Страница 138 из 179
C6H12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + тепло
Т. е. из одной молекулы сахара с помощью дрожжевых клеток образуется две молекулы этилового спирта, две молекулы углекислого газа и выделяется приличное количество тепла.
Для определения соотношения массовых превращений достаточно подставить в предыдущую химическую формулу мольные массы атомов: водорода Н = 1, углерода С = 12 и кислорода О = 16:
(12∙6 + 1∙12 + 16∙6) = 2∙(12∙2 + 1∙5 + 16 + 1) + 2∙(12 + 16∙2),
или 180 = 92 + 88;
и тогда можно сделать вывод, что из 180 кг сахара получается 92 кг спирта и 88 кг углекислого газа. Таким образом, теоретический выход спирта из сахара составляет 0.511 кг/кг, а учитывая плотность этилового спирта (р = 0,8 кг/л), будет равен 0,64 л/кг.
Если спирт получают не из сахара, а из сахаросодержащего сырья (виноград, сахарная свекла, топинамбур и т. д.), тогда, зная сахаристость продукта, легко определить выход из него спирта. Так, например, если яблоки содержат 12 % сахара, то теоретический выход спирта из сока этого сырья (выход сока из яблок составляет 70 %) будет равен 54 мл/кг:
1 кг (яблоки) => 0,7 кг (сок) => 0,084 кг (сахар) => 0,054 л (спирт).
Чаще всего спирт получают из крахмалосодержащего сырья (картофель, зерно и т. д.). Тогда в технологической цепочке приготовления спирта появляется процесс осахаривания крахмала — превращение (гидролиз) крахмала сырья под воздействием определенных ферментов в сахар
(C6H10О5)n + n∙Н2О + фермент = n∙C6H12О6,
а затем производится его сбраживание.
Как и в предыдущем случае можно рассчитать, что из 1 кг крахмала теоретически получается 1,11 кг сахара. Зная содержание крахмала в сырье можно легко определить выход спирта из того или иного продукта. Так, например, если в пшенице содержится 60 % крахмала, то теоретический выход спирта из такого Зерна составит 0,426 л/кг:
1 кг (пшеница) => 0,6 кг (крахмал) => 0,666 кг (сахар) => 0,426л (спирт).
Практический выход спирта всегда на 10… 15 % меньше теоретического. Такие потери считаются нормальными и, главным образом, связаны с:
— недобродом, то есть с ситуацией, когда часть сахара остается в бражке и не превращается в спирт;
— неправильным брожением, то есть когда часть сахара превращается не в спирт, а в некоторые другие вещества примеси;
— прямыми потерями, когда часть спирта просто улетучивается вместе с углекислым газом в процессе брожения, или теряется при перегонке и ректификации.
2. Теплофизические свойства водно-спиртовых растворов
Свойства абсолютизированного 100 % этилового спирта (ЭС) с практической точки зрения мало интересны (tкип= 78,3 °C при 760 мм. рт. ст., р = 790 кг/м3).
Поэтому, здесь мы разберемся со свойствами бинарной (двойной) смеси ЭС + вода, дающими полное представление о работе ректификационного оборудования и получения на нем этилового спирта-ректификата.
2.1. Концентрация спирта.
Всем известно, что ЭС очень хорошо растворяется в воде образуя бинарную водно-спиртовую смесь (раствор), которая может содержать в себе любое количество спирта.
В случае использования тех или иных справочных данных необходимо четко различать два понятия концентрации спирта в водно-спиртовом растворе — массовая и объемная концентрации. Массовая концентрация спирта используется только для физических расчетов, анализа процессов горения и др. Массовая концентрация — это масса спирта в массе раствора (обозначается как % масс., или кг/кг, или г/г). Чаще и традиционно используется понятие объемной концентрации спирта — это объем спирта в объеме раствора (обозначается как % об., или м3/м3, или л/л, или мл/мл). Эта некоторая «путаница» в концентрациях возникает из-за разной плотности спирта (р = 790 кг/м3 = 0,79 г/мл) и воды (р = 1000 кг/м3 = 1 г/мл). Разница в цифрах объемной и массовой концентраций одного и того же раствора существенна, поэтому далее мы будем пользоваться только понятием объемной концентрацией спирта.
Для определения объемного содержания спирта в растворе — концентрации спирта в жидкости (X) используются специальные спиртометры: АСП-3 0…40 %, АСП-3 40…70 %, АСП-3 70…100 %, АСП 95… 105 %, АСП-2 96…101 %, с термометром АСПТ 60…100 %. Стоит отметить, что плотность водно-спиртового раствора сильно зависит от его температуры, а все эти приборы измеряют именно плотность раствора (используют силу Архимеда). Поэтому реальное содержание спирта в растворе совпадает с показаниями этих приборов только при 20 °C, что и указано на шкалах этих приборов.
Наиболее известными растворами являются водка — 40 % и спирт-ректификат — 96,4 %. Кстати, содержание спирта в бражке находится в пределах 7…12 %, но измерять эту концентрацию с помощью спиртометров нельзя из-за наличия в бражке остаточного сахара и других примесей, влияющих на плотность раствора, и соответственно, искажающих показания прибора.
Пары ЭС также хорошо растворяются и в парах воды и образуют с ними единую паровую смесь с концентрацией спирта в них Y, которую можно определить только после конденсации этих паров — т. е. в жидкости (как в предыдущем случае) или по температуре их парообразования при 760 мм. рт. ст. (см. ниже).
2.2. Температура кипения водно-спиртовой смеси.
Естественно, температура кипения раствора двух веществ — воды (tкип = 100 °C при 760 мм. рт. ст) и этанола (tкип = 78,3 °C при 760 мм. рт. ст) должна находится между температурами кипения индивидуальных веществ. Зависимость температуры насыщенного водно-спиртового пара или температура кипения (парообразования) этой бинарной смеси от концентрации спирта в парах Y представлена на рис. 1.
Рис. 1 Температура насыщенного водно-спиртового пара или температура кипения водно-спиртовой смеси (при давлении 760 мм рт. ст.)
Стоит обратить внимание, что на этом графике существует некоторая точка А с концентрацией 96,4 % температура в которой даже меньше температуры кипения 100 %-го этанола.
2.3. Равновесие фаз.
Равновесным состоянием фаз (жидкой и парообразной) называется такое их сосуществование, при котором не происходит никаких видимых качественных или количественных изменений этих фаз. Равновесие фаз считается достигнутым только в том случае, когда одновременно удовлетворяются два условия: равны температуры фаз и равны парциальные давления каждого компонента в паровой и жидкой фазах. Второе условие означает, что процесс перехода через границу раздела фаз каждого компонента из жидкой фазы в паровую фазу и обратно завершен. Т. е. составы жидкой и паровой фазы стабилизировались, а концентрации компонентов в отдельно взятой фазе одинаковы в каждой точке ее объема.
Для бинарной водно-спиртовой смеси это теоретическое высказывание означает очень простую вещь. Если в обычную колбочку (схематично нарисована внутри графика рис. 2) налить небольшое количество водно-спиртовой смеси с концентрацией Хж и нагреть до температуры кипения этой смеси, то в образовавшемся паре концентрация спирта будет Yп. Затем, если быстро закрыть колбочку и интенсивно встряхнуть (перемешать паровую и жидкостную фазы), то температура внутри колбочки выровняется, а пар и жидкость придут в равновесное состояние — с концентрациями в них спирта Y и X соответственно.