Технологічний проект ресурсозберігаючого виробництва спирту шляхом термоферментативної обробки сировини

(з. с.)¹ − зневоднений спирт  

1.2 Теоретичні  основи технології виробництва  спирту 

     Види  сировина та вимоги до їх якості. Спирт з харчової сировини одержують безперервним і періодичним способами. Перший має явну перевагу перед другою і широко упроваджений на спиртних заводах потужністю 1000... 10000 дав спирту в добу. У країні виробляють 45...55 % спирту із зерна, 10... 15 з картоплі, 2...3 з буряка і 38...45 % з меляси.

     Зерно і картопля відносять до крохмальвмісної  сировини, а буряк і мелясу − до цукорвмісного. Зерно поступає на заводи із вмістом вологи 12... 15 % і більш. Залежно від культури воно містить 46...55 % крохмалю і 9...16 % білка. Картопля − соковита сировина, яка містить 9... 18 % крохмалю і до 2 % білка. До переробки придатні середньо- і пізньостиглі сорти з високою крохмалистістю, гарною лежкістю та здоровими бульбами.

     На  спиртних заводах використовують бурякоцукрову мелясу. Меляса, будучи відведенням бурякоцукрового виробництва, використовується в бродильній промисловості як вторинний продукт. Це густа сиропоподібну непрозора рідина коричневого і темно-бурого кольору, солодка на смак з гірким присмаком. Згідно ОСТ 18-395 в ній міститься не менше 75 мас. % сухих речовин, не менше 43 % сахарози; рН меляси 6,5...8,5. Сума зброджуваних речовин складає не менше 44 мас. %.

      Технологічна  схема виробництва  спирту. Переробка зерна і картоплі здійснюється за однотипною технологією і складається з наступних технологічних стадій: отримання і підготування оцукрюючих матеріалів; підготовка зерна і картоплі до розварювання; розварювання сировини; оцукрювання сировини, що містить крохмаль; культивування дріжджів; зброджування сусла; витягання спирту з браги, його зміцнення й очищення від домішок. Отримання спирту з меляси включає менше технологічних стадій: підготовка меляси до зброджування; культивування дріжджів; зброджування мелясного сусла; витягання  спирту з браги і його очищення (рис. 1.1).

      Підготування  сировини до переробки. Спирт одержують з крохмалистої сировини та сировини, що містить цукри. До першої відносять злакові культури (ячмінь, жито, пшениця, просо, кукурудза, чумиза і овес), а також картопля; до другого – буряк і мелясу.

      Підготування  зерна і картоплі. Підготування сировини полягає в очищенні зерна від домішок, митті картоплі, подрібненні сировини і розбавленні подрібненої маси водою до заданого вмісту сухих речовин. Чим вище ступінь подрібнення сировини, тим воно швидше розварюється за більш м'якого режиму.

      Підготування  меляси. Мелясу переробляють на спирт за схемами одно- або двопотокового виробництва. У першому випадку всю мелясу розбавляють водою для отримання мелясного сусла однієї концентрації (22…24 мас. %), унаслідок чого спрощуються, як технологія, так і управління процесом бродіння. Мелясне 1 сусло спочатку використовують для культивування дріжджів, які потім зброджують мелясне сусло. За умов двопотокового виробництва готують два сусла: для розмноження дріжджів концентрацією 12 мас. % і основне сусло концентрацією 30…34 мас. %. Для забезпечення нормального виходу спирту і накопичення дріжджів (16…18 г/л браги) в мелясу додають живильні речовини, легкозасвоювані джерела фосфору і азоту, що містять.

      Підготування  оцукрюючих матеріалів. Для оцукрювання сировини в спиртному виробництві застосовують свіжопророслий солод, а також ферментні препарати. Витрата зерна на солод залежить від вигляду і кількості основної сировини і складає (%): під час переробки зерна 14,9, картоплі 13 і вівса, сорго і рису 18,5.

      З солоду одержують солодове молоко, для чого роздроблений солод змішують з водою в співвідношенні 1:5. Отримане солодове молоко із вмістом сухих речовин 5…6 % додатково дезинфікують 40 %-м формаліном і направляють для оцукрювання охолодженої розвареної маси.

      У спиртній промисловості використовують ферментні препарати мікроміцетів і бактерій. Використовування ферментних препаратів культур мікроміцетів замість солоду дозволяє більш повно оцукрити сировину і тим самим збільшити вихід спирту з 1 т крохмалю на 1…4 %.

      Розварювання  сировини, що містить  крохмаль. Основна мета розварювання – руйнування клітинної структури і розчинення крохмалю сировини. У розчинному стані крохмаль легко оцукрюється ферментами. Зерно і картопля розварюють паром за надмірного тиску. 
 

Рисунок 1.1 – Технологічна схема виробництва спирту

      Як  типові прийнято дві схеми безперервного  розварювання сировини. Перша схема передбачає розварювання сировини за зниженої температури (130…140° С) і порівняно тривалої витримки (50…60 хв.), друга – за підвищеної температури (165…172° С) і проходження маси через варильний апарат за 2…4 хв.

      Оцукрювання сировини, що містить  крохмаль. Крохмаль розвареної сировини оцукрюють солодовим молоком або ферментами цвілевих грибів. Оцукрювання розвареної маси здійснюють переважно безперервним способом за певних умов: температури, рН середовища, концентрації субстрату й оцукрюючого матеріалу. Оцукрену масу називають суслом. Процес оцукрювання включає охолоджування розвареної маси, змішування маси з оцукрюючим матеріалом, оцукрювання й охолоджування сусла.

      Під час оцукрювання в один ступінь  розварена маса безперервно надходить в оцукрювач – циліндровий сталевий апарат, обладнаний мішалкою і змійовиком для подавання води. В оцукрювачі маса охолоджується до 57…58° С в течії не менше 10 хв. Одночасно з охолоджуванням в апарат задають 16…18 % солодового молока від об'єму розвареної маси. Оцукрена маса безперервно відводиться з оцукрувача через теплообмінник, в якому охолоджується до 20…24^о С, у бродильне відділення.

      Культивування дріжджів. Як збудники спиртного бродіння використовують дріжджі з сімейства цукроміцетів. На початку виробничого сезону дріжджі одержують з чистої культури. Далі їх культивують за методом природно-чистої культури, коли підбиранням температури і рН середовища створюють умови, сприятливі для розморожування дріжджів і несприятливі для життєдіяльності бактерій.

      Зброджування  оцукреної маси. Під час зброджування цукри дифундують у дріжджову клітку, де залучаються до ланцюга ферментативних процесів, кінцевим результатом яких є  утворення спирту і діоксиду вуглецю. Окрім спирту і діоксиду вуглецю під час бродіння утворюються вторинні і побічні продукти.

      Бродіння  здійснюється в бродильних апаратах (ферментерах) періодичним і безперервним способом. Тривалість бродіння за температури маси, яка бродить, 26…30° С, складає 56…60 год.

      Витягання спирту з браги  і його очищення. Зріла брага – напівпродукт спиртного виробництва. Для отримання 1 м³ спирту потрібно близько 12 м³ браги. Брага − складна багатокомпонентна. система, що складається з трьох фаз: рідкої, газоподібної і твердої. Рідка фаза складає основну частину з трьох фаз. Вона представлена водою (82…90 мас. %) і етиловим спиртом 4,8…8,8 мас. % (або 6…11 об. %) з супутніми легколеткими домішками, число яких перевищує 70 найменувань. Серед летких домішок – кислоти, складні ефіри, альдегіди і вищі спирти, домішки, що містять сірку та азот. Леткі речовини браги складають 0,5 % по відношенню до етилового спирту, що міститься в ній.

      Витягання етилового спирту з браги і його очищення здійснюються ректифікацією. Ректифікацією прийнято називати процес розділення бінарної або багатокомпонентної рідкої суміші на компоненти або групи компонентів (фракції), що розрізняються між собою леткістю. Розділення  бінарної суміші спирт-вода часто називають простою перегонкою або дистиляцією. Розділення однорідних летких сумішей здійснюють шляхом багаторазового двостороннього масо- і теплообміну між протитоковими паровим і рідинним потоками, що рухаються. 

      У взаємодії фаз у процесі ректифікації відбувається дифузія (перенесення) легколеткого компонента з рідкої фази в парову і важколеткого компонента, навпаки, з парової фази в рідку. Для збільшення міцності дистиляту ректифікацію водно-спиртових сумішей проводять у поєднанні з дефлегмацією, підвищуючи міцність водно-спиртової пари частковою їх конденсацією. Її здійснюють у спеціальних теплообмінних апаратах – дефлегматорах. Рідину, що утворюється під час дефлегмації, називають флегмою.

     Особливості комплексної переробки  сировини в спиртній промисловості. Різні види барди − це основні відходи спиртного виробництва. Післяспиртова барда, яка одержується у вітчизняній спиртній промисловості в кількості 10…12 млн т/рік, в основному, використовується на корм худобі в сирому вигляді. Іноді її висушують. Понад 20 спиртних заводів мають цехи з випуску сухих або рідких кормових дріжджів. Основну масу кормових дріжджів одержують на мелясно-спиртних заводах.

      Отримання діоксиду вуглецю. Діоксид вуглецю, що утворюється під час спиртного бродіння, є цінною ВМР, що знайшла широке застосування у виробництві безалкогольних напоїв, шипучих вин, у тепличному господарстві, під час зварювальних робіт та в інших цілях.

      Комплексна  переробка меляси. Вона передбачає отримання цільового продукту – ректифікованого етилового спирту, а також рідкого діоксиду вуглецю, пресованих хлібопекарських дріжджів і сухих кормових дріжджів.

      Отримання кормових дріжджів. Кормові дріжджі, вирощені як на післяспиртовій мелясі, так і на зернокартопляній барді – цінна білкова добавка до рослинних кормів, що використовуються в тваринництві і птахівництві.

      Кондиціонування барди полягає в стерилізації й охолоджуванні барди з подальшим збагаченням середовища розчинами, що містять азот і фосфор. 

1.3 Поточно-механізовані  лінії виробництва спирту 

     Виробництво спирту з меляси здійснюється за схемами одно- або двохпотокового виробництва. У основу однопоточної схеми покладені гомогенізація і антисептування нерозбавленої меляси при високій концентрації кислоти, приготування сусла однієї концентрації (рис. 1.2).

     Як  допоміжну сировину в цьому виробництві застосовують сірчану або соляну кислоту. Кислота прибуває на завод в залізничній цистерні 1, насос 3 перекачує її в збірку 2, з якого в міру необхідності її поставляють у виробництво.

     Меляса  поступає на спиртні заводи переважно в залізничних цистернах 4. Пройшовши заглиблений резервуар 6 і пастку 7, вона насосом 8 подається в резервуари 5 сховища. Розчини антисептика готують в змішувачі 9, додаткового азотно-фосфорного живлення I в змішувачі 10. У збірці 11 зберігають антисептик, в збірці 12 − ортофосфорну кислоту, в збірці 13 − розчин діаммонійфосфату. Для відбору кислоти служить мірник 14, добовий запас кислоти зберігається в збірці 15. Для змішування кислоти і води служить змішувач 16.

Рисунок 1.2 − Апаратурно-технологічна однопоточна схема виробництва