Использование побочных продуктов и отходов спиртового производства

Использование побочных продуктов и отходов спиртового производства

Введение

Побочными продуктами спиртового производства являются диоксид углерода, дрожжи-сахаромицеты, послеспиртовая барда. Утилизация и переработка этих продуктов позволяют при небольших затратах получить ценную для народного хозяйства продукцию.

Получение хлебопекарных дрожжей

Дрожжи, содержащиеся в зрелой мелассной бражке, выделяют и затем концентрируют путем 5- или 7. После IV ступени дрожжевая суспензия идет на сепараторы V ступени, в которые одновременно подается артезианская вода (третья промывка). Из V ступени сепарирования дрожжевая суспензия направляется в колонну, где осуществляется физиологическое дозревание дрожжей при продувке суспензии воздухом в течение 2 ч (расход воздуха 3--4,5 м³/(м³-ч). Суспензия последовательно проходит сепараторы VI и VII ступеней, куда для промывки дрожжей одновременно подается артезианская вода. Они используются в хлебопекарном производстве.

Для извлечения дрожжей (рис. 1) бражка из последнего бродильного чана через фильтры-ловушки (для удаления механических примесей) подается в сепараторы I ступени, из которых жидкая фаза (обездрожженная бражка) направляется в сборник, а из него насосом,-- в цех брагоректификации на перегонку. Дрожжевая, суспензия стекает в сборник, из которого насосом подаётся в сепаратор II ступени.

Обездрожженная барда после сепаратора II ступени направляется на перегонку, а дрожжевая суспензия подвергается первой промывке оттоком (жидкой фазой) от сепараторов IV ступени и направляется в сепараторы III ступени (четвертая и пятая промывки). Промывные воды из этих ступеней сепарирования идут в канализацию. После последней ступени сепарирования дрожжевая суспензия направляется в сборник готового концентрата, где охлаждается до 2--4 С, а затем насосом подается на фильтр.

Объем дрожжевой суспензии после I и II ступеней сепарирования составляет соответственно 25--30 и 10--15 % объема зрелой бражки. Количество дрожжевой биомассы в зрелой бражке составляет 15--18 г/л, после I ступени --50--60, после II --100--140 г/л. На последующих стадиях концентрация биомассы в дрожжевой суспензии возрастает, и после VI ступени составляет 300--400 г/л, а после VII -- 400--500 г/л. Общий расход воды на промывку дрожжей равен 70--100 % объема зрелой бражки, поступающей на I ступень сепарирования.

Пятиступенчатая схема сепарирования дрожжей отличается от семиступенчатой тем, что не проводятся четвертая и пятая промывки дрожжей свежей водой со сбросом промывных вод в канализацию.

Охлажденный дрожжевой концентрат из сборника насосом подается на рамные фильтр-прессы, в которых дрожжи, отделенные от избыточной влаги, остаются между салфетками. Для отделения дрожжей применяют также более совершенные автоматические камерные фильтр-прессы или вакуум-фильтры.

Отпрессованные дрожжи влажностью до 75 % и температурой 8--10°С подаются в расположенный ниже бункер, откуда направляются на формовочно-упаковочный автомат, где фасуются в виде брусков массой 50, 100, 500 и 2000 г.

Дрожжи, уложенные в ящики, хранят в холодильных камерах при температуре 0--4°С.

Нормативный выход хлебопекарных дрожжей, выделяемых из зрелой бражки, составляет 1800 кг на 1000 дал спирта. Списание сахара на выработку 1 т хлебопекарных дрожжей в этом случае составляет 200 кг. При получении более высокого выхода дрожжей на производство 1 т хлебопекарных дрожжей, полученных сверх выхода 1800 кг на 1000 дал спирта, дополнительно списывается 400 кг сахара.

Производство сухих кормовых дрожжей

Послеспиртовая барда спиртовых заводов, работающих на зерно-картофельном сырье, содержащая 5--8 % СВ, реализуется в основном на корм скоту. Барда, получаемая при переработке на спирт мелассы, несмотря на наличие в ней полезных компонентов (7-4р % СВ), из-за большого содержания минеральных веществ (3^) непосредственно на кормовые цели не используется.

Кормовые Достоинства зерно-картофельной барды повышаются при выращивании на ней дрожжей. Однако вследствие непродолжительного срока сохранности дрожжей дрожжевание барды на заводах не внедрено. Практическое применение на спиртовых заводах нашел способ выращивания на послеспиртовой барде сухих кормовых дрожжей (СКД). Содержание в дрожжах белка составляет 33--44 % (на сухое вещество), золы-- 10--14, влаги -- до 10 %. По внешнему виду СКД представляют собой порошок от светло-желтого до коричневого цвета. Выпускаются они также в гранулированом виде.

Производство СКД (рис. 7--2) включает подготовку барды, приготовление питательной среды, выращивание дрожжей, выращивание товарных дрожжей, выделение и термолиз дрожжей, сушку и фасовку.

Подготовка барды. Горячая барда из отделения, брагоректификации поступает в приемный сборник -- стерилизатор-выдерживатель непрерывного действия, в котором выдергивается при температуре 95--98 °С в течение 30--45 мин при непрерывном перемешивании (20--30 мин^-1). После этого барда поступает в теплообменник для охлаждения.

На заводах, работающих на мелассе, барда охлаждается до 20--25 °С холодной водой, на зерно-картофельном сырье -- до 70 °С фугатом отсепарированной бражки, после чего поступает на разделительное сито с отверстиями диаметром 1--1,2 мм, где от нее отделяется дробина в количестве около 20 % к весу барды. Дробина направляется в сборник вторичной барды, а фильтрат -- в сборник грубого фильтрата.

Приготовление питательной среды. Для получения высокого выхода кормовых дрожжей барду обогащают фосфором и азотом.

Питательная среда для выращивания кормовых дрожжей на зерно-картофельной барде готовится в сборнике грубого фильтрата, куда одновременно с грубым фильтратом задаются сульфат аммония из расчета 5 кг на 1 м³ грубого фильтрата барды (6,5 кг на 1 м³ зерно-картофельной барды) и ортофосфорная кислота из расчета 0,09 кг на 1 м³ зерно-картофельной барды. Сульфат аммония предварительно растворяют в воде (на 1 кг берется 5 л воды), раствор перемешивают в течение 0,5 ч и затем отстаивают в течение 3--4 ч. В качестве питательной добавки используется только жидкая фаза. Вместо сульфата аммония желательно применение карбамида (на 1 м³ фильтрата зерновой и картофельной барды соответственно 2,1 и 3 кг).

Питательную среду готовят за 3--4 ч до подачи на дрожже-генерирование. Перед поступлением в дрожжерастильный чан ее охлаждают до 35--37 °С с помощью теплообменника.

При выращивании дрожжей на мелассной барде в качестве питательных добавок используют карбамид и ортофосфорную кислоту. Предварительно карбамид растворяют в 5-кратном количестве теплой воды при перемешивании, после отстаивания в него добавляется разбавленная в соотношении 1; 5 ортофосфорная кислота. Раствор питательных солей готовится исходя из суточной потребности. После приготовления он выкачивается в мерник-дозатор, расположенный выше чана-смесителя.

При выращивании дрожжей на барде, содержащей сахаромицеты спиртового брожения, расход карбамида и ортофосфорной кислоты составляет 0,8 кг, а на барде, из которой сахаромицеты предварительно извлечены,-- 1 кг на 1 м³ барды.

Барда и раствор солей из мерника-дозатора непрерывно поступают в чан-смеситель, объем которого равен получасовой производительности цеха. Выращивание засевных дрожжей. В начале пуска производства и при необходимости смены дрожжей, особенно при выработке их на зерно-картофельной барде, дрожжи получаю в нужном объеме из чистой культуры (из пробирок) путем размножения в колбах, затем в аппаратах чистой культуры (АЧК> и дрожжегенераторах (табл.1).

На зерно-картофельных бардах выращивают чистые культуры дрожжеподобных грибов Candida tropicalis СК-4 или Candida arboreae, на мелассных -- Candida utilis Л-35, Torulopsis-pinus Л-30, Trichosporon cutaineum Л-52. Candida tropicalis и Candida arboreae могут применяться вместе. Их выращивание из чистой культуры ведут раздельно и смешивают только в дрожжерастильном чане. Candida utilis и Torulopsjs pinus на начальных стадиях, включая АЧК, выращивают раздельно. Они хорощо растут и совместно в дрожжерастильных чанах. Trichosporon cutaneum рекомендуется применять при двухстадийном выращивании дрожжей (на II стадии), размножение культуры на стадиях до дрожжерастильного чана ведут раздельно or других грибов.

Питательной средой для колб и АЧК-1 в условиях заводов, использующих мелассу, является подкисленное мелассное сусло с добавлением в него диаммонийфосфата (0,3 % по мелассе) или ортофосфорной кислоты (Р,2 %) и карбамида (0,1 %). Средой для АЧК-2, дрожжанок и дрожжегенераторов является барда.

В дрожжевых цехах спиртозаводов, работающих на зерно-картофельном сырье/размножение чистой культуры из пробирки в колбе 0,25 лив колбах 0,75 л ведут на стерильном заторном сусле. Среда в АЧК-1 содержит: грубый фильтрат 0,3 м³, сульфат аммония 1,2 кг, мелассу 6 кг или сахар 3 кг, или грубый фильтрат затора 10 л; в АЧК-2 -- грубый фильтрат 2,5-- 3 м³, сульфат аммония 12 кг, мелассу 30 кг или сахар 15 кг, или грубый фильтрат затора 100 л. Засевные дрожжи из АЧК-2 в дрожжерастильный чан вносят не реже 1 раза в сутки. Засев в АЧК-1 чистой культуры, полученной в лабораторных условиях,, производят через каждые 5--10 сут.

Выращивание товарных кормовых дрожжей. Процесс осуществляется в дрожжерастильных чанах в аэробных условиях непрерывно-поточным способом. Приток питательной среды в чан соответствует отбору дрожжевой бражки.

На мелассной барде дрожжи выращивают при концентрации среды 6,8--7,2 % СВ, при рН 4--4,5, температуре 32--35 °С и непрерывной эрлифтной аэрации с расходом воздуха 55-- 60 м³/(м³/ч). Время пребывания среды в аппарате 7 ч.

Для разбавления барды до концентрации 6,8--7,2 % СВ в нее добавляется лютерная вода. Подкисление барды осуществляют серной и соляной кислотами. Из цистерн для хранения кислоты 1 раз в смену насосом подаются в мерник, из которого самотеком поступают в аппараты чистой культуры, дрожжегенераторы, дрожжерастильные аппараты и чан-смеситель для подкислеиия барды до рН 4,0.

На зерно-картофельной барде выращивание дрожжей ведут при концентрации сухих веществ в грубом фильтрате 4--6 %, рН 43--5,5 в зимнее я 4,5--5,0 в летнее время, температуре 35-С, рН поддерживают с помощью серной кислоты, задаваемой непосредственно в чан из мерника. Расход воздуха составляет 55--60. Время выращивания 8 часов. Выделение и термолиз дрожжей. Дрожжевая бражка на выходе из дрожжерастильного чана представляет собой газожидткостную эмульсию, содержащую ²/з пены и 1/з жидкости. Дрожжевые клетки, флотированные на пузырьках газа (пене), при сепарировании уносятся с оттоком, что приводит к большим потерям. В связи с этим на выходе из дрожжерастильного чана разрушают (деэмульгируют) пену механическим путем, для чего устанавливают разделительные насосы, механические пеногасители и т. п.

Для разрушения пены пользуются также непрерывным добавлением к бражке в деэмуиьгаторе химических пеиогасителей: соапстока, олеиновой кислоты, фосфатидов, фузов, смешанных с 5--10-кратным количеством воды (табл. 7--2). При сильном пенении деэмульгатор задают в дрожжерастильный чан.

Дрожжи выделяют из бражки путем сепарирования. Для удаления сорных примесей из бражки и промывной воды перед сепараторами устанавливают ситчатый фильтр с отверстиями диаметром 0,25--0,3 мм.

Для выделения дрожжей, выращенных на мелассной барде, устанавливают три ступени сепараторов и в процессе сепарирования производят, две промывки дрожжей. На последней ступени суспензия сгущается до содержания дрожжей 450-- 500-г/л (10--15% СВ). Содержание сухих веществ в дрожжевом концентрате, полученном в цехах СКД спиртозаводов, использующих зерно-картофельное сырье в результате сепарирования, составляет 8--10 %.

Фугат отсепарированной дрожжевой суспензии на заводах, работающих на зерно-картофельном cыpьe напpaвляeтcя в сборник вторичной барды, где смешивается и идет на корм скоту. На заводах, использующих мелассу не сбрасывается на поля фильтрации или упаривается.

Дрожжевой концентрат перед высушиванием подвергают выдержке при 70--75 °С в течение 45 мин, в результате которой дрожжевые клетки биологически обезвреживаются (отмирают).

Сушка. Кормовые дрожжи высушивают на распылительных и вальцовых сушилках до влажности.не более 10 %. В распылительных сушилках сушка при температуре 90--95 °С осуществляется при непосредственном контакте распыленной дрожжевой суспензии и встречной смеси топочных газов с воздухом (конвективный способ сушки). В вальцовых сушилках влага из. дрожжевой суспензии удаляется за счет испарения на поверхности барабана, изнутри нагреваемого паром (кондуктивный способ сушки). Вальцовые сушилки устанавливают на заводах малой производительности.

Упаковку сухих кормовых дрожжей производят в крафт- мешки массой 20--40 кг. В последнее время внедряется гранулирование дрожжей на специальных прессах (диаметр гранул 8--12 мм, длина 10--18 мм), что обеспечивает бестарное (на- сыпью) хранение и транспортировку. Дезинфекция. Дрожжерастильные чаны после полного их освобождения промывают и обрабатывают формалином, затем пропаривают в течение 1 ч. На спиртовых заводах, работающих на зерно-картофельном сырье, дезинфекция проводится зимой 1 раз в 2--3 мес, летом --через 15--30 сут; на заводах, работающих на мелассе, дезинфекция проводится по мере необходимости.

Утилизация последрожжевой барды

Разработаны и применяются следующие способы использования последрожжевой барды: в качестве удобрения полей путем полива их разбавленной бардой; упаривание барды с применением концентрата в производстве» цемента, бетона, удобрений, в гидролизной и других отраслях промышленности; для выработки "витамина В1₂ с одновременным получением метана,, сжигаемого затем как топливо в котельной.

Большинство спиртовых заводов, перерабатывающих мелассу, последрожжевую барду в количестве 120 м³ на 1000 дал спирта сбрасывают на поля фильтрации. Под полной фильтрации при суточной производительности спиртового завода 1000 л требуется 7--8 га сельскохозяйственных угодий. Утилизация барды таким способом является весьма обременительной для народного хозяйства. Окружающая атмосфера сильно загрязняется продуктами распада барды.

Упаривание последрожжевой барды. Упаривают барду на двухкорпусных (Лужанский спиртовой завод) и четырехкорпусных (Черновицкий завод и др.) выпарных установках. Двухкорпусная выпарная установка соединена с брагоректификационной установкой (БРУ).

Греющий пар подается только в первый корпус. Для обогрева последующего корпуса используется вторичный пар, полученный в предыдущем. Вторичный пар от двухкорпусной установки полностью обеспечивает потребность БРУ. Обогрев колонн БРУ осуществляется через выносные кипятильники (теплообменники).

Упаривание последрожжевой барды ведут при температуре в первом корпусе не выше 140°С. При более высоких температурах происходит разложение компонентов барды (сахаров, аминокислот и др.). Температура в первом корпусе двухкорпусной установки составляет 130--135 °С, во втором -- 120--122 °С. Температура в первом корпусе четырехкорпусной установки 112°С, во втором -- 98 в третьем -- 85, в четвертом -- 65 °С.

Упаренная последрожжевая барда содержит 45% СВ и отправляется потребителям в железнодорожных цистернах.

Получение витамина В12. Витамин В12 является кроветворным средством, стимулирует рост, катализирует биосинтез аминокислот и белка в организме животного. В растительных кормах он отсутствует и синтезируется только в желудке животных под действием микроорганизмов, а в других средах -- метанообразующими бактериями.

Витамин B1₂ в комплексе с рядом других витаминов группы В (тиамин, рибофлавин, пиридоксин и/др.) и аминокислот получают из последрожжевой мёлассной барды в виде кормового концентрата КМБ-12. В одном килограмме КМБ-12 его содержится 50 мг.

На выработку КМБ-12 используется барда после первой и второй сепарации дрожжевой бражки с содержанием 5,5-- 6 % СВ, рН 4,5--5,5 и зольностью/ не более 30 % (на сухое вещество). Барда нагревается до 55--57 °С в теплообменнике и подается через приемные камеры в нижнюю часть метантенков. С поступающей свежей бардой в метантенки добавляют диаммонийфосфат (0,01 %) и хлорид кальция из расчета 5 кг на 1 кг витамина В12. Барду подкисляют только соляной технической кислотой.

Схема углекислотной установки УВЖС-500:

1-- скруббер; 2 -- водокольцевой компрессор; 3 -- водоотделитель; 4 -- компрессор ЗУП-500;5, 10, 12, 18, 15-- влагомаслоотделители; 6 -- газосборвик; 7 -- смеситель га- . зовый; 8-- адсорбер угольный; 9 -- адсорбер силикагельный; И, If-- холодильники; f 16 -- фильтр высокого давления; 17 -- конденсатор; 18 -- ресивер высокого давления; 19 -- пост наполнения баллонов; 20 -- разделитель фаз; 21 -- сосуд-хранилище

Барду сбраживают группой метанообразующих бактерий в анаэробных условиях при температуре 55--57°С. Эта температура поддерживается за счет периодического перекачивания бродящей жидкости через теплообменник и поступления свежей барды. Брожение ведется непрерывным способом при одновременной и одинаковой подачей свежей барды в аппарат и отборе из него культуральной жидкости. Ежесуточно в метантенки (емкости для брожения барды) добавляется 10--15 % свежей барды. В начале производства (после капитального ремонта) метанообразующие бактерии размножают в метантенках доливным периодическим методом, используя в качестве засевного материала метановую бражку от прошлого производственного сезона (оставляют примерно 7/з объема метантенка). После накопления культуры метантенки переводят на непрерывный процесс.

Если метантенки не требуют ремонта, то находящуюся в них жидкость охлаждают ниже 20 °С и хранит в течение 2--3 мес. В начале сезона ее нагревают до 55 °С, открывают приток свежей барды с питательными добавками, доведя, его до нормы через 5--6 сут.

Брожение осуществляют в две фазы. В первой происходит превращение углеводсодержащих веществ барды, в том числе сахаров и аминокислот, в органические кислоты (кислотная фаза). Во второй фазе органические кислоты сбраживаются с образованием метана, и других продуктов. Для осуществления второй фазы требуются нейтральная среда и низкий окислительно-восстановительный потенциал, что противоречит условиям первой фазы. Это противоречие основная причина медленности метанового брожения. Метановое брожение протекает нормально при рН 7,5--8,5.

При брожении из 1 м³ последрожжевой барды выделяется 20--25 м³ газа, ²/з которых составляет метан. В 1 м³ метановой бражки накапливается 1,2--2,0 г витамина Вм.

Из метантенков бражка направляется в напорный сборник участка упаривания, а затем в стабилизатор, где ее для предохранения витамина B₁₂ от разрушения, и снижения количества накипи на выпарной станции подкисляют до рН 5,5--6,0 добавлением 1--1,5 НС1 на 1 м³ бражки.

Подкисленная метановая бражка подогревается на двухступенчатом подогревателе до 95--100 °С и поступает в дегазатор (для предотвращения пенообразования при упаривании, снижающего теплопередачу), откуда насосом подается на упаривание. Упаривание осуществляют на выпарной станции до концентрации 35--40 % СВ. Сушка продукта до влажности менее 10 % производится на распылительной сушилке (конвективным способом). Охлаждение продукта с 80--105 до 30--35 °С происходит при применении пневмотранспорта.

Упаковку КМБ-12 производят в полиэтиленовые мешки, вложенные в трехслойные крафт-мешки.

Производство диоксида углерода

Газы, выделяющиеся при спиртовом брожении, в основном (свыше 99 %) состоят из углекислоты. Примесями являются пары спирта (0,3--0,5 %), эфиры, альдегиды, органические кислоты (0,1 %) и др. Примеси снижают качество углекислоты, отрицательно отражаются на ее производстве, нарушая режим, работы установок, способствуют ^коррозии оборудования. Очистка углекислоты от примесей происходит при контакте газов брожения с водой (большинство из них хорошо в ней растворимы) под воздействием окислителей и адсорбентов. Для поглощения воды используют колонки, заполненные хлоридом кальция, силйкагелем, цеолитом, активным углем, применяют также вымораживание.

Производство жидкой углекислоты (рис. 3). Газы из герметически закрытых бродильных чанов, пройдя пеноловушку (на заводах, работающих на мелассе) и спиртоловушку, поступают в водяной скруббер углекислотного цеха. Скруббер заполнен коксом или кольцами Рашига (для обеспечения эффективного контакта с водой, поступающей сверху навстречу потоку СО2). Из скруббера газ засасывается водокольцевым компрессором низкого давления, где сжимается до 0,08--0,1 МПа и одновременно промывается водой. Отделение влаги производится в водоотделителе.

После этого газ проходит I ступень трехступенчатого компрессора (где сжимается до 0,6--0,8 МПа), влагомаслоотделитель, холодильник 1 ступени типа «труба в трубе» (охлаждение до 26--28°С) и колонку с активным углем. Затем во II ступени компрессора он сжимается до 2,4--2,8 МПа, снова проходит холодильник типа «труба в трубе», влагомаслоотделитель и поступает в III ступень компрессора, в которой сжимается до давления конденсации -- 6,7--7 МПа. Сжатый газ охлаждается в холодильнике III ступени (типа «труба в трубе») до 30°С, что несколько выше температуры конденсации при давлении 7МПа, затем снова проходит влагомаслоотделитель и поступает в фильтр высокого давления, заполненный силикагелем.

Очищенный от масла и значительной части влаги газ подступает в конденсатор (типа «труба в трубе»), а из него уже в сжиженном виде -- в блок ресиверов, после чего направляется или в коллектор станции наполнения баллонов, в сборники жидкой углекислоты, или на производство твердого диоксида углерода.

Отправка жидкой углекислоты потребителям производится в баллонах или в изотермических транспортных резервуарах.

Производство твердой углекислоты (сухого льда). Применяют два способа выработки сухого, льда. Первый заключается в получении из охлаждаемой за счет самоиспарений (дросселирования) жидкой углекислоты блоков сухого льда путем намораживания в льдогенераторах. Пары диоксида углерода при этом возвращаются на повторное компримирование (сжатие с помощью компрессора). Второй способ предусматривает механическое сжатие диоксида углерода, охлажденного за счет дросселирования до снегообразного состояния. Получают блоки массой 40--100 кг. Для их хранения оборудуются специальные изотермические камеры. Транспортировку сухого льда осуществляют в изотермических контейнерах.