Разработка методов утилизации послеспиртовой мелассной барды

   2.2 Аппаратурное оформление  и последовательность  стадий технологической схемы производства этилового спирта из мелассы 
 

   Технология получения этилового спирта из мелассы основана на ферментативном сбраживании сахаров дрожжевыми микроорганизмами и включает следующие основные процессы:

• подготовка мелассы к сбраживанию;
• приготовление мелассного сусла;
• приготовление чистых культур спиртовых дрожжей;
• дрожжегенерирование;
• сбраживание сусла;
• перегонка бражки.

   Подготовка мелассы к сбраживанию. Процесс подготовки мелассы включает ряд операций, таких, как тепловая обработка, химическое антисептирование, подкисление, внесение питательных веществ, кларификация, гомогенизация и выдержка [12].

   Меласса может быть заражена посторонними микроорганизмами, жизнедеятельность которых приводит к нарушению технологии сбраживания, нерациональным потерям сахаров, ухудшению качественных показателей продукции.

   Наиболее эффективным для обеззараживания мелассы являются химическое антисептирование и тепловая обработка (стерилизация, пастеризация).

   Антисептирование и подкисление. Мелассу обеззараживают и подкисляют добавлением серной или соляной кислоты, хлорной извести, формалина, сульфонола и других химических веществ.

   Серную или соляную кислоту добавляют, чтобы обеззаразить мелассу и создать оптимальный для жизнедеятельности дрожжей рН среды в мелассном сусле.

   Количество добавляемой кислоты рассчитывают исходя из потребности на нейтрализацию щелочных меласс и дополнительного расхода для подкисления сусла до рН 5,1—5,3 при однопоточной схеме сбраживания и рН 4,8—5,1 при двухпоточной схеме. Кислоты перед добавлением в мелассу разбавляют 4—5-кратным количеством воды.

   Подкисление серной кислотой ведется на большинстве спиртовых заводов. На заводах, имеющих цехи кормовых дрожжей и станции упаривания барды, применяются соляная кислота» соли которой не дают осадка на поверхностях теплообмена.

   При однопоточной схеме сбраживания подкисляют всю мелассу, поступающую в производство. Выдержка подкисленной мелассы производится в течение 8—12 ч.

   При двухпоточной схеме сбраживания подкисляют и антисептируют соляной или серной кислотой только ту часть мелассы, которая идет на приготовление сусла для дрожжей. Кислотность сусла для дрожжей составляет 0,9—1,0°, что соответствует рН 4,1—4,3. Антисептирование при этой кислотности достигается выдержкой в течение 4—8 ч.

   Высокая кислотность иногда является недостаточной для предотвращения развития вредной микрофлоры, содержащейся в мелассе. Поэтому кроме кислотного антисептирования неразбавленной мелассы, особенно при однопоточной схеме сбраживания, применяют другие антисептики.

   Хлорную известь, содержащую 32—35 % активного хлора задают в мелассу в виде водной вытяжки. Для этого к извести, загруженной в емкость, добавляют пятикратный объем воды, хорошо размешивают, дают раствору отстояться в течение 2—3 ч. Светлый раствор декантируют и задают в мелассу, хорошо перемешивая [13].

   На 1 т мелассы нормального качества добавляют 0,5—0,6 кг хлорной извести и выдерживают в течение 2—3 ч. Для средне-инфицированной мелассы расход хлорной извести составляет 0,8—1,0 кг/т, выдержка — 4—5 ч, для сильно инфицированной — соответственно 1,2—1,5 кг/т и 5—6 ч. В мелассном сусле известь нейтрализуется за счет окислительных процессов, в том числе от добавления кислот на подкисление, вследствие чего не оказывает ингибирующего действия на дрожжи.

   Сульфонол подавляет кислотообразующую микрофлору и не влияет на жизнедеятельность дрожжей. Расход на 1 т мелассы 70—100 г. Добавляется в виде водного раствора подобно хлорной извести. Сохраняет бактерицидные свойства в мелассе и мелассном сусле в течение 10—15 дней.

   Тепловая обработка. Сильно инфицированная меласса, которая не исправляется кислотным и химическим антисептированием, подвергается тепловой обработке.

   Стерилизация проводится путем нагрева мелассы до температуры 109—110°С и выдержкой при этой температуре в течение 1,5—2 мин. Нагрев осуществляется в теплообменниках, теплоносителем является пар. Нагретая меласса после выдержки в течение 1,5—2 мин подается в сборник, где с помощью аэрирования воздухом из нее удаляются летучие вещества.

   Затем она охлаждается до 25—30 °С (водой или холодной мелассой через теплообменник).

   Пастеризация в отличие от стерилизации проводится путем нагрева мелассы при более низких температурах (85—95 °С), но более длительном выдерживании (50—60 мин). Пастеризация применяется при средней степени инфицированности мелассы [14].

   Внесение питательных компонентов. Для обеспечения высокоактивной жизнедеятельности дрожжей в процессе сбраживания в, мелассу вносятся питательные компоненты. В качестве фосфорного питания применяют 70%-ную ортофосфорную кислоту или диаммоний фосфат, азотистого — карбамид (мочевину). Используют и другие фосфор- и азотсодержащие вещества.

   Питательные компоненты вводят в мелассу в виде предварительно приготовленных растворов одновременно с серной или соляной кислотой [15]. Кислоты и растворы солей вносят дозирование, пропорционально количеству поступающей мелассы при выпуске мелассы из весов в мелассные сборники — выдерживатели суточного запаса.

   При переработке тростниковой (черной), сахаротростниковой и рафинадной меласс, тростникового сахара-сырца и дефектного белого сахара в смеси со свеклосахарной мелассой или отдельно расход питательных веществ для дрожжей на 1т сбраживаемых сахаров указанных видов сырья, кроме свеклосахарной мелассы, составляет: ортофосфорная кислота (70%) или диаммоний фосфат —3,3 кг; карбамид или сернокислый аммоний — соответственно 9 и 20 кг. Расход питательных веществ на свеклосахарную мелассу в этом случае сохраняется на уровне норматива при переработке ее одной.

   Кларификация мелассы. На спиртовых заводах, имеющих производство хлебопекарных дрожжей, выделяемых из мелассно-спиртовых бражек, свекловичную мелассу рекомендуется кларифицировать (осветлять). Особенно необходима кларификация при переработке тростниковой и рафинадной меласс в чистом виде.

   Осветление проводят на сепараторах-кларификаторах. Мелассу перед поступлением на установку разбавляют водой в соотношении 1 : 1, при этом раствор нейтрализуют или подкисляют до требуемой кислотности. Иногда разбавленную мелассу стерилизуют или пастеризуют, затем охлаждают в закрытых теплообменниках, после чего подают в кларификатор.

   Содержание, сахара в осадке, отделяемом в кларификаторе при сепарировании, составляет около 25 %. Его вымывают горячей водой. Промывную воду после кипячения рекомендуется направлять в дрожжерастильные чаны при производстве кормовых дрожжей.

   Выдерживание и гомогенизация. Меласса с добавленными в нее антисептиками (при необходимости), кислотами и питательными солями подается в сборники суточного запаса, где выдерживается не менее 8 ч. Для стабилизации режима сбраживания ее усредняют (гомогенизируют) путем перемешивания в сборниках насосом. Забор мелассы насосом производится с нижней части сборника, а подача — в верхнюю. Усреднение производят в период приемки мелассы, а также во время забора ее на рассиропку.

   Гомогенизация особенно необходима при переработке дефектной мелассы, а также при использовании тростниковой и рафинадной меласс в смеси со свеклосахарной.

   Приготовление мелассного сусла. Для нормальной жизнедеятельности дрожжей и оптимальных условий сбраживания мелассу необходимо разбавить водой до концентрации сухих веществ 20—22 %. Для приготовления сусла рекомендуется применять артезианскую воду. Можно использовать конденсаты, полученные при упаривании послеспиртовой и последрожжевой барды спиртовых заводов, работающих на мелассе. При использовании для приготовления сусла для дрожжей прудовой или речной воды ее обрабатывают хлорной известью из расчета 20—30 мг активного хлора на 1 л воды с выдержкой в течение 1 ч [16].

   При непрерывном брожении мелассное сусло готовят на непрерывнодействующих рассиропниках, представляющих собой аппараты для смешивания и растворения мелассы холодной и горячей водой в непрерывном потоке, с регулированием концентрации сусла (по плотности) и температуры сусла [17]. Применяются также рассиропники трубчатого типа с диафрагмами, принудительным механическим размешиванием и др. При однопоточной схеме сбраживания сусло готовят только концентрацией сухих веществ 20—22 %. При двухпоточной схеме сусло для дрожжей готовится концентрацией 12 % СВ, а мелассное сусло, используемое для основного брожения, —32—34 % СВ. При работе по усовершенствованной двухпоточной схеме рекомендуется сусло для дрожжей готовить концентрацией 8—9 % СВ, а основное сусло —35—36 % СВ. Соотношение потоков сусла для дрожжей и сусла основного при двухпоточных схемах сбраживания 1 : 1, вследствие чего средняя концентрация смеси равняется 22 % СВ.

   Тростниковую (черную), сахаротростниковую и рафинадную мелассу перерабатывают по двухпоточной схеме вместе со свеклосахарной мелассой. Смесь меласс содержит до 20% сахара. Дрожжи размножают на свеклосахарной мелассе, а брожение ведут на смеси меласс. Концентрация сусла для дрожжегенерирования составляет 10—12 % СВ, а основного сусла — 27— 28 % ХВ.

   Переработку сахара-сырца и дефектного белого сахара проводят, в смеси со свеклосахарной мелассой. При работе по однопоточной схеме концентрацию сахаромелассного раствора устанавливают из расчета получения зрелой бражки крепостью 8— -8,5 % об. При применении двухпоточной схемы дрожжи приготавливают на сусле концентрацией 12—13 % СВ, а основное сусло готовят на мелассе, оставшейся после приготовления дрожжей, и сахаре-сырце или дефектном белом сахаре. Концентрация основного сусла составляет при переработке дефектного сахара в количестве 25 % общей массы сахара в. смесителе 27—28 % СВ; 50 %. —24—25; 75 % —21—22 % СВ.

   Выращивание чистой культуры дрожжей. Для сбраживания сахаромелассных растворов на спирт применяют дрожжи расы В, гибридные дрожжи Г-67, Г-73, Г-75, Г-112.

   Дрожжи расы В — осмофилы. Хорошо сбраживают сахарозу, фруктозу, глюкозу, но лишь на '/₃ — раффинозу (трисахарид). Плохо сбраживают мальтозу из-за низкой активности фермента мальтазы, расщепляющего мальтозу (дисахарид) на две молекулы глюкозы.

   Гибридные дрожжи, полученные скрещиванием расы В с пивными дрожжами, обладают высокой бродильной энергиейи почти полностью сбраживают раффинозу.

   Свеклосахарную, тростниковую (черную) и рафинадную мелассы, содержащие значительные количества раффинозы, рекомендуют сбраживать двумя культурами дрожжей: расой В и гибридом Г-75 двухстадийным способом.

   При производстве из мелассы спирта и хлебопекарных дрожжей, получаемых выделением их из спиртовой бражки, применяют дрожжи расы В в смеси с гибридом Г-112. Дрожжи расы В обеспечивают нормативный выход спирта из мелассы, а Г-112 — высокую активность хлебопекарных дрожжей.

   Чистые культуры дрожжей на спиртовые заводы поступают из научно-исследовательских институтов спиртовой промышленности. Они поставляются в пробирках, закрытых пробками и залитых сургучом.

   В зимнее время чистая культура дрожжей готовится на сусле-желатине, в летнее — на сусле-агаре.

   Разведение дрожжей из пробирок до объема 3 л проводят в лабораторных условиях в колбах, дальнейшее разведение ведут в дрожжегенераторном отделении в аппаратах чистой культуры (АЧК) вместимостью 20, 1000 и 5000 л. После этого дрожжи поступают в дрожжегенератор.

   Для пробирки питательная среда (сусло) готовится из измельченного сухого ячменного солода. Сусло не подкисляется. Для стадий 2—4 в мелассное сусло добавляют солодовое концентрацией 10—12 % СВ в количестве 10 % по объему (до стерилизации).

   Для стадий 5—7 в мелассное сусло добавляют диаммоний фосфат (или ортофосфорную кислоту) и карбамид в количестве соответственно 0,12 и 0,2 % по массе мелассы (до стерилизации).

   После задачи дрожжей из АЧК-1 в АЧК-2 подают стерильное мелассное сусло (подмолодки) в три приема. Объем первой подмолодки составляет 50%, второй —30, третьей — 20% полезного объема АЧК-2. Подмолодки задают в период, когда видимая плотность АЧК-2 снижается до 10—11% до сахаромеру.