Производство этилового спирта марки «Экстра» из крахмалистого сырья

 

 

1.3.5 Сбраживание сусла

Непрерывно-поточный способ брожения. Типовая аппаратура состоит из двух дрожжанок, возбраживателя и батареи бродильных чанов с двумя головными чанами.

Для обеспечения самотека дрожжанки устанавливают над возбраживателем, а последний – над батареей бродильных чанов. Бродильные чаны соединяются друг с другом переточными трубами, позволяющими массе переливаться из чана сверху, а поступать в следующий по потоку чан снизу. В первых 3-4 бродильных чанах происходит главное брожение, в остальных – дображивание. Дрожжанки и возбраживатель оборудуются мешалками и змеевиками для охлаждения бродящей массы. Первый и второй (головные) работают последовательно. Дрожжи подаются только в первый чан, затем масса передается во второй и затем в последующие чаны батареи.  Для обеспечения непрерывности поступления сусла и предотвращения развития посторонней микрофлоры создаются две параллельные линии для подачи сусла.

Циклический способ брожения. Процесс брожения циклическим способом осуществляется в батарее бродильных чанов. Вначале поток сбраживаемой массы движется из чана в чан в одном направлении, а во втором цикле – в обратном. Для перетока каждый чан соединяется с последующими двумя переточными трубами. При смене цикла бродильные чаны в батарее попеременно становятся головными. Дрожжи при циклической схеме готовятся периодическим способом. Продолжительность сбраживания при циклическом способе составляет 60 часов.

Периодический способ брожения. Именно по этому способу работает Талицкий спиртовый завод. Бродильные чаны заливаются периодически. Работа по графику – часть на загрузке, часть на разных стадиях брожения, часть на выгрузке.  Они герметизированы и снабжены спиртоловушками [2, 12, 13 ,14].

Интенсивность процесса брожения определяется удельной скоростью роста дрожжей и их бродильной активностью. Особенностью процесса брожения в современных технологиях является его совмещение с процессом доосахаривания, то есть параллельно развиваются два процесса: превращение крахмала, содержащегося в сусле, в сахара и переработка сахаров дрожжевыми клетками в спирт с одновременным ростом количества дрожжевых клеток. Представляется целесообразным для интенсификации роста дрожжевых клеток применять дробную загрузку сусла в бродильный чан (порционно), которая как бы имитирует непрерывную заливку сусла, обеспечивая подкормку дрожжей свежими порциями сахара. Установлено, что в случае дробной загрузки бродильного чана удается ускорить рост дрожжевых клеток и достигнуть их максимального количества на 8-10 ч раньше, чем при разовой загрузке сусла.

Другим путем уменьшения времени брожения в производствах спирта может быть увеличение дозы осахаривающих ферментов. Известно, что при увеличении дозы глюкоамилазы с 6 до 12 ед/г крахмала можно сократить время брожения с 72 до 48 ч.

Одним из путей интенсификации процесса брожения является увеличение концентрации сбраживаемых углеводов в сусле, для этого готовят более концентрированные заторы [11].

Другим интересным методом интенсификации процесса брожения является организация непрерывного отвода образующегося спирта из бродящей массы. Спирт ингибирует жизнедеятельность дрожжей и по мере накопления его скорость процесса брожения снижается. Выведение спирта позволяет сохранять высокую скорость брожения. Удалять спирт из бродящей массы можно, проводя процесс брожения в мембранном реакторе. Однако вследствие низкой производительности процесса и отравления мембраны органическими веществами этот метод не нашел широкого применения в промышленности.

В последние годы все большее развитие получает способ проведения процесса брожения под вакуумом. В этом случае предъявляются повышенные требования к бродильному оборудованию, но при этом значительно ускоряется ход процесса, решается проблема отвода тепла брожения и одновременно с брожением происходит выделение спирта из бражки. Величины вакуума регулируются таким образом, что масса в бродильном аппарате поддерживается в состоянии кипения при оптимальной температуре брожения. Выделяющаяся из бродильного аппарата парогазовая смесь поступает в абсорбер, орошаемый водой, где происходит улавливание этилового спирта. Полученная в абсорбере вводно-спиртовая смесь поступает на ректификацию [15].

Одним из перспективных направлений интенсификации процесса брожения является использование иммобилизованных микроорганизмов. При использовании иммобилизованных дрожжей удается увеличить производительность бродильного аппарата в 5 раз по сравнению с традиционным брожением.

Новые направления развития технологии производства спирта ставят такие задачи, как повышение концентрации перерабатываемого сусла, обеспечение дальнейшего сокращения себестоимости спирта за счет экономии сырья, топлива и электроэнергии. В таких условиях нужны расы дрожжей, обладающие осмофильностью, термофильностью и высокой бродильной активностью. Использование иммобилизованных микроорганизмов позволяет резко сократить время процесса [3].

 

1.3.6 Брагоректификация.

Бражка представляет собой многокомпонентую систему. Она, как правило, содержит 82-90% масс. воды, 6-15%масс. этилового спирта с сопутствующими летучими примесями и 4-10% масс. сухих веществ. Состав бражки меняется в зависимости от вида исходного сырья. В бражке идентифицировано более 70 летучих примесей при общем их содержании всего 0,5% в расчете на спирт. Все эти примеси, в основном, можно разделить на четыре группы: спирты, альдегиды, кислоты и эфиры. Отмечают еще группу азотистых соединений (аммиак, амины, аминокислоты), серосодержащих – сероводород, сернистый ангидрид, сульфокислоты и другие вещества. Состав летучих примесей зависит от вида и качества сырья и от режимов его переработки.

Традиционно в ректификационных колоннах в качестве контактных устройств используются колпачковые клапанные и ситчатые тарелки. Эффективность таких тарелок, как правило, составляет 40-60 %. Для обеспечения получения высококачественного спирта необходимо добиваться высоких степеней разделения в системе “этанол-вода-примеси”, причем число теоретических ступеней разделения в ректификационной колонне должно составлять 30-40, что соответствует 60-80 реальных колпачковым тарелкам. При принятом межтарельчатом расстоянии 0,25-0,3 м высота ректификационных колонн достигает 20-25 м. Такие колонны требуют строительства высоких производственных зданий. Оказываются весомыми связанные с этим капитальные и энергетические затраты [16].

Применение при ректификации спирта более современных контактных устройств прямоточно-вихревого типа позволяет сократить диаметр ректификационных колонн в 2,5-3 раза.

В некоторых работах проводятся сравнения насадочных и тарельчатых колонн в условиях ректификации спирта, причем было показано, что насадочные колонны, заполненные кольцевой насадкой, по удельному съему спирта при ректификации превосходят тарельчатую колонну с колпачковыми тарелками. Однако в крупнотоннажных производствах спирта насадочные колонны не нашли применения из-за резкого снижения их эффективности при увеличении диаметра колонны сверх 800 мм.

Были проведены конструкторские и исследовательские работы по созданию высокоэффективной мелкой насадки для ректификационных спиртовых колонн по типу спирально-призматической насадки.

Снижение эффективности ректификационной колонны с увеличением ее диаметра объясняется неравномерностью потоков пара и жидкости, как в осевом, так и в радиальном направлениях. В отличие от тарельчатых колонн, где перепад концентраций компонентов усреднен по сечению на каждой тарелке, в насадочных колоннах массообмен происходит непрерывно по всему объему колонны.

Чтобы сохранить преимущества насадочных колонн малого диаметра в установках получения спирта средней мощности целесообразно ректификационные колонны выполнять многотрубными, т.е. в виде батареи параллельно расположенных колонок [3, 11].

В связи с многокомпонентностью бражки и высокими требованиями к качеству спирта не представляется возможным получение конечного продукта в одной ректификационной колонне. В производстве спирта схема брагоректификации включает в себя несколько колонн, связанных различными способами.

Последнее время совершенствование технологии и конструкции брагоректификационных установок преследует цели экономии энергозатрат, повышение выхода и улучшение качества спирта ректификационного.

Одно из направлений исследований и промышленных разработок – проведение процессов ректификации в колоннах брагоректификационной установки при различных давлениях. Известны различные варианты использования вакуума при ректификации спирта. Например, ставят под разряжение бражную колонну, а обогрев ее осуществляют за счет конденсации спиртового пара спиртовой колонны. По другому варианту под разрежением работает спиртовая колонна, а обогрев ее осуществляется за счет тепла бражной колонны. Вакуумные установки позволяют снизить удельный расход пара и воды по сравнению с типовыми установками косвенного действия на 35-45% [11].

Один из путей совершенствования установок по ректификации спирта – более полное исчерпывание этилового спирта из головной и хвостовой фракций. С помощью изменения технологического режима в эпюрационной колонне, в частности, проведения эпюрации при концентрации спирта 91% масс., снижается содержание этилового спирта в выводимой из эпюрационной колонны головной фракции и в целом повышается выход ректификационного спирта на 3 %.

Интересным направлением по пути энергосбережения в процессе ректификации спирта является использование турбокомпрессора. При конденсации паров, выходящих сверху ректификационной колонны, теряется значительная часть тепла. Представляется перспективным использовать это тепло вторично в испарителе куба колонны, но температура паров вверху колонны всегда ниже, чем в кубе. С помощью компрессора сжимают эти пары, и температура поднимается выше температуры в кубе, после чего сжатые пары направляют в испаритель куба колонны. Применение турбокомпрессора позволяет утилизировать теплоту конденсации вводно-спиртовых паров укрепляющей колонны, использовать ее повторно для обогрева разгонной и эпюрационной колонн и тем самым более, чем на 40 % сократить энергозатраты на процесс извлечения этилового спирта из головной фракции этанола [3].

 

1.4 Теоретические основы  технологических процессов

1.4.1 Ферментативный гидролиз крахмала  и его осахаривание.

Основными компонентами сырья для получения этилового спирта являются углеводы растительного происхождения. Если в плодах, ягодах, овощах, сахарном тростнике и др. углеводы представлены, как правило, ди- и моносахаридами, готовыми к сбраживанию, то в зерне и картофеле содержаться полисахариды, которые перед сбраживанием необходимо разложить до моно- и дисахаридов.

Молекула крахмала – основного полисахарида, входящего в состав зерна и картофеля, - представляет собой цепь спиральной структуры, образованную остатками глюкозы, которые соединены α-глюкозидными связями. При этом глюкопиранозные звенья в молекуле крахмала имеют конформацию «кресла»:

Степень полимеризации в молекуле крахмала достигает 1300. При этом в крахмале содержаться как линейные молекулы амилозы (20-30%), где имеются лишь 1,4' – связи, так и разветвленные молекулы амилопектина, содержащего дополнительно 1,6' – связи между остатками глюкозы.

Дополнительным источником для получения спирта из зерна может служить такой полисахарид, как целлюлоза. В молекуле целлюлозы остатки молекул глюкозы связаны β-глюкозидными связями. Особенностью целлюлозы является то, что, ее длинные молекулы объединены в пучки, стабилизированные водородными связями. Степень полимеризации глюкозы на порядок выше, чем у крахмала [6].

В технологии получения спирта процесс превращения полисахаридов сырья в сбраживаемые углеводы, как правило, подразделяется на две стадии: первая стадия – извлечение полисахаридов и перевод их в растворимое состояние; вторая  - гидролиз до сбраживаемых сахаров (осахаривание).

Первая стадия процесса(«разжижение крахмала») в традиционных производствах спирта проводится путем разваривания сырья в воде под давлением при температурах до 150°С.

Развитие ферментной промышленности позволило значительно интенсифицировать эту стадию, причем проводить ее при атмосферном давлении и более низких температурах[7].

В настоящее время основой интенсивных технологий разложения полисахаридов сырья до сбраживаемых углеводов является гидроферментативная обработка сырья. Химизм процесса заключается в разрыве полимерной цепочки полисахарида в водной среде с присоединением по концам разрыва ионов водорода и гидроксила:

 Разрыв полимерной цепи, т.е. гидролиз полисахарида, как и любая химическая реакция, требует преодоления определенного энергетического барьера (энергии активации). Ферменты, являющиеся катализаторами реакции гидролиза, значительно снижают величину энергетического барьера и увеличивают скорость реакции на 9-12 порядков.

Для увеличения степени доступа молекул воды к молекулам крахмала сырье долно быть измельчено. Исследования процесса гидролиза крахмала показывают, что чем тоньше помол зерна, тем быстрее и полно происходит переход крахмала в растворимое состояние (табл. 1.2).

 

Таблица 1.2

Влияние тонины помола зерна на динамику растворения сухих веществ сусла

Продолжительность обработки, ч.	Концентрация сухих веществ в фильтрате, %	Отношение сухих веществ в фильтрате к сухим веществам сусла, %	Концентрация сухих веществ в фильтрате, %	Отношение сухих веществ в фильтрате к сухим веществам сусла, %	Концентрация сухих веществ в фильтрате, %	Отношение сухих веществ в фильтрате к сухим веществам сусла, %	Концентрация сухих веществ в фильтрате, %	Отношение сухих веществ в фильтрате к сухим веществам сусла, %
	Размеры частиц зерна, мм
	0,7-1,0		1,0-1,5		2,0-2,5		2,5-3,0
0,5	14,5	88	13,2	80	11,4	69	10,1	61
1,0	15,2	92	14,0	85	12,6	76	11,3	68
1,5	15,7	95	14,5	88	13,1	79	12,2	74
2,0	16,2	98	14,9	90	13,6	82	12,7	77