Методические рекомендации "Дифференциация синтетических и ферментативных этиловых спиртов" (утв. постановлением ПККН от 7 октября 1998 г., протокол N 6/68-98)

Классификация и ассортимент этиловых спиртов

В зависимости от исходного сырья этиловые спирты делят на синтетические, полученные прямой или сернокислотной гидратацией этилена - продукта нефтепереработки, и ферментативные, полученные путем сбраживания ферментами дрожжевых грибов рода Sacharomyceties углеводов растительного сырья (пищевого и непищевого).

Синтетические спирты

- ГОСТ 11547-80 "Спирт этиловый синтетический технический (высшего и 1 сорта)".

- ТУ 38.402-62-117-90 "Спирт этиловый синтетический технический (высшего и 1 сорта)".

- ТУ 9182-010-23069311-93 "Спирт этиловый синтетический ректификованный (марок А и Б)".

Ферментативные спирты

Пищевое растительное сырье:

- ГОСТ 131-67 "Спирт этиловый-сырец".

- ГОСТ 5962-67 "Спирт этиловый ректификованный (Люкс, Экстра, высшей очистки и 1 сорта)".

- ГОСТ 5963-67 "Спирт этиловый питьевой 95%".

Непищевое растительное сырье:

- ГОСТ 17299-78 "Спирт этиловый технический (сырец) (марок А и Б)".

- ГОСТ 18300-87 "Спирт этиловый ректификованный технический (Экстра, высшего и 1 сорта)".

- ТУ 84-1203-89 "Спирт этиловый абсолютированный технический (марок А и Б)".

Принципы технологии получения этанола из различного сырья

Получение синтетического этанола гидратацией этилена

В России процесс производства синтетического этанола посредством гидратации этилена осуществляется двумя способами сернокислотной и прямой гидратацией. Первый способ внедрен в промышленном масштабе с 1952 г., второй получил широкое распространение в последние десятилетия.

При получении синтетического этилового спирта первым способом концентрированная серная кислота реагирует с этиленом, образуя моно- и диалкилсульфат:

                   С Н  + H S0  ------> C H SО OH

                    2 4    2  4           2 5  2

                                       моноалкилсульфат

                   2С Н  + Н SO  ------>(C H O) SO

                     2 4    2  4          2 5  2  2

                                       диалкилсульфат

В дальнейшем эти эфиры при взаимодействии с водой превращаются в этиловый спирт, выделяя серную кислоту:

                 C H SO OH + H O ------> C H OH + H SO

                  2 5  2      2           2 5      2  4

                (C H O) SO  + 2Н О------> 2C H OH + H SO

                  2 5  2  2     2           2 5      2  4

Второй способ - метод получения синтетического этанола путем прямой гидратации этилена.

Прямой гидратацией этилена называется обратимый экзотермический процесс непосредственного (без образования промежуточных продуктов) присоединения воды к этилену в присутствии катализатора с образованием этилового спирта:

                  СН = СН + H O ----> C H OH + 10,5 ккал.

                    2    2   2         2 5

Катализатором процесса служит ортофосфорная кислота на шариковом носителе-силикагеле. Реакция предположительно протекает в четыре стадии:

1) физическое растворение этилена в пленке кислоты;

2) образование иона карбония:

                                +                +

                          C H +H -----------> C H

                           2 4                 2 5

3) взаимодействие иона карбония с водой с образованием иона алкоксония:

                                                    +

                        C H +H O -----------> C H OH

                         2 5  2                2 5  2

4) разложение иона алкоксония на спирт и протон:

                              +                       +

                        C H OH -----------> C H OH + H

                         2 5  2              2 5

                        С Н  + H S0  -------> C H SО OH

                         2 4    2  4           2 5  2

                               моноалкилсульфат

                        2С Н  + Н SO  ------> (C H O) SO

                          2 4    2  4           2 5  2  2

                                диалкилсульфат

Наряду с указанными реакциями при гидратации этилена (как сернокислотной, так и прямой) протекают многочисленные побочные реакции, приводящие к образованию значительного количества примесных соединений.

В результате очистки (путем ректификации) образующихся по представленным схемам конденсатов получают "Спирт этиловый синтетический технический" (ГОСТ 11547-80 или ТУ 38.402-62-117-90), именуемый также спирт-сырец. Несмотря на очистку, в состав указанного спирта кроме этанола входит много примесей, обусловленных протеканием побочных реакций.

При дальнейшей ректификации спиртов-сырцов получают высокоочищенный спирт (ТУ 9182-010 - 23069311-93).

Основные области использования синтетического этанола следующие

в качестве сырья - для производства пекарских и кормовых дрожжей (белковых добавок к пищевому рациону скота), этилового эфира, этил-силикатов и др.,

в качестве растворителя - в машиностроении, лакокрасочной и фармацевтической промышленности, при производстве взрывчатых веществ и др.

Получение ферментативных спиртов

Ферментативные этиловые спирты подразделяются на пищевые и технические.

Пищевые спирты получают путем дистилляции сброженного пищевого сырья.

Сущность спиртового брожения состоит в том, что глюкоза C_6H_12O_6 в присутствии дрожжевых грибков рода сахаромицетов, вызывающих брожение, через ряд стадий превращается в этиловый спирт и двуокись углерода:

                             зимаза(дрожжи)

                       С Н  О ------> 2C H OH + 2СО.

                        6 12 6          2 5        2

В промышленности для получения спирта используют крахмал картофеля, хлебных злаков и др., а также отходы сахарных заводов. Крахмал предварительно осахаривают под действием особого энзима (фермента) - диастаза, находящегося в солоде (проросших зернах ячменя или ржи). Осахаривание идет с присоединением воды к крахмалу; при этом образуется дисахарид-мальтоза С_12Н_22О_11:

                         диастаза(солод)

               m (С Н  O ) + О,5 m Н О -------> 0,5 m (C  H  O  ).

                   6 10 5           2                   12 22 11

В процессе брожения под влиянием энзима-мальтазы мальтоза гидролизуется в глюкозу:

                                мальтаза(дрожжи)

                     C  H  O  + H O ------> 2С Н  O .

                      12 22 11   2            6 12 6

                     мальтоза               глюкоза

Глюкоза затем подвергается спиртовому брожению.

Мальтаза, как и зимаза, вырабатывается быстро размножающимися дрожжевыми грибками.

После окончания процесса брожения образовавшаяся масса подвергается дистилляции с получением спирта-сырца (ГОСТ 131-67), из которого после дальнейшей очистки (ректификации) получают "Спирт этиловый ректификованный" различных сортов (ГОСТ 5962-67) и "Спирт этиловый питьевой" (ГОСТ 5963-67).

Технические спирты получают дистилляцией материала, образующегося при сбраживании гидролизных субстратов древесины или щелоков целлюлозно-бумажного производства. В связи с этим такой спирт в обиходе часто именуется гидролизным спиртом.

Гидролиз древесины осуществляют серной или соляной кислотой. При этом из целлюлозы древесины образуется глюкоза:

                  (C H  O ) n + n H O -----> n С Н  O ,

                    6 12 5         2            6 12 6

                   целлюлоза                 глюкоза

которая затем проходит стадию спиртового брожения по схеме, изложенной при рассмотрении получения пищевого спирта.

В России наиболее распространено получение технического этилового спирта путем гидролиза древесины, разбавленной серной кислотой.

Наряду с этим технический этиловый спирт получают из щелоков целлюлозно-бумажного производства. Этиловый спирт на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности получают при сульфитной варке целлюлозы. Такой спирт принято называть сульфитным спиртом.

При сульфитном способе выделения чистой целлюлозы большие количества древесной щепы обрабатывают при повышенной температуре раствором бисульфита кальция или магния. Жидкость, оставшуюся после обработки щепы, называют сульфитными щелоками. Примерно 25% сухого вещества сульфитных щелоков относится к сахарам, причем 2/3 из них способны сбраживаться, давая этиловый спирт.

Спирт, полученный в результате дистилляции сброженных гидролизных субстратов и сульфитных щелоков, относится к "спирту этиловому техническому" (ГОСТ 17299-78), из которого затем путем дальнейшей очистки получают "Спирт этиловый ректификованный технический" (ГОСТ 18300-87) и абсолютированный технический (ТУ 84-1203-89) - путем удаления воды бензолом (при этом получается 100% этиловый спирт).

Общая схема экспертного исследования спиртосодержащих жидкостей
(В целях установления происхождения используемого спирта по сырью)

Анализируя качественный состав компонентов, образующихся при получении этилового спирта рассмотренными выше способами, необходимо отметить следующее. При получении этилового спирта посредством гидратации этилена в конечном продукте наряду с этиловым спиртом обнаруживается огромное количество примесных компонентов, образующихся, как отмечалось выше, в результате протекания побочных каталитических реакций с этиленом и другими продуктами реакции. Вследствие этого состав образующихся примесей чрезвычайно разнообразен. По мере очистки количество примесей в этиловом спирте уменьшается. Тем не менее их содержание в "Спирте этиловом синтетическом техническом" значительно. В получаемом продукте содержатся диэтиловый спирт, ацетальдегид, этилацетат, пропанол, кротоновый альдегид, диметоксиметан, метилэтилкетон и другие компоненты. При дальнейшей более глубокой очистке содержание указанных примесей уменьшается, они трудно выявляются при использовании оборудования, имеющегося в большинстве СЭУ МЮ и МВД РФ.

При получении этилового спирта ферментативным способом протекающие процессы имеют иной характер. Вследствие этого состав примесей в ферментативных спиртах значительно отличается от примесей в синтетическом этиловом спирте, в частности, среди них преобладают соответствующие гомологи этилового спирта (метиловый, пропиловый, изобутиловый, изоамиловые спирты). Вместе с тем по мере очистки рассматриваемого спирта содержание в нем примесей также уменьшается и в ректификованных спиртах (как и в синтетическом ректификованном) оно находится ниже пределов обнаружения оборудования, используемого в большинстве СЭУ МЮ и МВД РФ.

Особенностью рассматриваемых объектов, позволяющей провести их дифференциацию, является различная историческая природа исходного сырья. В частности, синтетический спирт получается из газа (этилена), образовавшегося миллионы лет назад, а ферментативные спирты - из растительного сырья, полученного из растений, выросших либо совсем недавно (пищевое сырье), либо сотни лет назад (древесная масса). Поскольку в природе в результате космического облучения происходит постоянное образование радиоактивных элементов (14)C и (3)Н (трития), то по количеству этих элементов можно судить о времени их образования (период полураспада (14)С равен 5730 лет, а (3)Н - 12,26 лет). В частности, данный методический подход используется в археологии для определения возраста объектов органической природы, которые находятся при археологических раскопках.

Кроме того, необходимо иметь в виду, что многие спиртосодержащие жидкости в процессе их изготовления с использованием этилового спирта подвергаются дополнительному "загрязнению" за счет вкусовых добавок и т.д., что, в свою очередь, усложняет их дифференциацию.

С учетом изложенного общая схема экспертного исследования рассматриваемых объектов в целях определения вида используемого при их изготовлении этилового спирта включает выполнение следующих этапов:

- изучение внешних признаков представленных на исследование объектов (прозрачность жидкости, цвет, наличие посторонних примесей и характерных запахов, особенность укупорки и т.д.),

- проведение хроматографического анализа жидкости;

- проведение изотопного анализа жидкости.

Как известно, хроматографический анализ особенно эффективен при анализе сложных смесей органических веществ и является основным рабочим методом в экспертизе спиртосодержащих жидкостей. С помощью этого метода выявляются примеси, содержащиеся в недостаточно очищенных спиртах ("Спирт этиловый синтетический технический", "Спирт этиловый-сырец", "Спирт этиловый технический"), и на основании различного качественного состава этих примесей проводится четкая дифференциация спиртов по сырью, т.е. отнесение их к спирту синтетическому либо ферментативному.

Если с помощью хроматографического анализа не удается дифференцировать спирты по используемому для их изготовления сырью (благодаря высокой степени очистки), то в дальнейшем проводится их исследование изотопным методом.

Газохроматографическое исследование

Определение состава примесей в этиловом спирте, полученном из синтетического или ферментативного сырья газохроматографическим методом, проводится при следующих условиях:

- газовый хроматограф типа "Hewlett Packard" модели 5890 серии 11;

- колонка капиллярная*(1) с полярной фазой HP-Innowax*(2);

длина колонки - 50 м, внутренний диаметр - 0,2 мм;

толщина пленки фазы - 0,4 мкм,

- детектор - пламенно-ионизационный или масс-селективный;

- температура термостата колонок в режиме программирования:

1 этап - изотерма при t = 60°C в течение 7 мин;

2 этап - линейное увеличение температуры со скоростью 5°С/мин в течение 16 мин (до 140°С);

3 этап - изотерма при t = 140°С в течение 10 мин;

- температура испарителя и детектора - 200°С;

- газ-носитель - гелий, скорость потока через колонку - 1 мл/мин. Идентифицирование микропримесей проводится путем сравнения относительных времен удерживания эталонов и неизвестных веществ, а также методом добавок в исследуемый образец индивидуальных известных соединений.

Количественный анализ осуществляют методом внутреннего стандарта, в качестве которого рекомендуется н-амиловый спирт. Для получения образца с содержанием внутреннего стандарта 0,02% (объемных) в 5 мл исследуемой жидкости с помощью микрошприца вводят 1 мкл н-амилового спирта.

Приведенные на рис.1 и 2 типовые хроматограммы синтетического и ферментативного спирта-сырца наглядно иллюстрируют возможность их дифференциации по качественному микрокомпонентному составу.

Основными микрокомпонентами ферментативных спиртов являются ацетальдегид, этилацетат, метанол и высшие спирты по С5 включительно (н-пропанол, изобутанол, изоамиловые спирты) - продукты метаболизма дрожжей и окислительно-восстановительных реакций между ними.

В синтетических спиртах примеси представлены случайным набором следующих соединений: диэтиловым эфиром, ацетальдегидом, окисью этилена, диметоксиметаном, бензолом, кротоновым альдегидом, высшими спиртами иного набора (вторичным, третичным бутанолом, гексанолами, гептанолами) и различными кетонами (метилэтилкетоном и др.) - продуктами, образующимися при гидратации примесей (загрязнений) этилена, и при взаимодействии их между собой.

Исследование методом изотопного анализа

Дифференциация этилового спирта по исходному сырью, использованному для его изготовления, методом изотопного анализа основана на определении удельной активности (14)С и (3)Н в исследуемых объектах.

Принцип метода основан на регистрации люминесценции, возникающей в сцинтилляторе (люминофоре) под действием излучения (потока электронов) радиоактивных (14)C и (3)Н исследуемых образцов.

Необходимое оборудование

1. Жидкостной многоканальный сцинтилляционный анализатор (например "TRI-CARB 1050 TR/LL" фирмы "Canberra Packard, США).

2. Негасящие стандарты (14)C и (3)Н с известной (паспортной) активностью на конкретную дату их изготовления.

3. Толуольный сцинтиллятор коммерческий (например, коктейль "Ultima Gold" фирмы "Canberra Packard") или приготовленный по следующему рецепту 5,0 г 2,5-дифенилоксазоля (РРО) и 0,5 г пара-(4-метил, 5-фенилоксазолил)-бензола (диметил-РОРОР) растворяют в 1 л аналитически чистого толуола.

4. Виалы (кюветы) емкостью 20 см3.

5. Пипетки.

6. Прибор для дистилляции спирта.

7. Пикнометр.

8. Весы аналитические 0,0002 г.

9. Образец синтетического спирта.

Проведение исследования

На первом этапе исследования проводится определение эффективности регистрации излучения - Е. Для этого последовательно измеряют счет двух стандартов (на (14)С и (3)Н) в двух оптимизированных энергетических каналах (например для указанного выше прибора 1-й канал имеет значение 0 - 12,8 кэВ и 2-й канал - 12,8 - 156кэВ).

Расчет значений эффективности регистрации излучений осуществляется по следующим формулам:

                       cpm1                   cpm1

                 E  = -------           E  = -------;

                  C1      14                    3

                       dpm  C                dpm H

                       cpm2                   cpm2

                 E  = -------           E  = -------;

                  C2      14                    3

                       dpm  C                dpm H

где Е       -  эффективность регистрации излучения углерода в 1-м канале;

     С1

Е           - эффективность регистрации излучения углерода во 2-м канале;

 С2

Е           - эффективность регистрации излучения трития в 1-м канале;

 Н1

Е           - эффективность регистрации излучения трития во 2-м канале;

 Н2

cpm1 и cpm2 - общий счет в каналах 1 и 2 соответствующих стандартов;

   14

dpm  C      - активность стандарта (14)C по паспорту;

   3

dpm  H      - результат   пересчета   паспортного   значения   активности

              стандарта   (3)H   на   дату   анализа   с  учетом  периода

              полураспада*(3).

После определения значений эффективности регистрации излучений проводится анализ образцов спиртосодержащих жидкостей, представленных на экспертизу Исследуемые образцы должны содержать не менее 94% (объемных) этанола. В случае представления на экспертизу водно-спиртовых смесей, водок или иных спиртных напитков с более низким содержанием этанола они подвергаются перегонке на дистилляционной установке после удаления первых нескольких миллилитров отбирают 20 - 50 мл дистиллята. Содержание этанола (С_эт) определяют пикнометрически.

Затем 10 мл (V) исследуемого образца и 10 мл толуольного сцинтиллятора помещают в стандартную виалу (кювету), тщательно перемешивают и после отстаивания в течение суток проводят измерение одновременно в двух энергетических каналах со временем экспозиции 10 мин.

Для определения удельной активности радиоактивных элементов в исследуемых образцах необходимо предварительно рассчитать по формулам, приведенным ниже, значения dpm (распад в минуту) для (14)C и (3)Н:

                         3      срm1 х Е   - срm2 х E

                                        C2           C1

                     dpm( H ) = ------------------------,

                                Е  х Е   - Е   х E

                                 H1   C2    H2    C1

                         14      срm2 х Е   - срm1 х E

                                         H1           H2

                     dpm( H ) = -------------------------,

                                Е  х Е   - Е   х E

                                 H1   C2    H2    C1

где срm  - общий счет исследуемого образца в канале 1, cpm;

       1

срm      - общий счет исследуемого образца в канале 2, cpm.

   2

     Удельная активность образцов вычисляется по следующим формулам:

               14

    14     dpm(  C) x 1000 х 100

 А (  С) = --------------------- , Бк/л безводного спирта;

           60 х V х С

                     эт

              3

    3     dpm( Н) x 1000 х 100

 А ( Н) = --------------------- , Бк/л безводного спирта,

           60 х V х С

                     эт

где V - объем образца, мл;

С     - содержание этанола в образце, % об.

 об

Вывод о принадлежности исследуемого образца к определенному типу спирта (синтетическому или ферментативному) дается на основании сравнения его значений удельной активности по (14)C и (3)Н соответствующими результатами анализа стандартных образцов синтетического и ферментативного спирта. При этом необходимо иметь в виду, что значения удельной активности по (14)C и (3)Н синтетического спирта близки к фоновым значениям, а соответствующие значения удельной активности ферментативного спирта превышают фоновые в 2 - 3 раза.

При отсутствии стандартных образцов синтетического и ферментативного спиртов выводы целесообразно делать исходя из следующих положений:

если удельная активность рассматриваемых изотопов в исследуемом образце этанола приближается к фоновому значению, то анализируемый спирт имеет синтетическую природу;

если удельная активность рассматриваемых изотопов в образце этанола превышает фоновое значение не менее чем в 2 раза, то анализируемый спирт относится к ферментативному (пищевому или техническому (гидролизному)) этанолу;

если значение удельной активности рассматриваемых изотопов превышает фоновое менее чем в два раза, то представленная на экспертизу спиртосодержащая жидкость изготовлена с использованием смеси синтетического и ферментативного этилового спирта.

-----------------------------

*(1) Насадочные колонки из-за сравнительно низкой эффективности менее пригодны для анализа таких многокомпонентных объектов, как спирт-сырец.

*(2) Наряду с традиционно принятыми для анализа ССЖ полярными капиллярными колонками можно использовать и неполярные колонки (например, "Ultra I", H.P. фазами с поперечносшитой метилсиликоновой фазой), высокая эффективность которых позволяет добиться результатов разделения пиков, аналогичных полученным на полярных колонках.

*(3)

                           3             06931 t

                        dpm H = dpm e - ---------,

                                   0       Т

                                            1/2,

где dpm  - активность стандарта (3)H по паспорту;

       0

t        - время от даты изготовления стандарта до даты анализа (в днях);

Т        - период полураспада ((3)НТ_1/2 = 4485 дн.).

 1/2