Формирование номенклатуры продуктов оптимального состава, выпускаемых предприятием по переработке зерносырья

С учетом того, что значительное количество этанола получают из зерносырья на предприятиях, производственная мощность которых постоянно увеличивается, нами рассмотрена конкретная модель формирования номенклатуры продуктов оптимального состава именно для производств этанола из зерносырья.

В настоящее время предприятия по переработке зерносырья можно отнести к производствам последовательного типа. На рис. 4.4 изображена типовая однопродуктовая схема предприятия по переработке зерносырья в этиловый спирт.

Рис. 4.4. Структура производства предприятия по переработке зерносырья в этиловый спирт:

А — зерносырье; Рпр0ДуКт1 — спирт «Экстра»

Процесс получения спирта включает ряд последовательных стадий: очистку зерна; приготовление замеса зерна, подваривание зерна, разваривание замеса; охлаждение разваренной массы; приготовление суспензии ферментных препаратов для дрожжевого сусла; приготовление дрожжевого сусла; выращивание дрожжей, спиртовое брожение сусла; перегонку бражки на спирт; ректификационную очистку спирта.

Общая структура производства этилового спирта из зерносырья показана на рис. 4.5, где представлены последовательные стадии получения товарного этанола и стадии варианта переработки основного отхода производства — спиртовой барды. Рассмотренный (не оптимальный) вариант концентрирования барды, ее сушки и получения кормового продукта экономически не всегда оправдан, но решает экологическую проблему спиртового производства.

Схема производства этанола и связей с потребителями

Рис. 4.5. Схема производства этанола и связей с потребителями

Рассмотрим конкретное производства этилового спирта из зерна на примере предприятия «Биотехнологический завод» мощностью

4,5 тыс. т спирта в год. Предприятие рентабельно в связи с тем, что основной продукт — спирт «Экстра» пользуется в настоящее время практически неограниченным спросом в торговой сети. Себестоимость спирта «Экстра» составляет (в эквивалентных ценах) 300 долл./т, цена реализации 560 долл./т, цена реализации с налогами 1150 долл./т.

Примерные выходы целевых, побочных продуктов и отходов производства этилового спирта приведены в табл. 4.1. Выход продукта из зер- носырья планируется на уровне 500 кг из 1 т условного крахмала.

Таблица 4.1

Выходы целевых и побочных продуктов при производстве этилового спирта

Показатель

Значение

Этиловый спирт из зерна, кг/т крахмала зерна

498

Послеспиртовая барда, м3/т крахмала зерна

8,14

Головная фракция этилового спирта, кг/т зерна

1,14

Сивушное масло, кг/т зерна

0,94

Анализ деятельности такого производства мощностью 4500 т в год показывает, что образуется до 250 м3 в 1 сут послеспиртовой барды — основного отхода производства. В настоящее время барда расходуется непродуктивно, создавая угрозу загрязнения окружающей среды отходами производства. В связи с этим встает задача рационального, комплексного использования зерносырья при производстве этилового спирта с учетом того, что «богатый» состав отходов спиртового производства теоретически позволяет это сделать (табл. 4.2). В настоящее время существует ряд разработок, в которых предлагаются различные варианты использования отходов производства этилового спирта.

Таблица 4.2

Фракционный состав послеспиртовой барды ГУП «Биотехнологический завод»

Показатель

Значение

Массовое содержание, % сырой протеин

2,1

сухое вещество

5,7

липиды

0,4

Органические кислоты, г/л

6,8

Аммонийный азот, г/л

1,2

Одним из способов снижения себестоимости этилового спирта, полученного в результате микробиологического сбраживания крахмалсодержащих продуктов, в частности зерна, является получение нескольких целевых продуктов в процессе переработки и утилизации отходов спиртового производства.

Рис. 4.6. Схема использования вторичных сырьевых ресурсов спиртового производства

Жидкими отходами спиртового производства являются: послеспир- товая барда, побочные продукты перегонки спирта, сивушное масло, эфиро-альдегидная смесь и дрожжи, которые можно объединить в группу вторичных сырьевых ресурсов. Возможная схема переработки всех вторичных отходов показана на рис. 4.6.

В настоящее время считается наиболее целесообразным использовать большую часть вторичных сырьевых ресурсов — послеспиртовую (спиртовую) барду и дрожжевую биомассу — для кормления сельскохозяйственных животных. Предприятия сдают спиртовую барду без технологической переработки как отходы потребителям по низким ценам, чтобы избежать штрафов и налогов за загрязнение прилегающих территорий. Использование кормовой добавки на основе послеспирто- вой барды с добавлением растительных компонентов неэффективно из-за низкого содержания в ней витаминов и аминокислот. Кроме того, проблема состоит в том, что сроки хранения спиртовой барды ограничены. Предлагаемые в последние годы технологии переработки спиртовой барды учитывают эти недостатки.

В настоящее время разрабатываются новые кормовые добавки на основе отходов спиртовых производств, аминокислотный и минеральный состав которых сбалансирован [104]. Разработана кормовая добавка широкого спектра действия, обеспечивающая организм животного или птицы активными веществами в сочетании с растительным и минеральным сырьем [105]. Предлагаемая кормовая добавка содержит дезинтегрированные клетки микроорганизмов, используемых в производстве этилового спирта, а также растительное и минеральное сырье. Дезинтеграция может быть проведена любым известным способом (термической, вакуумной обработкой и т. п.) и обеспечивает наилучшую усвояемость богатой аминокислотами и витаминами клеточной массы. В состав кормовой добавки предлагается вводить до 5 % дезинтегрированных микроорганизмов спиртового брожения от массы растительного наполнителя или смеси растительного и минерального наполнителей. В качестве растительного наполнителя эффективно использовать отход подсолнечника при переработке его на растительное масло, силос, сенаж и другие сочные корма. В качестве минерального наполнителя могут быть использованы мочевина, цеолиты, фосфорсодержащие добавки. Кормовая добавка может дополнительно содержать лекарственные препараты. Приводятся результаты эффективности использования разработанных кормовых добавок при зоотехнологических испытаниях. Так, применение кормовой добавки, содержащей дезинтегрированные дрожжи, используемые в производстве этилового спирта, силос и кальциевую соль хлортетрациклина для кормления кур-несушек увеличивает яйценоскость на 19 % по сравнению с контрольной группой и массу яйца в среднем на 4,7 %. Использование кормовой добавки, состоящей из дезинтегрированных микроорганизмов и кормовых дрожжей, для кормления крупного рогатого скота, в среднем повышает надои на 8,5 % при увеличении лактации на 11 сут. При внесении в рацион овец кормовой добавки, содержащей смесь дезинтегрированных микроорганизмов с отрубями, и добавлении гранулированного цеолита было отмечено увеличение массы ягнят на 6,5 % за 3 мес вскармливания при уменьшении падежа на 4,8 %. Использование кормовых добавок на основе дезинтегрированных клеток микроорганизмов, образующихся при спиртовом брожении, позволяет повысить продуктивность сельскохозяйственных животных, ускорить их рост (рис. 4.7).

Влияние состава корма с дезинтегрированными клетками дрожжей и различными наполнителями на эффективность его

Рис. 4.7. Влияние состава корма с дезинтегрированными клетками дрожжей и различными наполнителями на эффективность его

скармливания

В настоящее время имеются разработки, позволяющие использовать вторичные сырьевые ресурсы спиртовой промышленности не только для прямого скармливания животным, но и в пищевой, и в химической промышленностях. Описан способ получения биосорбента из дезинтегрированных клеток микроорганизмов, использованных ранее в микробиологическом производстве этанола [106]. При дезинтеграции биомасса микроорганизмов получает на поверхности клеточных оболочек отрицательный поверхностный потенциал от 22 до 75 мВ, при этом необходимо, чтобы было определенное содержание липидов и углеводов. Биосорбент может быть использован как в виде водной суспензии, так и виде гранул. В качестве биосорбента применяют биомассу как дрожжей Saccharomyces cerevisiae, так и бактерий Zymomonas mosilis, Clostridium thermocellum. Биосорбент обладает большой сорбционной емкостью как к положительно заряженным частицам в результате отрицательного поверхностного потенциала, так и к органическим веществам вследствие содержащихся в нем липидов и углеводов (рис. 4.8).

Описаны несколько способов получения биосорбента. Водную суспензию дрожжей или бактерий, применяемых при сбраживании, нагревают, отделяют центрифугированием твердую фазу, которая и представляет собой биосорбент с отрицательным поверхностным потенциалом 37—50 мВ.

Влияние способа получения биосорбента на степень поглощения хлорорганических и фосфорорганических соединений

Рис. 4.8. Влияние способа получения биосорбента на степень поглощения хлорорганических и фосфорорганических соединений

Суспензию микроорганизмов облучают ИК-лазером при перемешивании до полной дезинтеграции клеток. Твердую фазу отделяют центрифугированием. Возможен также способ обработки микроорганизмов сжатым оксидом углерода под давлением 6—9 МПа в изобарических условиях. По истечении 0,5—0,7 ч давление сбрасывают, твердую фазу, представляющую абсорбент, отделяют.

Полученный любым способом биосорбент при толщине слоя твердой фазы 12 мм и объеме 1,4 дм3 практически полностью удаляет из водных растворов хлорорганические и фосфорорганические соединения при содержании их не свыше 1,4 мг/л, катионы тяжелых металлов (медь, свинец, кадмий, ртуть) при общем содержании их в растворе до 13 мг/л. Для получения биосорбента могут быть использованы как отработанные культуры, так и свежеприготовленные.

Предлагается при производстве крепких спиртных напитков осуществлять очистку смеси спирта с технологической водой (сортировку) на биосорбенте, представляющем собой дезинтегрированные клетки микроорганизмов, используемых при микробиологическом сбраживании сахар- и крахмалсодержащего сырья [107]. Отмечается, что биосорбент на основе дезинтегрированных клеток с высоким значением отрицательного поверхностного потенциала обладает значительной сорбционной способностью к ионам тяжелых металлов, а также органическим соединениям, имеющим положительный заряд. После насыщения биосорбента органическими примесями, количество которых в сортировке значительно превышает количество тяжелых металлов, его можно использовать в качестве компонента органических и органоминеральных удобрений. Для получения биосорбента дезинтеграцию проводят любым способом до тех пор, пока оболочки клеток микроорганизмов не получат требуемый отрицательный поверхностный потенциал. Дезинтеграция может быть проведена, например, термическим методом или обработкой сжиженным диоксидом углерода. Очистку осуществляют на керамическом фильтре со слоем биосорбента, представляющего собой оболочки клеток микроорганизмов, используемых при сбраживании сахар- и крахмалсодержащего сырья в производстве этилового спирта В процессе очистки толщина слоя сорбента не должна увеличиваться более, чем на 15 %. После биосорбента сортировку подают на батарею колонн с активированным углем.

Полученный после такой очистки напиток содержит на 14 % меньше альдегидов и сивушных масел, на 80 % меньше метанола, а также на 21 % меньше ионов тяжелых металлов по сравнению с известными аналогами, дегустационная оценка составляет 9,9. На рис. 4.9 показана эффективность очистки спиртовых растворов от тяжелых металлов с помощью биосорбента.

Влияние способа получения биосорбента на степень очистки спиртовых растворов от примесей

Рис. 4.9. Влияние способа получения биосорбента на степень очистки спиртовых растворов от примесей

Одним из способов, заслуживающих внимания, является использование отходов производства этилового спирта в составе удобрений на основе отходов производства птицы [108]. При таком способе приготовления удобрения, значительно уменьшается потребление минеральных удобрений. Предлагается смешивать отходы птицеводства с отходами микробиологического производства этилового спирта, после чего выдерживать смесь до начала деградации органического компонента и вносить в качестве удобрения в почву. Компоненты смешивают в определенном соотношении. После смешения в смесь могут быть дополнительно введены различные минеральные соединения, содержащие калий, фосфор, азот, а также микро- и макроэлементы. Удобрение может быть использовано либо в виде водной суспензии, либо в виде гранул. Высокая концентрация питательных веществ делает рентабельной перевозку удобрения на значительные расстояния. При реализации способа отходы производства птицы, преимущественно, птичьего помета, смешивают с биомассой микроорганизмов, использованных при сбраживании сахар- и крахмалсодержащего сырья. В смесь добавляют порошкообразное комплексное удобрение, содержащее оксиды калия, фосфора и азота. Массу перемешивают до образования однородного состава. В смесь добавляют раствор мочевины, концентрация которого зависит от содержания воды в биомассе микроорганизмов. С использованием шнекового пресса формуют гранулы удобрения. В результате получают комплексное минеральное удобрение, содержащее основные питательные вещества, а также биоактивную добавку, способствующую активации консорциума почвенных микроорганизмов, способствующего усвоению растениями питательных веществ.

Другим примером использования продуктов спиртового брожения в фармацевтической промышленности является получение препарата «леван» [109]. Леван — внеклеточный полисахарид — полифруктоза. Синтезируется в процессе спиртового брожения бактериями Zymomonas mobilis параллельно образованию этилового спирта. Интерес к данному полисахариду вызван возможностью его использования в качестве заменителя плазмы крови и для получения химически чистой фруктозы. Леван способен подавлять рост некоторых типов опухолей. Наибольшая интенсивность биосинтеза левана совпадает с экспоненциальной фазой роста. В конце спиртового брожения концентрация левана достигает 28 г/л, а этилового спирта 70 г/л.

Интересным с практической точки зрения способом получения продукта микробиологического синтеза на основе спиртовой барды является процесс метанового сбраживания и синтеза витамина В12 [110]. Кормовой препарат витамина В]2 высокоэффективен в кормопроизводстве.

Была исследована возможность использования отходов со стадии ректификационной очистки этилового спирта в химической промышленности [111]. Показано, что переработка эфиро-альдегидной фракции и сивушного масла в растворители позволяет использовать их для лаковых покрытий. Растворитель, получаемый из сивушного масла и уксусной кислоты, может быть использован для изготовления лаковых покрытий на основе фенол-формальдегидной смолы, а также как жидкость для снятия лака с ногтей.

В работе [112] рассматривается возможность использования отходов со стадии ректификации (сивушного масла, эфиро-альдегидного концентрата) в качестве субстратов для микробиологического синтеза. Кроме того, установлено, что добавление сивушного масла и эфироальдегидного концентрата оказывает благоприятное действие на выход сухих кормовых дрожжей: при добавлении сивушного масла выход увеличивается на 10—12 %, а при добавлении эфиро-альдегидной смеси на 12—14 %. Разработанный способ микробиологической переработки сивушного масла и эфиро-альдегидного концентрата с получением кормовой белковой добавки, содержащей до 50 % протеина, основан на циклическом режиме непрерывной ферментации и позволяет практически полностью утилизировать эти отходы.

Исследовали [113] влияние различных фракций, образующихся в результате перегонки спиртовой бражки, на биосинтез лимонной кислоты культурой дрожжей Yarrowia lipolytica. При использовании гидролизного и технического спиртов биосинтез лимонной кислоты протекает несколько медленнее, чем на ректификате. Эфиро-фор- мальдегидная фракция уменьшает выход кислоты на 10 % по сравнению с гидролизным и техническим спиртами. Самые низкие результаты получены для синтетического спирта-сырца. Конечная концентрация лимонной кислоты составляла в этом случае 78 г/л. Результаты, полученные при исследовании всех типов спиртов, позволяют применять их в качестве субстрата в промышленном производстве лимонной кислоты и цитрата натрия. Исследован [114] процесс биосинтеза лимонной кислоты при использовании непосредственно этилового спирта, смеси сахара и этилового спирта, а также отхода производства — спиртовой барды. Установлены значения расходных коэффициентов и скорость синтеза лимонной кислоты, что позволяет подойти к расчету установок для реализации процесса и выпуска товарного продукта.

Газы, выделяющиеся при спиртовом брожении в герметически закрытых чанах, представляют собой почти чистую углекислоту — содержание С02 в них составляет 99—99,5 %. В качестве примесей в этих газах содержатся спирт (0,4—0,8 %), эфиры (0,01—0,05 %), кислоты (0,05—0,01 %) и альдегиды (следы — 0,02 %). После несложной очистки можно получить чистую углекислоту. Схема производства углекислоты показана на рис. 4.10.

Газы из бродильных чанов поступают в пеноловушку, где освобождаются от пены и взвешенных частиц, и в спиртоловушку для освобождения от паров спирта. Далее газ поступает в газгольдер (сборник газа) и из него — в скруббер, заполненный насадкой. В скруббере газ дополнительно освобождается от спирта и других примесей и охлаждается до 20°С. Затем его отводят в водокольцевой компрессор (воздуходувку), где промывают холодной водой, и через водоотделитель в колонну с раствором перманганата калия. Очищенный газ подвергают трехступенчатому сжатию. В левой ступени газ сжимают до избыточного давления 6—8 ат, затем охлаждают и освобождают от смазочного масла и воды в масловлагоотделителе и направляют в конденсатор, где он переходит в жидкое состояние. Жидкая углекислота широко применяется в производстве безалкогольных напитков, минеральных вод, газированных соков. К выпускаемой углекислоте предъявляют следующие требования: объемное содержание углекислоты должно составлять не менее

99,5 %, объемное содержание оксида углерода не более 0,05 %.

Схема получения углекислоты

Рис. 4.10. Схема получения углекислоты:

  • 1 — бродильный чан; 2 — пеноловушка; 3 — газгольдер; 4 — скруббер;
  • 5 — водоотделитель; 6 — колонна с КМп04; 7 — сборник С02; 8 — компрессор трехступенчатый; 9 — холодильник; 10 — конденсатор; 11 — изотермическое хранилище сжиженного С02

Таким образом, существует большое количество различных теоретических разработок, позволяющих утилизировать отходы спиртового производства и получать разнообразные продукты, имеющие определенный потребительский спрос.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >