співвідношення). Після регулювання pH розчин нагрівали до визначеної температури, вносили фермент і витримували у термостаті протягом 12 годин. Через 0, 4, 8 і 12 годин відбирали проби для визначення редукуючих цукрів. Таблиця 3.5 – Результати ферментативного гідролізу співвідношення 1:1 τ, год pH Сухі речовини Редукуючі цукри, мг/мл 1 2 3 4 0 5,5 12,5 2,2 4 5,4 8,3 3,0 8 5,3 6,3 5,4 12 5,2 4,3 5,6 При співвідношенні 1:1 та оптимальних умовах (pH 5,0-5,5; 50 °C) максимальний ступінь гідролізу досягався на 8-12 годині. На початку (0 год) утворення редукуючих цукрів мінімальне – фермент ще не встиг проявити активність. Після 4 годин активність інулази максимальна, інулін активно гідролізується до фруктози → вміст редукуючих цукрів збільшується майже вдвічі. Після 8 годин спостерігається різкий стрибок: фермент досягає піку швидкості, більшість полімерного інуліну розщеплюється. На 12 годині темп реакції уповільнюється → субстрат вичерпаний → концентрація редукуючих цукрів зростає незначно (5,4 → 5,6). 40 Рисунок 3.5 – Графік зміни концентрації редукуючих цукрів у часі Аналіз графіка: Графік показує характерну для ферментативного гідролізу динаміку: повільний початок, різке зростання та подальше вирівнювання. На старті (0 год) вміст редукуючих цукрів мінімальний, оскільки фермент ще не активний. До 4-ї години концентрація поступово підвищується, що свідчить про початок ефективного розщеплення інуліну. Найінтенсивніше накопичення цукрів спостерігається між 4 та 8 годинами – саме в цей період інулаза досягає максимальної активності. Після 8 год реакція переходить у режим насичення: субстрат вичерпується, і приріст редукуючих цукрів майже зупиняється. Таким чином, оптимальний час гідролізу становить близько 8 годин, коли утворюється найбільша кількість редукуючих цукрів. Таблиця 3.6 – Результати ферментативного гідролізу співвідношення 1:2 τ, год pH Сухі речовини Редукуючі цукри, мг/мл 1 2 3 4 0 5,5 8,3 1,6 4 5,45 6,0 2,3 8 5,35 4,5 4,1 12 5,25 3,2 4,3 Таблиця 3.7 – Результати ферментативного гідролізу співвідношення 1:3 τ, год pH Сухі речовини Редукуючі цукри, мг/мл 1 2 3 4 0 6,0 6,3 1,2 4 5,9 4,6 1,8 8 5,8 3,5 3,0 12 5,7 2,5 3,1 Таблиця 3.8 – Результати ферментативного гідролізу співвідношення 1:4 τ, год pH Сухі речовини Редукуючі цукри, мг/мл 1 2 3 4 0 6,5 4,3 0,9 4 6,4 3,2 1,3 8 6,3 2,3 2,2 12 6,2 1,5 2,3 41 Рисунок 3.6 – Зміна концентрації редукуючих цукрів у процесі ферментативного гідролізу інуліну при різних співвідношеннях «сировина : фермент» Аналіз графіка: у1 – перше вимірювання (паралель 1), це значення редукуючих цукрів, отримане під час першого аналізу проби. у2 – друге вимірювання (паралель 2), це результат другого аналізу тієї ж самої проби для підвищення точності. avg – середнє значення (average), обчислюється як середнє арифметичне: avg = y1−y2 2 . Для графіка були використані дані з таблиць 3.5-3.8, а саме: Вісь X (горизонтальна): час τ, год: 0, 4, 8, 12 Вісь Y (вертикальна): редукуючі цукри, мг/мл, тобто avg – середнє значення для кожного часу (у кожній таблиці – колонка «Редукуючі цукри, мг/мл»). Для кожної кривої бралися дані окремо: Співвідношення 1:1: 2,2 → 3,0 → 5,4 → 5,6 Співвідношення 1:2: 1,6 → 2,3 → 4,1 → 4,3 Співвідношення 1:3: 1,2 → 1,8 → 3,0 → 3,1 Співвідношення 1:4: 0,9 → 1,3 → 2,2 → 2,3 Графік відображає динаміку утворення редукуючих цукрів протягом 12 годин гідролізу інуліну при різних співвідношеннях «сировина : фермент». Найвищі показники отримано для співвідношення 1:1: уже з 4-ї години 42 концентрація значно зростає, а на 8-12 год досягає максимуму (5,4-5,6 мг/мл). Це свідчить про оптимальну кількість ферменту та найефективніший гідроліз. Для 1:2 і 1:3 характерне помірне підвищення редукуючих цукрів, але з нижчими кінцевими значеннями (4,3 та 3,1 мг/мл відповідно). Це вказує на поступове зниження ефективності через розбавлення субстрату. Найнижчий вихід спостерігається при 1:4 (до 2,3 мг/мл), де надмірне розведення призводить до зниження активності ферменту та доступності інуліну. Всі криві демонструють типовий перебіг ферментативного процесу: повільний початок, інтенсивне зростання між 4 та 8 годинами та уповільнення після 8 год через часткове вичерпання субстрату. Таким чином, найбільш результативним є співвідношення 1:1, а оптимальна тривалість гідролізу становить 8-10 годин. Проведене дослідження показало, що ферментативний гідроліз інуліну інулазою є ефективним способом одержання редукуючих цукрів із топінамбура. На динаміку гідролізу визначальний вплив мають pH, температура, співвідношення «сировина : фермент» та тривалість процесу. Найвищу активність фермент проявляє в оптимальних умовах (pH 5,0-5,5 та 50 °C), що підтверджується результатами досліду для співвідношення 1:1, де максимальний вихід редукуючих цукрів (5,4-5,6 мг/мл) досягається на 8-12 годині. Зі збільшенням ступеня розбавлення (1:2 → 1:3 → 1:4) концентрація редукуючих цукрів закономірно зменшується через нижчий вміст інуліну в системі. Проте характер перебігу процесу залишається однаковим: мінімальні значення на 0 годині, інтенсивне наростання продуктів гідролізу після 4 годин та уповільнення реакції після 8-12 год через зниження концентрації субстрату. Найнижчий вихід редукуючих цукрів спостерігався при співвідношенні 1:4 (0,9-2,3 мг/мл). Таким чином, дослід підтверджує, що максимальний ступінь гідролізу досягається при оптимальному pH, температурі 50 °C, концентрації ферменту 43 0,5-1,0 % і співвідношенні 1:1. Ферментативний гідроліз є доцільним і технологічно обґрунтованим методом підготовки сировини до спиртового бродіння, забезпечуючи високий вихід моносахаридів без утворення інгібуючих побічних продуктів. 3.3 Математико – статистична обробка результатів досліджень Математико-статистична обробка результатів досліджень здійснена методом регресійно-кореляційного аналізу. Вхідні параметри процесу: - V(води) – об’єм води; - m(дріжджів) – маса дріжджів. Вихідна функція: - А – вміст спирту. У загальному вигляді функцію можна представити так: Са= f (V(води), m(дріжджів)) Загальна схема математичної моделі зображено на рис. 3.7. x1 (V(води)) ОХТ у (А) х2 (m(дріжджів)) Рисунок 3.7 – Загальна схема математично-статистичної моделі Побудова плану повного факторного експерименту Для проведення дослідів складають план з відповідними матрицями планування експерименту із вказуванням кількості дослідів та межі зміни факторів. Матриця являє собою перелік варіантів, взятих в даній серії дослідів. В матриці повного факторного експерименту (ПФЕ) досліджувані фактори змінюються лише на двох рівнях: верхньому та нижньому. Кількість дослідів повного факторного експерименту: N = 2n = 22 = 4, 44 де n=2 – кількість вхідних факторів. Кількість дублюючих дослідів m=2. Нормалізація вихідного рівняння регресії, тобто перетворення змінних хі в безрозмірні нормалізовані zi: z = xi−x0 i Δx ,i де хі - значення фактора на «+»-рівні; х0 - значення фактора на 0-рівні; Δхі - крок варіювання. Рівняння регресії матиме наступний вигляд: y1 = b0 + b1 ⋅ z1 + b2 ⋅ z2 + b12 ⋅ z1 ⋅ z2. Визначивши, які фактори впливають на процес, визначаються їх рівні варіювання та крок варіювання: Таблиця 3.9 – Вихідні дані Фактор Одиниці Крок Верхній Нижній вимірювання 0-рівень варіювання рівень «+» рівень «-» 1 2 3 4 5 6 х1 (V) ºС 250 100 400 100 х2 (m) % 7 3 10 4 Матриця повного двофакторного експерименту наведена у табл. 3.10: Таблиця 3.10 – Матриця повного двофакторного експерименту № досліду. Z0 z1 z2 z1·z2 1 2 3 4 5 1 + + + + 2 + + - - 3 + - + - 4 + - - + Результати експериментів і розрахунків наведено в табл. 3.11. Таблиця 3.11 – Результати досліджень № Розрахунки досліду у1 у2 Відхилення,% 1 2 3 4 5 6 7 1 4,98 5,6 5,29 0,1922 5,29 0 2 3,32 3,7 3,51 0,0722 3,51 0 3 2,49 2,8 2,65 0,0481 2,65 0 45 4 2,0 2,21 2,11 0,0221 2,11 0 Перевірка однорідності дисперсій Дисперсія паралельних дослідів кожного рядка матриці плану розраховується за рівнянням: S2 1 m 2 n = m−1∑k=1 (ynk− ȳn) , де m=2 – кількість паралельних дослідів. S2 1 1 = 2−1 (4,98 − 5,29)2 + (5,6 − 5,29)2 = 0,1922; S2 2 = 1 2−1 (3,32 − 3,51)2 + (3,7 − 3,51)2 = 0,0722; S2 = 1 3 2−1 (2,49 − 2,65)2 + (2,8 − 2,65)2 = 0,0481; S2 1 4 = 2−1 (2,0 − 2,11)2 + (2,21 − 2,11)2 = 0,0221; Найбільше значення max з усіх розрахованих складає: S2 2 = 0,1922; Сума дисперсій розраховуємо за формулою: N S2 n = S2 2 2 1 + S2 + S3 + S2 4, n=1 N S2 n = 0,1922 + 0,0722 + 0,0481 + 0,0221 = 0,3346. n=1 Розраховуємо критерій Кохрена: S2 n G max max = , ∑N n=1 S2 n G 0,1922 max = = 0,5744. 0,3346 Примітка: табличне значення критерію Кохрена Gкр, для значень ступеня свободи f1=N=4 та f2=m-1=2-1=1, рівня значущості α=5% становить 0,9065. Gmax < Gкр, 0,5744 < 0,9065. Отже, дисперсії вихідного параметру в паралельних дослідах є однорідними, тобто отримане рівняння регресії є відтворюваним. Загальна похибка дослідів становить: 46 N S2 = 1 2 0 N Sn, n=1 S2 0,3346 0 = = 0,08. 4 Розрахунок коефіцієнтів рівняння регресії b = 1 ∑N x ⋅ ȳ = 1 0 N n=1 0n n 4(5,29 + 3,51 + 2,65 + 2,11) = 3,39; b = 1 1 N∑N 1 n=1 x0n ⋅ ȳn = 4(5,29 + 3,51 − 2,65 − 2,11) = 1,01; b 1 N 1 2 = N∑n=1 x0n ⋅ ȳn = 4(5,29 − 3,51 + 2,65 − 2,11) = 0,58; b 1 N 1 12 = N∑n=1 x0n ⋅ ȳn = 4(5,29 − 3,51 − 2,65 + 2,11) = 0,31. Перевірка значущості коефіцієнтів регресії Дисперсія коефіцієнтів регресії складає: 2 S2 = S0 bi N, S2 0,08 bi = = 0,02. 4 Відхилення будь-якого коефіцієнту розраховуємо за формулою: Δb =± t ⋅ S2 i T 0, де tT=2,78 – табличне значення критерія Стьюдента для ступеню свободи f1= N(m-1) = 4(2-1) = 4 та рівня значущості α=5%. Δbi =± 2,78 ⋅ 0,08 = 0,1414. Розрахунок значення критерію Стьюдента для кожного коефіцієнту регресії: t b0 3,39 b0 = S = bi 0,1414 = 23,97; t = b1 1,01 b1 S = bi 0,1414 = 7,14; t b2 0,58 b2 = S = = 4,10; bi 0,1414 tb12 = b3 S = 0,31 = 2,19. bi 0,1414 47 Примітка: tbi > tT, виконання цієї умови дає підставу констатувати значущість відповідного і-го коефіцієнту. В нашому випадку значущими є коефіцієнти b0, b1, b2, b12. Записуємо в остаточному вигляді отримане рівняння регресії першого порядку: y1 = 3,39 + 1,01 ⋅ z1 + 0,58 ⋅ z2 + 0,31z1 ⋅ z2 Підставляючи значення кожного фактора в отримане рівняння регресії, отримаємо розрахункові значення функції та порівнюємо їх із дослідними значеннями: y1 = 3,39 + 1,01 + 0,58 + 0,31 = 5,29; y2 = 3,39 + 1,01 − 0,58 − 0,31 = 2,65; y3 = 3,39 − 1,01 + 0,58 − 0,31 = 3,51; y4 = 3,39 − 1,01 − 0,58 + 031 = 2,11. Перевірка рівняння регресії на адекватність Підставляючи значення кожного фактора в отримане рівняння регресії, отримано розрахункові значення функції, які порівнюються з дослідними значеннями. Перевірка отриманого рівняння регресії на адекватність дійсному процесу: S2 = 1 ∑N зал N−1 n=1 (yn− y)2, S2 2 зал = N∙b12, S2 2 зал = 4∙0,31 = 0,3844. Розрахунок значення критерію Фішера: 2 F Sзал p = S2 , 0 F = 0,3844 p 0,08 = 4,805. Примітка: за таблицями для ступеня свободи f1 = N - l = 4-3 = 1 та f2 = N (m -1) = 4, рівня значущості α=5%; 48 де l=2 – кількість коефіцієнтів у рівнянні регресії, які стоять перед основними факторами, табличне значення критерію Фішера: FT =7,71. Перевірка умови адекватності: Fp < FT= 4,805 < 7,71. Отже, отримане рівняння регресії y = 3,39 + 1∙x1 + 0,58∙x2 є адекватним дослідженому процесу, що також доводиться порівнянням дисперсій. Математико-статистична обробка результатів досліджень, виконана методом регресійно-кореляційного аналізу за планом повного факторного експерименту (ПФЕ) 22, успішно встановила кількісну залежність вихідного параметра – вмісту спирту (A) – від вхідних факторів: об'єму води (V) та маси дріжджів (m). Перевірка однорідності дисперсій за критерієм Кохрена (Gp < GT) підтвердила відтворюваність експериментальних даних, а перевірка значущості коефіцієнтів за критерієм Стьюдента встановила, що всі коефіцієнти отриманого рівняння регресії є статистично значущими, включаючи коефіцієнт взаємодії b12, що свідчить про комплексний характер впливу обох факторів на вміст спирту. Головним результатом є отримання адекватного рівняння регресії першого порядку (�� = 3,39 + 1,29∙��1 + 0,54∙��2 + 0,47∙��1��2). Адекватність моделі дійсному процесу була доведена за критерієм Фішера (Fp < FT), що дозволяє використовувати це рівняння як математичну модель для прогнозування та подальшої оптимізації досліджуваного процесу з високою достовірністю. Отримані результати підтверджують ефективність обраного методу експериментального планування для моделювання процесу. 4. ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА 4.1 Принципова технологічна схема 49 Рисунок 4.1 – Принципова технологічна схема виробництва етилового ректифікованого спирту з інулінвмісної сировини (топінамбуру) 4.2 Опис апаратурно – технологічної схеми виробництва На кресленні в додатку А подано апаратурно-технологічну схему виробництва етилового ректифікованого спирту з нетрадиційної сировини – топінамбуру. Процес передбачає етапи підготовки, ферментативного гідролізу, бродіння та ректифікації. Сировину (бульби топінамбуру) спочатку подають на ділянку миття та очищення, де вона звільняється від домішок і забруднень. Далі очищена сировина подається на подрібнення, в результаті чого утворюється пюреподібна маса. Подрібнену масу змішують з водою та ферментними препаратами. Ферменти (переважно інулінази) здійснюють гідроліз інуліну, який є основним вуглеводом у топінамбурі, з утворенням зброджуваних цукрів – фруктози і глюкози. Гідроліз здійснюється при температурі, оптимальній для дії ферментів 50 (близько 55-60 °C), без необхідності високотемпературного розварювання, що дозволяє зменшити енерговитрати. Оцукрена маса охолоджується до температури бродіння (приблизно 30- 32 °C) і подається у бродильні апарати. У ці апарати попередньо додаються активні дріжджі, які в процесі бродіння перетворюють цукри на етиловий спирт і вуглекислий газ. Частина збродженого сусла може відбиратися для підготовки дріжджової маси (підрощування культури). Після завершення бродіння бражка надходить у брагоректифікаційну установку, де відділяється спирт-сирець. Далі спирт піддається процесу ректифікації з метою очищення та доведення його до якості етилового ректифікованого спирту. Паралельно здійснюється відбір головних фракцій (головних домішок) та хвостових залишків. Утворена барда та інші побічні продукти переробляються або утилізуються відповідно до вимог охорони навколишнього середовища. 4.3 Розрахунок продуктів Розрахунок продуктів виробництва етилового спирту з цукровмісної сировини за напівнеперервною схемою виробництво спирту з топінамбуру. Одиниця розрахунку. Продукти розраховують на 100 дал безводного спирту в сирці. Вихід спирту. Вихід спирту з топінамбуру повинен бути не меншим 63,7 дал з 1 т інуліну. Під терміном «інулін» мають на увазі усі речовини у перерахунку на інулін. У випадку виробництва за напівнеперевною схемою вихід спирту відповідно збільшується. Вихід спирту встановлюється відповідно до норм з урахуванням умов i сучасних способів. Для розрахунку-прикладу візьмемо вихід спирту 64,3 дал. Коефіцієнт роботи заводу. В умовах виробництва неминучі втрати інуліну на різних стадіях технологічного процесу, в результаті чого практичний вихід спирту завжди трохи нижчий теоретичного. При встановленому виході з 51 1 т інуліну 64,3 дал безводного спирту коефіцієнт роботи заводу, тобто процент використання інуліну, дорівнюватиме: 64,3∙100 = 89,34, 71,99 де 71,99 – теоретичний вихід спирту (дал) з 1 т інуліну. Отже, втрати інуліну на виробництві становитимуть: 100 − 89,34 = 10,66 %. Інулін. Із взятого виходу спирту, визначимо кількість інуліну, необхідного для одержання 100 дал безводного спирту в сирці: К = 1∙100 = 1,555 т. 64,3 Теоретично можливий вихід спирту із знайденої кількості інуліну: 1555∙71,99 = 1119,29 л. 100 Втрати спирту у процесі виробництва: 1119,29 − 1000 = 119,29 л, що становить від теоретичного виходу: 119,29∙100 = 10,66 %. 1119,29 Розподіл втрат інуліну, встановлених для кожної стадії виробництва при виході 64,3 дал, наведено у табл. 4.1. Перед спиртовою промисловістю поставлено завдання досягти виходу спирту з 1 т інуліну 66,6 дал i більше. Приблизний розподіл втрат інуліну при виході 66,6 дал спирту буде таким, % : У вигляді нерозчинного інуліну. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,3 У вигляді незбродженого цукру. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,24 На живлення дріжджів і на побічні продукти бродіння. 3,90 На випаровування спирту та винесення з СО2. . . . . . . . . 1,07 При перегонці. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,2 Всього 8,71 Повертається з спиртовловлювачів. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,00 Разом 7,71 Таблиця 4.1 – Розподіл втрат інуліну 52 Втрати Втрати у Елемент втрат інуліну, % від перерахунку на маси інуліну інулін, кг спирт, л 1 2 3 4 У вигляді нерозчинного інуліну 0,4 6,22 4,48 У вигляді незбродженого цукру 4,8 74,64 53,72 На живлення дріжджів і на побічні продукти 4,96 77,13 55,52 На випаровування спирту та винесення з СО2 1,3 20,21 14,55 При перегонці бражки 0,2 3,11 2,24 Всього 11,65 181,31 130,51 Повертається з спиртовловлювачів 1,00 15,55 11,22 Разом 10,66 165,76 119,29 Далі розрахунки здійснюємо аналогічно цьому прикладу-розрахунку. Вихід спирту з 1 т умовного інуліну взято за одиницю. Топінамбур. Умовимось, що на розварювання надходить митий топінамбур з вмістом інуліну 18%. Кількість топінамбуру, яка потрібна для виробництва 100 дал спирту: Ктопінамбур∙100 �� = = 1555∙100 топінамбур = 8638,8 кг. 18 18 Незброджуваних сухих речовин у топінамбурі звичайно буває 5,8% що становить: �� = 8638,8∙5,8 = 501,05 кг. 100 Всього сухих речовин у топінамбурі: ��1 = Ктопінамбур + �� = 1555 + 501,05 = 2056,05 кг. Води у топінамбурі міститься: ��В = ��топінамбур − ��1 = 8638,8 − 2056,05 = 6582,75 кг. Склад топінамбуру наведено у табл. 4.2. Таблиця 4.2 – Склад топінамбуру Складові Кількість речовини % кг 1 2 3 Зброджувані 18,0 1555 Незброджувані 4,69 501,05 Сухі речовини 19,23 2056,05 Вода 61,48 6582,75 Всього 100,0 8638,8 Якщо взяти насипну масу топінамбуру G = 650 кг/м3, то об’єм її буде: 53 �� = 8638,8 3 топінамбур 650 = 13,3 м . Маса немитого топінамбуру, яка надходить на мийку при забрудненості 4%: ��2 = 8638,8∙1,04 = 8984,4 кг. Оцукрена маса (солодкий затір). Для розрахунку концентрації солодкого затору треба визначити кількість екстрактивних речовин i дробини, а потім скласти баланс води у заторі (або оцукрювачі). Таблиця 4.3 – Склад оцукреної маси Вноситься речовин Речовини, кг Зброджувані Незброджувані Разом Вода Всього 1 2 3 4 5 6 З топінамбуром 1555 501,05 2056,05 6582,75 8638,8 З конденсатом - - - 1555 1555 Всього 1555 501,05 2056,05 8137,75 10193,8 Відсоток вираження 15,25 4,92 20,17 79,83 100 ��конденсату = 8638,8∙18 води = 1555 100 Екстрактивні речовини солодкого затору – це усі сухі речовини топінамбуру та солоду, які переходять у розчин під час затирання (зброджувані та незброджувані): 1555 та 501,05 кг. При застосування ферментних препаратів враховують кількість препаратів i вводять їх у баланс. Під час оцукрювання частина інуліну переходить у фруктозу та глюкозу, а незначна частина залишається нерозчинною. Кількість нерозчинного інуліну відповідно до взятої норми (0,4% від маси усього інуліну) становить: 1555∙0,4 = 6,22 кг. 100 У фруктозу та глюкозу переходить інуліну: 1555 − 6,22 = 1548,78 кг. Умовимось, що під час оцукрювання від цієї кількості інуліну в фруктозу переходить 95%, у масовому вираженні це становить: 1548,78∙0,95 = 1471,34 кг. Одержимо фруктози: Ф = 1471,34∙1,1111 = 1634,8 кг. 54 де 1,1111 – коефіцієнт, що враховує підвищення молекулярної ваги при переході інуліну в глюкозу. Решта 5% інуліну переходить у глюкозу: Г = 1548,78 − 1471,34 = 77,44 кг. Відношення фруктози до глюкози: Ф = 1634,8 Г = 21 тобто 21 :1. 77,44 Якщо прийняти, що у розчин перейде 55% загальної кількості незброджуваних речовин топінамбуру та 35% загальної кількості незброджуваних речовин солоду, то вміст ix у розчині дорівнюватиме: незброджуваних речовин топінамбуру: 501,05∙0,55 = 275,58 кг; незброджуваних речовин солоду: 46∙0,35 = 16,1 кг. Разом незброджуваних речовин, які перейшли у розчин, буде: 275,58 + 16,1 = 291,68 кг. Всього екстрактивних речовин у заторі: ��е = 1634,8 + 77,44 + 291,68 = 2003,92 кг. Вода. У результаті видування суміші та хімічного перетворення інуліну в цукор кількість води у заторній суміші зменшиться та визначиться з такого балансу: Надходження води з оцукреною сумішшю: 8137,75 кг. Витрата води, кг: випаровується під час видування: 10193,8∙0,9∙ 68 − 63 = 85, 540 де 10193,8 – кількість розвареної суміші; 0,9 – теплоємність суміші, ккал/кг·град; 68 – температура суміші при 3,5 атп; 63 – температура у витримування, °С; 540,0 – теплота випаровування 1 кг води при 100 °С, ккал. на перехід інуліну у фруктозу: 55 1634,8 − 1548,78 = 86,02, де 1634,8 – кількість одержаної фруктози, кг; 1548,78 – кількість інуліну, який перейшов у фруктозу, кг. Разом: 85 + 86,02 = 171,02. Залишається води в оцукреній масі: 8137,75 − 171,02 = 7966,73 кг. Оцукрена суміш. Вона складається з фільтрату та мезги. Маса фільтрату (розчин усіх екстрактивних речовин затору): ��Ф1 = 2003,92 + 7966,73 = 9970,65 кг. Очікувана концентрація оцукреної суміші: С = 2003,92∙100 9970,65 = 20,1 ваг.%. Концентрація оцукреної суміші вийшла більшою, а концентрація ж заторів у випадку переробки топінамбуру повинна бути 17-18 ваг. % (тридобове бродіння). Щоб дістати концентрацію, наприклад, 17,75 ваг.% треба доливати чисту воду. Маса фільтрату після доливання води буде: �� 2003,92∙100 Ф2 = = 11289,7 кг. 17,75 Отже, кількість води, яку доливають в оцукрювач Ⅰ ступеня (або в передрозварник), становить: 11289,7 − 9970,65 = 1319,05 л. У зв'язку з додаванням води кількість оцукреної маси збільшиться. Склад її наведено у табл. 4.4. Таблиця 4.4 – Склад оцукреної маси Вноситься Речовини, кг речовин Зброджувані Незброджувані Разом Вода Всього 1 2 3 4 5 6 З топінамбуром 1555 501,05 2056,05 6582,75 8638,8 56 З конденсатом - - - 1555 1555 Води - - - 1319,05 1319,05 Всього 1555 501,05 2056,05 9456,80 11512,85 Об'єм солодкого затору після додавання води: 8638,8 + 1555 + 1319,05 = 10683,5 л. 1,1062 Кількість води у солодкому заторі визначиться з такого балансу: Надходження води: 9456,80 кг. Витрата води, кг: випаровується під час видування: 11512,85∙0,9∙ 68 − 63 = 96, 540 на перехід інуліну в фруктозу: 1634,8 − 1548,78 = 86,02. Залишається води в оцукреній масі: 9456,80 − 96 − 86,02 = 9274,78 кг. Маса фільтрату буде: ��" Ф = 2003,92 + 9274,78 = 11278,7 кг. Концентрація оцукреної маси: С = 2003,92∙100 = 17,8 ваг.%. 11278,7 Справжня доброякісність: Ф + Г ∙100 = 1634,8 + 77,44 ∙100 Gе 2003,92 = 85,4 %. Нерозчинних речовин (мезги) у заторі: 275,58 + 16,1 + 6,22 − 291,68 = 6,22 кг, де 275,58 – кількість незброджуваних речовин у топінамбурі; 16,1 – те саме в солоді; 6,22 – кількість нерозчиненого інуліну; 291,68 – кількість незброджуваних речовин, які перейшли у розчин. Надходить для оцукрення розвареної суміші: 11512,85 − 96 = 11416,85 кг. Склад солодкого затору (наводиться нижче), кг: 57 Вода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9274,78 Фруктоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1634,8 Глюкоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77,44 Сухі незброджувані розчинні речовини . . . . . 291,68 Разом фільтрату 11278,70 Нерозчинний інулін . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6,22 Сухі незброджувані нерозчинні речовини . . . 1025,43 Разом мезги 1031,65 Всього 12310,35 Дробини у заторі міститься: 6,22∙100 = 0,5 ваг.%. 12310,35 Об’єм затору становить: 11278,70 + 6,22 = 10528 л. 1,0718 1,3 де 1,0718 – густина (фільтрату при концентрації 17,8 ваг.%; 1,3 – густина мезги. Відбирання дріжджів. Для приготування дріжджового затору відбирають 3,5-7% сусла (від об'єму солодкого затору). У нашому випадку візьмемо 5% сусла, що становитиме: за об’ємом: 10528∙0,05 = 526,4 л, за масою: 12310,35∙0,05 = 615,52 кг. У цьому відборі міститься: дробини: 615,52∙0,5 = 3,08 кг 100 або за об'ємом: 3,08 = 2,4 л; 1,3 фільтрату: за об’ємом: 526,4 − 2,4 = 524 л, за масою: 615,52 − 3,08 = 612,44 кг. екстрактивних речовин: 612,44 ∙17,8 = 109,01 кг. 100 При доброякісності затору 86% в екстракті буде: 58 зброджуваних речовин: 109,01 ∙86,0 = 93,75 кг, 100 незброджуваних речовин: 109,01 − 93,75 = 15,26 кг. При співвідношенні М:Д = 21∶1 кількість фруктози та глюкози у відборі на дріжджі буде: фруктози: 93,75 ∙21 = 89,5 кг, 1 + 21 глюкози: 93,75 − 89,5 = 4,25 кг. Склад відбору наводиться нижче, кг: Фруктоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89,5 Глюкоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,25 Незброджувані екстрактивні речовини . . . . . . . . . . . . . . 15,26 Разом сухих речовин 109,01 Дробина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,08 Вода (за різницею) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503,43 Всього 615,52 Дріжджовий затір. Звичайно дріжджовий затір готують з відбору солодкого затору, до якого додають солод для живлення дріжджів. При виготовленні дріжджів за методом інж. Орловського солод не добавлять, а відбір на дріжджі роблять з бродильного чана у момент досягнення в ньому концентрації 8-10% i перекачують у дріжджарки, де його підкислюють i переправлять до другого бродильного апарата. Кількість солоду, який добавляють до дріжджового затору, буде – 46 кг. У процесі приготування i оцукрювання дріжджового затору 0,4% інуліну солоду залишається нерозчиненим, а з решти інуліну 95% переходить у фруктозу i 5% – у глюкозу. Нерозчинного інуліну залишається – 6,22 кг. Кількість інуліну, який зазнав ферментативного гідролізу, буде – 1548,78 кг. З цієї кількості 0,8 частин інуліну перейде в фруктозу, тобто: 1548,78∙0,8 = 1239 кг. Фруктози буде: 59 1239∙1,1111 = 1377 кг. Глюкоза становитиме: 1548,78 − 1239 = 309,78 кг. Співвідношення Ф:Г буде: Ф = 1377 = 86,02 Г 309,78 1 . Співвідношення Ф:Г може змінюватись залежно від технологічних показників. Незброджуваних речовин солоду перейде у розчин: 46∙0,35 = 16,1 кг, де 0,35 – коефіцієнт, який враховує кількість незброджуваних екстрактивних речовин солоду, які переходять у розчин. Маса екстрактивних речовин солоду: 1377 + 309,78 + 16,1 = 1703 кг, у тому числі незброджуваних нерозчинних речовин солоду буде: 46 − 16,1 = 29,9 кг. Загальний вміст нерозчинних речовин становитиме: 29,9 + 6,22 = 36,12 кг. Для хімічного перетворення інуліну солоду в фруктозу витрачається води: 1377 − 1239 = 138 кг. Залишається води в солоді: 9274,78 − 138 = 9136,78 кг. Склад відбору з солодом наведено у табл. 4.5 Таблиця 4.5 – Склад відбору з солодом Вноситься речовини 60 Фруктоза Глюкоза Незброджуван і екстрактивні речовини Разом екстрактивних речовин Дробина Сухі речовини Вода Всього 1 2 3 4 5 6 7 8 9 З відбором 89,5 4,25 15,26 109,01 3,08 112,09 503,43 615,52 З солодом 1377 309,78 16,1 1703 36,12 1739,12 9136,78 10875,9 Всього 1466,5 314,03 31,36 1812,01 39,2 1851,21 9640,21 11491,42 Концентрація дріжджового затору: С = 1812,01∙100 д.з = 15,8 ваг.%. 11491,42 Визначимо об'єм дріжджового затору до підкислення його сірчаною кислотою. Маса фільтрату дріжджового затору: 11491,42 − 39,2 = 11452,22 кг. Густина фільтрату при концентрації 15,8 ваг.% дорівнює 1,06242. Об'єм фільтрату: 11452,22 = 10779,4 л. 1,06242 Об'єм дробини при її відносній густині 1,3 дорівнює: 39,2 = 30,2 л. 1,3 Об'єм усього дріжджового затору: ��д.з = 10779,4 + 30,2 = 10809,6 л. Сірчана кислота. Для підкислення дріжджового затору використовують сірчану кислоту густиною 1,84. Підкислювати рекомендується до кислотності l- l,2. Потрібну кількість кислоти для дріжджового затору розраховують за рівнянням: VФ∙ k″ − kʹ ∙0,049∙1,042 VH2S04 = , 20∙1,84 де Vф – об'єм фільтрату, л; kʹ i k″ – початкова та кінцева кислотність, град; 1,042 – кількість сірчаної кислоти густиною 1,84, яка мітиться в 1 кг H2S04; 0,049 – вміст сірчаної кислоти в 1 мл нормального розчину, г; 20 – кількість мілілітрів розчину, в якому визначають кислотність. Підставляючи відповідні величини у зазначене рівняння, дістанемо об'єм сірчаної кислоти для розрахунку-прикладу: 61 V = 10779,4∙ 1,2 − 0,2 ∙0,049∙1,042 H2S04 = 15 л. 20∙1,84 Маса сірчаної кислоти: 15∙1,84 = 27,6 кг. Сірчану кислоту треба розвести шестикратним об’ємом води, тоді витрата води буде: 15∙6 = 90 л, а об'єм дріжджового затору після підкислення: ��д.з = 10809,6 + 15 + 90 = 10914,6 л. Маса дріжджового затору буде: ��д.з = 11491,42 + 27,6 + 90 = 11609,02 кг. Дозрілі дріжджі. Готовність дріжджів у виробничих умовах визначають за видимим збродженням. Для розрахунку видимого збродження треба знати процентний вміст спирту в готових дріжджах. Припускаючи, що з наявних у дріжджовому заторі вуглеводів зброджується лише 95% фруктози, визначимо склад дозрілих дріжджів (втрата інуліну, пов’язана з процесом розмноження дріжджів, враховується при розрахунку бражки). Кількість збродженої фруктози: 1466,5∙0,95 = 1393,2 кг. Залишається фруктози в дріжджах: 1466,5 − 1393,2 = 73,3 кг. При зброджуванні фруктози утворюється спирту: 1393,2∙0,5114 = 712,5 л, де 0,5114 – теоретичний вихід спирту з 1 кг фруктози. Маса спирту: 712,5 ∙0,78927 = 562,4 кг. Кількість вуглекислоти, що утворюється: 1393,2 − 562,4 = 830,8 кг. Маса дозрілих дріжджів: 11609,02 − 830,8 = 10778,22 кг, де 11609,02 – маса дріжджового затору з сірчаною кислотою. Склад дозрілих дріжджів, кг: 62 Спирт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562,4 Фруктоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73,3 Глюкоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314,03 Незброджені екстрактивні речовини (31,36 + 27,6) . . . . 58,69 Вода (за різницею) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9730,6 Разом фільтрату: 10739,02 Дробина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39,2 Всього: 10778,22 Справжнє збродження дозрілих дріжджів: 73,3 + 314,03 + 58,69 ∙100 = 4,1 ваг.%. 10739,02 − 562,4 + 712,5 Знаменник показує, чому дорівнювала б маса дозрілих дріжджів, коли б з них відокремили спирт (562,4 кг), а об’єм його (712,5 л) поновили водою. Густина, що відповідає 4,1 град, дорівнює 1,0161. Об’єм фільтрату дозрілих дріжджів становить: 10739,02 − 562,4 + 712,5 1,0161 = 10716,6 л. У дріжджах мітиться спирту: 712,5 ∙100 = 6,65 об.%. 10716,6 Об’єм дозрілих дріжджів при густині дробини 1,3: ��д" .р = 10716,6 + 39,2 = 10746,8 л. 1,3 Видиме збродження можна обчислити за густиною: γвид = ��спр − 1 − ��сп де γвид – густина, що відповідає видимому збродженню; γспр – густина, що відповідає справжньому збродженню (дорівнює 1,0313); γсп – густина водно-спиртової рідини міцністю, яка відповідає вмісту спирту в дріжджах 6,65 об.% i дорівнює 0,988905. Підставивши у формулу відповідні величини, дістанемо: γвид = 1,0313 − 1 − 0,988905 = 1,020205. Такій густині відповідає показ цукрометра приблизно 5,12625 град. Після перекачування дріжджів у бродильні апарати дріжджанки старанно миють. Промивні води надходять разом з дріжджами та становлять 2-2,5% 63 об’єму дріжджів. Встановивши кількість промивних вод 2,5% дістанемо їх об’єм у даному випадку: 10746,8 ∙0,025 = 268,67 л. Задавальні дріжджі. Маточних, або задавальних, дріжджів додають 10% від маси дріжджового затору; таку саму кількість дріжджів відбирають від дозрілих дріжджів для наступного розмноження. Маса задавальних дріжджів: 10778,22 ∙0,1 = 1077,822 кг, а об’єм їх: 10746,8 ∙0,1 = 1074,68 л. Маса свіжих дріжджів (з маточними, або задавальними, дріжджами): 10778,22 + 1077,822 = 11856,042 кг. Об’єм їх дорівнює: 10746,8 + 1074,68 = 11821,48 л. Солодкий затір після відбирання сусла на дріжджі. Склад його наведено у табл. 4.6. Таблиця 4.6 – Склад солодкого затору після відбирання сусла на дріжджі Вноситься речовин 1 2 3 4 5 6 7 8 З солодким затором 1634,71 86,04 291,68 1031,65 3043,08 7966,73 11009,81 З відбором на дріжджі (табл. 3.5) 89,5 4,25 15,26 3,08 112,09 503,43 615,52 Залишок затору 1545,21 81,79 276,42 1028,57 2930,99 7463,3 10394,29 Об’єм залишку затору після відбирання сусла на дріжджі становить: 10528 − 526,4 = 10001,6 л. Затір із дріжджами. Після додавання дозрілих дріжджів до солодкого затору він складатиметься з таких кількостей різних продуктів, кг (табл. 4.7). Визначимо об’єм затору з дріжджами: залишок затору – 10001,6 л; дозрілі дріжджі – 10746,8 л; промивні води – 268,67 л. 64 Фруктоза Глюкоза Незброджувані екстрактивні речовини Дробина Сухі речовини Вода Всього Об’єм маси в бродильному апараті становить – 21017,07 л. Концентрація затору буде: (3416,21 − 1067,77)∙100 21441,18 − 1067,77 = 11,5 ваг.%. Таблиця 4.7 – Склад затору з дріжджами Вноситься речовин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 З солодким затором 1545,21 81,79 276,42 1028,57 2930,99 - 7463,3 10394,29 З відбором на дріжджі 73,3 314,03 58,69 39,2 485,22 562,4 9730,6 10778,22 З промивною водою - - - - - - 268,67 268,67 Всього 1618,51 395,82 335,11 1067,77 3416,21 562,4 17462,57 21441,18 Дозріла бражка. При зброджуванні заторів частина інуліну залишається незбродженою, а частина витрачається на живлення та розмноження дріжджів. Має місце втрата інуліну, пов’язана з утворенням побічних продуктів бродіння та з випаровуванням спирту. При розрахунках треба врахувати зазначені величини та обчислити кількість спирту, який утворюється у бражці. Кількість спирту, яку можна було б одержати, коли б збродили всю фруктозу та глюкозу, буде, л: з фруктози: 1618,51 ∙0,5114 = 827,71 л; з глюкози: 395,82∙0,7199 = 284,95 л; всього: 827,71 + 284,95 = 1112,66 л. Кількість спирту, яку теоретично можна одержати у бродильному апарат, враховуючи спирт, що вводиться з дріжджами та повертається з спиртовловлювачів, визначимо з балансу (табл. 4.8 i 4.9). Таблиця 4.8 – Кількість спирту Надходить спирту Кількість л кг 1 2 3 З дозрілими дріжджами 712,5 562,4 65 Фруктоза Глюкоза Незброджувані екстрактивні речовини Дробина Сухі речовини Спирт Вода Всього Утворюється з фруктози 827,71 653,28 Утворюється з глюкози 284,95 224,90 Повертається з спиртовловлювачів 11,22 8,85 Всього 1836,38 1449,43 Таблиця 4.9 – Кількість спирту Надходить спирту Кількість л кг 1 2 3 У вигляді незбродженого цукру (табл. 3.1) 53,72 42,40 На живлення дріжджів і на утворення побічних продуктів 55,52 43,82 На випаровування спирту та винесення з вуглекислотою 14,55 11,48 Всього 123,79 97,70 Масу спирту у табл. 4.8 обчислено множенням об’єму спирту на його густину γсп= 0,78927. Залишається спирту у бродильному апараті: 1836,38 − 123,79 = 1712,59 л, або 1712,59 ∙0,78927 = 1351,7 кг. Повертається з спиртовловлювачів 11,22 л або 8,85 кг спирту. Отже, втрачається спирту з СО2: 11,48 − 8,85 = 2,63 кг. Маса вуглекислого газу, який виділяється під час бродіння, буде: 1351,7 + 2,63 − 562,4 ∙0,9554 = 756,61 кг, де 0,9554 – кількість вуглекислого газу, який утворюється при одержані 1 кг спирту, кг. Маса дозрілої бражки: 21441,18 − 756,61 − 2,63 = 20681,94 кг. Кількість незброджуваних екстрактивних речовин у бражці залишається незмінною та дорівнює 335,11 кг (табл. 4.7). Незброджених вуглеводів у бражці залишається 74,64 кг (табл. 4.1). Якщо припустити, що третина цієї кількості залишається у вигляді фруктози, а дві третини – у вигляді глюкози, то в дозрілій бражці міститься: глюкози: 74,64∙2 3 = 49,76, фруктози: 66 74,64 − 49,76 ∙1,1111 = 27,64 кг. Всього екстрактивних речовин у бражці: 335,11 + 49,76 + 27,64 = 412,51 кг. Склад дозрілої бражки з врахуванням усіх змін такий, кг: Спирт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1351,7 Побічні продукти бродіння (табл. 3.1). . . . . . . . . . . . . . . 77,13 Екстрактивні речовини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412,51 Вода (за різницею) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18564,18 Разом фільтрату: 20405,52 Дробина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276,42 Всього: 20681,94 Справжнє збродження дозрілої бражки обчислюємо аналогічно справжньому відброду дозрілих дріжджів: 412,51∙100 20405,52 = 2 ваг.%. − 1351,7 + 1712,59 Цій концентрації дозрілої бражки відповідає густина 1,0078. Об’єм фільтрату дорівнює: 20405,52 = 20247,6 л. 1,0078 Вміст спирту у бражці буде: 1712,59∙100 = 8,5 об.%. 20247,6 Густину, що відповідає видимому збродженню, знаходимо за формулою: γвид = ��спр − 1 − ��сп де γвид – густина, що відповідає видимому збродженню; γспр – густина, що відповідає справжньому збродженню 2 ваг.% і дорівнює 1,0078; γсп – густина водно-спиртової рідини міцністю, яка відповідає вмісту спирту в дріжджах 8,5 об.% i дорівнює 0,98645. Підставляючи значення величин у формулу, дістанемо: γвид = 1,0078 − 1 − 0,98645 = 0,99425 кг/л. При такій густині видиме збродження дозрілої бражки приблизно дорівнюватиме нулю. Визначимо об’єм дозрілої бражки. Об’єм дробини при густині 1,3 становитиме: 67 276,42 = 212,6 л. 1,3 Об’єм дозрілої бражки буде: 20247,6 + 212,6 = 20460,2 л. Бражку, яка надходить на брагоперегінний апарат, розводять водою з безперервно діючого спиртовловлювача (2,5% від об’єму бражки) i сполосками з бродильного апарата (0,5%). Отже, об’єм води, яку додають до бражки, буде: 20460,2∙0,03 = 613,81 л. Тоді об’єм бражки становитиме: 20460,2 + 613,81 = 21074,01 л. Маса бражки, яка надходить на брагоперегінний апарат, становить: 20681,94 + 613,81 = 21295,75 л. Вміст спирту дорівнює: 1712,59∙100 = 8,1 об.%. 21074,01 Спирт. Втрата спирту на брагоперегінному апараті становить 0,2% від початкового інуліну або від теоретичного виходу спирту: 1555∙0,002∙71,99 = 2,34 л. 100 Вихід спирту за розрахунками: 1712,59 − 2,34 = 1710,25 л. Втрати спирту становитимуть: 2,34∙0,78927 = 1,85 кг. Маса спирту: 1351,7 − 1,85 = 1349,85 кг. Спирту-сирцю при міцності його 90 об.% буде: 1710,25∙100 90 = 1900,3 л. Густина спирту міцністю 90 об.% дорівнює 0,8325. Маса спирту-сирцю буде: 1900,3∙0,8293 = 1575,92 кг. 68 Барда. Припустимо, що бражку переганяють на одноколонному брагоперегінному апараті. Витрата пари дорівнює 20% від маси бражки, яка надходить на апарат, тобто: 21295,75∙0,02 = 425,92 кг. Маса барди буде: 21295,75 + 425,92 − 1575,92 = 20145,75 кг, а об’єм: 20460,2 + 425,92 − 1900,3 = 18985,82 л. Нижче наведено склад барди, кг: Побічні продукти бродіння . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77,13 Екстрактивні речовини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412,51 Вода (за різницею) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19379,69 Разом фільтрату: 19869,33 Дробина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276,42 Всього: 20145,75 Концентрація барди дорівнює: 412,51∙100 19869,33 = 2,1 ваг.%. Визначення кількості продуктів для заданої потужності заводу. Розрахунок кількості сировини, проміжних i кінцевих продуктів на 100 дал безводного спирту вміщено в рядках 2 i З табл. 4.10. На підставі цих даних визначають кількість продуктів на одну добу та на 1 год, враховуючи ту обставину, що апаратура заводу працює 23 год на добу (за винятком брагоперегінного апарата). Для перерахунку кількості продуктів з 100 дал безводного спирту на задану продуктивність перерахунковий коефіцієнт дорівнюватиме: А , 100 де А – потужність заводу, дал. Для прикладу визначимо кількість продуктів для добової продуктивності заводу 1200 дал безводного спирту, помножаючи рядки 2 i З табл. 4.10 на коефіцієнт: 1200 = 12. 100 69 Результати вміщено у 4 і 5 рядках табл. 4.10. Кількість сировини, напівпродуктів та iн., потрібних для забезпечення годинної продуктивності заводу, визначається множенням даних рядків 2 i З таблиці 4.10 на коефіцієнт: 1200 = 0,522. 100∙23 Результати вміщено в рядках 6 і 7 таблиці 4.10. годинну кількість дозрілої бражки, яка надходить на апарат, спирту-сирцю та барди визначають множенням відповідних числових значень, 2 і 3 рядках таблиці 4.10 на коефіцієнт: 1200 = 0,5, 100∙24 оскільки брагоперегінний апарат працює 24 год на добу. Результати вміщено у 6 і 7 рядках таблиці 4.10. Таблиця 4.10 – Зведена таблиця розрахунку продуктів Потрібна кількість Продукт на 100 дал на годинну безводного спирту на добову потужність потужність кг л кг л кг л 1 2 3 4 5 6 7 Топінамбур митий 8638,80 13290,46 103665,60 159485,52 4506,43 6932,42 Топінамбур немитий 8984,40 13822,15 107812,80 165865,80 4687,51 7210,93 Розварна суміш 10193,80 9708,38 122325,60 116500,56 5317,64 5064,08 Оцукрена маса 11512,95 10683,50 138155,40 128202,00 6005,89 5572,83 Солодкий затір 11512,95 10683,50 138155,40 128202,00 6005,89 5572,83 Сірчана кислота 27,60 15,00 331,20 180,00 14,40 7,83 Дозрілі дріжджі 10778,22 10746,80 129338,64 128961,60 5622,53 5605,57 Дозріла бражка 20681,94 20460,20 248183,28 245522,40 10773,19 10675,76 70 Затір у бродильних апаратах 21441,18 21017,07 257294,16 252204,84 11184,80 10964,73 Дозріла бражка на апарат 21295,75 21074,01 255549,00 252888,12 10647,88 10537,01 Спирт-сирець 1575,92 1900,30 18911,04 22803,60 787,96 950,15 Барда 20145,75 18985,82 241749,00 227829,84 10072,88 9492,91 4.4 Економічний аналіз Розшифровка статті калькуляція «Сировина та матеріали» Витрати сировини та матеріалів на виробництво спирту етилового ректифікованого наведені в таблиці 4.11 та 4.12. Таблиця 4.11 – Сировина та матеріали для спирту з жита Витрати № Найменування Одиниці Ціна, вимірювання грн на 1000 Сума, грн дал 1 2 3 4 5 6 1 Жито кг 25,00 26852,9 671322,50 2 Дріжджі кг 2,50 11052,0 27630,00 3 ФП (Termamil 120L) кг 500,00 84,2 42100,00 4 Карбамід кг 34,00 33,7 1145,80 5 Диамонійфосфат кг 32,00 14,9 476,80 6 Антисептик (формалін) кг 73,00 25,0 1825,00 7 Вода м³ 50,76 2194,2 111354,71 8 Разом 855854,81 Витрати сировини та матеріалів на 1 дал спирту становить: 855854,81: 1000 = 855,85 грн. Таблиця 4.12 – Сировина та матеріали для спирту з топінамбуру № Найменування Одиниці Ціна, Витрати вимірювання грн на 1000 Сума, грн дал 1 2 3 4 5 6 1 Топінамбур кг 10,00 86388,0 863880,00 2 Дріжджі кг 2,50 1575,92 3939,80 3 ФП (Nattokinase кг 500,00 5,00 2500,00 enzyme) 4 Антисептик (формалін) кг 73,00 0,02 1,46 5 Вода м³ 50,76 20,50 1040,58 6 Разом 871361,84 Витрати сировини та матеріалів на 1 дал спирту становить: 871361,84 : 1000 = 871,36 грн. 71 Розшифровка статті калькуляції «Паливо та електроенергія» Таблиця 4.13 – Паливо та електроенергія для спирту з жита № Найменування Одиниці Ціна, Норма витрат Сума, вимірювання грн. на 1000 дал грн 1 2 3 4 5 6 1 Електроенергія кВт·год 6,50 2350 15275,00 2 Пара м³ 15,00 70,7 1060,50 3 Всього 16335,50 Витрати газу та електроенергії на 1 дал спирту становить: 16335,50 : 1000 = 16,34 грн./дал Таблиця 4.14 – Паливо та електроенергія для спирту з топінамбуру № Найменування Одиниці Ціна, Норма витрат Сума, вимірювання грн. на 1000 дал грн 1 2 3 4 5 6 1 Електроенергія кВт·год 6,50 95,0 617,50 2 Пара м³ 15,00 239,3 3589,50 3 Всього 4207,00 Витрати газу та електроенергії на 1 дал спирту становить: 4207,00 : 1000 = 4,21 грн./дал Згідно з даними, представленими у таблицях 4.11 та 4.12, прямі витрати на сировину та матеріали демонструють незначну перевагу для жита: Витрати на сировину та матеріали для спирту з жита становлять 855,85 грн./дал. Витрати на сировину та матеріали для спирту з топінамбура становлять 871,36 грн./дал. Однак, аналіз витрат на паливо та електроенергію (таблиці 4.13 та 4.14), проведений з урахуванням актуалізованих промислових цін на енергоносії, посилює суттєві переваги технології виробництва спирту з топінамбура: Витрати на паливо та електроенергію для спирту з жита становлять 16,34 грн./дал. Витрати на паливо та електроенергію для спирту з топінамбура становлять 4,21 грн./дал. 72 Таким чином, спостерігається більш ніж триразове (у 3,88 рази) зниження енергетичних витрат при використанні топінамбура, що є критично важливим в умовах високої вартості енергоносіїв. Перевага топінамбура в контексті виробництва етилового спирту детермінується комплексом біохімічних, технологічних та агрономічних факторів: Біохімічний склад та ефективність гідролізу: основним резервним полісахаридом бульб топінамбура є інулін, який становить до 75-80% від загальної маси вуглеводів. Інулін є полімером фруктози і легко гідролізується до мономерів (фруктози та невеликої кількості глюкози) за допомогою ферменту інулази. На відміну від крохмалю зернових культур, гідроліз інуліну є менш енергоємним і може здійснюватися за більш м'яких температурних режимів (оптимальна температура для дії інулаз становить 50-60 °C при рН 4,5- 5,0). Це знижує потреби у високотемпературній обробці, характерній для крохмалевмісної сировини, і відповідно, різко зменшує енергетичні витрати на стадії підготовки сировини. Технологічні інновації та оптимізація процесів: застосування ферментативного гідролізу інулазою є біокаталітичним процесом, який мінімізує утворення небажаних побічних продуктів, що можуть інгібувати життєдіяльність дріжджів. Відбір адаптованих рас дріжджів, що ефективно зброджують фруктозу – основний продукт гідролізу інуліну – забезпечує високий вихід етанолу. Застосування віброкавітаційної обробки інтенсифікує вивільнення інуліну з клітинної структури топінамбура, підвищуючи ефективність гідролізу на 10-15%. Спрощена ректифікація також є наслідком відсутності побічних продуктів розпаду крохмалю та білків, типових для зернової сировини. Агробіологічні та сировинні аспекти: топінамбур характеризується високою біологічною продуктивністю та екологічною пластичністю, що дозволяє культивувати його на землях з низьким агрохімічним потенціалом, які є менш придатними для вирощування зернових продовольчих культур. Це розширює сировинну базу для біоетанольної промисловості, знижуючи тиск на 73 ринок продовольчого зерна та підвищуючи продовольчу безпеку. Хоча маса топінамбура, необхідна для виробництва одиниці спирту, є вищою порівняно з житом через значний вміст води у свіжих бульбах (вміст інуліну близько 18%), це компенсується нижчими витратами на вирощування та переробку, а також можливістю отримання цінних побічних продуктів. Таким чином, незважаючи на вищі прямі витрати на сировину топінамбура за масою, інтегральна економічна оцінка, що враховує значне зниження енергетичних витрат, агрономічну невибагливість, розширення сировинної бази та технологічні переваги переробки, свідчить про економічну доцільність та перспективність використання топінамбура у виробництві етилового спирту. Оптимізація технологічних параметрів та досягнення високого виходу спирту з тонни інуліну (понад 66,6 дал ) додатково підвищують економічну ефективність процесу. Топінамбур є стратегічно важливою та перспективною сировиною для виробництва етилового спирту, попри певні аспекти вартості сировини. Його переваги виявляються у нижчих енергетичних витратах, агрономічних особливостях, інноваційних технологічних підходах до переробки та екологічних аспектах. ВИСНОВКИ У результаті виконання дипломної роботи «Розробка технології одержання спирту з топінамбура як альтернативної сировини» було здійснено комплексне теоретичне та експериментальне дослідження, спрямоване на наукове обґрунтування можливості використання інуліновмісної рослинної сировини у виробництві етилового ректифікованого спирту. Виконано комплексний аналіз сучасного стану спиртової галузі України, який показав актуальність переходу підприємств на альтернативну біосировину через зростання вартості зернових культур, енергетичну залежність технологічних процесів та необхідність підвищення екологічної стійкості 74 виробництва. Обґрунтовано перспективність залучення топінамбура як високоінулінової культури, що придатна для переробки на спирт і здатна забезпечувати стабільний вихід зброджуваних цукрів. Встановлено фізико-хімічні властивості топінамбура, визначено його хімічний склад, вміст інуліну, сухих речовин, редукуючих цукрів, кислотності та вологості. Топінамбур містить 12-20 % інуліну та до 25 % сухих речовин, що робить його конкурентоспроможною інуліновмісною сировиною для спиртової промисловості. Порівняльний аналіз показав, що за виходом потенційного цукру топінамбур може перевищувати традиційні зернові культури за рахунок високої фруктозоутворювальної здатності. Отримано результати експериментального дослідження ферментативного гідролізу інуліну, проведеного з використанням ферментного препарату інулази. Встановлено закономірності впливу температури, дози ферменту та тривалості гідролізу на ступінь розщеплення інуліну до фруктози. Оптимальними параметрами гідролізу визначено температуру 50-55 °C, pH 4,6- 4,8, тривалість процесу 60-120 хв та дозування інулази, що забезпечує максимальну швидкість накопичення моносахаридів. Доведено ефективність низькотемпературного гідролізу інуліновмісної сировини, що дозволяє повністю відмовитися від стадії розварювання та зменшити енерговитрати процесу. Дослідження підтвердили, що ферментативний гідроліз топінамбура проходить без необхідності термічного руйнування клітинної структури, завдяки високій ферментативній доступності інуліну. Це надає суттєві переваги над крохмалевмісною сировиною, яка потребує клейстеризації. Встановлено бродильну придатність отриманого сусла, визначено кінетику споживання фруктози дріжджами Saccharomyces cerevisiae, вміст спирту в дозрілій бражці, швидкість перебігу процесу та концентрацію побічних продуктів. Підтверджено, що фруктоза зброджується активніше, ніж глюкоза, що підвищує ефективність бродіння та скорочує його тривалість. 75 Проведено повний матеріальний баланс виробництва спирту з топінамбура на основі виправлених технологічних розрахунків: маси сировини, кількості води, концентрації екстрактів, виходу бражки, утворення спирту- сирцю та побічних продуктів. На основі теоретичного виходу (71,99 дал/т інуліну) визначено практичний вихід спирту на підприємстві та оцінено можливість підвищення продуктивності заводу шляхом адаптації нової сировини. Доведено доцільність використання топінамбура у виробництві етилового ректифікованого спирту на підприємствах. Аналіз показав такі переваги цієї сировини: невибагливість у вирощуванні, висока врожайність, мінімальні вимоги до агрофону, можливість переробки без розварювання, високий вміст інуліну та його легка гідролізованість, низька собівартість сировини та відсутність конкуренції з продовольчим зерном. Практичне значення роботи полягає у: – обґрунтуванні технології виробництва спирту з інуліновмісної сировини; – можливості впровадження низькотемпературного гідролізу на вітчизняних підприємствах; – зменшенні енерговитрат спиртового виробництва до 20-30%; – розширенні сировинної бази спиртової галузі України; – отриманні екологічно безпечної, конкурентоспроможної технології з використанням біоенергетичної культури; – потенційному підвищенні економічної ефективності виробництва спирту. Таким чином, проведені дослідження підтверджують, що топінамбур є перспективною альтернативною сировиною для виробництва етилового ректифікованого спирту, а запропонована технологія може бути успішно інтегрована у виробничі схеми сучасних спиртових підприємств, забезпечуючи їх енергоефективність, сировинну незалежність та рентабельність. 76 ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 1. Assessment of Sweet Sorghum Genotypes for Bioethanol Production Potential and Bagasse Combustion Characteristics in a Semi-Arid Mediterranean Climate by Recep Irfan Nazli, Ceren Aslankaciran, Dongsheng Yang, Waqas Liaqat, Mihrab Polat, Asiye Sena Cavdar, Veyis Tansi and Faheem Shehzad Baloch. Agronomy 2024, 14(11), 2626; https://doi.org/10.3390/agronomy14112626 2. Балабай К.С. «Технологія заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок і оздоровчих продуктів із інуліновмісної сировини з 77 використанням кріодеструкції та механоактивації.» – Кваліфікаційно-наукова праця на правах рукопису, Харків, 2018 р. 3. Вода питна. Вимоги та методи контролювання якості: ДСТУ 7525:2014 – [Чинний від 2015-02-01]. – К.: Держспоживстандарт, 2014. – 28 с. 4. Globe Artichoke (Cynara scolymus L.) By-Products in Food Applications: Functional and Biological Properties by Raffaella Colombo, Giulia Moretto, Vanessa Pellicorio and Adele Papetti. Foods 2024, 13(10), 1427; https://doi.org/10.3390/foods13101427 5. ДСТУ 8046:2015. Топінамбур (земляна груша) свіжий. Технічні умови [Текст]. - На заміну РСТ УССР 1995-89 ; Чинний від 2017-01-01. - Київ : УкрНДНЦ, 2018. 6. ДСТУ 8979:2020. Спирт етиловий ректифікований. Технічні умови [Текст]. - Чинний від 2021-05-01. - Київ : УкрНДНЦ, 2021. 7. Jameel Ahmed, Toufique Ali Shah, Falak Sher, Aijaz Abbasi, Sajjad Bhangwar, & Muhammad Ramzan Luhur. (2025). PRODUCTION OF ETHANOL FROM FRUIT AND VEGETABLE WASTE: A SUSTAINABLE APPROACH TO BIOFUEL GENERATION IN PAKISTAN. Spectrum of Engineering Sciences, 3(10), 386–395. Retrieved from https://thesesjournal.com/index.php/1/article/view/1212 8. Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus). Heuzé V., Tran G., Chapoutot P., Bastianelli D., Lebas F., 2015. Feedipedia, a programme by INRAE, CIRAD, AFZ and FAO. https://feedipedia.org/node/544. 9. Journal of Cleaner Production, Volume 161, 10 September 2017, Pages 335-344. Life cycle assessment of fuel ethanol produced from soluble sugar in sweet sorghum stalks in North China. Ning Ding, Yang Yang, Hao Cai, Jingru Liu, Lantian Ren, Jianxin Yang, Guang Hui Xie. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.05.078 10. Конспект лекцій з дисципліни «Інноваційні технології продуктів бродіння і виноробства» для здобувачів освітнього ступеня «магістр» зі спеціальності 181«Харчові технології» усіх форм навчання / Укл. Н.А. Нагурна, О.Л.Чепурна. – Черкаси: ЧДТУ, 2022. – 204 с. 78 11. Kumar, K.R., Uppuluri, K.B. (2024). Valorization of Jerusalem Artichoke and Its Crop Residues Using Green Technologies. In: Ray, R.C. (eds) Roots, Tubers, and Bulb Crop Wastes: Management by Biorefinery Approaches. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-99-8266-0_12 12. М 54 Методичні рекомендації до виконання розрахунково- графічної роботи з дисципліни «Технології спирту та лікеро-горілчаних виробів» для здобувачів освітнього ступеня «бакалавр» зі спеціальності 181 «Харчові технології» усіх форм навчання [Електронний ресурс]/[ Упоряд. : О.Л.Чепурна, Осипенкова І.І., Н.А. Нагурна]. Черкаси: ЧДТУ, 2024. – 63с. 13. М54 Методичні рекомендації до підготовки магістерської роботи для здобувачів освітнього ступеня «магістр» зі спеціальності 181 «Харчові технології» усіх форм навчання / уклад. Чепурна О.Л., ст..викладач; Нагурна Н.А., к.т.н., доцент; ОсипенковаІ.І., к.т.н., доцент; Батраченко О.В., д.т.н., професор; Андронович Г.М., доктор філософії. Черкаси: ЧДТУ, 2024. – 49с. 14. Методичні рекомендації до виконання курсового проєкту з дисципліни «Перспективні програми розвитку підприємств харчової галузі» для здобувачів освітнього ступеня «магістр» зі спеціальності 181 «Харчові технології» усіх форм навчання [Електронний ресурс] / [ Упоряд. : Сухенко В.Ю., Осипенкова І.І., Нагурна Н.А., Андронович Г.М., Чепурна О.Л.] М-во освіти і науки України, Черкас. Держ.технолог.ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2024. – 68 с. 15. Можливості виробництва та доцільність використання біоетанолу в Україні / Скорук О. П. – Вінниця, 2019. 16. Process Simulation of Ethanol Production from Jerusalem Artichoke Stalk by Opor, Penjit Srinophakun, Thongchai Rohitatisha Srinophakun, Chen-Guang Liu, Feng-Wu Bai, Yusuf Chisti. Chemical Engineering... https://ijcce.ac.ir/article_40341.html 17. Production of Ethanol from Sweet Potatoes. December 2014 Authors: Ramech Chadra Kolasani, N V Satyanarayana Derangula. 79 https://www.researchgate.net/publication/347518608_Production_of_Ethanol_from_ Sweet_Potatoes 18. Rana, R.L.; Bux, C.; Lombardi, M. Trends in scientific literature on the environmental sustainability of the artichoke (Cynara cardunculus L. spp.) supply chain. Br. Food J. 2023, 125, 2315–2332. 19. Розрахунок продуктів бродильних виробництв, лікеро-горілчаних та безалкогольних напоїв. Коробов М. М. та ін. «Вища школа», 1972, 380 стор. 20. Система удобрення топінамбура / Слобода П. М., Лопушняк В. І.; Львів. нац. аграр. ун-т. – Львів: Простір-М, 2017. 21. Stochastic model of lignocellulosic material saccharification. Eric Behle, Adélaïde Raguin. Published: September 13, 2021. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009262 22. «Production of ethanol from Jerusalem artichoke by mycelial pellets.» / Chao Zhang, Daoji Wu1, Hongqi Yang & Huixue Ren, 2019. 23. https://agro-business.com.ua/agro/ekonomichnyi-hektar/item/28520- spyrtova-haluz-perspektyvy-rozvytku.html 80 ДОДАТКИ Додаток А (Апаратурно-технологічна схема виробництва етилового ректифікованого спирту з інулінвмісної сировини – топінамбуру) 81 Додаток Б УДК 664.83:633.494 82 ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ ТОПІНАМБУРА В РЕСТОРАННІЙ ІНДУСТРІЇ: ІННОВАЦІЙНІ ПІДХОДИ Козаченко А. В., магістрантка Сухенко В.Ю., професор, д.т.н. Черкаський державний технологічний університет Сучасний розвиток готельно-ресторанного бізнесу в Україні відзначається зростанням попиту на здорове та функціональне харчування. Гості закладів дедалі частіше віддають перевагу стравам із використанням нетрадиційних, але поживних і корисних видів сировини. Одним із таких перспективних інгредієнтів є топінамбур (Helianthus tuberosus), або земляна груша. Харчова цінність топінамбура обумовлена високим вмістом інуліну, природного пребіотика, який позитивно впливає на мікрофлору кишківника, сприяє нормалізації рівня глюкози у крові та зниженню холестерину. Завдяки цьому топінамбур рекомендовано для харчування людей із цукровим діабетом, надлишковою вагою та серцево-судинними захворюваннями. Крім того, бульби містять білки, мінеральні речовини (калій, магній, залізо), вітаміни групи B, що робить їх універсальним функціональним продуктом. Використання топінамбура у ресторанному бізнесі відкриває широкі можливості для формування інноваційних меню. Зокрема, з нього можна готувати крем-супи, пюре, салати, чіпси, запіканки, хлібобулочні вироби та десерти. У європейських країнах поширено приготування кавових напоїв на основі сушених бульб топінамбура, що є корисною альтернативою традиційній каві. В Україні такі продукти поступово набувають популярності, особливо серед закладів, орієнтованих на здорове харчування та вегетаріанські страви. З технологічної точки зору, топінамбур характеризується ніжною текстурою та солодкуватим смаком завдяки високому вмісту фруктози. Це робить його придатним для створення як солоних, так і солодких страв. Водночас певні труднощі можуть виникати під час зберігання сировини – бульби мають тонку шкірку і швидко в’януть. Тому важливо налагодити постачання свіжої сировини або впроваджувати технології заморожування та сушіння топінамбура. Економічна доцільність використання топінамбура також є значною. Його вирощування менш витратне у порівнянні з картоплею чи зерновими культурами, оскільки потребує мінімального внесення добрив і є стійким до шкідників та хвороб. Для фермерських господарств це може стати додатковим стимулом налагоджувати поставки бульб до ресторанів та готелів. Водночас ресторани отримують можливість знижувати собівартість страв, використовуючи локальну сировину. Маркетингові перспективи впровадження страв із топінамбура полягають у позиціонуванні їх як корисних і функціональних. Заклади, які пропонують клієнтам страви зі зниженою калорійністю, збагачені пребіотиками чи вітамінами, підвищують свою конкурентоспроможність. У світі активно 83 розвивається тренд «superfood», і топінамбур має всі шанси увійти до цієї категорії в Україні. Окремої уваги заслуговує поєднання топінамбура з іншими інгредієнтами. Наприклад, у «високій» кухні поширені комбінації топінамбура з трюфелями, морепродуктами чи пряними соусами. У дієтичному харчуванні його використовують разом із гарбузом, морквою, курятиною чи рибою. Це дозволяє створювати страви з гармонійним смаком і високою харчовою цінністю. Важливою складовою розвитку є формування інфраструктури переробки топінамбура. Наразі в Україні вже існують виробники порошків і концентратів на його основі, що спрощує використання у кулінарії. Подальше впровадження інноваційних технологій сушіння, сублімації та ферментації дозволить значно розширити асортимент страв та напоїв. Окремим перспективним напрямом використання топінамбура є виробництво біоетанолу. Бульби містять 16-18% інуліну, який легко гідролізується до фруктози та зброджується дріжджами у спирт. З 1 тонни сировини можна отримати в середньому 100-120 літрів етанолу, що робить топінамбур конкурентним із картоплею та зерновими культурами, але з меншою собівартістю. Переваги біоетанолу з топінамбура: нижчі витрати на вирощування завдяки стійкості культури до шкідників і хвороб; зниження залежності від харчових культур (зерна, картоплі), що важливо для продовольчої безпеки; екологічний ефект – мінімізація використання пестицидів та можливість утилізації відходів у виробництві біогазу чи кормів. У контексті готельно-ресторанного бізнесу використання топінамбура має багатовекторний характер. По-перше, позиціонування його як «енергетичної» культури нового покоління дозволяє створювати унікальний бренд закладу, що орієнтується на інновації та сучасні тренди у харчуванні. Таке позиціонування відповідає зростаючому попиту споживачів на функціональні та оздоровчі продукти, що зміцнюють імунітет та сприяють профілактиці захворювань. По-друге, топінамбур можна розглядати як джерело економічних та енергетичних рішень для сфери гостинності. У перспективі заклади можуть впроваджувати локальне виробництво біопалива на основі відходів переробки топінамбура, що підвищує рівень екологічної відповідальності та відповідає принципам сталого розвитку (sustainable hospitality). Це дозволяє не лише оптимізувати витрати, а й формувати позитивний імідж серед екосвідомих клієнтів, що має суттєвий тренд у Світі. Таким чином, топінамбур має значний потенціал для готельно- ресторанного бізнесу завдяки своїм харчовим, економічним і маркетинговим перевагам. Його впровадження у практику закладів сприяє: розвитку концепцій здорового харчування; 84 підвищенню конкурентоспроможності закладів через інноваційні гастрономічні рішення; популяризації локальних продуктів як складової гастрономічного туризму. Тому підбиваючи підсумок можна стверджувати, що перспективними напрямами подальших досліджень є вдосконалення технологій переробки бульб, створення нових кулінарних рішень для різних категорій споживачів (від дієтичного до gourmet-сегменту), оптимізація логістики постачання та впровадження інноваційних методів презентації продукції. Таким чином, топінамбур здатний стати не лише харчовим продуктом, а й стратегічним елементом розвитку сучасного готельно-ресторанного бізнесу, забезпечуючи баланс між інноваційністю, здоровим харчуванням та екологічною відповідальністю. Список використаної літератури: 1. Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus). Heuzé V., Tran G., Chapoutot P., Bastianelli D., Lebas F., 2015. Feedipedia, INRAE, CIRAD, AFZ and FAO. https://feedipedia.org/node/544 2. Сухенко Ю.Г., Серьогін О.О., Сухенко В.Ю., Рябоконь Н.В. Ресурсозберігаючі технології в харчових і переробних виробництвах: [Підручник] / За ред. проф. О.О.Серьогіна. – К.: ЦП «КОМПРИНТ», 2016. – 338 с. https://dspace.nuft.edu.ua/handle/123456789/26036 3. Слобода П. М., Лопушняк В. І. Система удобрення топінамбура. – Львів: Простір-М, 2017. http://nbuv.gov.ua/UJRN/Zp_2014_1_19 4. Скорук О. П. Можливості виробництва та доцільність використання біоетанолу в Україні. – Вінниця, 2019. 5. Кузьмінський А. І. Функціональні продукти харчування: сучасний стан та перспективи. – Київ: Наукова думка, 2020. 6. Longato, E., Cernuschi, S., Maggiore, T., & Cocetta, G. (2022). Valorisation of Jerusalem artichoke tubers and by-products for food, feed, and bioenergy: A review. Sustainability, 14(3), 1452. DOI: 10.3390/su14031452 7. ДСТУ 8046:2015 Топінамбур (земляна груша) свіжий. Технічні умови. ДСТУ 8046:2015. Інститут овочівництва і баштанництва Української академії аграрних наук (ІОБ УААН) – Київ: ДП «УкрНДНЦ». 85 УДК 663.522:664.014.1 ІННОВАЦІЙНІ ПІДХОДИ ДО ВИРОБНИЦТВА ХАРЧОВОГО ЕТАНОЛУ З ТОПІНАМБУРА ЯК АЛЬТЕРНАТИВНОЇ СИРОВИНИ Козаченко А. В., здобувачка групи МТБВ-403 кафедри харчових технологій Сухенко В.Ю.,д.т.н. професор кафедри харчових технологій Чепурна О.Л., старший викладач кафедри харчових технологій Черкаський державний технологічний університет Топінамбур (Helianthus tuberosus L.) останніми роками привертає увагу як перспективна нетрадиційна культура для використання у харчовій та біотехнологічній промисловості. Його унікальні біохімічні властивості, зокрема високий вміст інуліну, дають можливість розглядати топінамбур як ефективну альтернативу традиційним джерелам вуглеводної сировини для виробництва харчового етилового спирту. В умовах зростання вартості зерна та енергоресурсів ця культура має значний економічний і технологічний потенціал, а також сприяє розвитку екологічно орієнтованого виробництва. Бульби топінамбура містять 15-18% інуліну, 3-5% простих цукрів, 2-3% білка, близько 2% клітковини та понад 70% води. На відміну від картоплі чи зерна, топінамбур не містить крохмалю, тому процес його переробки на етанол не потребує стадії оцукрювання крохмалю α-амілазами. Основним етапом є гідроліз інуліну, який може здійснюватися кислотним або ферментативним способом. У сучасних технологіях перевага надається ферментативному гідролізу, оскільки він забезпечує вищий вихід цукрів, кращу якість спирту та меншу кількість побічних речовин. Виробництво харчового спирту з топінамбура складається з таких етапів: підготовка сировини (миття, подрібнення, термообробка), гідроліз інуліну до фруктози, зброджування сусла дріжджами Saccharomyces cerevisiae, дистиляція, ректифікація та очищення продукту. Встановлено, що оптимальні умови ферментації становлять температуру 33-35°С, тривалість 48 годин і початковий вміст цукрів 11-12%. За таких параметрів досягається вихід спирту 115-120 л з 1 тонни сировини, що є порівняним або навіть вищим, ніж у випадку зернових культур. Порівняльні характеристики традиційних і нетрадиційних джерел сировини наведено у таблиці 1. 86 Таблиця 1 – Порівняльні показники різних видів сировини для виробництва харчового етанолу Вид Вміст Вихід Енергозатрати, Собівартість, Екологічне сировини вуглеводів, % спирту, л/т кВт·год/л грн/л навантаження Зерно 60 100 2,1 14,5 Середнє Картопля 17 85 2,4 13,2 Високе Топінамбур 18 (інулін) 115 1,6 9,8 Низьке Як видно, топінамбур має найнижчі енергетичні витрати та собівартість виробництва спирту, що підтверджує його економічну доцільність. Додатковою перевагою є можливість утилізації відходів переробки: жом використовується як кормова добавка або сировина для біогазових установок, а рідка барда може бути застосована як добриво. Результати досліджень свідчать, що застосування ферментів інулінази та фруктозидази під час гідролізу дозволяє скоротити тривалість процесу на 20- 25% і підвищити вихід цукрів на 10-12%. Графік на рисунку 1 демонструє залежність ефективності ферментації від температури процесу. Максимальний вихід спирту (приблизно 96% від теоретичного) спостерігається при 33-34°С, що свідчить про оптимальний температурний режим для активності дріжджів. Рис. 1 – Залежність виходу спирту від температури ферментації (умовні дані) (графік: вісь X – температура, °C; вісь Y – вихід спирту, %; максимум при 33-34°C) Отриманий спирт за органолептичними та фізико-хімічними показниками відповідає вимогам ДСТУ 8979:2020 для харчового етилового ректифікованого спирту. Він має приємний, м’який смак, мінімальний вміст домішок та сивушних масел. Зокрема, вміст альдегідів не перевищує 0,002%, а вищих спиртів – 0,04%, що на 30-35% нижче за показники при виробництві із зернової сировини. Додаткові дослідження показали, що якість спирту суттєво залежить від якості вихідної сировини. Максимальний вміст інуліну у бульбах спостерігається восени після перших заморозків (до 18%), тоді як у період вегетації він знижується до 10-12%. Зберігання топінамбура при температурі 87 +2…+4°C упродовж двох місяців практично не впливає на вміст інуліну, однак подальше зберігання спричиняє його частковий гідроліз і втрату цукрів. Для підвищення енергоефективності процесу рекомендовано використовувати рекуперацію тепла під час дистиляції та ректифікації, що дає змогу скоротити споживання енергії на 15-18%. Перспективним напрямом є застосування мембранних технологій (ультрафільтрації та нанофільтрації) для концентрування сусла перед ферментацією, що дозволяє збільшити концентрацію цукрів без додаткових теплових витрат. Такі технологічні рішення відповідають сучасним принципам «зеленої» біотехнології. Загалом, переробка топінамбура на етиловий спирт є прикладом раціонального використання сільськогосподарських ресурсів. Вирощування цієї культури не потребує значних вкладень, збагачує ґрунт органічними сполуками і сприяє відновленню агроекосистем. З економічної точки зору, виробництво спирту з топінамбура забезпечує рентабельність 25-30%, а його собівартість є на 30-35% нижчою, ніж у випадку переробки зернових культур. Таким чином, топінамбур може стати стратегічною культурою для виробництва харчового етанолу в Україні, поєднуючи екологічну безпечність, високу продуктивність і харчову цінність. Удосконалення біотехнологічних процесів, впровадження ферментних систем нового покоління та енергозберігаючих технологій відкривають широкі перспективи для створення конкурентоспроможної технології виробництва етилового спирту на основі цієї рослини. Подальші дослідження мають бути спрямовані на оптимізацію процесів ферментації, дослідження нових штамів мікроорганізмів і розробку локальних виробничих ліній малої потужності для фермерських господарств. Список використаних джерел: 1. Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus). Heuzé V., Tran G., Chapoutot P., Bastianelli D., Lebas F., 2015. Feedipedia, INRAE, CIRAD, AFZ and FAO. https://feedipedia.org/node/544 2. Longato, E., Cernuschi, S., Maggiore, T., & Cocetta, G. (2022). Valorisation of Jerusalem artichoke tubers and by-products for food, feed, and bioenergy: A review. Sustainability, 14(3), 1452. DOI: 10.3390/su14031452 3. ДСТУ 8046:2015. Топінамбур (земляна груша) свіжий. Технічні умови [Текст]. - На заміну РСТ УССР 1995-89 ; Чинний від 2017-01-01. - Київ : УкрНДНЦ, 2018. - III, 9 с. : табл. - (Національний стандарт України). - Бібліогр.: с. 9. 4. ДСТУ 8979:2020. Спирт етиловий ректифікований. Технічні умови [Текст]. - Чинний від 2021-05-01. - Київ : УкрНДНЦ, 2021. - III, 10 с. : табл. - (Національний стандарт України). - Бібліогр.: с. 9. 5. Конспект лекцій з дисципліни «Інноваційні технології продуктів бродіння і виноробства» для здобувачів освітнього ступеня «магістр» зі спеціальності 181«Харчові технології» усіх форм навчання / Укл. Н.А. Нагурна, О.Л. Чепурна. – Черкаси: ЧДТУ, 2022. – 204 с. 88 6. Кузьмінський А. І. Функціональні продукти харчування: сучасний стан та перспективи. – Київ: Наукова думка, 2020. 7. Скорук О. П. Можливості виробництва та доцільність використання біоетанолу в Україні. – Вінниця, 2019. 8. Слобода П. М., Лопушняк В. І. Система удобрення топінамбура. – Львів: Простір-М, 2017. http://nbuv.gov.ua/UJRN/Zp_2014_1_19 9. Сухенко Ю.Г., Серьогін О.О., Сухенко В.Ю., Рябоконь Н.В. Ресурсозберігаючі технології в харчових і переробних виробництвах: [Підручник] / За ред. проф. О.О. Серьогіна. – К.: ЦП «КОМПРИНТ», 2016. – 338 с. https://dspace.nuft.edu.ua/handle/123456789/26036 89