Пивне та лікеро-горілчане виробництво

Суворо визначених вимог до якості виробничого зерна, яке переробляється у спиртовій промисловості, не встановлено. Бажано, щоб зерно було здоровим, з високою крохмалистістю, вологістю від 14 до 17%, в залежності від культури, і з невеликою засміченістю. Але інколи спиртові заводи переробляють дефектне зерно.

Розрізняють чотири ступені дефектності зерна: перша - зерно з солодовим запахом; друга - зерно з плісняво-затхлим запахом; третя - зерно з гнилісно-затхлим запахом; четверта - зерно, яке знаходилось у стані сильного самозігрівання, з оболонкою бурого або чорного кольору.

На спиртові заводи приймають також недозріле зерно, зерно, яке підлягло дії морозу або суховію, підгоріле, дуже вологе, а також те, що перезимувало в полі під снігом.

На спиртові заводи зерно поступає від заготівельних організацій, фермерських господарств та інших організацій на основі договорів. Якість зерна, яке іде безпосередньо на виробництво спирту, не регламентується. Попередньо здорове зерно оцінюють органолептично. При прийманні звертають увагу на натуру зерна, яка повинна знаходитись в межах: у кукурудзи 680-820, жита 680-750, пшениці 730-840, ячменю 580-700, вівса 400-450, проса 680-780 г/дм³.

Зерно перевозять насипом у критих чотирьохосних залізничних вагонах і на автосамоскидах. Основну масу його доставляють по залізничній дорозі на спиртові заводи, які мають залізничну гілку, безпосередньо до заводських складів, на інші заводи - на пристанційні зернові склади. З пристанційних складів після короткочасного зберігання зерно передається до заводських складів автотранспортом. Із вагонів чи автомашин зерно вивантажують механічними лопатами. Авторозвантажувачами і автоперекидачами зерно вивантажують у бункер, з якого воно подається норією чи пневмотранспортом у повітряно-ситовий сепаратор, а потім - на стрічковий транспортер, що розподіляє зерно по складу.

Рисунок 5.1. Принципова технологічна схема виробництва спирту із крохмалевмісної сировини

Меляса надходить на завод у залізничних цистернах вантажопідйомністю від 15 до 120 т, автоцистернах. Тара повинна бути чистою, без стороннього запаху. Цистерни повинні мати нижні зливні пристрої. Кожна цистерна супроводжується накладною і доданим до неї сертифікатом, у якому зазначається маса меляси та вміст сухих речовин.

Меляса із цистерн зливається самопливом у розташовані нижче приймальні збірники - сталеві резервуари прямокутної форми, об'єм яких повинен бути розрахований на добову роботу заводу. З приймальних збірників мелясу насосом перекачують у резервуари для зберігання. У холодну пору року мелясу у цистернах підігрівають парою за допомогою шланга з насадкою або барботеру. Деякі цистерни обладнані стаціонарними змійовиками.

Очищення сировини

Усі види зерна, яке надходить у виробництво, очищають від пилу, землі, каміння, металевих предметів (шматочків дроту, цвяхів, гайок) та ін. Домішки засмічують, викликають швидке зношення і навіть пошкодження обладнання, порушують нормальне протікання технологічних процесів, тому їх видаляють. Зерно, яке призначене для приготування солоду, звільняють від зіпсованих зерен, їх половинок та насіння бур'янів. Домішки, які відрізняються від зерна даної культури товщиною або шириною і аеродинамічними властивостями, відокремлюють на повітряно-ситовому сепараторі. У очищеному зерні вміст домішок повинен бути не більше 1%. Дрібні феромагнітні домішки, які містяться у зерні після очистки у повітряно-ситових сепараторах, відокремлюють з допомогою магнітних сепараторів. Сепаратори з постійним магнітом вмонтовуються у дно похилого жолобу, по якому рухається зернова маса. Більш досконалими є електромагнітні сепаратори з постійним магнітним полем. Вони складаються із циліндричного барабану, який виготовлений з немагнітного матеріалу, і розташованого всередині нього електромагніту, що утворює магнітне поле.

Подрібнення зерна

Підготовка крохмалевмісної сировини до зброджування в етиловий спирт складається із таких технологічних стадій: подрібнення сировини, змішування помелу з водою (приготування замісу), попередній підігрів замісу, термоферментативна обробка сировини, оцукрювання розвареної маси, охолодження її.

При високотемпературному розварюванні зерна при температурах 120-160^о С прохід помелу крізь сито з отворами діаметром 1 мм повинен бути 100%. А при низькотемпературному розварюванні температурах 85-95^о С помел повинен бути понадтонким, тобто прохід крізь сито з отворами діаметром 0,25 мм повинен становити 100%.

Руйнування клітинної структури сировини досягають подрібненням її на дробарках і спеціальних машинах з наступною водно-тепловою обробкою замісів із помелу сировини. Високодисперсні (ВД) помели зерна, одержані з використанням дезинтеграторів, шарових дробарок, корундових, струменевих та інших машин, мають не тільки зруйновану структуру зерна, клітин і крохмальних зерен, але також містять механодеструктуровані полімери - крохмаль, білки та ін., що дозволяє проводити їх водно-теплову обробку при температурах не вище 100° С. У результаті використання ВД помелів зерна зменшуються втрати зброджуваних речовин під час розварювання і зменшуються витрати теплової енергії.

Зернові культури подрібнюють механічним способом з використанням молоткових дробарок різних конструкцій або валкових станків. Найбільш поширені молоткові дробарки типу ДМ, ДДМ, А1-ДДМ або валкові станки типу ЗМ, ЕМ-200-100.

На деяких заводах для одержання більш високодисперсного і рівномірного помелу використовують спосіб подрібнення зерна в дві стадії. На першій стадії зерно подрібнюють на молотковій дробарці, одержаний помел пневмотранспортом або системою механічних транспортерів спрямовують на розділювач з ситами для одержання двох фракцій помелу з різними розмірами частинок, наприклад, більше 1 мм і менше 1 мм. На другій стадії крупну фракцію помелу подають на повторне подрібнення на валкових станках. Але в цьому випадку значно ускладнюється технологічна схема цієї ділянки виробництва.

Приготування замісу

Для отримання замісу помел зерна змішують з водою у співвідношенні 2,5-3,0 дм³ на 1 кг помелу. Кількість води змінюють залежно від крохмалистості і вологості зерна таким чином, щоб концентрація сусла була 18-24% СР за цукроміром.

Температуру замісу регулюють у залежності від дисперсності помелу зерна.

Для замісів із грубого помелу вона повинна бути 40-45° С.

Оптимальні температури для приготування замісів із ВД помелів зерна пшениці, ячменю і жита - 60° С, сорго - 70° С, кукурудзи - 80° С. Найбільша кількість розчинних вуглеводів накопичується в замісах, приготовлених при температурі 60-65°С. Для приготування замісу використовують воду від дефлегматорів брагоректифікаційної установки. Підігрівають заміс вторинною парою.

Для зменшення витрат води та покращання фізико-хімічного складу замісу в останні роки до 50% води замінюють фільтратом барди. Окрім того, в заміс задається до 30% розрахункової кількості розріджуючого термостабільного ферментного препарату з Ь-амілазною активністю для зменшення його густини.

Термоферментативна обробка замісів

Основною метою термоферментативної обробки замісів - є підготовка до оцукрювання крохмалю амілолітичними ферментами солоду або ферментних препаратів. Оцукрення найбільш активно і повно проходить тоді, коли крохмаль доступний для їх дії (незахищений клітинними стінками), оклейстерезований і розчинений, що можна досягти такими способами: розварюванням - тепловою обробкою сировини при підвищеному тиску і температурах 85-170^о С, понадтонким подрібненням сировини на спеціальних машинах і механічним подрібненням сировини до визначених розмірів часток і наступним розварюванням під тиском або без тиску (комбінований спосіб).

В процесі обробки зерна відбуваються значні структурно-механічні зміни сировини і хімічні перетворення речовин, що входять до їх складу.

До недавнього часу на спиртових заводах України використовували, головним чином, високотемпературні безперервнодіючі Мічурінську або Мироцьку схеми або їх різновиди розварювання замісів в апаратах колонного або трубчатого типів при температурах 120-160^о С. Але в сучасних вимогах застосовують виключно низькотемпературні схеми термоферментативної обробки замісів при температурах 85-95^о С, які розроблені і впроваджені у виробництво науковцями НУХТ та Укрспритбіопроду.

Отже, сучасна технологія термоферментативної обробки замісів передбачає наступні технологічні операції. Під час приготування зернових замісів з високим ступенем подрібнення зерна та використанням гарячої води утворюються грудки борошна. В більшій мірі це відбувається при приготуванні замісів з високим вмістом сухих речовин при гідромодулі 1:2,5-1:3,0. При утворенні грудок погіршуються умови водно-теплової обробки сировини, збільшуються втрати крохмалю. На стадії ферментативного гідролізу ускладнюється доступ ферментів до біополімерів сировини, уповільнюється спиртове бродіння, підвищується кислотність бражки, збільшується концентрація летких органічних домішок спирту, зменшується концентрація спирту, що, в свою чергу, вимагає збільшення витрати гріючої пари на ректифікацію спирту.

Для забезпечення однорідності замісу та для запобігання утворенню грудок необхідно передбачити гомогенізацію крупки та гарячої води до їх надходження в змішувач. Для цього використовують насос-змішувач, який іноді називають «дезмембратор» або деземульгатор, але більш правильна назва цього апарату - гомогенізатор. Однак в таких апаратах не завжди відбувається глибоке диспергування подрібненого зерна та води. Більш ефективно ця проблема вирішується при застосуванні проточних диспергаторів різних типів, в тому числі ротаційно-пульсаційні апарати (РПА), різних кавітаційних пристроїв та віброкавітаційних млинів, які забезпечують подрібнення, гомогенізацію та перекачку.

Далі заміс підігрівається в контактній головці або у спіральному теплообміннику до температури 85-95^о С і подається в апарати термоферментативної обробки (АТФО), в яких він обробляється 90-120 хв., поступово перетікаючи із одного в інший. При цьому у АТФО задається залишок термостабільного ферментного препарату (70%) і проводиться постійне перемішування замісу для контакту з ферментом.

Оцукрення розвареної маси

Мета оцукрювання розвареної маси крохмалевмісної сировини - гідроліз крохмалю, білків та інших високомолекулярних сполук охолодженої розвареної маси ферментами солоду або ферментних препаратів мікробного походження.

Основним й найбільш важливим процесом при цьому є ферментативний гідроліз крохмалю до зброджуваних цукрів, тому процес і називають оцукренням. В результаті оцукрення розвареної маси отримують напівпродукт - сусло спиртового виробництва.

Характерною особливістю оцукрення у виробництві спирту є те, що вплив ферментів на складові речовини сировини здійснюється на декількох технологічних стадіях: стадії приготування замісу та термічної обробки термостабільними ферментними препаратами при температурі 85-95^о С, спеціальній стадії оцукрення крохмалю при оптимальній температурі для дії амілолітичних ферментів (55-58^о С) і на стадії бродіння, де створюються умови, оптимальні для життєдіяльності дріжджів (28-34^о С).

Під час оцукрення розвареної маси під дією протеолітичних ферментів із білків утворюються амінокислоти, пептони і поліпептиди.

Після термічної обробки заміс подають на оцукрювання, яке складається із таких операцій:

охолодження розвареної маси до відповідної температури (57-60^о С);

змішування розвареної маси з ферментними препаратами (або солодовим молоком);

оцукрювання крохмалю;

охолодження сусла до початкової температури його бродіння;

перекачування сусла в бродильне і дріжджове відділення заводу.

В цьому випадку оцукрювання проводять безперервним способом з вакуум-охолодженням розвареної маси на спеціальній виробничій ділянці. Охолодження замісу здійснюють у окремо змонтованій вакуум-випарній камері, в якій підтримують розрідження на рівні 80-82 кПа. Завдяки чому температура замісу знижується до 60-62° С. Після змішування з оцукрюючим матеріалом в оцукрювачі температура маси знижується до оптимальної величини - 57-58° С.

У зв'язку з використанням термотолерантних дріжджів поширюється спосіб оцукрення охолодженої до 37-39^о С розвареної маси безпосередньо в бродильних апаратах. Для цього проводять двохстадійне охолодження замісу. Спочатку до температури 60-70^о С у спіральних або пластинчастих теплообмінниках, використовуючи як холодильний агент зрілу бражку із бродильного апарату, яка після нагрівання подається на бражну колону брагоректифікаційної установки. Тим самим зменшуються витрати пари на процес брагоректифікації.

На другій стадій заміс охолоджується в теплообміннику «труба в трубі» або кожухотрубному до температури оцукрення і бродіння.

Культивування дріжджів

Виробничими дріжджами спиртового виробництва називають зброджене сусло для дріжджів, масова частка сухих речовин у якому зменшилася до 1/3-1/2 від початкової, з вирощеними дріжджами концентрацією від 180 до 200 млн. клітин в 1 см³.

Виробничі дріжджі, вирощені на підкисленому сірчаною кислотою суслі, називають сірчанокислими дріжджами, а вирощені на підкисленому молочною кислотою суслі - молочнокислими дріжджами.

Засівні дріжджі - природно чиста культура дріжджів, вирощена на стерильному суслі і призначена для подальшого розмноження.

Для зброджування сусла спиртового виробництва використовують дріжджі Saccharomyces cerevisiae раси XII, ХІІ-Т, К-81 та Shizosaccharomyces pombe 80. Ці дріжджі осмофільні, стійкі до спирту і можуть накопичувати до 12-13% об. спирту.

Використання термотолерантних дріжджів дозволяє на 30% зменшити витрати води на охолодження бражки і підвищити вихід спирту внаслідок більш повного виброджування вуглеводів і меншого накопичення альдегідів (на 20- 25%) і гліцерину (на 40-45%) порівняно з расою XII.

Розводять чисту культуру дріжджів шляхом послідовного пересіву в стерильних умовах з доведенням об'єму середовища до виробничої дріжджанки. Пересів проводять в окремому чистому приміщенні.

Зрілі дріжджі, які одержані в процесі розведення чистої культури, повинні містити глікоген, до 5% клітин, які брунькуються, не більше 1% мертвих клітин при повній відсутності контамінуючих мікроорганізмів.

Існують періодичний, напівбезперервний і безперервний способи культивування дріжджів.

Більш поширеним є періодичне культивування, суть якого полягає в тому, що всі технологічні операції проводять послідовно в одному апараті - дріжджанці. Її об'єм складає 8-10% від місткості бродильного апарата. Дріжджанки мають поверхню охолодження у вигляді змійовиків або охолоджуючої оболонки і пропелерну мішалку.

У дріжджовому відділенні доцільно встановити апарат для приготування дріжджового сусла, об'єм якого в 2 рази більший дріжджанки, а також один збірник для короткочасного зберігання засівних дріжджів, які відбирають із дріжджанки. Об'єм збірника біля 10% від місткості дріжджанки.

У підготовлену (вимиту, простерилізовану і охолоджену) дріжджанку набирають сусло з оцукрювача при температурі 57-58° С концентрацією 17-18% сухих речовин, пастеризують при 80-85° С протягом 30 хв., охолоджують до температури 50° С і підкисляють сірчаною кислотою до рН 3,9-4,1. Сусло після охолодження до температури 30° С засівають дріжджами в кількості 8-10% від його об'єму, охолоджують до температури «складки» (для дріжджів раси XII - 18-22° С, для термотолерантних дріжджів - 28-30° С) і залишають на бродіння, не допускаючи підвищення температури понад 30° С для раси XII і 35-36° С для дріжджів Saccharomyces cerevisiae К-81. Мета початкового зниження температури до 18-22° С - пригнічення сторонніх мікроорганізмів, поки концентрація дріжджових клітин у суслі невелика. Підготовку сусла для дріжджів доцільно проводити в окремо встановленому для цього апараті.

При видимій концентрації сухих речовин виробничих дріжджів 1/2-1/3 від початкової концентрації сусла, дріжджі вважають дозрілими. Від них відбирають засівні дріжджі в збірник для їх зберігання, або в чергову підготовлену дріжджанку в кількості 8-10% для їх подальшого вирощування, а дріжджі, що залишились, передають у бродильний апарат. Якщо використання дріжджів затримується, то для збереження високої бродильної активності їх охолоджують.

Зброджування сусла13.3. Зброджування сусла

Сусло, окрім тієї частини, що йде на приготування дріжджів, перекачують у бродильні апарати, і цукор сусла зброджують дріжджами у спирт. При зброджуванні сусла з крохмалевмісної сировини відбувається також дооцукровування декстринів. Сусло, що бродить називають бражкою, а зброджене сусло - зрілою бражкою.

Розрізняють три періоди бродіння: розброджування, головне бродіння і доброджування. В умовах спиртових заводів розброджування не так помітне, тому що використовують значну кількість засівних дріжджів.

Для зброджування сусла із крохмалевмісної сировини характерний довгий період доброджування. У суслі з усього крохмалю (100%) біля 4-6% знаходиться у вигляді нерозчиненого, 75-77% - перетвореного у мальтозу та глюкозу, біля 19%- перетвореного у декстрини. Швидкість доброджування визначається головним чином активністю декстринази чи глюкоамілази.

На спиртових заводах України застосовують періодичний спосіб зброджування сусла з крохмалевмісної сировини. Відомі й інші способи зброджування цього середовища - безперервно-проточний, проточно-рециркуляційний і циклічний, які з ряду принципових причин (основні - небезпека розвитку сторонньої мікрофлори та закисання бражки, зниження виходу спирту) поки що не знайшли широкого впровадження у виробництво.

При періодичному способі всі операції від початку до кінця проводять у одному апараті. Виробничі дріжджі вносять у бродильний апарат, який потім поступово заповнюють суслом. Кількість виробничих дріжджів становить 8-10% від об'єму сусла, яке зброджують.

Тривалість наповнення одного бродильного апарата не повинна перевищувати 8 год. Нормальна тривалість бродіння 72 год., а завдяки використанню сучасних способів попередньої підготовки сусла вона може бути скорочена до 60-62 год. Температура бродіння залежить від штаму використаних дріжджів і може підтримуватись в межах 28-35^о С.

Бродіння вважають, закінченим, коли вміст незброджених цукрів (головним чином, редукуючих речовин) у бражці досягає 0,2-0,3 г/100 см³, а видимий вміст сухих речовин не змінюється протягом останніх 2-3 год. Відсутність йодкрохмальної реакції зрілої бражки свідчить про повне оцукрювання розчиненого крохмалю.

Технологічні показники зрілої бражки характеризують не тільки роботу дріжджебродильного відділення, але і всіх попередніх технологічних операцій. Тому, помилки в технології, допущені на попередніх ділянках виробництва, виявляються в показниках зрілої бражки. Найбільш важливі з них міцність бражки 9-14% об., вміст сухих речовин 3,0-10,0 г/100 см³, нерозчиненого крохмалю 0,05-0,10 г/100 см³, біомаси дріжджів 18-22 г/дм³, наростання кислотності - не більше 0,2^о.

Для зменшення втрат спирту під час бродіння бродильні апарати з'єднуються із спиртовловлювачем, в який на зустріч газам бродіння надходить вода, яка розчинає в собі наявний спирт. Водно-спиртова рідина міцністю 0,5-5,0% об. залежно від типу спиртовловлювача в подальшому об'єднується із зрілою бражкою.

Виділення спирту із бражки та його ректифікація

На перегонку і ректифікацію спирту подається зріла бражка, яка складається з води (82-90% мас.), сухих речовин (4-10% мас.) та етилового спирту із супутніми леткими домішками (6-10% мас. або 9-14% об). У бражці міститься також 1,0-1,5 г/дм³ діоксиду вуглецю, її кислотність 0,5°, рН 4,5-5,2.

Сухі речовини бражки містять як дріжджі і дробину, так і розчинні у водно-спиртовій суміші органічні та неорганічні речовини (декстрини, незброджені цукри, білки, кислоти, мінеральні речовини та ін.). Найбільший загальний вміст сухих речовин у мелясній бражці - 8-10%, у зерновій - 5-7, у картопляній - 3-4%.

Леткі домішки спирту характеризуються великою різноманітністю (70 видів) і становлять 0,6% від кількості етилового спирту. Вони поділяються на чотири групи: спирти, альдегіди, кислоти та естери. Окремо виділена група азотистих (аміак, аміни, амінокислоти) та сірковмісних речовин (сірководень, сульфокислоти та ін.).

Склад і вміст летких домішок залежать від виду та якості сировини, прийнятих технологічних режимів його переробки. Домішки частково переходять із сировини, води, допоміжних матеріалів, частково утворюються в процесі приготування сусла, однак більша їх частина з'являється в процесі бродіння.

Більше всього домішок (0,35-0,45% до кількості етилового спирту) припадає на частку спиртів - метилового, пропілового, ізобутилового, ізоамілового. Останні три спирти складають основу сивушного масла (звичайно 0,3-0,45% до кількості етилового спирту в бражці). Метиловий спирт міститься у зерно-картопляній і мелясній бражці - не більше 0,2% до кількості етилового спирту.

З альдегідів у спирті найбільше оцтового. У мелясній бражці альдегідів багато (біля 0,05% до кількості етилового спирту), що в 10-50 разів більше, ніж у зерно-картопляній бражці. Вміст альдегідів у бражці різко зростає при посиленному аеруванні сусла в процесі дріжджегенерування.

Виділення спирту із бражки та його очищення відбувається внаслідок перегонки й ректифікації. Під перегонкою розуміють розділення суміші летких речовин, що мають різну температуру кипіння, на окремі компоненти або фракції шляхом часткового випаровування та наступної конденсації пари. В процесі перегонки пара збагачується легколеткими компонентами (ЛЛК), а рідина збагачується важколеткими компонентами (ВЛК). Ректифікація - складна багаторазова перегонка в протиточному потоці рідини і пари. В результаті тепломасообміну між компонентами на контактних пристроях (тарілках) пара, що піднімається вгору по ректифікаційній колоні, збагачується спиртом, а рідина, що опускається донизу, збіднюється.

Теорія перегонки й ректифікації спирту базується на законах П.Д. Коновалова, М.С. Вревського і результатів теоретичних і прикладних досліджень В.М. Стабнікова, П.С. Циганкова, П.Л. Шияна, І.Ф. Малежика, В.О. Аністратенка та ін.

Леткість окремих компонентів бінарної суміші характеризують коефіцієнтом випаровування К=У/Х - відношенням концентрації даної речовини у паровій фазі Y до концентрації її у рідкій фазі X при умові, що розглянуті фази бінарної суміші находяться у рівноважному стані.

Летка частина бражки складається в основному з води і етанолу, тому в процесі виділення спирту бражку розглядають як бінарну суміш етанолу і води. У верхній частині рис. 5.2 лінія 1 зображає залежність рівноважного складу пари Y від складу рідини X при температурі кипіння й атмосферному тиску для суміші етанол-вода. Ця лінія визначає значення коефіцієнтів випаровування етилового спирту К_ес = У/Х із водно-спиртової суміші. При малих концентраціях спирту в суміші значення К_ес максимальні (біля 13), при великих - мінімальні (біля 1).

Залежність рівноважного складу парової фази від складу рідини визначається законом Д.П.Коновалова, який стверджує, що пара, яка знаходиться у рівновазі з розчином, завжди містить у надлишку той компонент, додавання якого до розчину знижує температуру кипіння, інакше кажучи, пара збагачується тим компонентом, додавання якого до рідини підвищує загальний тиск пари над нею.

Для системи етиловий спирт-вода додавання спирту до рідкої фази спричиняє у системі зниження температури кипіння до самої точки А₁ (рис. 5.2). У точці А₁ лінія фазової рівноваги пересікає діагональ, отже, в цій точці склад парової та рідкої фаз буде однаковий. Ця точка одержала назву азеотропної точки, або точки нероздільного кипіння. Для неї У=Х, або К_е.с. = К_в = 1 (К_в - коефіцієнт випаровування води). При атмосферному тиску нероздільно кипляча суміш системи етанол-вода містить 97,20 об.% (95,57% мас.) етанолу при температурі кипіння 78,15° С; при тому ж тиску температура кипіння етанолу дорівнює 78,3° С, а води - 100^о С.

Рисунок 5.2. Залежність рівноважного складу пари У,%, температури кипіння t,°С, і пружності пари Р, Па, від складу рідкої бінарної суміші етанол-вода X,%: 1 - при атмосферному тиску, 2 - при тиску, нижчому від атмосферного, 3 - при тиску, вищому від атмосферного

Відповідно до закону М.С. Вревського при підвищенні тиску розчини з низькою концентрацією спирту, приблизно 30-40% мас., утворюють пари з більшим вмістом спирту, а розчини з високою концентрацією спирту - пари з меншим вмістом спирту, що наочно показано у верхній частині рис. 5.2 пунктирною лінією. З рисунка також видно, що зі зміною тиску зсувається і положення азеотропної точки. Так, при тиску 9,33 кПа (температура кипіння 27^оС) нероздільнокипляча точка зміщується праворуч аж до X = 100%, тобто при такому тиску пара завжди буде мати більшу концентрацію спирту, ніж вихідна рідина.

Аналізуючи положення кривої фазової рівноваги, легко встановити, що при атмосферному тиску пара над рідиною буде збагачуватись етанолом тільки до азеотропної точки. Отже, шляхом ректифікації (багаторазового випаровування і конденсації) при атмосферному тиску можна досягнути максимальної концентрації етанолу - 97,20 об.%.

Якщо ж потрібно одержати етанол більш високої концентрації, необхідно зменшити тиск, тоді азеотропна точка зсунеться праворуч. Цим прийомом іноді користуються у практиці одержання абсолютного спирту. При наявності сухих речовин у водно-спиртових розчинах збільшується концентрація спирту у парі порівняно з концентрацією його в парі над чистим водно-спиртових розчином. Однак це збільшення невелике, і в практичних розрахунках процесу ректифікації при виділенні спирту з бражки його звичайно не враховують.

Під час очистки спирту від супутніх летких домішок доводиться піддавати розділенню багатокомпонентну суміш.

Для оцінки леткості домішок у порівнянні з леткістю етилового спирту введено поняття "коефіцієнт ректифікації " домішок.

(5.1)

де К_д = в /б - коефіцієнт випаровування домішок;

б і в - вміст домішок у рідини та парі;

К_с - коефіцієнт випаровування етанолу;

X і У - вміст етанолу в рідині та парі.

Коефіцієнт ректифікації показує, на скільки збільшується або зменшується вміст у парі домішки по відношенню до етанолу.

Коефіцієнти випаровування і ректифікації домішок залежать від концентрації етанолу у водному розчині, з якого виділяють домішки. Через те, що в спирті-сирці (не очищеному від супутніх домішок) вміст домішок невеликий (звичайно в сумі не більше 0,6% від кількості етанолу), допускають, що леткість окремих домішок не залежить від наявності у розчині інших домішок.

Усі відомі домішки за леткістю можна згрупувати в чотири види: головні, хвостові, проміжні та кінцеві.

До головних домішок належать ті, які мають більшу леткість, тобто більший коефіцієнт випаровування, ніж етиловий спирт, при всіх концентраціях його у розчині. Для них завжди К' > 1.

Спирто-водяна суміш у даному випадку виступає у ролі ВЛК. Основні представники головних домішок - оцтовий і масляний альдегіди, акролеїн, мурашиноетиловий, оцтовометиловий, оцтовоетиловий, діетиловий естери та ін.

Леткість хвостових домішок завжди менша леткості спирту (К' < 1), тому хвостові домішки у суміші із спирто-водяною рідиною можуть розглядатися як ВЛК. Вони будуть виходити в залишок. Типовими хвостовими домішками є, наприклад, оцтова кислота і фурфурол.

Проміжні домішки мають подвійні властивості. При високих концентраціях етанолу вони мають характер хвостових домішок (К?< 1), а при низьких, навпаки, - характер головних домішок (К' > 1). При визначеній концентрації етанолу у водно-спиртових розчинах леткість проміжних домішок дорівнює леткості етанолу (К'=1).

Основні представники проміжних домішок - ізоаміловий, ізобутиловий, пропіловий спирти, ізовалеріаноізоаміловий, оцтовоізоаміловий, ізовалеріановий естери.

Для кінцевих домішок, як і для проміжних, характерна леткість у локальних умовах, однак на противагу їм кінцеві домішки мають коефіцієнт ректифікації К' > 1 при високих концентраціях спирту і К' < 1 при низьких концентраціях. Характерна кінцева домішка - метанол.

Таким чином, ректифікація - процес розділення рідких летких сумішей на компоненти або групи компонентів (фракції) шляхом багаторазового двобічного масо- і теплообміну між протитечійно рухомими паровим та рідинним потоками. Необхідна умова ректифікації - різна леткість (пружність пари) окремих компонентів.

В спиртовій промисловості України ректифікований спирт одержують виключно з бражки, що вважається економічно більш доцільним. Одержання ректифікованого спирту безпосередньо з бражки здійснюється на безперервно діючих брагоректифікаційні установки (БРУ), на яких можна виділити спирт з бражки й звільнити його від супутніх летких домішок.

Брагоректифікаційні установки, що призначені для виробництва ректифікованого етилового спирту з бражки, поділяються на три основні групи: установки непрямої дії, прямої та напівпрямої дії. Основою цих установок являються три основні ректифікаційні колони: бражна, епюраційна та спиртова (рис. 5.3).

Бражна колона застосовується для виділення із бражки спирту, тобто відокремлення леткої частини бражки від нелеткої.

Незалежно від виду колони, апарат має вертикальний корпус циліндричної форми з сферичною кришкою та днищем. Корпус може бути виготовлений зварним або з окремих царг, якщо тиск в апараті не перевищує 1,6 Мпа. У спиртовому виробництві найчастіше використовують колони в царговому виконанні. Діаметр колони складає 400-4000 мм. Всередині корпусу змонтовані тарілки. Висота колони залежить від кількості тарілок і відстані між ними. При перегонці рідини, що не піниться, мінімальна відстань рекомендується в межах 170-200 мм. З ростом діаметру колони відстань між тарілками збільшується.

Бражна колона має 18-22 одноковпачкових тарілок, вони придатні для перегонки бражки і інших рідин, що містять суспендовані тверді частинки. В брагоректифікаційних установок великою потужністю (3000 дал/доб і більше) монтують частіше сітчасті тарілки. Вона являє собою перфорований металевий диск з отворами діаметром 2-12 мм, які розміщуються на площині тарілки по вершинах рівнобічних трикутників. Тарілки укріплюються горизонтально в колоні. Сітчасті тарілки мають більший вільний переріз (площинна отворів), ніж ковпачкові, тому продуктивність їх по парі на 30-40% перевищує ковпачкові.

Останнім часом практикують - решітчасті провального типу. Ці конструкції прості, у них більша пропускна спроможність по рідині, ніж в сітчастих, але вони мають вузький діапазон стабільної роботи.

Після конденсації водно-спиртових парів в бражному підігрівачу і конденсаторі отримують бражний дистилят або спирт-сирець міцністю 35-55% об. з усіма леткими домішками спирту, що знаходилися в зрілій бражці. Із нижньої частини колони виводиться вільний від спирту залишок - барда з вмістом сухих речовин 3-10%. в якій містяться усі сухі речовини бражки й залишкова частина води. Вміст спирту - не більше 0,015% об.

Рис. 5.3 - Брагоректифікаційна установка для отримання ректифікованого спирту підвищеної якості

Колони: 1- бражна; 2 - епюраційна; 3 - спиртова; 4 - кінцевої очистки; 5 - концентрування домішок; 6,7 - бражний підігрівач; 8 - водяна секція бражного підігрівача; 9,10,11,12,19 - конденсатори; 13,14,15,16 - дефлегматори; 17 - збірник води; 18 - конденсатор сивушного спирту

Призначення епюраційної колони полягає в тому, щоб із суміші спирту достатньо повно виділити головні домішки і, по можливості, верхніх проміжних і кінцевих домішок та сконцентрувати їх й вивести з колони.

Епюраційна колона має бути оснащена верхнім і нижнім вакуум-переривачами, термометром у кубовій частині колони, термометром на виході холодної води з дефлегматора епюраційної колони, краном для відбору проби епюрату, а також обов'язково конденсатор, дефлегматор, холодильник для охолодження спирту етилового головної фракції та інших продуктів (найчастіше змійовикові і кожухотрубні холодильники); оглядові ліхтарі, насоси, опис яких був зазначений вище. В епюраційній колоні не залежно від продуктивності звичайно розміщують 39-41 багатоковпачкових або клапанних тарілок з міжтарілковою відстанню 170 мм. Живлення вводиться на 20-у, 27-у або 36-у тарілку, рахуючи знизу.

Після конденсації парів із конденсатора виводиться спирт етиловий головна фракція міцністю не менше 92% об. з підвищеним вмістом кислот до 1 г/дм³, естерів до 30 г/дм³, альдегідів 10-35 г/дм³, метанолу - 0,05-6%.

Із нижньої частини, як живлення для спиртової колони, виходить епюрат міцністю 35-45% об., звільнений від головних домішок.

Ректифікаційна колона (спиртова) призначена для видалення із епюрату спирту, сконцентрувати його, звільнити від хвостових, проміжних і залишку головних домішок.

Спиртова колона має бути оснащена дефлегматорам і конденсатором, в яких проходить конденсація всього парового потоку. Також пробним холодильником, термометрами в кубі колони, в зоні відбору сивушної фракції (8-ма тарілка, рахуючи знизу), на тарілці вводу живлення (16-та тарілка, рахуючи знизу), термометр для визначення температури води, що виходить з дефлегматора спиртової колони, верхнім і нижнім вакуум-переривачами, оглядовими ліхтарями та насосами.

На відміну від інших колон ректифікаційна колона має відокремлювач для сивушного масла. Сивушне масло відбирають із спиртової колони разом з водою та етиловим спиртом з 5-11 тарілок (нижні проміжні домішки), рахуючи знизу і вигляді сивушного спирту з 18-23 тарілок (верхні проміжні домішки). Для відокремлення сивушного масла і його промивки використовують масловідокремлювач, який представляє собою циліндричну мідну посудину. Сивушна рідина надходить із холодильника через штуцер в ліхтар, а із нього по трубі надходить в масловідокремлювач. Вода надходить в трубу, по якій стікає сивушна рідина, змішується з нею і утворює емульсію. В масловідокремлювачі відбувається розшарування емульсії. Легке масло спливає вгору і відводиться по трубі. Нижній водно-спиртовий шар через сифон відводиться в колону.

В спиртовій колоні повинно бути 71-74 багатоковпачкові або клапальні тарілки. Введення живлення передбачено на 16-у тарілку знизу колони.

Для збільшення виходу спирту, поліпшення його якості, забезпечення стабільного режиму ректифікації, ректифікаційні установки можуть бути оснащенні додатковими колонами: сивушною, розгінною, остаточної очистки.

5.4 Особливості технології спирту із меляси

Особливості технології виробництва спирту із меляси обумовлені принциповими відмінами у складі сировини. В мелясі на відміну від зерна знаходяться прості вуглеводи - глюкоза, фруктоза, сахароза, рафіноза, кестоза та ін., що безпосередньо зброджується дріжджами. Тому відпадає необхідність у стадії гідроферментативної обробки меляси.

При переробці у спирт меляси підготовка її зводиться до гомогенізації (усереднення складу), підкислювання, антисептування, внесення поживних речовин для дріжджів і розведення водою. Мелясу, яка сильно інфікована мікроорганізмами, піддають тепловій стерилізації, а при виробництві спиртових дріжджів як хлібопекарських ще і очищують від завислих домішок.

Залежно від способу переробки меляси - одно- чи двопотокового готують мелясне сусло однієї чи двох концентрацій сухих речовин відповідно 22% чи 12 і 32% відповідно.

Однопотоковий спосіб використовують на заводах, які виробляють одночасно спирт і хлібопекарські дріжджі. Після зважування всю мелясу підкислюють, антисептують і збагачують поживними речовинами для дріжджів у спеціальному змішувачі, розводять водою до концентрації сухих речовин 35-40%, очищують від завислих домішок у кларифікаторі і, нарешті, розводять до концентрації 22%. Підкислення меляси і мелясних розсиропок соляною або сірчаною кислотами проводять не тільки з метою антисептування, а також для створення оптимального для життєдіяльності дріжджів рН середовища. Кислотність меляси в цьому випадку досягається 1,8-2,2^о, а суслі після розбавлення його водою вона буде в межах 0,4-0,5^о, що відповідає рН 4,8-5,2. Підкислену мелясу витримують протягом 8-24 год. Так само готують дріжджове сусло при двопотоковій схемі.

Використовують також антимікробні препарати некислотного походження, які повинні мати високу бактерицидну дію, не впливати негативно на життєдіяльність дріжджів і якість спирту, не бути токсичними для тварин. Нормативні витрати антимікробних препаратів (кг на 1000 дал спирту для кожного окремо): хлорного вапна - 11,0, 40% формаліну - 5,0, сульфоналу - 2,13. При одержанні хлібопекарських дріжджів виділенням їх з мелясно-спиртової бражки норма витрат хлорного вапна може бути збільшена до 20-25 кг. Хлорне вапно використовують у вигляді водного розчину. Застосовують також сучасні антисептики Полідез, Фріконт, Комаран та ін.

Так як меляса не містить достатньої кількості речовин, необхідних для живлення дріжджів, передбачається її джерелами азотного і фосфорного живлення (карбамід, ортофосфорна кислота і т.п.).

Так само готується дріжджове сусло при двохпотоковій схемі, яка передбачає поділ меляси на дві частини: на одній (12% СР) вирощують виробничі дріжджі, другу частину без підготовки розбавляють водою до 32-34% СР і це основне сусло змішують в головному апараті з дріжджами. Двохпотокова схема дозволяє використовувати для розведення виробничих дріжджів мелясу кращої якості, зниженням концентрації сусла (12% СР проти 24%) створювати більш сприятливі умови для розмножування дріжджів, в результаті відбувається більш повне зброджування цукрів, в зрілій бражці накопичується на 25-30% менше гліцерину, менше вищих спиртів, альдегідів та тощо. В наслідок цього, підвищується вихід спирту на 1,5 дал з 1 т умовного крохмалю. Але стійкість при зберіганні в дріжджів, одержаних при двохпотоковій схемі нижча.

УкрНИИСПом, спільно з Лужанським експериментальним заводом, розроблений вдосконалений спосіб двохпотокового зброджування, при вирощуванні виробничих дріжджів на 8% СР суслі та введенні основного сусла концентрацією 43-45% СР в перші три бродильних апарата. Це дозволяє вести бродіння більш інтенсивно, менше зброджувати сухі речовини меляси, менше накопичувати вторинних та побічних продуктів, але ускладнюється апаратурне рішення, регулювати процес складніше.

Зброджування мелясного сусла з рециркуляцією дріжджів дозволяє зменшити витрати сухих речовин на біосинтез дріжджів та відповідно збільшити вихід спирту, але збільшується ризик інфікування батареї.

Зброджування меляси двома культурами дріжджів дозволяє повністю зброджувати рафінозу, що збільшує вихід спирту. Використання гібриду Г-112 дає можливість одержати хлібопекарські дріжджі з високою мальтазною активністю, а дріжджі раси В в якості підсівної культури доброджують цукрові речовини меляси. Цей метод потребує встановлення двох ліній АЧК та дріжджегенераторів.

Використання високоосмофільних рас дріжджів дозволяє зброджувати мелясне сусло підвищеної концентрації. Технологічний процес заснований на двохпотоковому способі зброджування. На приготування сусла для дріжджів витрачається 45-50% всієї кількості перероблюваної меляси, так як співвідношення дріжджового та основного сусла становить 3:1. Сусло готують концентрацією 12% СР з рН 4,1-4,2. Це забезпечить в головному бродильному апараті рН 4,8-5,0. Накопичення біомаси дріжджів в дріжджегенераторах ведуть до 22-24 г/дм³. Бродіння проводиться по двохпоковому способу з частковим внесенням меляси в перші бродильні апарати. Зброджування здійснюється в безперервно-діючий бродильній батареї з восьми-десяти закритих циліндро-конічних апаратів, з'єднаних переточними трубами поперемінно, по дотичній, що забезпечує додаткове перемішування бражки за рахунок енергії струменя. Основне перемішування здійснюється діоксидом вуглецю через барботери. Таке перемішування у порівнянні з механічним дозволяє стримувати розмноження сторонньої мікрофлори, так як діоксид вуглецю, як і етиловий спирт, являються інгібіторами для багатьох мікроорганізмів.

Чиста культура дріжджів розмножується на стерильному мелясному суслі в апаратах чистої культури об'ємом 0,5-1, 3-5, 10-15 м³. Із останнього найбільшого апарата чистої культури її подають в дріжджегенератори 40-80 м³. У дріжджегенераторах дріжджі вирощують при температурі 28-30° С і постійному притоку свіжого сусла та його аерації. Видима концентрація сухих речовин у виробничих дріжджах підтримується в межах 16-17% при однопотоковому способі і 7-10% при двохпотоковому, концентрація спирту 3-2,5 об.%, дріжджів - 100-120 млн. клітин/см³ і кислотність повинна бути 0,4-0,7^о. Апарати чистої культури і дріжджегенератори оснащені комунікаціями для подачі мелясного сусла, повітря, води і пари.

Отримана зріла бражка міцністю 9-14,5% об. і вмістом незбродженого цукру 0,25-0,4 г/100 см³ та дріжджів 25-40 г/дм³, в яку додають водно-спиртову рідину із спиртовловлювачів, направляється на перегонку в БРУ.

5.5 Особливості технології біоетанолу

В останні роки промисловість України відчуває гострий дефіцит органічної сировини, до якої належить і спирт етиловий технічний. Будучи одним з найбільших виробників етилового спирту в Східній Європі Україна для технічних потреб виробляє його лише 4-5% від загальної потужності спиртових заводів, в той час як в індустріально розвинутих державах на технічні потреби, в т.ч. і на виробництво паливного етанолу, витрачається 80-95% всієї кількості етанолу, що виробляється.

Законом України „Про внесення змін до деяких законів України щодо стимулювання виробництва бензинів моторних сумішевих” передбачено поступове нарощування потужностей по виробництву біоетанолу з обов'язковим додаванням його до моторних палив.

На виконання Указу Президента України „Про заходи щодо розвитку виробництва палива з біологічної сировини” були розроблені енерго- та ресурсозберігаючі технології виробництва біоетанолу, які дозволяють на 30-40% зменшити питомі енерговитрати.

Технічний етанол виробляється різними галузями промисловості - гідролізною, сульфітно-гідролізною, хімічною та харчовою.

Україна, як індустріальна держава, потребує великої кількості технічного спирту, який використовується в хімічній, біохімічній, целюлозно-паперовій, текстильній, легкій, металургійній, машино- та приладобудівельній, автотранспортній, оборонній та місцевій промисловості. Загалом, близько 160 виробництв використовують технічний спирт як первинну сировину. Крім того, технічний етанол може бути використаний як моторне паливо - і в чистому виді, і у вигляді добавки до бензину.

В усіх перерахованих вище випадках більш економічно використовувати технічний спирт, а не високоочищений харчовий. Це пов'язано з тим, що сировиною для технічного спирту може бути більш дешеве дефектне зерно, меляса, технічні культури - топінамбур, сорго, тапіока тощо, а також побічні спиртовмісні відходи брагоректифікації та інших виробництв. Значно знижує собівартість технічного спирту те, що в багатьох випадках до нього не висувається жорстких вимог щодо вмісту органічних домішок і води.

Виробничі потужності спиртової галузі України майже в 3 рази перевищують потреби лікеро-горілчаних підприємств. Незважаючи на це для технічних потреб Україна імпортує значну кількість спиртовмісної продукції. В наш час технічний спирт використовується мікробіологічною промисловістю, підприємствами органічного синтезу і багатьма галузями промисловості як розчинник.

У зв'язку з підвищенням цін на нафтопродукти і нафту і виснаженням паливних родовищ технічний етиловий спирт використовується як паливо для двигунів внутрішнього згоряння. Він може бути використаний як добавка до бензину в кількості 10-20%. В цьому випадку технічні сорти спирту етилового отримали загальну назву біоетанол.

Добавка етанолу в бензин поліпшує його якість, тобто забезпечує підвищення октанового числа палива, що дає можливість відмовитись від уведення до бензину екологічно шкідливих антидетонаційних присадок (наприклад на основі тетраетилсвинцю). Встановлено, що кожні 3% добавки етанолу до суміші забезпечують підвищення октанового числа на одиницю. Суміш етанолу з бензином знижує токсичність відпрацьованих газів і витрату пального.