Технологічний проект ресурсозберігаючого виробництва спирту шляхом термоферментативної обробки сировини

спирту з меляси 

Умовні позначення:  − − − вода;                  продукт; ЧК − чиста культура дріжджів; В_хол. і В_гор.  відповідно холодна і гаряча вода; − · − − СО₂. 

     Під час вступу до виробництва для контролю якості за допомогою пробовідбірника 17 відбирають пробу меляси. Її направляють спочатку в напірні збірки 18, далі на ваги 19 і потім в змішувач 20, в який окрім меляси поступають допоміжна сировина і антисептики. З метою придушення шкідливої мікрофлори і доведення рН середовища до оптимального значення мелясу підкисляють сірчаною або соляною кислотою для отримання кислотності мелясного сусла 0,5. На 1 т меляси доводиться 6…7 кг кислоти. Окрім кислоти для антисептування застосовують також сульфанол з розрахунку 40…150 г або хлорне вапно в кількості 200…400 г активного хлору на 1 т сировини. Меляса в збірках-апаратах 21 проходить стадію антисептування, далі насосами 22, 23 подається спочатку в напірну збірку 29, а потім в змішувач 33. Дріжджі чистої культури вирощують в апаратах 24…27. У всі апарати цеху зброджування меляси подається повітря, що пройшло очищення через фільтр 28.

     Для забезпечення нормального виходу спирту і накопичення дріжджів (16…18 г/л браги) в мелясу додають живильні речовини, що містять легкозасвоювані джерела фосфору і азоту. Кількість живильних речовин залежить від складу меляси і змісту дріжджів в бразі. Живильні речовини подають в змішувач у вигляді водних розчинів з розрахунку на 1000 дал спирту: ортофосфорної кислоти (70%-ї) 13, а карбаміду 9 кг.

     Якщо  разом із спиртом одержують хлібопекарські дріжджі, кількість додаткових живильних речовин співвідносять з необхідним виходом дріжджів. Якщо кількість хлібопекарських дріжджів одержують з розрахунку до 1800 кг/1000 дал спирту, то витрата ортофосфорної кислоти і карбаміду складає 21,5 і 20 кг відповідно. Із збільшенням випуску хлібопекарських дріжджів більше 1800 кг/1000 дал витрата кислоти зростає до 22 кг, а карбаміду − до 45 кг

     Приготовану суміш меляси з кислотою, антисептиком і живильними речовинами безперервно подають в резервуари, де витримують 6…8 ч; після антисептування нерозбавлену мелясу перекачують насосом в напірну збірку. Із збірки меляса поступає у вертикальний поличний змішувач, куди безперервно подають воду. Потім мелясне сусло температурою 25 °С, що містить 22…23 мас. % сухих речовин, самоплив направляють в систему з 5…6 апаратів 34 для розмноження дріжджів.

     Вода  для приготування мелясного сусла безперервно поступає через збірки 30 і 31, обладнані трубами 32 для зливу надлишків води. Процес бродіння здійснюють в батареї з 10 бродильних апаратів 37. Спиртні пари, що утворюються при генеруванні і бродінні, прямують в спиртоуловлювачі 35. У першому випадку після очищення пари поступають в атмосферу, а в другому _ у цех харчового діоксиду вуглецю. Контроль за роботою спиртоуловлювачів ведуть за допомогою спеціальних ліхтарів 36. Готова брага, пройшовши фільтр 38, поступає на сепаратора 39. Виділені дріжджі поступають в цех хлібопекарських дріжджів, а обездріжджена брага − у збірку 40. Бродильні апарати обладнані теплообмінниками, куди поступає вода, трубопроводами 41 для відведення і гасіння піни, передавальними трубопроводами 42 і пропелерними мішалками браги 43.

2 АНАЛІЗ  ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СИСТЕМИ ВИРОБНИЦТВА  СПИРТУ 

2.1 Оцінка  технологічної системи на основі  принципу системного підходу  до удосконалення 

     Системний підхід до вдосконалення технології. Ефективні методи вдосконалення процесів харчової технології можуть бути розроблені на основі комплексного, або системного, підходу до проблеми. Під комплексним підходом розуміють сукупність методологічних принципів, що дозволяють розглядати поєднання окремих елементів (явищ, предметів) як єдине ціле – систему. Основне завдання системного підходу – виявлення нових властивостей цього поєднання, не властивих жодному окремому елементу системи.

     Методом системного підходу виступає системний  аналіз. Під системним аналізом розуміють сукупність прийомів і методів для вивчення систем. Взаємодія елементів системи характеризується прямими і зворотними зв'язками. Суть системного аналізу полягає в тому, щоб виявити ці зв'язки і встановити їх вплив на поведінку всієї системи в цілому. Системний аналіз упроваджують з метою оптимізації процесів управління системами, що є вибір оптимального варіанту управління, тобто такого процесу, при якому досягається мінімальне або максимальне значення заданої характеристики процесі – критерію оптимізації.

     Кожна операція як елемент системи має певне значення в технологічному процесі, але задана якість готового продукту може бути одержана тільки при виконанні певної сукупності окремих операцій. Тому, стосовно технологічного процесу як системи взаємозв'язаних технологічних операцій, вдосконалення даної технологічної операції при системному підході повинне розглядатися з урахуванням кінцевої мети всього технологічного процесу.

     Системний підхід пов'язує і узагальнює всі  засоби вдосконалення технологічного процесу: наукові дані, новації виробництва, управління технологічними процесами, що дозволяє одержати кількісну оцінку методу вдосконалення і визначити найбільш доцільні шляхи впровадження вибраного методу у виробництво.

     Таким чином, системний підхід містить  в собі принципово нову установку, направлену на виявлення конкретних механізмів цілісності об'єкту. Він визначає принцип розділення досліджуваних багатокомпонентних об'єктів, виходячи з принципу найбільшої важливості зв'язків для системи в цілому при різноманітності типів в кожній конкретній системі.

     Системний підхід в технології використовується для отримання об'єктивної кількісної оцінки різних дій, направлених на вдосконалення об'єкту дослідження. Ця кількісна оцінка передбачає використання загальних принципів теорії систем, теоретичних і експериментальних даних про технологічні процеси.

     Оцінка  технологічної системи  на основі принципу системного підходу до удосконалення. Виробництво спирту аналогічно будь-якому харчовому виробництву можна розглядати як хіміко-технологічну систему, що складається з сукупності зв'язаних технологічними потоками (зв'язками) машин (апаратів, агрегатів), в яких здійснюються технологічні операції, необхідні для перетворення сировини в готовий продукт заданої якості. Апарати виступають як елементи системи; при системному аналізі досліджуються ті їх властивості, які визначають взаємодію з іншими елементами або впливають на загальні властивості системи, а внутрішні властивості і структура елементу не вивчаються.

     Завдання  вдосконалення технології виробництва спирту розв'язуються методами аналізу і синтезу. Аналіз технологічних процесів проводять на основі вивчення природи явищ, що відбуваються при ньому, зіставлення різних технологічних прийомів і режимів. Результати аналізу можуть використовуватися для подальшого синтезу більш довершених технологічних процесів, модернізації устаткування, поліпшення системи управління процесом. Синтез технологічного процесу передбачає вибір його структури і зв'язків між елементами цієї структури. Структуру технологічного процесу визначають, виходячи з його призначення, особливостей сировини, заданих властивостей готового продукту або оптимальних показників ефективності.

     При аналізі і синтезі технологічної системи виробництва спирту технологічний процес можна представити у вигляді графа цілей та завдань, в думках розбивши його на фрагменти за принципом завершеного етапу, тобто на підсистеми. Вершини графа показують мету системи та підсистем, а нижня частина – завдання, які поставлені перед відповідними підсистемами.

     Цілі  графа визначаються деякою технологічною  автономією, яка властива будь-якому харчовому виробництву, а завдання характеризують технологічні операції, які відбуваються при технологічному процесі для досягнення мети.

     Систему, залежно від мети аналізу, можна  розглядати в обох напрямах: якщо необхідно  удосконалити якість продукції, розглядати процеси слід від виходу до входу, а у разі потреби скорочення ланцюга технологічних операцій, заміни устаткування на більш функціональне − від входу до виходу.

     Підсистеми  позначають літерами А, В і С, починаючи з кінця. Таким чином технологічний процес можна представити у вигляді сукупності декількох підсистем. Щодо виробництва спирту, то граф цілей та задач буде мати наступний вигляд (рис 2.1): 

Рисунок 2.1 − Граф цілей та задач у технологічному процесі виробництва ректифікованого етилового спирту

      Технологічну  систему виробництва спирту також можна надати у вигляді підсистем, що складаються з операторів. Останніми будуть виступати певні технологічні операції (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 − Технологічна схема виробництва спирту етилового ректифікованого

2.2 Обґрунтування  заходів, прийнятих для вдосконалення виробництва 

     Не  дивлячись на велику кількість експериментальних  і технологічних досліджень в області виробництва спирту, багато аспектів інтенсифікації процесів бродіння залишаються суперечними. Окрім цього існує проблема дефіциту мінеральних речовин в мелясі, яких не завжди достатньо для оптимального протікання процесу спиртного бродіння. Для цього мелясне сусло перед зброджуванням звичайне збагачують азотом і фосфором, проте необхідна кількість мікроелементів, стимулюючих розвиток дріжджів і активізуючих їх ферменти, в мелясі є не завжди.

     Суперечливі думки відбуваються внаслідок того, що прискорення спиртного бродіння розмішуванням або струшуванням проводять з різною інтенсивністю залежно від виду сусла (фільтроване, нефільтроване), числа оборотів мішалки (кількості струшувань), виду судини, в якій відбувається зброджування (відкритий, закритий) і деяких інших аспектів.

     Прискорити  зброджування сусла можна декількома шляхами. Це, по-перше, використання додаткової теплової обробки в процесі зброджування, по-друге, використання ферментативної обробки, по-третє, застосування комплексу гідродинамічних явищ. У поєднанні ці три шляхи повинні призвести до удосконалення технологічного процесу в плані зменшення тривалості бродіння та збільшення виходу спирту.

     Дією  температури у поєднанні з  ферментативною обробкою прискорюється процес бродіння природним шляхом за законом збільшення швидкості реакції зі збільшенням температури та концентрації реагуючих речовин.

     Збільшення швидкості спиртного бродіння за рахунок застосування комплексу гідродинамічних явищ можна пояснити істотним збільшенням поверхні контакту між активним центром ферментів дріжджів і субстратом істотно, завдяки чому зростає швидкість видалення вуглекислого газу і виникають сприятливі умови аерації. Внаслідок цього відбувається прискорення проміжних реакцій утворення спирту і його виходу з одиниці сировини.

3 ПРОЕКТНИЙ РОЗДІЛ. СКЛАДАННЯ ІКОНОГРАФІЧНОЇ МОДЕЛІ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧОГО ВИРОБНИЦТВА СПИРТУ ШЛЯХОМ ТЕРМОФЕРМЕНТАТИВНОЇ ОБРОБКИ СИРОВИНИ 

3.1 Розробка  моделі ресурсозберігаючого виробництва  спирту шляхом термоферментативної обробки сировини 

     Суть  методу удосконалення полягає в тому, що оброблюване середовище піддається пульсаційній дії комплексу гідродинамічних явищ: дії великих швидкостей і прискорень, динаміці зростання та охлопування парогазових бульбашок, руйнуванню тонких плівок рідини, створенню кавітаційних каверн і могутньої турбулентності на міжфазній поверхні. Перераховані процеси виникають при обробці середовищ в роторно-пульсаційних апаратах.

     При цьому перед зброджуванням у  мелясне сусло додають солі Mg, Co, Fe і Mn в певному інтервалі концентрацій. Зброджування сусла з крохмальвмісної сировини проводять за стандартним періодичним способом. Особливістю зброджування було те, що процес відбувався при постійній роторно-пульсаційній обробці, яка здійснювалася за допомогою роторно-пульсаційного апарату. Основним робочим органом апарату є роторно-пульсаційний вузол, який включає встановлені на валу електродвигуна диск з лопатками V своєрідне робоче колесо відцентрового насоса і два статори, між якими знаходиться ротор. При обертанні ротора відбувається почерговий збіг пазів ротора і статорів, що викликає значні знакозмінні перепади тиску, високо градієнтні течії в зазорах, а також великі градієнти напруг зміщень.