Влияние крахмалистости сырья и схемы переработки на выход спирта на РУП "Климовичский ЛВЗ" Костюковичском спиртзаводе

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Факультет: Агрономический

Специальность: Производство, хранение и переработка продукции растениеводства

Кафедра: Хранения и переработки продукции растениеводства

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

ТЕМА: «ВЛИЯНИЕ КРАХМАЛИСТОСТИ СЫРЬЯ И СХЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ НА ВЫХОД СПИРТА НА РУП «КЛИМОВИЧСКИЙ ЛВЗ» КОСТЮКОВИЧСКОМ СПИРТЗАВОДЕ»

Зав. кафедрой Волков М.М.

Научный руководитель Винникова Н. В./

Консультанты

По экономической части Тищенко Т. Н./

По охране труда Разинкевич С. Н./

Дипломник Титова М. В.

ГОРКИ 2010 г



РЕФЕРАТ

Объектом исследования являются зерно озимой ржи и схемы переработки.

Цель исследований - определение влияния крахмалистости зернового сырья и схемы переработки на выход спирта.

Исследования проводились на Костюковичском спиртзаводе в 2008-2009 годах. Была проанализирована технологическая схема производства спирта из зернового сырья на данном предприятии, объемы поставок зерна и его качество, изучалась эффективность производства спирта, в зависимости от содержания крахмала в сырье и схемы переработки.

Выход спирта напрямую зависит от содержания крахмала в тех или иных сортах ржи. Причем, при непрерывной схеме выход спирта больше, чем при полунепрерывной и периодической. По результатам испытаний, можно сделать вывод, что наибольший выход спирта был получен при непрерывной схеме разваривания и из сорта ржи с наивысшей крахмалистостью - ЗуброЎка. Следовательно, данный сорт и схему разваривания можно рекомендовать для применения на предприятиях спиртзавода Республики Беларусь.

Производительность завода значительно увеличилась, благодаря модернизации предприятия, снизились затраты энергоресурсов, а следовательно и себестоимость продукции, что влечет за собой увеличение рентабельности предприятия. Так, при отпускной цене 1 дал спирта 36230 рублей рентабельность производства составляет 52,1%. Производственная себестоимость 1 дал спирта на предприятии - 23817 рублей.



ВВЕДЕНИЕ

Спиртовая промышленность является одним из важнейших звеньев перерабатывающей промышленности. Перед спиртовыми предприятиями стоит первоочередная задача по приемке зернового сырья и получению высококачественного продукта - спирта [17].

Технологией спирта называется наука о методах и процессах переработки различных видов сырья в спирт. Основные процессы технологии - превращение крахмала в сахар и сахара в этиловый спирт - происходит под действием биологических катализаторов (ферментов), поэтому она по существу является биохимической. Так как сахар сбраживается в спирт дрожжами, ее относят также к технологии микробных продуктов. Наряду с этим, технология спирта неразрывно связана с осуществлением механических, тепловых и физико-химических процессов.

Этиловый спирт является одним из продуктов, который используется в пищевой промышленности. Спирт широко применяется в народно-хозяйственном производстве. Пищевая промышленность - его главный потребитель. Он широко используется при изготовлении ликеро-водочных изделий, плодово-ягодных вин, для крепления виноматериалов и купажирования виноградных вин, в производстве уксуса, пищевых ароматизаторов и парфюмерно-косметических изделий. В медицинской промышленности - для получения лекарственных средств [1].

В процессе выделения и очистки спирта получают побочные продукты: барду, лютерную воду, сивушное масло и сивушный спирт, эфироальдегидный концентрат.

Барду используют на корм животных в натуральном или высушенном состоянии. Зерновая барда содержит 7-8% сухих веществ. Эфироальдегидный концентрат используется для производства кормовых дрожжей. Из него получают уксусный альдегид, этилоацетатный растворитель. Сивушное масло используется как сырье для получения высших спиртов, которые применяются в органическом синтезе, при изготовлении душистых веществ. Сивушный спирт может использоваться для технических целей. Лютерная вода имеет кислую реакцию, и при сбрасывании ее в канализацию, необходима очистка. Она может использоваться для приготовления зерновых замесов. Углекислота применяется в пищевой промышленности при производстве напитков; на технические цели [32].

Таким образом, спиртовая промышленность тесно связана, с одной стороны, со многими отраслями народного хозяйства, для которых спирт служит сырьем, с другой - с сельским хозяйством, от которого получает растительное сырье и поставляет ему белковые витаминизированные корма. Она является единственной отраслью промышленности, способной превращать дефектное (порченое) зерно в доброкачественные продукты.

В Беларуси для производства спирта ежегодно используется около 300 тысяч тонн зерна. В 2008 году спиртзаводами было заготовлено 290 тысяч тонн, из них 85% составила озимая рожь, 12% - тритикале, 3% - фуражная пшеница, ячмень [28].

В Республике Беларусь ежегодно производится 1,3-1,7 млн. т зерна ржи, что составляет 30 % валового сбора и до 40% - в государственных заготовках зерна. Оно используется главным образом на продовольствие, для получения спирта и на фуражные цели в виде компонента комбикормов. Зерно озимой ржи, помимо продовольственного и кормового значения, представляет большую ценность как техническое сырье для крахмального и спиртового производства.

Весьма перспективным считается использование озимой ржи. Она имеет ряд существенных преимуществ как с позиции экономических затрат, так и с позиции требований к почвенно-климатическим условиям и агротехнике [6]. Рожь возделывается в Беларуси повсеместно, характеризуется высокими стабильными урожаями и неприхотливостью к природно-климатическим условиям. Ценность этой культуры заключается также в ее высокой продуктивности, полноценности продовольственных свойств зерна. Эта культура способна хорошо расти и формировать стабильные по годам урожаи и на легких почвах, оправдывать затраты на технологию ее возделывания [28].

В связи со сложившимися условиями возделывания зерновых культур, а именно, ухудшением погодных условий, травмированности во время уборки, ухудшается и качество получаемого зерна. Вследствие этого, изначально запланируемые объемы зерна на продовольственные цели, зачастую идут на технические цели. Основное техническое направление использования зерна - получение спирта.

Чтобы спирт удовлетворял всем качественным показателям, нужно для этого и соответствующее сырье. Перспективнее использовать зерно с высоким процентом крахмалистости. Известно, что выход спирта, во многом определяется от содержания крахмала в сырье. Следовательно, изучение влияния крахмалистости на выход спирта, является актуальной проблемой в настоящее время.



1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Характеристика сырья и вспомогательных материалов для производства спирта

Зерно - важнейший продукт сельского хозяйства. Оно служит основным источником питания человека, кормовой базой продуктивного животноводства и сырьем для технического производства.

На спирт перерабатывают любое зерно, в том числе и непригодное для пищевых и кормовых целей. Ежегодный объем переработки составляет(%): пшеницы 50, ячменя 20, ржи 12, кукурузы 8, овса 2. Для приготовления солода употребляют кондиционное высококачественное зерно[3].

В среднем зерно злаковых культур содержит 86% сухих веществ. Содержание крахмала в здоровых зрелых зернах злаковых культур составляет в среднем, %: у пшеницы - 48-57, ржи - 46-53, ячменя - 43-55, кукурузы - 58-71. В дефектном зерне количество крахмала снижается [9].

По химическому составу все зерновые культуры делят на три группы. К первой группе относится зерно, богатое крахмалом. Эта группа представлена хлебными (пшеница, рожь, ячмень, овес) и ложными (кукуруза, рис, просо и семейство гречишных) злаками. Во вторую группу входят культуры, богатые белком. К этой группе относится семейство бобовых. Третья группа объединяет масличные культуры, семена которых богаты жиром. Для производства спирта используются зерновые культуры, относящиеся к первой группе [22].

Химический состав зерна сильно зависит от культуры и сорта, почвенно-климатических условий, приемов агротехники, условий хранения и других факторов. В среднем зерно состоит из влаги (14%) и сухих веществ (86%).

В зерне и семенах всегда присутствует какое-то количество воды. В зерне содержание воды меньше, чем в клубнях картофеля, что придает зерну более прочную структуру. Влажность зерна зависит не только от его гигроскопических свойств, но и от зрелости и других условий [26].

Различают четыре состояния товарного зерна: сухое, средней сухости, влажное и сырое. Например, для ржи, пшеницы и ячменя эти состояния характеризуются следующими показателями содержания влаги (%) : сухое до 14, средней сухости от 14 до 15,5, влажное от 15,5 до 17 и сырое более17. В дефектном и подмоченном зерне влажность может достигать 30 % и выше.

В зерне в среднем 84% органических и 2% минеральных веществ, в том числе (%): крахмала 52, сахара 3, клетчатки 6, пентозанов и пектиновых веществ 9, азотистых веществ 11, жира 3 [13].

Сахара в здоровом зерне обычно от 0,6 до 7,0%. Он состоит в основном из сахарозы и небольших количеств три- и тетрасахаридов. В недозрелом, морозобойном и проросшем зерне сахара больше, Он состоит из редуцирующих сахаров.

Целлюлозы в зерне, свободном от цветочных пленок, немного - 1,5-2,5%. В зерне с неотделенными пленками содержание целлюлозы повышается.

Общее количество пентозанов в зерне 7-15%. Пентозаны - доминирующая составная часть слизей. Особенно много слизей в зерне ржи, что вызывает высокую вязкость разваренной массы, полученной из нее.

Азотистые вещества в здоровом зрелом зерне составляют главным образом белки. В зерне найдены альбумины - белки, растворимые в воде; глобулины - белки, растворимые в слабых (3-10%-ных) растворах нейтральных солей, а некоторые из них - в слабых (0,2%-ных) растворах кислот; проламины - белки, растворимые в 60-80%-ных растворах спиртов; глютелины - растворимые в слабых (0,2%-ных) растворах щелочей.

Жиры - триглицериды жирных кислот. Приблизительно 85% жира находится в зародыше, 12% - в алейроновом слое и 3% - в мучнистой части эндосперма.

Витамины зерна представлены жирорастворимыми витаминами - токоферолами и водорастворимыми - рибофлавин, никотиновая кислота, пиридоксин, биотин.

Минеральные вещества и кислоты составляют 1,5-3,0% от массы зерна. Они находятся в оболочках и цветочных пленках, в зародыше.

Кислоты зерна представлены фосфорной, щавелевой, яблочной и молочной. Общая кислотность зерна 1,5-2,5мл 1н. раствора гидроксида натрия на 100 г зерна [9].

Пшеница. В Республике Беларусь возделывают в основном два вида пшениц - мягкие и твердые. По срокам посева она может быть яровой и озимой.

У мягкой пшеницы зерно округлое, с хорошо заметной бородкой, с ярко выраженной глубокой бороздкой, проходящей вдоль зерновки. Цвет зерна мягкой краснозерной пшеницы красновато-коричневый, у белозерной - светло-желтый. Мягкую пшеницу по технологическим достоинствам делят на три группы - сильную, среднюю и слабую. Сильной называется пшеница определенных сортов, имеющая зерно с высоким содержанием белка (не менее 14%), со стекловидностью не ниже 60%. Слабой называется доброкачественная пшеница, отличающаяся малым содержанием белка (менее 11%), стекловидность - менее 40%. Средняя пшеница - наиболее распространенная пшеница, по своим свойствам занимает промежуточное положение между сильной и слабой [3, 26].

Твердая пшеница значительно отличается от мягкой: она гораздо лучше противостоит осыпанию, меньше полегает под действием ветров и дождей. Зерно твердой пшеницы более крупное, чем у мягкой, бородка развита слабо. Цвет зерновки желтый, стекловидность высокая (до 90-100%). Наиболее распространены яровые формы пшеницы.

Из всех злаковых культур пшеница отличается наиболее высоким содержанием белка (9,2-16,8%). Крахмала пшеница содержит 48-57%, крахмал труднее извлекается, чем из зерна ржи. Клейстеризуется при более высоких температурах - 65?С. Содержание белка в яровой пшенице выше, а доля крахмала ниже, чем в озимой [6].

Рожь. Рожь является второй по значению зерновой культурой после пшеницы. Это в основном озимая культура, обладает ценными качествами: нетребовательна к почвенно-климатическим условиям, отличается высокой урожайностью и зимостойкостью. Крахмал ржи отличается более низкой температурой клейстерезации, поэтому крахмал ржи легче гидролизуется. Узкое и длинное зерно ржи отличается меньшей массой и большей удельной поверхностью, чем зерно пшеницы, поэтому доля оболочек, алейронового слоя, зародыша у него больше, а доля эндосперма меньше. Цвет зерна ржи чаще серо-зеленый, эндосперм мучнистый, реже стекловидный, общая стекловидность 30-40%. По сравнению с пшеницей, содержит меньше белка (в среднем 9-14,0%). В зерне ржи содержится в 2 раза больше сахаров, чем у пшеницы. Содержание крахмала - 46-54%. Крахмал клейстеризуется при сравнительно низкой температуре и легко осахаривается [28].

Ячмень. Ячмень может быть озимым и яровым, однако в основном выращивают яровые сорта, отличающиеся коротким вегетационным периодом. Зерно ячменя пленчатое, на долю пленок приходится 9-14% массы зерна. Под цветочными пленками находятся тонкие плодовые и семенные оболочки. Алейроновый слой состоит из 2-3 рядов крупных толстостенных клеток, что значительно повышает прочность зерна. Эндосперм зерна ячменя может быть мучнистым, полустекловидным и стекловидным. По содержанию белка (7-15%) и сахаров ячмень занимает промежуточное положение между пшеницей и рожью. Ячмень содержит 43-55% крахмала [9].

Овес. Овес отличается скороспелостью. Его зерно узкое и длинное, пленчатое, белого или желтого цвета, имеет опушение, покрывающее всю его поверхность. Цветочные пленки толстые. В состав овса входят клетчатка, пентозаны и минеральные вещества, содержание которых составляет 25-43% массы зерна. Эндосперм овса белого цвета, мучнистый, содержит много клетчатки. Очень мелкие крахмальные зерна овса соединены в более крупные образования. Содержание крахмала в зерне невелико (25-40%). Овес отличается высоким содержанием минеральных веществ, в основном соединений фосфора и жира (до 10%) [6].

Тритикале. Зерно этой культуры объединяет в себе достоинства пшеницы и ржи - высокую продуктивность, повышенное содержание белка, стойкость к низким температурам. По содержанию белка зерно тритикале превосходит не только зерно ржи, но и зерно пшеницы (16-18%). Содержание крахмала - 48-53% [7].

На все злаковые культуры утверждены соответствующие стандарты. На пшеницу установлен один ГОСТ 9353 «Пшеница. Технические условия», на рожь и ячмень - несколько стандартов в зависимости от требований, предъявляемых к зерну в соответствии с его назначением, на тритикале - ТУ РБ 00959441.155-94. Стандарт содержит правила приемки, транспортирования, хранения зерна и методы определения его качества.

При оценке качества зерна определяют органолептические (цвет, запах и вкус) и физико-химические (влажность, засоренность, количество испорченных и поврежденных зерен, стекловидность, натура, количество и качество клейковины) показатели [19, 27].

Для приготовления спирта используют высококачественные ячмень, рожь, овес, пшеницу, тритикале, которые должны удовлетворять требованиям, согласно ГОСТам. Цвет ячменя светло-желтый, допускается потемневший; овса - белый или желтый; ржи и тритикале - желтый и зеленый, разных оттенков; пшеницы - коричневый, с красным оттенком. Запах должен быть свойственный зерну, не допускается затхлый, солодовый, плесенный и другие посторонние запахи [12].

Зерно, идущее на разваривание, должно быть здоровое, в негреющемся состоянии, обладать высокой крахмалистостью (46-57%), влажностью (14-17%) взависимости от культуры. Натура зерна - от 420 до 700 г/л. Сорная примесь - не более 2,0%, в том числе минеральной примеси должно быть не более 0,2% Зерновая примесь - не более 3,0%. Содержание мелких зерен для ячменя - не более 5,0%, для ржи, овса и пшеницы этот показатель не нормируется. Зараженность вредителями хлебных запасов не допускается, кроме зараженности клещом, не выше первой ступени [3].

Вода - является средой, необходимой для разваривания и замачивания зерна. К воде для технологических целей предъявляют те же требования, что и к питьевой воде. Жесткость ее не должна превышать 7 мг экв/л. С большей жесткостью вода не желательна. При чрезмерно высокой временной жесткости воды, употребляемой для замачивания солодового зерна, задерживается его прорастание, а также снижается активность солодового молока. Используемая вода должна отвечать гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Она должна быть прозрачной, бесцветной, не иметь запаха и постороннего привкуса, а кроме того, мягкой, с малым содержанием солей магния и кальция [20].

К вспомогательным материалам относятся источники дополнительного питания для дрожжей, биостимуляторы, ферментные препараты, кислоты для подкисления сусла, моющие и антимикробные средства, пеногасители.

С целью создания оптимальных условий для питания дрожжей в сусло добавляют фитофосфорную кислоту, сульфат аммония, карбамид, диаммоний фосфат.

Биостимуляторы (гиббереллин) в спиртовой промышленности применяют для ускорения проращивания зерна и повышения ферментативной активности солода.

Ферментные препараты - применяют для осахаривания крахмала разваренного сырья. Для этого используют такие ферменты, как Глюканол ГКс-60, Аминол АКС-50, Аминол АКс-70, Аминол АКс-100, Амилосубтилин ГЗх, Глюкавамарин ГЗх, Глюкавамарин Г18х.

Данные ферментные препараты поставляют в виде порощков или сиропов. Препараты хорошо растворимы в воде, легко дозируются, имеют высоую степень микробиологической чистоты. Оптимальное действие при рН=4,0-5,2; температуре 30-70?С. Цвет препаратов: от светло-бежевого до коричневого. Амилосубтилин ГЗх применяют в качестве разжижающего препарата. Ферментные препараты Глюкавамарин ГЗх и Глюкавамарин Г18х предназначены для осахаривания частично расщепленных полимерных молекул крахмала и задают их на стадии осахаривания. Глюканол ГКс-60 используют как источник глюкоамилазы. Аминол АКс-60 применяют в качестве источника грибной амилазы, а Аминол АКс-70 - в качестве бактериальной амилазы. Каждый ферментный препарат разводят питьевой водой. Расход ферментов, необходимых для гидролиза рассчитывают согласно норме расхода ферментных препаратов в дм3 на одну тонну условного крахмала.

Серная кислота - используется для подкисления сусла, также для этой цели используют и соляную кислоту.

Формалин и антиформин - применяют как антимикробные средства.

Моющие и антимикробные средства используются для мойки оборудования и подавления микрофлоры.

Пеногасители применяются для гашения пены. К ним относятся, главным образом, жиры, масла и продукты их гидролитического расщепления [21].

1.2 Технологический процесс производства спирта

Подготовка сырья к переработке. Спирт получают из крахмалистого сырья - ячмень, рожь, тритикале, пшеница, кукуруза, овес. Подготовка сырья заключается в очистке зерна от примесей, измельчении сырья и разбавлении измельченной массы водой до заданного содержания сухих веществ. Чем выше степень измельчения сырья, тем оно быстрее разваривается при более мягком режиме. Все виды зерна, поступающего в производство, сначала очищают от посторонних примесей (пыли, земли, камней), в том числе сорных, на воздушно-ситовом сепараторе, а затем от металлических примесей на магнитном сепараторе. После очистки зерно измельчают. Степень измельчения контролируют ситовым анализом. При переработке зернового сырья по непрерывной схеме для снижения температуры и длительности разваривания, использовать тонкий или сверхтонкий помол. В первом случае помол через сито с размером отверстий 1 мм должен быть не менее 85-95%. Температура разваривания при этом понижается на 5-6?С, а продолжительность варки уменьшается на 15-20 минут. В связи с тем, что специальных машин для тонкого измельчения зерна в промышленности фактически нет, зерно пропускают через две последовательно установленные измельчающие машины (молотковые, вальцовые). Между машинами устанавливают рассев для отбора фракций с размером частиц более 1 мм. Именно эти фракции и направляют на повторное измельчение [8].

В настоящее время получило распространение сверхтонкое измельчение сырья, позволяющее получать высокодисперсные помолы, содержащие 80-95% частиц размером менее 250 мкм. Сырье измельчают с помощью специальных установок, оборудованных измельчающей машиной-дезинтегратором и сепарирующим устройством. В основе использования данного способа лежат механические превращения полимеров сырья. Этот процесс сложный, многостадийный, и начинается он с механического деформирования сырья. Крахмал при данном способе измельчения превращается в сбраживаемые сахара (30-50% от исходного крахмала). Такие помолы содержат большое количество легко усвояемых дрожжами питательных веществ. Разваривание сырья, приготовленного из высокодисперсных помолов, проводят при пониженных температурах (95-110?С), что обусловливает уменьшение потерь крахмала [1].

Измельченное зерно поступает в смеситель, в котором смешивают измельченную массу с водой. На 1 кг зерна добавляют 2,5-3,5 л воды. После перемешивания и подогрева зерновой замес направляют в аппараты для разваривания.

Разваривание крахмалосодержащего сырья. Основная цель водно-тепловой обработки - подготовка к осахариванию крахмала амилатическими ферментами солода или микробных препаратов. В процессе разваривания подваренный замес смешивается с паром в контактных устройствах и выдерживается в непрерывном потоке при определенной температуре.[6]

Основная цель разваривания - разрушение клеточной структуры и растворение крахмала сырья. В растворимом состоянии крахмал легко осахаривается ферментами. Зерно разваривают паром при избыточном давлении. При тепловой обработке происходят сложные структурно-механические, физико-химические и химические изменения сырья. При нагревании с водой белки набухают и денатурируют, крахмал клейстеризуется и переходит в коллоидный раствор. Набухание и клейстеризация обусловлены поглощением воды высокополимерными соединениями. Клейстеризация крахмала зерна начинается при температуре 55-60?С и сопровождается вязкостью среды. С постепенным нарастанием температуры клейстеризованный крахмал разжижается и вязкость среды резко уменьшается. При выходе разваренной массы из варочного аппарата вследствие перепада давления от избыточного к атмосферному клеточная структура сырья разрушается, и оно превращается в однородную массу [12].

Наибольшее распространение получило непрерывное разваривание. Оно характеризуется стабильностью, процесс поддается оптимизации и автоматизации, отличается высокой удельной производительностью оборудования. Выход спирта из 1 т крахмала сырья увеличивается на 0,7-1,2 дал по сравнению с выходом при полунепрерывном методе разваривания. Уменьшаются расход пара и потери крахмала.

В качестве непрерывного разваривания применяют 2 типовые схемы: разваривание сырья при пониженной температуре (130-140?С) и продолжительной выдержкой (50-60 мин); при повышенной температуре (165-172?С) и прохождении массы через варочный аппарат за 2-4 мин.

Непрерывное разваривание сырья при пониженной температуре. Зерно, очищенное на сепараторах, элеватором подается в приемный бункер, оттуда поступает в молотковые дробилки. Дробленое зерно направляется в смеситель и смешивается с водой температурой 40-50?С.

Далее зерно подогревают до 80-85?С вторичным паром, поступающим из сепаратора. Хорошо разжиженный замес легко перекачивается насосом в контактную головку вторичного пара. Масса подогревается до температуры 80-85?С в течение 15 мин и поступает в промежуточный сборник, а затем в контактную головку. Замес подогревают до температуры 132-134?С острым паром.

Нагретая масса из контактной головки поступает в трубчатый разварник, обеспечивающий полную конденсацию пара, где выдерживается в течении 1-1,5 мин. Для окончательного доваривания массу направляют на охлаждение и последующее осахаривание [21].

Периодическое разваривание сырья. Разваривание осуществляется следующим образом: очищенное и взвешенное зерно поступает в предразварник. Перед этим в него из бака набирают необходимое количество горячей воды. Зерно подогревают 30-45 мин. Для подогревания используют пар, поступающий из выдерживателя по трубопроводу.

Сырье, подогретое до 50-90?С, самотеком перегружается в разварники, где оно разваривается острым паром под давлением.

Для равномерного и быстрого разваривания массу в разварнике систематически перемешивают циркуляцией, путем сброса из него некоторого количества пара в выдерживатель.

К концу разваривания, когда отобранная из разварника проба имеет цвет, приближающийся к цвету готовой массы, ее выдувают из разварника в выдерживатель, где она доваривается в течение 40-45 мин при температуре 102-106?С. Скорость выдувания массы из разварников должна быть такой, чтобы давление пара в выдерживателе не превышало 0,05 МПа и вторичный пар полностью использовался в предразварниках или на подогрев воды.

Готовая масса, выходящая из выдерживателя, должна быть темно-желтого цвета со светло-коричневым оттенком и не должна содержать несваренных частиц или целых зерен. Не допускается перевара массы, при которым она приобретает более темный цвет и специфический запах меланоидов [33].

Охлаждение разваренной массы. Разваренная масса поступает в паросепаратор-выдерживатель, откуда через конденсатор после охлаждения до температуры 58-60?С благодаря создания вакуума направляется в осахариватель.

Осахаривание заключается в обработке охлажденной разваренной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидролиза полисахаридов, белков и других веществ.

Осахаривание разваренной массы осуществляют непрерывным способом и лишь на некоторых заводах малой мощности - периодическим.

Любой процесс осахаривания складывается из следующих операций:

- охлаждение разваренной массы до определенной температуры, которая после смешивания массы с солодовым молоком понизится до заданной для осахаривания;

- смешивание разваренной массы с солодовым молоком (микробной культурой);

- осахаривание крахмала;

- охлаждение сусла до температуры «складки» - начальной температуры брожения сусла;

- перекачивание сусла в бродильное отделение и дрожжевое отделение завода.

Осахаривание разваренной массы непрерывным способом осуществляется при определенных условиях: температуре, кислотности среды, концентрации субстрата и осахаривающего материала. В ходе осахаривания около 67% крахмала превращается в мальтозу и 33% - в декстрины, которые при брожении доосахариваются ферментами среды в сбраживаемые сахара. Осахаренную массу называют суслом.

При осахаривании в одну ступень разваренная масса непрерывно поступает в осахариватель, где охлаждается до 57-58?С в течение не менее 10 мин. Одновременно с охлаждением в аппарат задают 16-18% солодового молока от объема разваренной массы. Осахаренная масса непрерывно отводится из осахаривателя через теплообменник, в котором охлаждается до 20-24?С, в бродильное отделение [12].

Двухступенчатое осахаривание от одноступенчатого отличается тем, что процесс ведут последовательно в двух аппаратах с различным количеством солодового молока и при разных температурах.

В.Л. Яровенко предложил для непрерывно-проточного способа брожения проводить двухступенчатое осахаривание. Сущность его заключается в том, что разваренную массу делят на два потока, в одном из них в осахаривателе гидролизуется 2/3 всего количества солодового молока, в другом - 1/3. Сусло из первого осахаривателя направляется в первый головной бак бродильной батареи, из второго - во второй головной бак батареи [33].

Периодическое осахаривание ведут в следующем порядке. В заторный аппарат набирают 5% общего количества солодового молока и столько холодной воды, чтобы покрылись лопасти мешалки. Затем при работающей мешалке быстро выдувают массу из разварников. Когда температура выдуваемой массы достигнет 75-80?С, пускают в змеевики воду, продолжая выдувание и охлаждение. По окончании выдувания массу охлаждают до 62-63?С, добавляют остальное количество молока, перемешивают 5 мин и в течение 15-20 мин осахаривают массу без перемешивания.

Сусло охлаждают до 30?С, пропуская через змеевики воду и сливают в бродильный бак. Концентрация сусла, как и при непрерывном, должна находиться в пределах 16-18% по сахариметру [20].

Сбраживание массы. В качестве возбудителей спиртового брожения используют культурные дрожжи из семейства сахаромицетов. Такие дрожжи должны обладать высокой бродильной активностью, иметь и сохранять анаэробный тип обмена, обладать стойкостью к продуктам обмена, посторонним микроорганизмам и к изменениям основного питательного субстрата [11].

Дрожжи должны быть устойчивыми к изменению состава среды, переносить большую концентрацию солей и сухих веществ, содержащихся в сусле [7].

В начале производственного сезона дрожжи получают из чистой культуры. Далее их культивируют по методу естественно-чистой культуры, при котором подбором температуры и кислотности среды создают условия, благоприятные для размножения дрожжей и неблагоприятные для жизнедеятельности бактерий. Дрожжи размножают в дрожжевых аппаратах, оборудованных мешалкой и змеевиком, на сусле концентрацией 17-18 мас. %. Сусло вначале пастеризуют при 70?С в течение 20 мин, а затем охлаждают и подкисляют. В сусло задают 10% засевных дрожжей. Для размножения дрожжей экономически выгодно использовать часть бродящей массы, взятой из бродильного аппарата взятой из бродильного аппарата через 16-18 часов после начала брожения.

Количество примесей в зрелой бражке, и, следовательно количество спирта, в значительной степени зависит от условий сбраживания (температуры, степени аэрации, кислотности, концентрации сусла). Для получения спирта с высокими аналитическими и дегустационными показателями рекомендуется следующий режим сбраживания: температура30-31?С, расход воздуха на дрожжегенерирование (аэрацию) 4,0 м3/м3?час, кислотность сусла 0,7? при концентрации 22-24% сухих веществ.

Для сокращения накопления примесей спирта заслуживает внимания опыт сбраживания по двухпоточной схеме с дробным внесением мелассной рассиропки [14].

Широкий способ распространения получил метод непрерывно-поточного брожения, предложенный В. Л. Яровенко. Процесс протекает в двух дрожжевых аппаратах, взбраживателе и батарее бродильных аппаратов, соединенных между собой переточными трубами. Применение этого метода позволяет увеличить пропускную способность бродильного отделения на20%, автоматизировать процесс и увеличить выход спирта на 0,3 дал из 1 т условного крахмала [33].

Извлечение спирта из бражки и его очистка. Зрелая бражка - полупродукт спиртового производства. Для получения 1 м3 спирта требуется около 12 м3 бражки.

Бражка - сложная многокомпонентная система, состоящая из трех фаз: жидкой, газообразной и твердой. Жидкая фаза представлена водой (82-90 мас.%) и этиловым спиртом 4,8-8,8 мас % (или 6-11 об. %) с легколетучими примесями [14].

Твердая фаза бражки представлена нерастворимыми частицами исходного сырья - шелухой и дробиной.

Газообразная фаза бражки представлена диоксидом углерода, который образуется при сбраживании сахаров.

Извлечение этилового спирта из бражки и его очистка осуществляется ректификацией. Ректификация - процесс разделения бинарной или многокомпонентной жидкой смеси на фракции, различающиеся между собой летучестью.

Получение ректификованного спирта непосредственно из бражки осуществляется на непрерывно-действующих брагоректификационных установках. Этот способ считается экономически более целесообразным.

Перегонка жидкостей основана на их летучести или способности переходить при нагревании в парообразное состояние, причем выделившиеся пары при охлаждении вновь сгущаются в жидкость, которая может быть собрана в особом приемнике [5].

В лабораторной практике для разделения летучих компонентов смеси прибегают к сложной повторной или дробной перегонке. Сущность ее заключается в том, что из жидкости отбирают ту часть фракции, которая наиболее богата нужным компонентом, и, подвергая ее новой перегонке, отбирают опять фракцию, наиболее им обогащенную. Остаток от второй перегонки соединяют с остатками первой фракции и подвергают их новой отгонке, обогащенные нужным веществом фракции соединяют вместе. Такую последовательную разгонку ведут до тех пор, пока перегоняемая жидкость по своим компонентам не покажет, что она представляет собой, безусловно, химически чистый продукт с присущей ему температурой кипения [25].

Существует несколько схем брагоректификационных аппаратов. Общим для большинства предложенных схем является эпюрация бражки, позволяющая более полно извлечь примеси, а также более экономно расходовать тепло и воду. Схемой предусматривается предварительная эпюрация бражки в брагоректификационной колонне [11].

В колонне концентрирования примесей осуществляется повторная эпюрация спиртовой фракции. Спиртоводный конденсат подвергается очистке в дополнительной колонне. Пониженная температура кипения бражки(65?С) позволяет избежать разложения различных нестойких соединений, а также уменьшить образование сложных эфиров из спирта во время дистилляции и получить дистиллят с содержанием эфиров, альдегидов и кислот в 5-8 раз меньше, чем при обычной перегонке, что облегчает дальнейшую переработку такого дистиллята и повышает качество готового продукта [32].

Аппаратурно-технологическая схема для получения спирта: бражка, подогретая до 85-92?С в бражном подогревателе направляется в сепаратор для удаления диоксида углерода и далее на верхнюю тарелку бражной колонны. В колонку снизу поступает пар. Пары, обогащенные спиртом, идут через пеноловушку в подогреватель, отдают свою теплоту бражке и поступают в конденсатор бражной колоны для конденсации. Бражный конденсат крепостью 45-55% поступает на питательную тарелку эпюрационной колонны, направляются как отходы на корм скоту.

Пары, обогащенные головными примесями, поступают в дефлегматор эпюрационной колонны для укрепления, а затем в конденсатор. Крепость этой фракции равна 95 об.%. В нижней части колонны поддерживают температуру 90?С. Из этой зоны отводят жидкий продукт - эппюрат, крепостью 40-45об. %.

Снизу в спиртовую колонну поступает греющий пар. Спиртовые пары направляются в верхнюю часть колонны. Обедненная спиртом жидкость стекает вниз в виде лютерной воды, содержащей примеси этилового спирта, выводится из колонны при закрытом ее обогреве из расчета в среднем 20 л на 1 дал спирта [21].

Иногда с целью увеличения выхода ректификованного спирта уменьшают отбор головной фракции. Это возможно при переработке доброкачественной мелассы, наличии достаточной поверхности охлаждения в дефлегматоре эпюрационной колонны и соответствующего числа тарелок в ее концентрационной части, а также при работе аппарата без перегрузок.

Брагоректификационная установка косвенно-прямоточного действия: бражка температурой 30?С, поступившая из бродильного отделения, подогревается в подогревателе до 70-75?С. Далее она направляется сначала в сепаратор для удаления углекислого газа, а затем поступает на верхнюю тарелку эпюрирующей части бражной колонны. Водно-спиртовые пары проходят через подогреватель бражки и конденсатор бражной колонны. Эпюрированная бражка стекает вниз по тарелкам верхней части колонны и поступает на верхнюю тарелку бражной колонны, обогреваемой паром. Водно-спиртовой пар частично поступает в брагоэпюрационную часть для эпюрации бражки; другая его часть - для обогрева эпюрационной колонны. По технологическому режиму брагоректификационная установка косвенно-прямоточного действия не отличается от установок косвенного действия [5].

Длительное время в производстве этилового спирта использовали многоступенчатые колонные аппараты барботажного типа с колпачковыми, клапанными, решетчатыми тарелками.

Однако поскольку барботажные аппараты обладают низкой допустимой скоростью пара, это ведет к снижению их эффективности.

Важное значение приобретает применение нового типа прямоточно-вихревых аппаратов, пропускная способность которых выше, чем у аппаратов всех прочих типов. Контактные устройства этих аппаратов представляют собой цилиндрические патрубки, оснащенные завихрителем потока пара. Поток пара, поступающий в контактные устройства, приобретает вращательно-поступательное движение. Жидкость подается в центральную зону контактных устройств и дробится на капли вихревым потоком пара. Под действием центробежной, силы капли жидкости перемещаются к периферии контактных устройств и оседают на стенке, образуя пленку, которая на выходе отделяется от потока пара.

Сочетание прямоточного движения фаз в зоне контакта с центробежным отделением жидкости от потока пара позволяет исключить «захлебывание» прямоточно-вихревых аппаратов и проводить процесс при высоких скоростях пара, на порядок превышающих скорость в аппаратах барботажного типа [11, 33].

Цель процесса очистки спирта - освободить его от большинства сопутствующих примесей и получить спирт стандартной крепости. Очень важно наряду с очисткой спирта максимально сконцентрировать отбираемые примеси и максимально освободить их от этанола и воды.

Готовый продукт оценивается на качество. Определяется цвет, прозрачность, запах, чистота, наличие фурфурола, окисляемость, массовая концентрация альдегидов, сивушного масла, кислот, сложных эфиров, а также - объемная доля метилового спирта [20].

1.3 Характеристика схем брагоректификационной установки

В зависимости от способа включения бражной колонны в схему брагоректификационной установки различают установки прямого, непрямого (косвенного), косвенно-прямоточного действия, а также установки с дополнительными колоннами; установки, работающие под разряжением и установки с термокомпресссией [5].

Брагоректификационные установки косвенного действия. На спиртовых заводах в качестве типовых были приняты браго-ректификационные установки косвенного действия. Они обладают высокими эксплуатационными качествами: стабильны в работе, легки в управлении и регулировке, обеспечивают выработку спирта высокого качества; примеси, выделенные из спирта, выводятся в концентрированном виде.

Наибольшее распространение получили трехколонные установки. На ряде крупных заводов в качестве дополнительной (4-, 5- или 6-й) применяют колонну для выделения спирта из головной фракции -- разгонную колонну.

Бражная колонна имеет 21-28 одноколпачковых тарелок двойного кипячения, сетчатых, клапанных или чешуйчатых с межтарелочным расстоянием 280--550 мм.

По устройству и принципу действия эпюрационная и спиртовая колонны ничем не отличаются от установок для ректификации спирта-сырца непрерывного действия.

Колонны обогреваются открытым или закрытым паром. К каждой колонне подключены теплообменники для конденсации пара, выходящего из колонн. Бражка насосом через обратный клапан подается в подогреватель, где нагревается до температуры 70-85°С, а затем в сепараторе освобождается от выделившегося углекислого газа и других неконденсирующихся газов, после чего вводится в бражную колонну.

Вместе с неконденсирующимися газами уносится некоторое количество спирта. Для его улавливания предусмотрена установка конденсатора. Конденсат направляется в верхнюю часть эпюрационной колонны. Выходящий из бражной колонны спиртоводный пар проходит ловушку для улавливания пены и брызг. В некоторых конструкциях ее делают встроенной внутрь колонны, что является целесообразным [2, 33].

Конденсация спиртоводного пара бражной колонны частично (приблизительно на 50 %) осуществляется в подогревателе бражки. Остальная часть пара за счет отдачи теплоты воде конденсируется в основном в дополнительном конденсаторе. Конденсат спиртоводного пара -- бражной дистиллят направляется на питание эпюрационной колонны.

В эпюрационной колонне спирт освобождается от головных и частично концевых примесей. Колонна оснащена дефлегматором и конденсатором, из которого через фонарь отводится головная фракция. В эпюрационной колонне устанавливают 39- 41 многоколпачковых тарелок с межтарелочным расстоянием 170 мм.

Освобожденный от головных и частично концевых примесей бражной дистиллят -- эппюрат, поступает на питание спиртовой колонны. Спиртовая колонна оснащена дефлегматором, конденсатором и испарителем. Колонна имеет 71--74 многоколпачковых тарелок с межтарелочным расстоянием 170 мм

Ректификованный спирт может отбираться с 4--14-й тарелок, считая сверху спиртовой колонны, проходит холодильник и направляется в спиртоприемное отделение, предварительно пройдя фонарь и спиртоизмерительный аппарат для учета спирта. Через ротаметр из конденсатора отбирается непастеризованный спирт.

Промежуточные примеси выводятся из спиртовой колонны в виде двух продуктов: сивушной фракции, отбираемой в виде пара с 5-, 7-, 9- и 11-й тарелок, считая снизу колонны, и сивушного спирта.

Сивушная фракция после конденсации и охлаждения в холодильнике направляется в промывную батарею, а затем в экстрактор, где за счет водной экстракции освобождается от этанола. Освобожденная от этанола сивушная фракция -- сивушное масло выводится как товарный побочный продукт. Промывная (подсивушная) вода из экстрактора сбрасывается на 12-- 14-ю тарелку (считая снизу) спиртовой колонны.

Сивушный спирт выводится с 17-, 20- и 25-й тарелок в жидком или парообразном состоянии. При выводе в жидком состоянии он охлаждается и выводится как товарный продукт (крепкий сивушный технический спирт) либо направляется в бражку или в бражную колонну. Более целесообразно сивушный спирт отбирать в паровой фазе, конденсировать в одном из конденсаторов бражной или эпюрационной колонны, откуда он будет поступать в верхнюю часть эпюрационной колонны.

Лютерная вода из спиртовой колонны выводится через гидравлический затвор в сборник, откуда насосом выкачивается в сборник. Из сборника часть лютерной воды подается на промывку сивушного масла, а остальная сбрасывается в канализацию. При наличии в лютерной воде спирта она направляется в бражную колонну.

Каждая колонна снабжена верхним и нижним вакуум-прерывателями (гидроманометрами), регуляторами подачи пара и воды. Устанавливаются также регуляторы подачи бражки и отвода ректификованного спирта. Для установки термометров предусмотрены гильзы: на линии подачи нагретой бражки перед вводом в колонну, над верхней тарелкой и в кубе каждой колонны, а также на 8-й тарелке и на тарелке питания (16-й) спиртовой колонны. Имеются термометры и для измерения температуры воды, отходящей из основного конденсатора бражной колонны, дефлегматоров эпюрационной и спиртовой колонн.

Для непрерывного контроля за работой установок на линии подачи бражки и отбора головной фракции, непастеризованного, сивушного и ректификованного спирта, а также сивушной фракции, устанавливают расходомерные устройства.

Подогреватель бражки, дефлегматоры, конденсаторы, а зачастую и холодильники выполняются в виде кожухотрубных теплообменников [2].

Брагоректификационные установки прямого действия. Особенностью установок прямого действия является двукратное использование всей теплоты греющего пара, поступающего в бражную колонну.

Бражная колонна имеет 16 одноколпачковых тарелок двойного кипячения с межтарелочным расстоянием 280-400 мм.

Эпюрационная колонна в отгонной части имеет 20-25 также одноколпачковых тарелок двойного кипячения, в концентрационной -15 многоколпачковых тарелок с межтарелочным расстоянием 170 мм. Между отгонной и концентрационной частью должно быть сепарационное пространство не менее 0,5-0,8 м.

Спиртовая колонна имеет только концентрационную часть с 55-58 многоколпачковыми тарелками.

Подогретая в дефлегматоре и теплообменнике бражка вводится в среднюю часть эпюрационной колонны, где подвергается эпюрации за счет пара, поступающего из бражной колонны.

Выделенные из бражки головные примеси концентрируются в верхней части эпюрационной колонны и выводятся через конденсатор в виде головной фракции.

Особенностью спиртовой колонны является питание ее спиртоводным паром, выходящим из бражной колонны. Эпюрированная бражка из эпюрационной колонны и флегма из спиртовой колонны поступают в верхнюю часть бражной колонны и после освобождения от спирта выходят из установки одним потоком (смесь барды и лютерной воды).

Греющий пар для всей установки вводится только в одну точку - в нижнюю часть бражной колонны. Эпюрационная и спиртовая колонны обогреваются спиртоводным паром, выходящим из бражной колонны. Чтобы исключить попадание частиц бражки в спиртовую колонну, на линии подачи пара между верхом бражной колонны и спиртовой колонной устанавливается пеноловушка. Значительная часть теплоты из дефлегматора спиртовой колонны отводится за счет бражки, остальное количество теплоты отводится водой.

В дефлегматорах бражка обычно нагревается всего до 60-65 °С. С целью уменьшения расхода пара на установку бражку перед вводом в эпюрационную колонну догревают до 80-85°С за счет теплоты барды в теплообменнике.

Сивушное масло в установке прямого действия концентрируется в двух зонах: в нижней части спиртовой колонны (на 2-...4-й тарелках, считая снизу) и на нижних тарелках (на 2- и 3-й, считая снизу) концентрационной части эпюрационной колонны. Отсюда оно выводится через холодильник в виде сивушной фракции и направляется в экстрактор сивушного масла.

Колонны снабжаются верхними и нижними вакуум-прерывателями, регуляторами подачи пара и воды. Бражная колонна снабжается гидрозатвором для отвода барды и пробным холодильником.

В установках прямого действия двукратное использование всей теплоты греющего пара дает возможность значительно (на 35-40 %) сократить удельный расход греющего пара и охлаждающей воды на брагоректификацию по сравнению с установками косвенного действия[2, 33].

Брагоректификациониыс установки с дополнительными колоннами. Любая брагоректификационная установка может быть оснащена дополнительными колоннами: разгонной, окончательной очистки, сивушной.

Безводная часть головной фракции, отбираемой из конденсатора эпюрационной колонны, содержит 92--97 % этилового спирта и только 3--8 % головных примесей. Отбор головной фракции обычно составляет при переработке крахмалистого сырья 2--3 %, мелассы -- 3-4 %,а на мелассных заводах, вырабатывающих наряду со спиртом пекарские дрожжи, отбор головной фракции доходит до 6 % от количества спирта, поступающего с бражкой (считая по безводному).

Установка разгонной колонны дает возможность выделить спирт из головной фракции, а головные примеси получить в концентрированном виде. Разгонная колонна обычно имеет 40--45 многоколпачковых тарелок с межтарелочным расстоянием 170 мм, снабжается дефлегматором и декантатором. Питание (головная фракция) подается на 24-ю тарелку, считая снизу, на верхнюю тарелку вводится горячая вода, а в нижнюю часть колонны -- греющий пар. При вводе воды на верхнюю тарелку колонны концентрация спирта на тарелках снижается, а летучесть головных примесей увеличивается, в результате чего из головной фракции потоком пара извлекаются головные примеси. Освобожденный от примесей спирт в составе кубовой жидкости выходит из нижней части колонны и направляется в цикл брагоректификации. Воду в разгонную колонну подают с температурой 90-95 °С в таком количестве, чтобы концентрация спирта в кубовой жидкости была около 8 % об. Расход пара составляет 20--25 кг на 1 дал спирта, введенного в разгонную колонну.

Головные примеси концентрируются в верхней части колонны. После конденсации выходящего из колонны пара получается, как правило, гетерогенная смесь, состоящая в основном из эфиров, альдегидов и воды. Она направляется в декантатор, где расслаивается. Состоящий в основном из эфиров и альдегидов верхний слой представляет собой концентрат головной фракции с малым содержанием спирта. Он выводится из установки как побочный продукт ректификации в количестве 0,1--0,2 % от общего выхода спирта. Нижний, содержащий некоторое количество головных примесей и спирта водный слой направляется как флегма на орошение колонны.

Установка разгонной колонны дает возможность увеличить выход ректификованного спирта с 95--96 до 98--99,7 % от количества спирта, введенного с бражкой [25].

Для повышения выхода ректификованного спирта, улучшения его качества и упрощения выделения сивушного масла в процессе ректификации разработана схема брагоректификационной установки, в которой предусматривается сброс в дополнительную разгонную колонну всех спиртсодержащих погонов, обогащенных примесями (погон из спиртоловушек, конденсаторов бражной, эпюрационной и спиртовой колонн, конденсатора, сепаратора углекислого газа, сивушная фракция и сивушный спирт) [23].

Введенные в разгонную колонну спиртсодержащие побочные примеси и полупродукты брагоректификации разделяются на два потока: верхний, в котором содержатся все головные и промежуточные примеси спирта, и нижний, содержащий спиртоводную смесь, свободную от головных и промежуточных примесей. Верхний продукт после конденсации в дефлегматоре поступает в декантатор, где расслаивается на сивушно-эфироальдегидный концентрат (СЭАК) и обогащенный водой нижний слой, который направляют на верхнюю тарелку разгонной колонны в виде флегмы. Процесс идет при подаче воды на верхнюю тарелку (гидроселекция). Хорошему расслаиванию фаз в декантаторе способствует то, что в верхнем слое практически отсутствует этиловый спирт. Выход СЭАК составляет около 0,4--0,5 % от объема, введенного в бражную колонну спирта.

Спиртоводная смесь, освобожденная от всех головных и промежуточных примесей, выводится из нижней части разгонной колонны и направляется в бражку или на верхнюю тарелку бражной колонны.

Рассмотренная схема брагоректификации дает возможность практически полностью извлечь этиловый спирт из побочных примесей и получать последние в концентрированном виде. При этом исключается узел промывки и выделения сивушного масла водной экстракцией, отпадает необходимость решать вопрос об использовании крепкого сивушного спирта, улучшается качество спирта за счет увеличения отбора обогащенных примесями спиртсодержащих пагонов. Все побочные примеси выводятся в виде одного продукта, что упрощает их хранение и транспортировку [11].

Назначение колонны окончательной очистки состоит в выделении из ректификованного спирта остатков головных и концевых примесей за счет повторной эпюрации концентрированного спирта. Это дает возможность улучшить дегустационные показатели спирта, увеличить время окисляемости, понизить содержание кислот, эфиров, альдегидов, метанола.