Аннотация

Представлены результаты проведения трех основных технологических стадий производства этилового спирта: водно-тепловой обработки, осахаривания и сбраживания высококонцентрированного сусла в кожухотрубном струйно-инжекционном бродильном аппарате с применением низкотемпературной схемы разваривания крахмалсодержащего сырья. Изучены реологические характеристики водно-зерновых суспензий, а также влияние ферментных препаратов на снижение вязкости замесов.

Ключевые слова

Кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат, водно-тепловая обработка, вязкость, ферменты, спирт

ВВЕДЕНИЕ

Введение Создание высокоэкономичного спиртового производства во многом зависит от эффективности применяемых технологических схем подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию, а также от его современного машинно-аппаратурного оснащения, реализующего эти процессы. Одним из направлений повышения эффективности спиртового производства является последовательное проведение процессов водно-тепловой и ферментной обработки зернового сырья, а также проведение процесса брожения в одном аппарате при высоких концентрациях сбраживаемых сахаров в сусле. Успешное решение этой задачи позволит существенно снизить капитальные затраты на создание нового производства и эксплуатационные затраты на единицу готовой продукции. Традиционно технологические процессы механико-ферментативной обработки целлюлозно-крахмалсодержащего сырья и брожения проводят раздельно. Такое разделение процессов связано с тем, что процесс подготовки исходного сырья к осахариванию и, собственно, само осахаривание производятся при высоких температурах (120-140 оС) в условиях интенсивного механического или гидродинамического перемешивания, а процесс брожения - при умеренных температурах (30 оС) в условиях слабого перемешивания, обусловленного интенсивностью всплывания пузырьков углекислоты. Существующие конструкции бродильных аппаратов не позволяют проводить эти процессы в одном аппарате последовательно. Тем не менее реализация этой задачи позволила бы значительно упростить машинно-аппаратурную схему производства спирта и существенно снизить капитальные затраты на создание новых производств, особенно цехов по переработке сахаросодержащих отходов производства на малых предприятиях. Спиртовая отрасль является чрезвычайно материалоемкой. Материальные затраты составляют около 90 % от общих затрат на производство. На величину материалоемкости производства оказывают влияние физико-химические и структурно-меха-нические свойства исходного растительного сырья и его качество. Реализация поставленных задач неизбежно базируется на комплексном решении технологических и аппаратурных вопросов по всему производственному циклу - от формирования сырьевой базы и переработки до выхода готовой продукции и ее реализации. В настоящее время в производстве этилового спирта из сырья растительного происхождения широко внедряется новая ресурсо- и теплосберегающая аппаратурно-технологическая схема механико-фер-ментативной обработки сырья без использования пара повышенных параметров, которая обеспечивает: - экономию топлива на 40 % за счет проведения процесса без разваривания; - экономию зерна за счет увеличения выхода этилового спирта; - значительное улучшение техники безопасности, так как ликвидируются аппараты, работающие под высоким давлением. Основным отличием данной схемы подготовки сырья к брожению от традиционных схем является применение низкотемпературной обработки зернового сырья - холодное затирание. При использовании холодного затирания существенно экономится тепловая энергия. За счет низких температур снижается расход сырья, пара и воды на охлаждение, под воздействием ферментов масса хорошо разжижается, что позволяет поднять концентрацию сусла и, соответственно, спирта в бражке, снизить объем бродильных аппаратов и расход пара на перегонку, увеличить производительность труда. За счет использования правильно подобранных ферментных препаратов и технологических режимов проведения процесса водно-тепловой обработки и осахаривания выход спирта из 1 тонны зерна может быть увеличен на 0,5-3 %. Анализ известных технологических процессов показывает, что для их реализации необходимо иметь, как минимум, 8 аппаратов. В этих аппаратах последовательно проводится отдельно взятый процесс, обусловленный принятой технологией. Такие схемы экономически обоснованы для предприятий большой мощности. Однако для малых предприятий и предприятий, перерабатывающих зерно на муку и имеющих в ряде случаев бракованное сырье или отходы, требующие их утилизации, реализация этих схем не выгодна. Это связано с большим количеством аппаратов, их обвязкой трубопроводами, необходимостью установки между ними перекачивающих насосов. В совокупности это приводит к большим капитальным затратам на приобретение и монтаж этого оборудования и неоправданным энергозатратам, связанным с необходимостью перекачивания сырья из аппарата в аппарат. Проблема может быть решена, если проводить процесс водно-тепловой и ферментной обработки исходного сырья в одном аппарате, включая сюда и проведение процессов брожения. Однако проведение всех трех необходимых процессов в одном аппарате, включая брожение, до настоящего времени не представлялось возможным, что в первую очередь связано с отсутствием технической возможности проводить эти процессы в аппаратах известных конструкций. Это вызвано тем, что имеющееся технологическое оборудование разрабатывалось для проведения одного, вполне конкретного процесса и не могло быть использовано для другого. Поэтому приходилось выстраивать цепочку аппаратов в соответствии с проводимыми в них процессами, что делало схему производства достаточно сложной, энерго- и трудоемкой. В данной статье нами рассмотрена принципиальная возможность проведения процесса водно-тепловой обработки, осахаривания и сбраживания высококонцентрированного зернового замеса из ячменя в кожухотрубном струйно-инжекционном бродильном аппарате (КСИБА) по низкотемпературной схеме разваривания. Температурный режим работы аппарата изображен на рис. 1. Рис. 1. Режим работы аппарата при проведении водно-тепловой обработки и осахаривания крахмалсодержащего сырья Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2. На схеме: 1 - трехтрубная модель кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА); 2 - емкость-накопитель (Е-Н); 3 - циркуляционный насос; 4 - водоподогреватель; 5 - устройство для измерения расхода суспензии объемным способом; 6, 7 - газовые счетчики; 8, 9 - дифференциальные жидкостные манометры; 10 - циркуляционный насос на линии подачи теплоносителя; 11 - объемный счетчик для измерения расхода тепло- или хладоносителя; 12 - патрубок для осуществления подачи измельченного продукта и воды; tk, tx1, tx2, tn1, tn2 - датчики температуры. Низкотемпературная схема разваривания зернового сырья предполагает ведение процесса водно-тепловой обработки при температурах ниже 100 0С и атмосферном давлении, в то время как стандартная технологическая схема производства спирта предусматривает ведение процесса при температуре 130-140 0С и избыточном давлении 2-3 атм [1]. Основной задачей данных исследований являлась разработка такого аппарата, который позволял бы проводить сразу несколько технологических стадий производства этилового спирта: водно-теп-ловую обработку крахмалсодержащего сырья, ферментный гидролиз, а также процесс сбраживания высококонцентрированного сусла. Рис. 2. Схема экспериментальной установки На сегодняшний день для осуществления вышеуказанных технологических процессов требуется оборудование, разработанное под каждый из перечисленных процессов. К такому оборудованию предъявляются особые требования, так как этого требуют высокие температуры и избыточное давление. Создание аппарата, позволяющего проводить сразу несколько технологических стадий, а также разработка современной технологии ведения процесса водно-тепловой обработки при температурах ниже 100 0С [2] помогли бы решить ряд задач: - сократить потребление энергии (электроэнергия, пар, топливо); - избавиться от оборудования, работающего под избыточным давлением; - сократить потребление воды на охлаждение и парообразование; - снизить себестоимость готовой продукции; - увеличить темпы производства. Технологический процесс производства этилового спирта в КСИБА подробно описан в работе [3]. Одним из важных аспектов в повышения эффективности производства этилового спирта является технология сбраживания высококонцентрированного сусла. Под высококонцентрированным суслом понимается водно-зерновой замес, приготовленный из ячменя тонкого помола (100 % проход через сито 1 мм) и воды в соотношении 1:2,5. Однако одной из существенных проблем проведения стадии водно-тепловой обработки высококонцентрированного зернового замеса является резкое увеличение вязкости водно-зерновой суспензии, которое происходит в диапазоне температур 55-75 0С (рис. 3). Это связано с тем, что двухфазная смесь (вода - зерновые частицы) изменяет свои структурно-механические свойства ввиду начала процесса клейстеризации крахмала. Рис. 3. Изменение вязкости водно-зерновой сус-пензии в процессе ее нагрева с 25 до 85 0С В целях снижения вязкости суспензии применялись амилолитические ферментные препараты Дистицим БА-Т (2 едАС/гр крахм.) и Дистицим XL (1 едКС/гр крахм.). Характер изменения вязкости в процессе ВТО и осахаривания показан на рис. 4. Рис. 4. Изменение коэффициента динамической вязкости µ зернового замеса из ячменя с гидромодулем 1:2,5 в процессе водно-тепловой обработки в КСИБА (окружная скорость сдвига 100 об/мин) Одним из основных показателей эффективности работы аппарата при проведении процесса ВТО является изменение растворимых сухих веществ (%) во времени (рис. 5). Рис. 5. Изменение концентрации растворимых сухих веществ в сусле во времени Сбраживание полученного в КСИБА сусла производилось в этом же аппарате путем незначительных манипуляций с запорной арматурой, позволяющей стравливать избыточное давление СО2. Ряд проведенных экспериментов показал, что максимальное объемное содержание спирта в бражке достигается уже через 96 часов брожения (рис. 6). Рис. 6. Изменение содержания спирта в бражке при получении и сбраживании высококонцентрированного сусла в КСИБА Объекты и методы исследований Определение массовой доли сбраживаемых углеводов производилось поляриметрическим методом на поляриметре СУ-3 (Россия). Вязкость замесов определялась на вискозиметре VISCO Basci Plus R (Германия). Результаты и их обсуждение Проведенные эксперименты в кожухотрубном струйно-инжекционном бродильном аппарате (КСИБА) подтвердили теорию о возможности проведения трех основных технологических стадий производства спирта в одном аппарате без снижения основных технологических показателей. В результате исследований были изучены реологические хара-ктеристики водно-зерновых суспензий и влияние ферментных препаратов амилолитического действия на снижение вязкости замесов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Устинов, Б.А. Производство спирта с использованием механико-ферментативной обработки зерна / Б.А. Устинов и др. - М.: ВНИИТЭИагропром, 1989. - Сер. 24. - Вып. 4. - 32 с.
2. Сотников, В.А. Способ низкотемпературного разваривания крахмалистого сырья в производстве спирта / В.А. Сотников и др. // Производство спирта и ликеро-водочных изделий. - 2002. - № 1. - С. 13-16.
3. Ибрагимов Т.С., Баракова Н.В., Чеботарь А.В., Новоселов А.Г. Повышение эффективности производства спирта за счет проведения нескольких технологических стадий в одном аппарате 2. Проведение механико-ферментативной обработки зернового сырья в КСИБА // Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств» / ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». - 2011. - № 1.