Послеспиртовая барда (меласса)

Важнейшим условием обеспечения  эффективного научно-технического развития является обоснованный выбор приоритетов и концентрация научного потенциала, финансовых и материальных ресурсов на их реализацию.

В связи с этим государственная поддержка научных исследований в республике направлена на концентрацию усилий, способствующих развитию прорывных проектов инновационного характера – в информационных технологиях, нанотехнологии, биотехнологии и т.д. Так, например, нанотехнологии способны произвести революцию в сельском хозяйстве, стабилизировать экологическую обстановку.

Биотехнологии стали  самым актуальным для развития человеческого  общества видом технологии. Это направление в науке и производстве возникло в результате стремительного прогресса физико-химической биологии. Оно сформировалось за последние два десятилетия, получившее в данное время мощное развитие. Биотехнология означает любой вид технологии, связанный с использованием биологических систем, живых организмов или их производных для изготовления или изменения продуктов или процессов в целях их конкретного использования. Это научная дисциплина и сфера практики, изучающая пути и методы изменения окружающей человека природной  среды в соответствии с его потребностями. По мнению экспертов, биотехнологии станут отраслью, определяющей будущее развитие в различных областях человеческого общества.

 

 

1.2 Утилизация  отходов спиртовой промышленности

 

 

Актуальность вопроса утилизации отходов на предприятиях по производству спирта связана с загрязнением окружающей среды, так как из-за высокого содержания влаги барда не подлежит длительному хранению и транспортировке, поэтому чаще всего на спиртзаводах ее просто сливают, загрязняя близлежащие территории. Поэтому производства с глубокой степенью переработки сырья и низким уровнем отходов становятся все более востребованными [6].

В настоящее время  острой экологической и, следовательно, экономической проблемой в спиртовой  промышленности Республики Казахстан  является утилизация образующихся отходов и побочных продуктов при производстве этилового спирта из мелассы. К ним относятся, главным образом, послеспиртовая мелассная барда, углекислота, отработавшие дрожжи, эфироальдегидная фракция и сивушные масла. Если побочные продукты, такие как эфироальдегидная фракция и сивушные масла, находят свое применение в различных отраслях промышленности и составляют небольшую долю в общем балансе отходов, то утилизация послеспиртовой мелассной барды создает определенные сложности ввиду ее значительных объемов (на одну часть спирта приходится 13 частей барды) и низким содержанием сухих веществ -7...12 %, в зависимости от сырья и технологической схемы производства.

Послеспиртовая  мелассная барда - быстрозакисающая суспензия, которая, тем не менее, обладает питательной ценностью. Она содержит практически все питательные вещества, присущие исходному сырью: протеины, жиры, клетчатку и безазотистые экстрактивные вещества, включая несброженные сахара и крахмал, которые составляют от 30 до 40 % сухого вещества исходного сырья. Барда принадлежит к числу кормовых продуктов, улучшающих усвояемость животными сухого корма. Она способствует распаду целлюлозы более активно, чем патока, зерно, отруби и другие растительные продукты. Вопрос утилизации предприятиями такого отхода спиртового производства, как мелассная барда с небольшим содержанием в ней сухих веществ (3,0–8,4 %), десятилетиями не находит устойчивого приемлемого решения, несмотря на обилие различных предлагаемых схем и даже комплектов оборудования.

Барда в жидком виде существовала всегда, обладала одной  и той же кормовой ценностью и требовала переработки в течение 12 ч с момента выхода с основной технологической линии выработки спирта, так как является скоропортящимся продуктом. Ранее ее большей частью планово скармливали животным откормочных хозяйств, т. е. работал централизованно-плановый механизм, которого в настоящее время нет, а барда осталась и вошла в конфликт с окружающей средой. Отсутствие ее переработки приводит к серьезным экологическим проблемам вокруг спиртзаводов, так как показатель биохимической потребности в кислороде для полной ассимиляции с природой (БПК) составляет почти фантастическую величину — 25 000–29 000 мг-экв./л. Сравним: хозяйственно-фекальные стоки по этому показателю находятся в диапазоне 250–500 мг-экв./л, или в сотни раз меньше. Очистка 1 м3 стоков с содержанием барды приравнивается к очистке 400 м3 типичных промышленных сточных вод. Ситуация с утилизацией барды в целом стала хуже.

Особенно важно  отметить, что сложность работы с ней и круг применяемых способов (технологий) обусловлены наличием растворимых в воде несбраживаемых компонентов исходного природного сырья. Отсюда равноценными можно считать два пути:

А. Считать барду  объективно неизменным во времени началом для переработки, под которое следует подстраивать все варианты утилизации ее полезных компонентов и нейтрализации вредных. Такой подход наиболее приемлем для действующих производств.

Б. Пересмотреть с самого начала всю технологию спиртового производства и найти варианты, при которых в идеале барда не образуется совсем. Такой подход рассчитан на перспективу с применением как для создания новых предприятий, так и для коренной реконструкции существующих заводов на принципиально иной основе, с предварительной их полной остановкой.

Недостаток  всех ранее предлагавшихся схем состоял в том, что на тот период не существовало высоконадежной элементной базы для очистки стоков-суспензий со стартовой температурой около 100 °С, содержащих в водной среде растворимые белковые вещества и соли. Такие воды не могут быть очищены до БПК = 6–10 мг-экв./л исключительно дешевыми и традиционными способами.

Все предлагаемые способы переработки барды можно  условно разделить на два типа схем:

1. С использованием биотехнологических операций:

• схемы с  получением кормовых дрожжей;

• схемы с  получением биогаза в метантенках.

2. Основанных  только на физических методах:

• схемы с  выпарными станциями и сушкой для получения сухой барды;

• схемы с  физико-химическим осаждением;

• схемы с  сепарированием и фильтрацией.

Анализируя  способы переработки, получаем следующее: биотехнологические операции в реализации не так просты и «перебивают» кажущиеся выгоды своей сложностью в реализации с необходимостью постоянного квалифицированного управления процессами [7].

Критерии удовлетворительной переработки барды:

• обеспечение безусловной экологической чистоты в результате применения технологии;
• соблюдение правил взрыво- и пожарной безопасности;
• простота и надежность дополнительного технологического процесса утилизации;
• разработка технологии с замкнутым циклом получения продукта внутри самого производства;
• отсутствие необходимости завоза каких-либо компонентов со стороны, использование уже имеющихся ресурсов тепла, энергии, производственных площадей с организацией технологических процессов переработки барды на территории спиртзавода;
• переработка всего объема поступившей барды прямо в потоке, притом не более суток с момента ее выхода из основного производства;
• хорошее качество получаемых продуктов переработки;
• малый объем дополнительно возводимых зданий;
• минимальный срок окупаемости капитальных вложений.

Изложенным  критериям будет удовлетворять золотая середина: что-то взять от имеющихся технологий переработки барды, что-то от очистки сточных вод. Наиболее разумным с учетом вышеперечисленных ограничений следует признать путь по предлагаемой схеме:

1. Механическими  способами разделяют барду на  влажный осадок нерастворимых веществ (дробину) и фильтрат с растворенными в нем веществами.

2. Дробину сушат  простыми и надежными способами, желательно без дополнительных затрат пара, так как не все котельные осилят дополнительную нагрузку.

3. Жидкий фильтрат  разделяют мембранными (тоже механогидравлическими) способами на 25%-ный сметанообразный коричневый концентрат растворенных веществ (16 т) и чистую горячую воду (74 т).

4. Белковый концентрат  также подлежит сушке на ином типе сушильного устройства с более высокой напряженностью пространства сушилки по влаге.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Технологическая часть

 

2.1 Характеристика сырья  для производства этилового спирта

 

 

При переработке свеклы на сахар все несахаристые вещества свеклы, не удаленные с жомом и дефекационным шламом, накапливаются в маточном растворе, получающемся после фуговки последнего продукта.

В связи с наличием  значительного количества несахаров, затрудняющих кристаллизацию сахара, этот продукт, называемый мелассой, является отходом свеклосахаренного производства.

Выход мелассы составляет примерно 4,6% по весу свеклы, а содержание сахара в ней 2,4% к весу свеклы. Выход мелассы колеблется в очень широких пределах и зависит от многих причин.

Меласса является побочным продуктом в производстве сахара. В зависимости от вида сырья, перерабатываемого на сахарных заводах, меласса бывает нескольких видов:

• свеклосахарная — при переработке сахарной свеклы;
• тростниковая — при переработке сахарного тростника на сахар-песок;
• рафинадная — при производстве сахара-рафинада из сахара-песка.

В странах СНГ для производства спирта используется преимущественно свеклосахарная меласса.

Свеклосахарная меласса  представляет собой темно-коричневую вязкую жидкость со специфическим запахом продуктов карамелизации сахарозы и три-метиламина, содержащегося в ней в малых количествах [8]. Плотность мелассы 1,30—1,42.

Цветность мелассы по отношению к светопропусканию воды составляет 20—60% при разбавлении мелассы 1 : 10. С повышением содержания инвертного сахара цветность мелассы увеличивается. Так, при хранении мелассы в первом полугодии цветность колеблется в пределах 12—44% (в среднем 31%), во втором — 30—64% (в среднем 48%) к светопропусканию воды. Вязкость нормальной мелассы колеблется в пределах 3600—5600 сп.  С повышением плотности (% СВ) увеличивается ее вязкость.

Химический состав мелассы  зависит главным образом от сорта и качества сахарной свеклы, почвенно-климатических условий ее произрастания.  На физико-химические и технологические показатели мелассы влияют методы ведения производства на сахарных заводах, а также продолжительность сезона сахароварения (таблица 1).

Меласса содержит 75-85 % сухих  веществ, из которых около 54-63% (по весу сухих веществ) сахарозы, 14,8% азотистых веществ, 16,7% безазотистых веществ (кроме сахара) органических веществ и 8,5% золы.

При содержании около 20% воды меласса в среднем содержит 50% сахара и 30% несахаристых веществ, которые  в свою очередь можно разделить  на неорганические, главным образом соли калия 10%, и органические 20%.

Кроме сахарозы, нормальная меласса содержит в небольшом  количестве (до 0,25%) инвертный сахар, а также раффинозу (до 2 %).

 

Таблица 1

Химический состав и  технологические показатели качества свеклосахарной мелассы

 

Показатель	Меласса, поступившая  на спиртовые заводы
	в первом полугодии			во втором полугодии
	Минимум	Максимум	Ср. значение	Минимум	Максимум	Ср. значение
Сухие вещества (по рефрактометру), %	67,1	84,7	78,0	78,9	84,0	80,2
рН	6,3	8,2	—	6,5	9,5	—
Щелочность, град	0,2	10,0	2,4	0,5	5,0	2,3
Кислотность, град	0,3	3,6	1,6	0,5	2,5	—
Коллоиды (воднорастворим.), %	2,8	6,2	4,3	2,4	4,8	3,2
Азот, %:
общий	0,76	1,73	1,22	1,56	2,06	1,73
формольный	0,12	0,28	0,21	0,25	0,45	0,34
нерастворимый	0,06	0,13	0,09	0,13	0,25	0,18
Фосфор (Р2О5), %	0,023	0,031	0,027	0,039	0,055	0,044
Сернистый ангидрид (S02), %	0,009	0,157	0,059	0,012	0,100	0,025
Соли кальция (СаО), %
общее содержание	0,53	2,26	1,11	0,17	1,92	0,53
выпавшие в осадок	0,00	0,33		0,00	0,06	—
Сахар, %:
по прямой поляризации	39,3	56.6	48,2	47,8	54,5	49,9
инвертный	0,15	2,61	1,15	0,12	1,62	0,42
раффиноза	0,43	1,84	1,00	0,56	1,38	0,89
Пентозаны, %	0,26	0,50	0,33	0,25	0,40	0,30
Количество меласс, в которых обнаружена раффиноза, %	—	—	30	—	—	13,5
Доброкачественность, %	56,2	71,8	62,5	68,8	69,9	64,0
Летучие кислоты, %
уксусная	0,72	1,27	0,99	0,66	1,11	0,79
муравьиная	0,11	1,23	0,37	0,05	0,45	0,21
пропионовая	0,02	0,11	0,05	—	—	—
Инфицированность,°Д	0,20	1,02	0,58	0,10	0,52	0,30
Несброженный сахар бражки, % к введенному	2,20	5,10	3,67	1,15	2,90	2,20
Выход спирта, дал/т условного крахмала	61,97	66,10	64,20	65,64	67,70	66,65