Производство глюкозно-фруктозного сиропа

Очищений глюкозний сироп до ізомеризації згущають випаровуванням за температури не вище як 60°С, поки вміст СР не стане 45-50 %. Одночасно із сиропу видаляють кисень, який інгібірує (сповільнює дію) ізомерази глюкози. Вміст азотистих речовин у сиропі допускається до 0,06 %, а іонів кальцію - 1 х х 10-6 моль/дм3. У зв'язку з тим, що іони кальцію знижують ефективність дії ферментів, їх нейтралізують додаванням іонів магнію.

Ізомеризацію глюкози здійснюють пропусканням сиропу крізь шар іммобілізованої (закріпленої на носії) глюкозоізомерази. Носіями є желатин у гранулах, полістирол, модифікована целюлоза, діоксид титану. Глюкозоізомеразу отримують з мікроорганізмів, наприклад, родини Streptomyces, Bacillus або Artrobacter. Завдяки цьому кількість фруктози у глюкозофруктозному сиропі досягає 42 % і отримують звичайний сироп (1 покоління). Крім того виробляють збагачений сироп, що включає 55-60 % фруктози (2 покоління) і високофруктозний з вмістом 90-95 % фруктози (3 покоління). Світовий досвід показує, що глюкозно-фрукозний сироп може замінити в кондитерських виробах близько 20 % цукру. Завдяки цьому сиропу у цукерках, зефірі та інших виробах довго зберігається свіжість. Для отримання сиропу, що містить 45 % глюкози, іонообмінною хроматографією

відділяють глюкозну фракцію, яку потім повертають на стадію ізомеризації. Фракцію, яка включає 90 % фруктози, змішують з початковим сиропом з таким розрахунком, щоб у готовому продукті містилось 55 % фруктози. Солодкість такого сиропу аналогічна показнику інвертного цукру.

За умови хімічної рівноваги неможливо ізомеризувати у фруктозу більш як 50 % глюкози, яка є в розчині. Ізомеризацію здійснюють за температури 58-65°С, рН 7,5-8,2 протягом 20-24 год., що забезпечує накопичення близько 42 % фруктози в ізомеризованому сиропі. [17, c. 349]

Корисна модель відноситься до харчової промисловості зокрема до обладнання для отримання глюкозно-фруктозного сиропу з крахмальної зернової сировини (пшениця, жито, тритикале, ячмінь).

Корисна модель дозволить здешевити виробництво глюкозно-фруктозного сиропу, підвищити ефективність очищення глюкозно-фруктозного сиропу і зменшити кількість токсичних для навколишнього середовища стічних вод, що утворюються в процесі регенерації іонообмінних смол.

Відомий спосіб виробництва глюкозно-фруктозного сиропу, що включає приготування суспензії крохмалю з водою, внесення ферментного препарату термостабільної-амілази, нагрів крохмальної суспензії до температури оптимальною для дії термостабільної-амілази і витримка при цій температурі для клейтерізаціі і декстринізації крохмалю, охолодження отриманої маси до температури оптимальної для дії ферментного препарату глюкоамілази, внесення в охолоджену масу ферментного препарату глюкоамілази і проведення ферментативного гідролізу декстрінізірованого крохмалю до глюкози, очищення гідролізату від жирів і білків на сепараторах, деколорізацію гідролізату активним вугіллям і іонообмінними смолами, концентрування гідролізату в багатокорпусних випарних установках до вмісту сухих речовин 45 -50%, ферментативну ізомерізацію глюкози у фруктозу за допомогою ферментного препарату іммобілізованої D-ксилози-кетоізомерази (одержання сиропу з вмістом фруктози 42% на суху речовину), очищення сиропу за допомогою іонообмінних смол і активного вугілля або хроматографічне розділення сиропу на Ca-іонообмінної смоли з отриманням сиропу, що містить 90% фруктози на суху речовину з подальшим очищенням за допомогою іонообмінних смол і активного вугілля, концентрування глюкозно-фруктозного сиропу під вакуумом до змісту сухих речовин 71% для сиропу, що містить 42% фруктози на суху речовину або до вмісту сухих речовин 80% для сиропу, що містить 90% фруктози на суху речовину, упаковка готового продукту. [18, c.217]

  Недоліками даного способу є  те, що в якості сировини використовується  дорогий чистий крохмаль, попередньо  виділений з крахмальної сировини, а також утворення в процесі реагентної регенерації іонообмінних смол великої кількості стічних вод. Крім того, в процесі виділення крохмалю з крахмальної сировини при вимиванні крохмалю на ситових станціях також утворюється велика кількість стічних вод.

Найбільш близьким по технічній сутності і досягається ефекту є спосіб виробництва ферментованого солодкого зернового продукту, що передбачає зволоження зернової сировини, що містить целюлозу і крохмаль водою в кількості достатній для підтримки ферментативної конверсії целюлози і крохмалю в фруктозу, подрібнення зволоженої зернової сировини, додавання в подрібнену і зволожену зернову масу ферментних препаратів ефективно конверсірующіх целюлозу і крохмаль до глюкози і глюкозу в фруктозу, витримування зволоженого подрібненої зернової сировини в контакті з ферментними препаратами протягом необхідного часу і при необхідній температурі для конверсії целюлози і крохмалю в фруктозу, зберігаючи необхідну кількість крохмалю для підтримки структури і форми зернового продукту збагаченого фруктозою, збір готового зернового продукту збагаченого фруктозою. [19, c.121]

  Недоліками даного способу є  недостатня чистота одержуваного  продукту, так як в процесі  приготування ферментованого солодкого  зернового продукту збагаченого  фруктозою відсутня стадія поділу  зволоженого обробленого ферментними препаратами сировини на тверду і рідку фракції і стадії іонообмінної і адсорбційної очисток ферментованого зволоженого солодкого зернового продукту збагаченого фруктозою.

Метою цієї корисної моделі є здешевлення виробництва глюкозно-фруктозного сиропу, підвищення ефективності очищення глюкозно-фруктозного сиропу і зменшення кількості токсичних для навколишнього середовища стічних вод, що утворюються в процесі виділення крохмалю і регенерації іонообмінних смол.

Технічний результат корисної моделі досягається за рахунок використання при виробництві глюкозно-фруктозного сиропу декантерної центрифуги або фільтр-преса, апарату для промивання твердої фракції, установки мікрофільтрації рідкої фракції гідролізату, установок ультрафільтрації для видалення часток активного вугілля, установки іонообмінного електродіалізу і установки нанофільтрації. [20, c.98]

В результаті застосування при виробництві глюкозно-фруктозного сиропу декантерної центрифуги або фільтр-преса і апарату для промивання твердої фракції стає можливим використання як сировини для глюкозно-фруктозного сиропу безпосередньо зерна, а не попередньо виділеного з нього крохмалю, це призведе до здешевлення виробництва і повному виключенню з технологічного ланцюжка попередньої технології виробництва крохмалю. Включення в лінію з виробництва глюкозно-фруктозного сиропу установки мікрофільтрації рідкої фракції гідролізату дозволить підвищити ефективність очищення фільтрату активним вугіллям за рахунок зниження адсорбції частинок активного вугілля на поверхні великих домішок. Використання установок ультрафільтрації дозволить підвищити ефективність наступних операцій очищення за рахунок видалення частинок активного вугілля, які можуть пошкодити або закупорити мембрани для іонообмінного електродіалізу і нанофільтрації. Застосування установки іонообмінного електродіалізу натомість іонообмінних адсорберов дозволить знизити обсяги стічних вод, що утворюються в процесі регенерації іонообмінних смол і відмовитися від зберігання та використання кислот і каустичної соди, застосовуваних для регенерації іонообмінних смол, так як іонообмінні смоли в осередках установки іонообмінного електродіалізу постійно регенеруються під дією електричного поля постійного струму. Включення в лінію з виробництва глюкозно-фруктозного сиропу установки нанофільтрації дозволить селективно видаляти іони дво- і полівалентних металів зокрема іони магнію, що додаються в глюкозний сироп як активаторів ферменту глюкозоізомерази, використовуваного при виробництві глюкозно-фруктозного сиропу, і токсичні іони кобальту, які є кофакторами глюкозоізомерази, це пов'язано з тим, що мембрани для нанофільтрації, завдяки наявності негативно зарядженої поверхні, мають властивість селективно затримувати іони дво- і полівалентних металів, але при цьому пропускають нейтральні і малополярної молекули масою менше 300Да.

На Додатку А показана принципова технологічна схема пропонованої лінії.

Лінія виробництва глюкозно-фруктозного сиропу з крахмальної сировини містить збірку сировини 1, повітряно-ситовий сепаратор для очищення зернової сировини від домішок, що відрізняються по ширині і парусності від основної сировини 2, магнітний сепаратор для очищення від металомагнітних домішок 3, трієр куколе- і овсюгоотборнік для очищення від домішок, що відрізняються по довжині від основної сировини 4, збірник відходів 5, дробарку для подрібнення зернової сировини 6, фор-змішувач для змішування подрібненого зерна з водою 7, апарат для клейстеризації і ферментативної декстринізації замісу 8, вакуум-випарник 9, апарат для ферментативного гідролізу оклейстеризованного і декстринізированного замісу 10, декантерну центрифугу або фільтр-прес для розділення гідролізату на тверду і рідку фракції 11, установку мікрофільтрації для видалення великих домішок 12, апарат для промивання твердої фракції 13, декантерну центрифугу або фільтр-прес для відділення промивної води від твердої фракції 14, сушарку для зневоднення промитої твердої фракції 15, збірник кормового продукту 16, апарат для обробки фільтрату активним вугіллям для деколорізаціі фільтрату 17, установку ультрафільтрації для відділення колоїдних і зважених часток, активного вугілля і білків 18, установку для іонообмінного електродіалізу видалення іонів домішок 19, установку вакуум-випарну для концентрування ділуата 20, реактор для ізомеризації глюкози в фруктозу 21, апарат для обробки сиропу активним вугіллям для деколорізаціі сиропу 22, установку ультрафільтрації для відділення частинок активного вугілля і нанофільтрації для видалення іонів магнію і кобальту 23, реактор для розділення глюкози і фруктози на кальцій-іонообмінні смоли 24, установку вакуум-випарну для концентрування сиропу 25, збірники готового продукту 26 і 27.

У запропонованій лінії зерно зі збірки сировини 1 подається в повітряно-ситової сепаратор 2, в якому відбувається очищення зерна від домішок, що відрізняються від нього по ширині і парусності, потім сировина надходить в магнітний сепаратор 3, де очищається від металомагнітних домішок, після чого поступає в трієр 4 куколе- і овсюгоотборнік, де очищається від домішок, що відрізняються по довжині від основної сировини. Відходи з повітряно-ситового сепаратора 3 і трієра 4 надходять до збірки для відходів 5, а очищене зерно надходить у дробарку 6, де відбувається його подрібнення до ступеня подрібнення достатнього для проведення його ферментативної обробки. Подрібнене сировина надходить в фор-змішувач 7, де змішується з водою, підготовленої для використання в харчовій промисловості, у співвідношенні необхідному для оптимального протікання процесів ферментативної обробки сировини. Потім отриманий заміс надходить в апарат для клейстеризації і ферментативної декстринізації крахмальної сировини 8, в якій також дозуються ферментні препарати ксиланази і термостабільної альфа-амілази. Заміс в апараті для клейстеризації і ферментативної декстринізації крахмальної сировини послідовно нагрівається до температур оптимальних для дії кожного з доданих ферментних препаратів і температури необхідної для клейстеризації крохмалю, і витримується при кожній температурі протягом часу необхідного для протікання процесів ферментативної обробки і клейстеризації крохмалю. В результаті чого знижується в'язкість замісу, а крохмаль гідролізується до декстринів. Оклейстерізованний і декстрінізірованний заміс охолоджується в вакуум-випарнику 9 до температури достатньою для протікання ферментативних процесів гідролізу (оцукрювання) і подається в апарат для ферментативного гідролізу оклейстерізованного і декстрінізірованного замісу 10, в який також додаються ферментні препарати глюкоамілази (амілоглюкозідаза) і пуллулонази. В апараті для ферментативного гідролізу оклейстерізованного і декстрінізірованного замісу 10 заміс витримується протягом часу необхідного для протікання процесів ферментативної обробки, в результаті чого більша частина декстринів, що утворилися з крохмалю, гідролізується до глюкози. По закінченні процесів ферментативної обробки, отриманий гідролізат подається в декантерну центрифугу або фільтр-прес 11 для розділення на тверду і рідку фракції. Потім рідка фракція гідролізату подається в установку мікрофільтрації 12, де очищається від великих домішок. Тверда фракція гідролізату після поділу надходить в апарат для промивання твердої фракції 13, де відбувається змішування її з водою і екстрагування водорозчинних вуглеводів (глюкози). Потім суспензія твердої фракції гідролізату і води також надходить в декантерну центрифугу або фільтр-прес 14, де відбувається відділення промивних вод від твердої фракції. Після чого промивні води також надходять в установку мікрофільтрації 12, де змішуються з рідкою фракцією гідролізату і очищаються від великих домішок. Промита тверда фракція гідролізату надходить в сушарку 15 і зневоднюється. Зневоднена промита тверда фракція надходить до збірки кормового продукту 16 і реалізується на корм худобі. Осад, що утворився після пропускання рідкої фракції гідролізату і промивних вод через установку мікрофільтрації 12, також подається в сушарку 15, де змішується з промитої твердої фракцією гідролізату і зневоднюється, а фільтрат з установки мікрофільтрації 12 надходить в апарат для обробки активним вугіллям 17, де витримується при температурі і протягом часу необхідного для його деколорізаціі. Оброблений активним вугіллям фільтрат надходить в установку ультрафільтрації 18, де очищається від колоїдних і зважених часток, активного вугілля і білків. Ретентант після установки ультрафільтрації 18 надходить в сушарку 15, де змішується з промитої твердої фракцією гідролізату і зневоднюється, а пермеат подається в установку для іонообмінного електродіалізу 19, де очищається від іонів і домішок, що пригнічують ферментний препарат глюкозоізомеразу. Ділуат після установки іонообмінного електродіалізу 19, надходить у вакуум-випарну установку 20, в якій відбувається його концентрування до вмісту сухих речовин 50% і видалення кисню. Отриманий сироп надходить в реактор для ізомеризації глюкози в фруктозу 21, в якому відбувається ізомеризація частини глюкози в фруктозу на іммобілізованій на твердому носії глюкозоізомерази, при температурі необхідної для ефективної дії ферментного препарату глюкозоізомераза і протягом часу достатнього для отримання сиропу, що містить 42% фруктози на суху речовину сиропу. Потім отриманий сироп надходить в апарат для обробки сиропу активним вугіллям 22, де відбувається деколорізація сиропу. Після чого сироп подається в установку послідовної ультра- і нанофільтрації 23, на ультрафільтраційних мембранах сироп очищається від частинок активного вугілля, а на нанофільтраційних мембранах сироп очищується від іонів двох- і полівалентних металів (магнію, кобальту та ін) 23. Утворений в установці ультра - і нанофільтрації 23 ретентант утилізують спалюванням, а пермеат направляють або в реактор для розділення глюкози і фруктози на кальцій-іонообмінній смолі 24, або в вакуум-випарну установку 25, де сироп концентрується до вмісту сухих речовин 71%. Сироп, що утворюється після проходження пермеата через реактор для розділення глюкози і фруктози на кальцій-іонообмінній смолі 24, що містить 90% фруктози на суху речовину також направляється в вакуум-випарну установку 25, де концентрується до вмісту сухих речовин 80%. Готові сиропи надходять в збірники готового продукту 26 і 27. Всі процеси фільтрації, обробки активним вугіллям, іонообмінного електродіалізу, ізомеризації ведуть при температурі, що виключає розвиток мікроорганізмів. [22, c.30]

Корисна модель дозволить здешевити виробництво глюкозно-фруктозного сиропу, так як за рахунок застосування при виробництві глюкозно-фруктозного сиропу декантерної центрифуги або фільтр-преса і апарату для промивання твердої фракції стане можливим використання як сировини для глюкозно-фруктозного сиропу безпосереднього зерна, а не попередньо виділеного з нього крохмалю, це призведе до зниження собівартості сировини і повного виключення з технологічного ланцюжка попередньої технології виробництва крохмалю. Включення в лінію з виробництва глюкозно-фруктозного сиропу установки мікрофільтрації рідкої фракції гідролізату дозволить підвищити ефективність очищення фільтрату активним вугіллям за рахунок зниження адсорбції частинок активного вугілля на поверхні великих домішок. Використання установок ультрафільтрації дозволить підвищити ефективність наступних операцій очищення за рахунок видалення частинок активного вугілля, які можуть пошкодити або закупорити мембрани для іонообмінного електродіалізу і нанофільтрації. Застосування установки іонообмінного електродіалізу натомість іонообмінних адсорберов дозволить знизити обсяги токсичних для навколишнього середовища стічних вод, що утворюються в процесі регенерації іонообмінних смол, і відмовитися від зберігання та використання кислот і каустичної соди, застосовуваних для регенерації іонообмінних смол, так як іонообмінні смоли в осередках установки іонообмінного електродіалізу постійно регенеруються під дією електричного поля постійного струму. Включення в лінію з виробництва глюкозно-фруктозного сиропу установки нанофильтрації дозволить селективно видаляти іони дво-і полівалентних металів зокрема іони магнію, що додаються в глюкозний сироп як активаторів ферменту глюкозоізомерази, використовуваного при виробництві глюкозно-фруктозного сиропу, і токсичні іони кобальту, які є кофакторами глюкозоізомерази, це пов'язано з тим, що мембрани для нанофільтрації, завдяки наявності негативно зарядженої поверхні, мають властивість селективно затримувати іони дво- і полівалентних металів, але при цьому пропускають нейтральні і малоподярні молекули масою менше

300 Да. [23,c.41]

Таким чином, пропонована лінія, дозволить знизити собівартість глюкозно-фруктозного сиропу, підвищити ефективність його очищення і зменшити кількість токсичних для навколишнього середовища стічних вод.

4. Норми біотехнологічного процесу

При виробництві фруктозно-люкозного сиропу необхідно дотримуватись норм виробництва, оскільки від цього залежить якість готового продукту. На всіх стадіях необхідно контролювати pH середовища. На стадіях розрідження та оцукрювання показник має бути оптимальним для дії ферментів, на наступних стадіях має відповідати вимогам до якості фруктозо- глюкозного сиропу. Всі норми виробництва кожної окремої стадії відображені у таблиці 2.1.

Таблиця  2.2 — Норми біотехнологічного процесу

2.5  Матеріальні розрахунки

2.5.1 Вихідні дані для матеріального  балансу

Для розрахунку приймають наступний склад кукурудзяного крохмалю, СР %: