Производство спирта из мелассы

13

производство спирта из мелассы

Технология получения этилового спирта из мелассы основана на ферментативном сбраживании сахаров дрожжевыми микроорганизмами и включает следующие основные процессы:

подготовка мелассы к сбраживанию;

приготовление мелассного сусла;

приготовление чистых культур спиртовых дрожжей;

дрожжегенерирование;

сбраживание сусла;

перегонка бражки.

Подготовка мелассы к сбраживанию. Процесс подготовки мелассы включает ряд операций, таких, как тепловая обработка, химическое антисептирование, подкисление, внесение питательных веществ, кларификация, гомогенизация и выдержка.

Меласса может быть заражена посторонними микроорганизмами, жизнедеятельность которых приводит к нарушению технологии сбраживания, нерациональным потерям сахаров, ухудшению качественных показателей продукции.

Наиболее эффективным для обеззараживания мелассы являются химическое автисептирование и тепловая обработка (стерилизация, пастеризация).

Антисептирование и подкисление. Мелассу обеззараживают и подкисляют добавлением серной или соляной кислоты, хлорной извести, формалина, сульфонола и других химических веществ.

Серную или соляную кислоту добавляют, чтобы обеззаразить мелассу и создать оптимальный для жизнедеятельности дрожжей рН среды в мелассном сусле.

Количество добавляемой кислоты рассчитывают исходя из потребности на нейтрализацию щелочных меласс и дополнительного расхода для подкисления сусла до рН 5,1--5,3 при однопоточной схеме сбраживания и рН 4,8--5,1 при двухпоточ-ной схеме. Кислоты перед добавлением в мелассу разбавляют 4--5-кратным количеством воды.

Подкисление серной кислотой ведется на большинстве спиртовых заводов. На заводах, имеющих цехи кормовых дрожжей и станции упаривания барды, применяются соляная кислота» соли которой не дают осадка на поверхностях теплообмена.

При однопоточной схеме сбраживания подкисляют всю мелассу, поступающую в производство. Выдержка подкисленной мелассы производится в течение 8--12 ч.

При двухпоточной схеме сбраживания подкисляют и антисептируют соляной или серной кислотой только ту часть мелассы, которая идет на приготовление сусла для дрожжей. Кислотность сусла для дрожжей составляет 0,9--1,0°, что соответствует рН 4,1--4,3. Антисептирование при этой кислотности достигается выдержкой в течение 4--8 ч.

Высокая кислотность иногда является недостаточной для предотвращения развития вредной микрофлоры, содержащейся в мелассе. Поэтому кроме кислотного антисептирования неразбавленной мелассы, особенно при однопоточной схеме сбраживания, применяют другие антисептики.

Хлорную известь, содержащую 32--35 % активного хлора» задают в мелассу в виде водной вытяжки. Для этого к извести, загруженной в емкость, добавляют пятикратный объем воды, хорошо размешивают, дают раствору отстояться в течение 2--3 ч. Светлый раствор декантируют и задают в мелассу, хорошо перемешивая.

На 1 т мелассы нормального качества добавляют 0,5--0,6 кг хлорной извести и выдерживают в течение 2--3 ч. Для средне-инфицированной мелассы расход хлорной извести составляет 0,8--1,0 кг/т, выдержка --4--5 ч, для сильноинфицированной-- соответственно 1,2--1,5 кг/т и 5--6 ч. В мелассном сусле известь нейтрализуется за счет окислительных процессов, в том числе от добавления кислот на подкисление, вследствие чего не оказывает ингибирующего действия на дрожжи.

Сульфонол подавляет кислотообразующую микрофлору и не влияет на жизнедеятельность дрожжей. Расход на 1 т мелассы 70--100 г. Добавляется в виде водного раствора подобно хлорной извести. Сохраняет бактерицидные свойства в мелассе и мелассном сусле в течение 10--15 дней.

Тепловая обработка. Сильноинфицированная меласса, которая не исправляется кислотным и химическим антисептированием, подвергается тепловой обработке.

Стерилизация проводится путем нагрева мелассы до температуры 109--110°С и выдержкой при этой температуре в течение 1,5--2 мин. Нагрев осуществляется в теплообменниках, теплоносителем является пар. Нагретая меласса после выдержки в течение 1,5--2 мин подается в сборник, где с помощью аэрирования воздухом из нее удаляются летучие вещества.

Затем она охлаждается до 25--30 °С (водой или холодной мелассойчерез теплообменник).

Пастеризация в отличие от стерилизации проводится путем нагрева мелассы при более низких температурах (85--95 °С), но более длительном выдерживании (50--60 мин). Пастеризация применяется при средней степени инфицированности мелассы.

Внесение питательных компонентов. Для обеспечения высокоактивной жизнедеятельности дрожжей в процессе сбраживания в, мелассу вносятся питательные компоненты. В качестве фосфорного питания применяют 70%-ную ортофосфорную кислоту или диаммонийфосфат, азотистого --карбамид (мочевину). Используют и другие фосфор- и азотсодержащие вещества (табл. 5--1).

Питательные компоненты вводят в мелассу в виде предварительно приготовленных растворов одновременно с серной или соляной кислотой. Кислоты и растворы солей вносят дозирование, пропорционально количеству поступающей мелассы при выпуске мелассы из весов в мелассные сборники -- выдерживатели суточного запаса.

При переработке тростниковой (черной), сахаротростниковой и рафинадной меласс, тростникового сахара-сырца и дефектного белого сахара в смеси со свеклосахарной мелассой или отдельно расход питательных веществ для дрожжей на 1т сбраживаемых Сахаров указанных видов сырья, кроме свеклосахарной мелассы, составляет: ортофосфорная кислота (70%) или диаммонийфосфат --3,3 кг; карбамид или сернокислый аммоний -- соответственно 9 и 20 кг. Расход питательных веществ на свеклосахарную мелассу в этом случае сохраняется на уровне норматива при переработке ее одной.

К л а р и ф и к а ц и я мелассы. На спиртовых заводах, имеющих производство хлебопекарных дрожжей, выделяемых из мелассно-спиртовых бражек, свекловичную мелассу рекомендуется кларифицировать (осветлять). Особенно необходима кларификация при переработке тростниковой и рафинадной меласс в чистом виде.

Осветление проводят на сепараторах-кларификаторах. Мелассу перед поступлением на установку разбавляют водой в соотношении 1 : 1, при этом раствор нейтрализуют или подкисляют до требуемой кислотности. Иногда разбавленную мелассу стерилизуют или пастеризуют, затем охлаждают в закрытых теплообменниках, после чего подают в кларификатор.

Содержание, сахара в осадке, отделяемом в кларификаторе при сепарировании, составляет около 25 %. Его вымывают горячей водой. Промывную воду после кипячения рекомендуется направлять в дрожжерастильные чаны при производстве кормовых дрожжей.

Выдерживание и гомогенизация. Меласса с добавленными й нее антисептиками (при необходимости), кислотами и питательными солями подается в сборники суточного запаса, где выдерживается не менее 8 ч. Для стабилизации режима сбраживания ее усредняют (гомогенизируют) путем перемешивания в сборниках насосом. Забор мелассы насосом производится с нижней части сборника, а подача -- в верхнюю. Усреднение производят в период приемки мелассы, а также во время забора ее на рассиропку.

Гомогенизация особенно необходима при переработке дефектной мелассы, а также при использовании тростниковой и рафинадной меласс в смеси со свеклосахарной.

Приготовление мелассного сусла. Для нормальной жизнедеятельности дрожжей и оптимальных условий сбраживания мелассу необходимо разбавить водой до концентрации сухих веществ 20--22 %. Для приготовления сусла рекомендуется применять артезианскую воду. Можно использовать конденсаты, полученные при упаривании послеспиртовой и последрожжевой барды спиртовых заводов, работающих на мелассе. При использовании для приготовления сусла для дрожжей прудовой или речной воды ее обрабатывают хлорной известью из расчета 20--30 мг активного хлора на 1 л воды с выдержкой в течение 1 ч.

При непрерывном брожении мелассное сусло готовят на непрерывнодействующих рассиропниках, представляющих собой аппараты для смешивания и растворения мелассы холодной и горячей водой в непрерывном потоке, с регулированием концентрации сусла (по плотности) и температуры сусла. Применяются также рассиропники трубчатого типа с диафрагмами, принудительным механическим размешиванием и др. При однопоточной схеме сбраживания сусло готовят только концентрацией сухих веществ 20--22 %. При двухпоточной схеме сусло для дрожжей готовится концентрацией 12 % СВ, а мелассное сусло, используемое для основного брожения, --32--34 % СВ. При работе по усовершенствованной двухпоточной схеме УкрНИИСПа рекомендуется сусло для дрожжей готовить концентрацией 8--9 % СВ, а основное сусло --35--36 % СВ. Соотношение потоков сусла для дрожжей и сусла основного при двухпоточных схемахсбраживания 1 : 1, вследствие чего средняя концентрация смеси равняется 22 % СВ.

Тростниковую (черную), сахаротростниковую и рафинадную мелассу перерабатывают по двухпоточной схеме вместе со свеклосахарной мелассой. Смесь меласс содержит до 20% сахара. Дрожжи размножают на свеклосахарной мелассе, а брожение ведут на смеси меласс. Концентрация сусла для.дрожжегенерирования составляет 10--12 % СВ, а основного сусла -- 27-- 28 %ХВ.

Переработку сахара-сырца и дефектного белого сахара проводят, в смеси со свеклосахарной мелассой. При работе по однопоточной схеме концентрацию сахаромелассного раствора устанавливают из расчета получения зрелой бражки крепостью 8-- -8,5 % об. При применении двухпоточной схемы дрожжи приготавливают на сусле концентрацией 12--13 % СВ, а основное -сусло готовят на мелассе, оставшейся после приготовления дрожжей, и сахаре-сырце или дефектном белом сахаре. Концентрация основного сусла составляет при переработке дефектного сахара в количестве 25 % общей массы сахара в. смесителе 27--28 % СВ; 50 %. --24--25; 75 % --21--22 % СВ.

Выращивание чистой культуры дрожжей. Для сбраживания сахаромелассных растворов на спирт применяют дрожжи расы В, гибридные дрожжи Г-67, Г-73, Г-75, Г-112.

Дрожжи расы В --осмофилы. Хорошо сбраживают сахарозу, фруктозу, глюкозу, но лишь на '/₃ -- раффинозу (трисахарид). Плохо сбраживают мальтозу из-за низкой активности фермента мальтазы, расщепляющего мальтозу (дисахарид) на две молекулы глюкозы.

Гибридные дрожжи, полученные скрещиванием рас В и Яс пивными дрожжами, обладают высокой бродильной энергиейи почти полностью сбраживают раффинозу [вырабатывают фермент а-галактозидазу, расщепляющий сахар мелибиозу (оста-ток от расщепления раффинозы) на моносахара галактозу и глюкозу).

Свеклосахарную, тростниковую (черную) и рафинадную мелассы, содержащие значительные количества раффинозы, рекомендуют сбраживать двумя культурами дрожжей: расой В и гибридом Г-75 двухстадийным способом.

При производстве из мелассы спирта и хлебопекарных дрожжей, получаемых выделением их из спиртовой бражки, применяют дрожжи расы В в смеси с гибридом Г-112. Дрожжи расы В обеспечивают нормативный выход спирта из мелассы, а Г-112 -- высокую активность хлебопекарных дрожжей.

Чистые культуры дрожжей на спиртовые заводы поступают из научно-исследовательских институтов спиртовой промышленности -- ВНИИПрБ и УкрНИИСПа. Они поставляются в пробирках, закрытых пробками и залитых сургучом.

В зимнее время чистая культура дрожжей готовится на сусле-желатине, в летнее -- на сусле-агаре.

Разведение дрожжей из пробирок до объема 3 л проводят в лабораторных условиях в колбах, дальнейшее разведение ведут в дрожжегенераторном отделении в аппаратах чистой культуры (АЧК) вместимостью 20, 1000 и 5000 л. После этого дрожжи поступают в дрожжегенератор (табл. 5--2).

Для пробирки питательная среда (сусло) готовится из измельченного сухого ячменного солода. Сусло не подкисляется. Для стадий 2--4 в мелассное.сусло добавляют солодовое концентрацией 10--12 % СВ в количестве 10 % по объему (до стерилизации).

Для стадий 5--7 в мелассное сусло добавляют диаммонийфосфат (или ортофосфорную кислоту) и карбамид в количестве соответственно 0,12 и 0,2 % по массе мелассы (до стерилизации).

После задачи дрожжей из АЧК-1 в АЧК-2 подают стерильное мелассное сусло (подмолодки) в три приема. Объем первой подмолодки составляет 50%, второй --30, третьей -- 20% полезного объема АЧК-2. Подмолодки задают в период, когда видимая плотность АЧК-2 снижается до 10--11% до сахаромеру.

Брожение в аппаратах чистой культуры ведется с таким расчетом, чтобы к моменту передачи дрожжей в следующий аппарат содержание алкоголя в дрожжевой мелассе не превышало 2,5--3% об., т. е. при снижении видимой плотности ниже начальной видимой концентрации на 4,5--5,0 %.,

Схема дрожжегенерирования и брожения по усовершенствованному однопоточному способу:

1 -- рассиропннк; 2- фильтр мелассы; 3, 4, 5-- аппараты чистой культуры дрожжей; 6 -- стерилизатор; 7-- дрожжегенераторы; 8 бродильный аппарат головной;9 --щелевые расходомеры мелассы; 10 -- бродильные аппараты; 11 --насосе 12-- сепаратор бражки;-13передаточный сборник

Накопление спирта в дрожжегенераторе допускается не более 3,0-*-3,5 % об., а при работе по усовершенствованной двухпоточной схеме -- 2,8-- 3,0 % об..

По окончании стадии в АЧК-2 дрожжи в количестве 30 % передают в АЧК-3 и 20 % -- в другой АЧК-2. В последнем проводят разведение дрожжей с тремя подмолодками с осуществлением в дальнейшем стадий 7--8. При отсутствии второго АЧК-2 дрожжевую массу, оставшуюся после Отбора 30 % дрожжей в АЧК-3, разводят добавлением сусла.

На спиртовых заводах, вырабатывающих только спирт, ввод чистой культуры дрожжей из пробирки в производство осуществляется 1 раз в месяц, замена дрожжей в бродильной батарее производится 3--4 раза в месяц. На спиртовых заводах, имеющих цехи хлебопекарных дрожжей, выделяемых из бражки, количество замен дрожжей увеличивается до 10-^-12 в месяц.

Первую замену дрожжей производят путем разведения чистой культуры, начиная со стадии 7, для которой маточными служат дрожжи из АЧК-2. Для следующей замены разведение дрожжей начинают со стадии 5, для которой в качестве маточных используются дрожжи из 3-литровых колб, хранящихся в холодильнике.

Дрожжегенйрированйё it сбраживание. Сбраживание мелассного сусла с использованием дрожжей, выращенных в дрожжегенераторах, производят в бродильных аппаратах (чанах) в непрерывном потоке бражки, для чего бродильные чаны соединены между собой в непрерывнодействующую бродильную батарею.

Применяют два способа сбраживания: однопоточный и двухпоточный. Аппаратура для приемки, подготовки и брожения мелассы в этих схемах одинакова. Разница заключается лишь в том, что в однопоточной схеме (рис. '5--1) имеется один рассиропник мелассы, а в двухпоточной -- два: один для приготовления сусла для дрожжей, второй для основного мелассного сусла.

Различие в технологии однопоточного и двухпоточного способов заключается в применении для дрожжегенерирования мелассного сусла разных концентраций.

Обычная двухпоточная схема предполагает применение мелассного сусла двух концентраций сусла для дрожжей 12% СВ, основного сусла 32 % СВ.

Меласса из сборников суточного запаса подается в напорные баки, откуда поступает на рассиропку. Сусло для дрожжей' и основное сусло имеют раздельные сборники суточного запаса и напорные баки мелассы, что обусловлено различием в кислотности (сусло для дрожжей имеет кислую реакцию среды, основное сусло -- нейтрально-щелочную).

Сусло для дрожжей из рассиропника распределяется в дрожжегенераторы, где размножение дрожжей производится при непрерывном аэрировании среды сжатым воздухом из расчета 3--4 м³/ч на 1 м³ среды.

Дрожжи для засева дрожжегенераторов применяются в видечистой культуры и задаются из АЧК-3. Время, необходимое длявыхода на режим сбраживания после задачи чистой культурыв дрожжегенераторы, составляет 6--10 ч. Для гашения пены в дрожжегенераторы и бродильные чаны добавляют олеиновую кислоту и соапсток.

Дрожжегенераторы (в количестве 4--6 шт.) рекомендуется устанавливать над бродильными чанами. Вместимость дрожжегенераторов составляет 25--30 % общей вместимости при двухпродуктовом производстве и 20--25 % при однопродуктовом. Количество бродильных чанов составляет 9--10 шт. Дрожжи из дрожжегенераторов сливаются в первый бродильный чан непрерывно.

Схема дрожжегенерирования и брожения по усовершенствованному двухпоточному способу:

1. 2 -- рассиропники; 3 -- дрожжегенераторы; 4 -- бродильные аппараты головные; 5 -- бродильные аппараты

Одновременно в этот чан, подается основное мелассное сусло в соотношении 1:1. Бражка из первого аппарата непрерывно перетекает по переточным трубам в последующие. На перегонку она поступает из последнего чана, который после опорожнения и стерилизации становится головным.

Для улавливания спирта газы брожения из дрожжегенераторов и бродильной батареи направляются в пеноловушку, затем в спиртоловушку. Полученная при этом спиртеодержащая жидкость через мерник направляется в сборник бражки для перегонки.

Усовершенствованная двухпоточная схема сбраживания обеспечивает более высокий выход спирта по сравнению с обычной. Аппаратура для ведения технологии по этой схеме такая же как и для обычной двухпоточной схемы (рис. 5--2). Основой усовершенствованной двухпоточной схемы является снижение концентрации бродящего сусла на стадиях дрожжегенерирования и главного брожения (1--3 бродильные чаны).

Выращивание дрожжей в дрожжегенераторах ведется на сусле концентрацией 8--9% СВ. Сусло для дрожжей готовится на мелассе лучшего качества, в нее из расчета на всю перерабатываемую мелассу вносятся кислоты и питательные соли. Зрелые дрожжи из дрожжегенератора поступают в первый бродильный чан.

Основное сусло готовится более низкой концентрации СВ (35--36 %) и поступает на брожение не в один головной бродильный чан, а в первые три дробно с таким расчетом, чтобы поддерживать в них видимый отброд бражки: в первом чане 7,5--8,5 % СВ; во втором -- 8,0--9,0; в третьем -- 9,0--9,5 % СВ. Далее процесс брожения ведется, как и при обычной двухпоточной схеме.

Технологические показатели обычной и усовершенствованнойдвухпоточных схем сбраживания мелассы приводятся втабл. S--3. Спиртоулавливание ведется, как и при обычной двух-поточной схеме.

Переработка тростниковой (черной), сахаротростниковой и рафинадной меласс. Эти мелассы перерабатывают в смеси со свеклосахарной в соотношении 1:4. Рекомендуется применение двухпоточной схемы производства, при этом дрожжи размножают только на свеклосахарной мелассе.

Дрожжегенерирование при двухпоточной схеме ведут на сусле концентрацией 10--12% СВ, а при однопоточной--18-- 19 % СВ. При дрожжегенерировании проводится усиленная аэрация {4--5 m³/(m³-4) и количество биомассы увеличивается до 22--24 г/л.

Сусло для дрожжей и основное сусло подкисляют до рН 5,0--5,1 при применении карбамида и до рН 5,5--5,6 при использовании сульфата аммония. Длительность брожения составляет 26--28 ч.

Тростниковая и рафинадная мелассы могут быть переработаны в чистом виде. Разведение чистой культуры в этом случае осуществляют на стерилизованном сусле концентрацией 10% СВ. На стадиях до АЧК к суслу добавляют по объему 25 % солодового сусла, а на последующих стадиях добавляется мочевины 0,4 % и диаммонийфосфата 0,15 % массы мелассы, взятой на приготовление сусла. Аэрация в АЧК ведется непрерывно и интенсивно;

Длительность дрожжегенерирования при переработке тростниковой и рафинадной меласс составляет 7--8 ч. Аэрирование ведется непрерывно, расход воздуха 4--5 м³/(м³-ч). Рекомендуемый объем дрожжегенераторов 30^--35 % общего объема бродильной аппаратуры. Общая длительность брожения 30--36 ч.

Сахар перерабатывается только со свеклосахарной мелассой в количестве не более 75% общего содержания сахаров в смеси.

Сахарный раствор получают, смешивая в потоке сахар и воду, подаваемые в смеситель или же путем рециркуляции смеси воды и сахара в емкости с помощью насоса. Этот раствор подается мелассно-весовое отделение, где его смешивают с мелассой. В смесь добавляют требуемые для антисептирования и подкисления кислоты, питательные вещества для дрожжей. Смесь выдерживают не менее 3 ч, проводя, периодическую рециркуляцию с помощью насоса.

Для антисептирования сахарных растворов применяют сульфонол или формалин, а при их отсутствии -- хлорную известь. При получении только спирта применяют дрожжи расы В или смесь рас В и Г-75, а при выработке наряду со спиртом хлебопекарных дрожжей -- смесь рас В и Г-112. Для азотистого питания дрожжей предпочтительнее применение карбамида. Можно применять также сульфат аммония, соответствующий по стандарту медицинскому или аккумуляторному.

Расход воздуха в дрожжегенераторах 4,5--5 м³/(м³/ч). В бродильных чанах через 1,5--2 ч производится перемешивание бродящей массы в течение 35--45 мин миксерами или же рециркуляцией с помощью насоса. Общая продолжительность брожения (с учетом дрожжегенерирования) при переработке тростникового и дефектного белого сахара с содержанием СВ до 50 % общего количества сбраживаемых веществ смеси составляет 26--28 ч, а при содержании СВ 75 %_ч достигает 30 ч.

При двухпоточной схеме дрожжи разводят на сусле из мелассы (концентрация 12--13% СВ, кислотность 0,8--1,0°Д). В это сусло задают вce требуемое по расчету для процесса брожения азотистое и фосфорное питание. Основное сусло для бродильной батареи готовят из мелассы, оставшейся после приготовления сусла для дрожжей, и сахара.

Санитарный режим дрожжебродильного отделения. Для борьбы с инфекцией в спиртовом производстве осуществляются антисептирование и стерилизация мелассы, обработка воды и воздуха, стерилизация оборудования.

Стерилизацию технологического оборудования рекомендуется проводить следующим образом. Сборники мелассы очищают, моют чистой водой, внутренние их поверхности покрываются раствором хлорной извести. Через трубопрбводы прокачивают раствор хлорной извести, после чего они пропариваются не менее 30 мин острым паром. Рассиропники и трубопроводы к ним промываются водой и пропариваются, как и предыдущее оборудование, в периоды профилактической стерилизации дрожжегенераторов.

Подвод пара осуществляется следующим образом: в дрожжегенераторах--в воздухораспределительную систему, в бродильных аппаратах в переточные линии (нижняя часть), а на отдельных заводах --дополнительно в нижнюю часть аппарата. Подвод пара к коммуникациям должен обеспечить прогрев всех участков. Для спуска остатков жидкости и конденсата, образующегося при пропарке, они оборудуются штуцерами в противоположных вводу пара точках.

При переработке нормальной по качеству мелассы дезинфекция и стерилизация технологического оборудования делаются 1 раз в 5--б сут. В случае использования дефектной мелассы или нарастания кислотности в бражке до 0,1° стерилизацию проводят чаще. На заводах, имеющих цехи хлебопекарных дрожжей, оборудование стерилизуют через 2--3 сут.