Alkoholin valmistus

Alkoholeiksi kutsutaan yhdisteitä, joissa yksi tai useampi jonkin hiilivedyn vetyatomeista on korvattu hydroksyyliryhmällä. Alkoholeja, joiden molekyylissä on vain yksi hydroksyyliryhmä, sanotaan yhdenarvoisiksi. Jos hydroksyyliryhmiä on kaksi, kolme jne., alkoholia sanotaan kaksi-, kolme- jne. arvoiseksi.

Etyylialkoholi eli etanoli, C2H5OH, on vesikirkas neste, jonka kiehumispiste on 78 ºC ja tiheys 0,79 g/cm3. Etanoli muodostaa veden kanssa aseotrooppisen seoksen (95,6 painoprosenttia etanolia ja 4,4 % vettä), joten 100-painoprosenttista alkoholia valmistettaessa on loppuvesi poistettava kemiallisesti. Tätä sanotaan alkoholin absolutoimiseksi.

Etyylialkoholia valmistetaan teknisesti hiilihydraateista sokerilajien käymisen kautta. Yksinkertaiset sokerilajit, joiden kaava on C6H12O6, hajoavat hiivasienissä olevan käymisentsyymiseoksen, zymaasin, katalyyttisen vaikutuksen avulla alkoholiksi ja hiilidioksidiksi:

C6H12O6 --> 2 C2H5OH + 2 CO2

Edellä mainittuja tuotteita syntyy yhteensä n. 95 % käytetyn sokerin painosta. Niiden ohella sokerista syntyy käymisen sivutuotteina glyserolia, asetaldehydiä sekä vielä korkeampia alkoholeja, varsinkin butanolia ja pentanolia, joiden seosta sanotaan sikunaöljyksi.

Etanolin valmistukseen voidaan käyttää viljan ja perunan tärkkelystä tai jätesokeria (sokeriteollisuuden melassia tai sulfiittiselluloosakeiton jäteliuosta).

Etanolia käytetään kemianteollisuuden raaka-aineena monien orgaanisten yhdisteiden valmistuksessa, liuottimena, polttoaineena sekä alkoholijuomissa. Jotta estettäisiin teknisiin tarkoituksiin valmistetun alkoholin käyttö nautintoaineena, alkoholiin lisätään denaturoimisaineita, jotka ovat pahanmakuisia ja tekevät alkoholin myrkylliseksi.

Alkoholilain mukaan alkoholijuomia ovat sellaiset nautittavaksi valmistetut juomat, jotka sisältävät enemmän kuin 2,8 t-% (2,25 p-%) etyylialkoholia. Miedoissa alkoholijuomissa on enintään 17 p-% ja väkevissä alkoholijuomissa yli 17 p-% alkoholia. Alkoholijuomien valmistus on lähinnä puhtaan etyylialkoholin laimentamista ja maustamista eri laaduiksi.

Alkoholin valmistuksessa käytetään Suomessa raaka-aineina yleensä viljaa ja tärkkelysjakeita sekä apuaineena hiivaa ja entsyymejä.

Alkoholikäymisen edellytyksenä on, että

Vilja

Viljaraaka-aineena käytetään joko kotimaista ohraa ja vehnää tai ohratärkkelystehtaan tärkkelysjakeita. Valmistukseen voidaan käyttää joko yhtä viljalajia tai viljaseoksia.

Tavallisesti vilja varastoidaan siiloihin. Siilon yläpäästä syötetään kuiva tai kuivattu vilja sisään ja otetaan alapäästä prosessiin. Siiloa käytettäessä on viljan käsittely helppo automatisoida. Varastoinnin ja esikäsittelyn yhteydessä tarvittavat kuljetukset hoidetaan elevaattoreilla, ruuvi- ja ketjukuljettimilla sekä yhä useammin pneumaattisilla siirtojärjestelmillä.

Maltaat

Maltaat valmistetaan yleensä ohrasta. On toivottavaa, että maltaissa on suuri proteiinipitoisuus (päinvastoin kuin oluen valmistuksessa). Puhdistettua viljaa liotetaan vedessä 2-3 vrk, jolloin jyvät turpoavat ja vesipitoisuus nousee jopa 40 %:iin. Idättäminen suoritetaan n. 10 ºC:n lämpötilassa. Itämisvaiheessa, jota kestää kaksi viikkoa, maltaiden diastaasipitoisuus nousee. Itäminen keskeytetään kuivaamalla jyvät kuumailma-arinalla. Kuivattu tuote varastoidaan.

Nykyisin viljaväkiviinan valmistuksessa on siirrytty mikrobiperäisien entsyymien käyttöön maltaan sijasta.

Hiiva

Hiivan muodostavat mikroskooppisen pienet sienet, hiivasienet, jotka lisääntyvät jakaantumalla. Hiiva kasvaa ja lisääntyy parhaiten n. 30 ºC:n lämpötilassa. Sen kasvatus tapahtuu Rajamäen hiivatehtaassa.

Vesi

Alkoholin valmistuksessa veden on täytettävä mm. seuraavat vaatimukset: sen on oltava infektiovapaata ja sopivan lämmintä eikä se saa aiheuttaa korroosiota eikä kattilakiveä.

Alkoholin valmistus viljasta käymistietä

Valmistuksen päävaiheet ovat:

Siiloon varastoitu vilja siirretään kuljettimilla välisäiliöiden kautta viljanpuhdistimiin. Puhdistimista vilja siirtyy syöttösäiliöiden kautta myllyihin, joissa vilja jauhetaan. Tämän jälkeen erotetaan tarvittaessa lese, minkä jälkeen jauho sekoitetaan lämpimään veteen n. 25 %: ksi viljalietteeksi. Lietteestä osa pumpataan tärkkelystehtaalle, jossa siitä erotetaan jyvän sisältämä kuitu ja proteiini, jotka menevät rehuksi. Tärkkelysjakeesta erotellaan hydrosykloneilla hiukkaskoon mukaan isompijyväinen A- ja pienempijyväinen B-tärkkelys. A-tärkkelys ohjataan etyylialkoholin valmistukseen. B-tärkkelysjae yhdistetään loppuosaan viljalietettä mäskiksi.

Alkoholin valmistus.jpg (791715 bytes)

Liisteröinti

Polttimoteollisuuden käyttämissä raaka-aineissa tärkkelys on kasvisolujen sisällä. Jotta sokerointi voitaisiin tyydyttävästi suorittaa, solut täytyy rikkoa ja hajottaa tärkkelysmuotoon, mikä mahdollisimman paljon helpottaa sitä hajottavien entsyymien toimintaa. Liisteröinti tapahtuu kuumentamalla mäskiä jolloin tärkkelysjyväset turpoavat eli liisteröityvät. Tämä tapahtuu tärkkelyksen alkuperästä riippuen 55 – 75 ºC:ssa. Liisteröitynyt liuos on hyvin sitkosta pitkien tärkkelysketjujen vuoksi ja siis vaikeasti pumpattavaa. Lisäämällä liisteröityneeseen mäskiin nesteyttävää eli tärkkelysketjuja pilkkovaa alfa-amylaasientsyymiä saadaan seos jälleen helposti juoksevaksi.

Keitto

Nesteytynyt mäski lämpö käsitellään joko painekeitolla korkeassa lämpötilassa tai alle 100 ºC:ssa haudutuskeitolla, jolloin viipymäaika on useita tunteja. Keitossa tärkkelysjyväset hajoavat lämmön ja nesteytysentsyymin vaikutuksesta lyhyiksi sokeriketjuiksi.

Sokeroittaminen

Mäski jäähdytetään n. 60 ºC:een ja siihen lisätään sokeroittamisentsyymi eli glukoamylaasi, joka hajottaa lyhyet sokeriketjut glukoosiksi eli rypälesokeriksi. Sokeroitettu mäski pumpataan käymissäiliöihin jäähdytettynä 30 ºC:een.

 

Käyminen

Käymissäiliössä, jossa tapahtuu sokerinkäyminen alkoholiksi, mäskiin lisätään hiiva. Raaka-aineen sisältämä ja/tai siitä muodostunut sokeri, useimmiten glukoosi, hajoaa käymisen aikana hiivan entsyymien vaikutuksesta etanoliksi ja hiilidioksidiksi. Heksoosimolekyylistä saadaan kaksi molekyyliä etanolia ja kaksi molekyyliä hiilidioksidia, CO2. Kokonaisreaktio on eksoterminen.

100 kg:sta tärkkelystä saadaan teoriassa 56,8 kg = 71,54 l alkoholia. Käymisen saantoon vaikuttavat raaka-aineet, puhtaus (steriiliys), lämpötila ja pH. Lämpötila pidetään käymisen aikana n. 30 ºC:ssa.

Käyminen jakaantuu kolmeen päävaiheeseen:

Alkukäyminen eli hiivan kasvuvaihe

Alkukäyminen kestää noin vuorokauden. Syntyvän hiilidioksidin vaikutuksesta mäski sekoittuu itsestään. Kun hiivanmuodostus lakkaa, alkoholipitoisuus on n. 3 - 4 %.

Pääkäyminen

Pääkäyminen kestää 15 - 20 tuntia. Pääkäymisen aikana alkoholin muodostuminen tapahtuu nopeasti. Tämä huomataan mm. voimakkaasta hiilidioksidin kehittymisestä ja mäskin tiheyden pienenemisestä.

Jälkikäyminen

Jälkikäyminen kestää 30 - 40 tuntia. Jälkikäymisen jälkeen mäskistä otetaan näyte, josta määritetään sokeripitoisuus. Jos sokeripitoisuus on alle 1 %, voidaan n. 8 % alkoholia sisältävä mäski tislata.

Tislaus

Alkoholin tislauksessa erotetaan kolme vaihetta: raakatislaus, puhdistustislaus ja mahdollinen absolutointi. Käymisessä syntynyt alkoholi erotetaan mäskistä tislaamalla. Käynyt mäski pumpataan välisäiliöön ja siitä edelleen esilämmittimen kautta raakatislaukseen, jonka muodostaa mäskikolonni, väkevöimiskolonni ja keittokolonni, jossa on useita kymmeniä ns. tislauspohjia.

 

Viljaväkiviinan puhdistustislaus.jpg (567480 bytes)

 

Mäski johdetaan esilämmittimen kautta mäskikolonnin yläosaan. Mäskikolonnin yläosasta mäski valuu kiehutuspohjalta toiselle, jolloin siitä tislautuu alkoholia ja vettä.

Kolonnin yläosasta johdetaan alkoholia ja vettä sisältävä höyry väkevöimiskolonnin alaosaan. Väkevöimiskolonnin huipusta tislautuva n. 94 -p-%:inen raaka viljaviina johdetaan kolonnin lauhduttimista raakaviinasäiliöihin tai suoraan puhdistustislaukseen.

Mäskikolonnin pohjasta saatava alkoholivapaa, n. 6 % kuiva-ainetta sisältävä rankki pumpataan välisäiliön kautta rankin kuivaamoon.

Tislauksessa vapautuva lankkivesi johdetaan keittokolonnin pohjasta lankkivesisäiliöön. Kolonnin keskivaiheilta poistetaan ns. sikuna-alkoholit.

Raaka-viljaviina, jossa on sikunaa ja metanolia, pumpataan välisäiliöistä puhdistustislaukseen, minkä muodostavat esitislekolonni, väkevöimiskolonni, keittokolonni ja metanolikolonni. Lankkivedellä ja lisävedellä n. 20-p-%:iseksi laimennetusta raakaviinasta tislataan esitislekolonnissa esitisle eroon. 20-p-%:inen esitislevapaa viina joutuu kolonnin pohjasta jatkotislaukseen väkevöimiskolonniin, jossa se väkevöidään n. 95-p-%:iseksi. Kolonnin sikunavyöhykkeestä poistetaan sikunarikastetta. Esitisle ja sikunatisle palautetaan välisäiliön kautta kiertoon lisäämällä ne hiivan lisäyksen yhteydessä käymissäiliöihin mäskin joukkoon.

Lankkivesi poistuu keittokolonnin pohjasta lankkivesisäiliöön. 95-p-%:iseksi väkevöity viina syötetään edelleen tislauksen kolmanteen vaiheeseen metanolikolonniin, missä kolonnin huipusta otetaan metanolirikastetta. Puhdas n. 95-p-%:inen viljaviina poistuu kolonnin alaosasta väkiviinavarastoon. Kaikki tislauskolonnit toimivat epäsuoralla höyryllä.

Rankin käsittely

Osa rankista voidaan myydä sellaisenaan naudan rehuksi. Väkiviinan tislauksessa syntyvä 6-10 % kuiva-ainetta sisältävä alkoholivapaa rankki pumpataan rankin käsittelylaitokseen. Suurin osa rankista käsitellään ensin erotuslaitteilla, jolloin saadaan sakkaosa erilleen. Sakaton rankkivesi tiivistetään haihduttamalla 30 - 40 % kuiva-ainetta sisältäväksi rankkitiivisteeksi, joka voidaan markkinoida sellaisenaan tai kuivata kuitujakeen kanssa. Yhdistetyssä tärkkelys-etanolitehtaassa syntyy monipuolinen tuotevalikoima (kaavio).

Alkoholijuomien valmistus.jpg (315588 bytes)