Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 2J.I. Узагальнена функціональна схема комплексної переробки
крохмалевміспої сировини на спирт та інші продукти
клііипи коренеплоду і вивільнюй зерна крохмалю. Каргоплсіс-рочпа машина
уявляє собою обертальний барабан, поверхня якого складається з вкладених
між прокладками пиловидних зубців. Барабан закритий кожухом з
завантажувальною воронкою. Кореїісплоди притискуються до барабану
притискувального колодкою і стираються. Зернова сировина після очистки
від домішок дробиться на молоткових чи вальцових дробарках.
Подрібдене зерно чи картоплю направляють в змішувач, де змішують з
водою. На 1кг зерна додають (2,5...3,5) л води, на 1 кг картоплі — (0,2...0,5) л.
Після перемішування одержану масу підігрівають і направляють її аппарат
для розварювання.
21.4. Розварювання сировини
Механічним подрібнюванням вдається розкрити тільки частину клітини.
Основна мета розварювання заклточасться в подальшому руйнуванні
кліткової структури та розчиненні крохмалю. Розварювання проводять
насиченою парою при температурі (135... 155) °С. Крім руйнування кліткових
стінок в процесі розварювання відбувається ряд складних структурно-
механічних і хімічних змін, які готують середовище до подальшої фермента-
тивної обробки. Розварювання на сучасних спиртових заводах проводиться в
апаратах безперервної дії.
Оцукрювання — фермнтативний процес, який проходить за допомогою
амілолітичних ферментів солоду чи плісневих грибів. Солод, який
використовують на спиртових заводах, містить значну кількість
амілолітичпих ферхМентів, які мають оцукрюючу здатність. При переробці
крохмалистої сировини ферменти виробляються в спеціальних цехах завода
— солодовнях. Пророщене зерно ячменю чи інших культур підлягає
подрібненню. В розбавленому водою вигляді цей продукт називається
солодовим молоком. Солодове молоко направляють у розварену і
охолоджену масу замісу.
Культури пліснявих грибів вирощують на пшеничних висівках, відходах
спиртових заводів (барді) і картопляних лушпиннях. Плісеневі гриби містять
різноманітний комплекс ферментів та інтенсивно оцукровують крохмаль
перетворюючи його у зброд-жуваємі цукри. Плісеневі гриби культивують або
на спеціальних підприємствах, або в окремих цехах спиртових заводів.
Оцукрювання крохмалевміспої сировини здійснюють безперервним
способом при додаванні солодового молока чи фер-
775
менших препаратів при певних умовах. В процесі оцукрювання коли 67%
крохмалю перетворюється в цукри — мальтозу і 33° в продукти: розпаду
молекули крохмалю — декстрини. Мальтоза — це зброджуваємий
дріжджами цукор. Декстрини при бродінні дооцукровуються ферментами
середовища в збраджуємі цукри. Процес оцукрювання складається з ряду
послідовних операцій — охолодження розвареної маси до необхідної темпера
тури, змішування охолодженої маси з солодовим молоком чи з культурою
плісеневих грибів, оцукрювання крохмалю, охолодження оцукреної маси до
початкової температури бродіння, передача одержаного середовища (сусла) в
бродильне відділення.
21.5. Зброджування оцукреної маси
При зброджуванні сусла цукор під дією дифузії проходить в дріжджову
клітину. В результаті складних ферментативних процесів в клітині
виробляється спирт і вуглекислота, які виводяться клітиною в навколишнє
середовище.
Крім спирту і вуглекислоти продуктами життєдіяльності дріжджів є
гліцерин, оцтовий альдегід, органічні кислоти, а також вищі спирти (сивушні
масла) і т.д.
Тривалість бродіння при температурі (26...30) °С — біля 60 год. Зріла бражка
містить (8... 10)% об. спирту, деяку кількість нерозчиненого крохмалю і
пезброджених цукрів. Вилучена при бродінні вуглекислота надходить до
спиртоловушки, де спирт поглинається водою. Очищена вуглекислота
надходить до вуглекислого цеху де її скраплюють. Всі апарати батареї
з'єднані трубками, по яких перетікає бродяче сусло, подається вода та пара
для стерилізації. Бражка надходить до ректифікаційного відділення заводе
для вилучення з неї спирту.
21.6. Вилучення спирту
Склад зрілої бражки, що одержана при, зброджуванні сусла, складний, але
його можна розділити на дві частини — леткі та нелеткі компоненти. До
легких відносять етиловий спирт, воду, органічні кислоти, ефіри, альдегіди,
вищі спирти. Всього в бражці міститься більше 50 летких речовин. До
нелетких компонентів відносять: дріжджі, солі, незброджусмі вуглеводи,
гліцерин та інші.
Завдання заключается в тому, щоб відокремити з цієї складної суміші леткі
компоненти і одержати етиловий спирт належної
776
міцності та чистоти. Домішки спирту при цьому вилучають із спирту і ділять
па фракції. У відходи йде барда, як цінний кормовий препарат для годівлі
худоби.
Вилучення спирту проводять за допомогою ректифікації, яка заснована на
різній леткості спирту і його домішок. Леткість домішок змінюється в
залежності від концентрації в середовищі етанолу. Для оцінки летких
домішок по відношенню до леткості етанолу вводять поняття про
коефіцієнти випарювання і ректифікації. Позначимо вміст спирту в парі А, а
в рідині — а. Відношення К=А/а називають коефіцієнтом випаровування.
Для домішок відповідно приймемо позначення а і /
. Тоді маємо: Kg = a/
.
Для прикладу, при вмісті етанолу в рідині 10% масових в парі: міститься
52,5% масових спирту. Тому Ксп = 52,2/10 = 5,22. Коефіцієнтом ректифікації
називають відношення коефіцієнта випаровування домішок до коефіцієнта
випаровування етанолу.
A
da
a
Aa
Kcn
Kg
K
Коефіцієнт ректифікації показує збільшення чи зменшення вмісту домішок
по відношенню до етилового спирту. Домішки спирту розділяють на 3 групи;
головні, проміжні і хвостові.
До головних відносять ті, які мають коефіцієнт ректифікації більше за 1.
Основні їх представники: оцтовий альдегід, масляний альдегід, оцтово-
етиловий ефір та ін. Вони концентруються в парі при будь-якому вмісту
спирту в рідкій фазі. У хвостових домішок леткість завжди менша леткості
етанолу, тобто К’< 1. До цієї групи відносять: воду, оцтову кислоту.
Проміжні домішки мають подвійні властивості. При високих концентраціях
спирту вони проявляють себе як хвостові домішки (К’<1), а при низьких
концентраціях — головними (К’<1). Користуючись різницею в леткості
компонентів ректифікація дозволяє вилучити етанол із домішок у будь-якій
концентрації.
Ректифікаційні установки спиртових заводів — складні системи, які
включають колони, теплообмінну апаратуру (дефлегматори, холодильники,
кип'ятильники), контрольно-вимірювальні пристрої і автоматичні засоби
управління.
Основними елементами ректифікаційної установки с колони, кількість яких
змінюється в залежності від її типу. Колона — аппарат протитечійний. В ній
встановлені тарілки — контактні пристрої, які призначені для приведення в
тісний контакт пари,
777
що надходить знизу колони і рідину, що стікає по стінкам зверху вниз. При
такому контакіі обмін компонентами між парою та рідиною дуже
ефективний.
Рис. 21.2. Схема брагоректифікаційного апарату
І — бражна колона, 2 — конденсатор, З — елюраційна колона,
4 — дефлегматор, 5 — конденсатор, 6 — ректифікаційна колона,
7 — дефлегматор, 8 -— холодильник
На рис. 21.2 наведена одна із найбільш розповсюджених технологічних схема
брагоректифікаційної установки, що складається із трьох колон: бражної - /,
епюраційної — 3, ректифікаційної г- б. За такою схемою бражка із
бродильного відділу насосом подається в конденсатор (дефлегматор) 2, потім
в підігрітому стані в колону І, в яку знизу також подається гріюча пара, що
підіймається назустріч бражці, яка стікає, по тарілках вилучає із неї леткі
компоненти. Залишок (барда) виводиться знизу колони. Спиртоводна пара
конденсується в конденсаторі 2, віддаючи теплоту бражні. Спиртовий:
конденсат, що містить всі леткі елементи бражки, надходить в епюраційну
колону 3, призначення якої в тому, щоб вивести із конденсату головні
домішки. Вони частково конденсуються в дефлегматорі 4 і повергаються в
колону 3. Друга частина пари конденсується в конденсаторі 5\ відбирається
як фракція головних продуктів.
778
Звільнена від головних продуктів рідина (епюрат) відправляється в колону 6.
В цій колоні епюрат ділиться на спирт-рск-тифікат, що відбирається з
верхніх тарілок колони та охолоджується в холодильнику 8, і сивушне масло,
що містить домішки ліотеру, який містить в основному воду і деяку кількість
спирту. В установці отримують спирт-ректифікат міцністю (96,2...96,5) об."
о, сивушне масло (хвостові домішки) і головні домішки. Відходами є барда
та лютериа вода. Керування брагоректифікаційпими установками в
основному автоматичне.
21.7. Особливості виробництва спирту із меляси
Із меляси одержують 40% загальної кількості спирту, що виробляється
спиртовими заводами. Технологічна схема отримання спирту найпростіша,
бо в мелясі є готові цукри, які можна безпосередньо зброджувати дріжджами.
Внаслідок цього із технологічної схеми отримання спирту виключаються
процеси розварювання і оцукрювання, які необхідні для підготовки
крохмалевмісної сировини до бродіння. Мелясна барда містить речовини, які
використовуються для: отримання: дріжджів, бетаїну, добрив і ряду інших
цінних продуктів. На рис. 21.3 наведено одну із можливих схем безвідходної
переробки меляси на спирти і інші продукти.
Оскільки суттєва різниця заклточається в підготовці сировини до бродіння,
то розглянемо тільки цю частину схеми. Підготовку меляси до бродіння
виконують в такому порядку: знезаражують та збагачують мелясу
поживними речовинами, гомогенізують і антисептують, розводять водою
(приготування розсиропки), а потім освітлюють.
Головною метою антисептування є створення сприятливих умов для
розвитку дріжджів та уникнення розмноження другорядних мікроорганізмів.
Антисептування складається із нагрівання до температури стерилізації,
втриманні при цій температурі, охолодження і подальшому підкисленні
сірчаною і соляною кислотами. Також використовують спеціальні антисепти-
ки. Так як для життєдіяльності дріжджів в мелясі недостатньо азоту і
фосфору, то в мелясу додають живильні солі, що містять ці компоненти.
Оброблену таким чином мелясу помішують в збірник, де перемішують і
зберігають її протягом (8... 10) годин.
В подальшому мелясу розбавляють водою до концентрації, при якій вона
може бути зброджена дріжджами. Для вилучення із
779
Рис. 21.3. Функціональна схема безвідходної переробки меласи
780
меляси завислих частинок використовують осаджувальні центрифуги
(сепаратори). Розсиропка направляється в бродильне відділення. В процесі
бродіння сусла безперервним способом сахароза підлягає гідролізу,
перетворюючись у глюкозу та фруктозу, які і зброджуються у спирт. Решта
етапів виробництва спирту із меляси суттєво не відрізняється від переробки
іншої сировини.
Вирощування дріжджів. Виробництво спирту засновано на спиртовому
бродінні в середовищі без кисню спеціальними расами дріжджів із роду
сахароміцєтів. Дріжджі при цьому розмножуються слабко, але добре
зброджують цукри в спирт і вуглекислоту із незначним виділенням теплоти
для кожного виду сировини використовують такі раси дріжджів, які
найбільше підходять. Із відходів, які отримані при освітленні зрілої бражки
(при переробці меляси) отримують хлібопекарські дріжджі. Вихід дріжджів
складає до 3,5 кг на один дал спирту. Виробництво цих дріжджів дуже
вигідне і складається із таких технологічних процесів: вилучення дріжджів із
бражки, промивання і попереднє, концентрування дріжджової суспензії,
дозрівання, кінцеве промивання і концентрування, пресування на
фільтропресах, формування та пакування дріжджів. Вологість готових
пресованих дріжджів складає 75%.
На спиртзаводах вирощують і гак звані засівні дріжджі, які необхідні для
бродіння на початковому етапі бродіння. Засівні дріжджі розмножують
періодичним чи напівбезперервним способом. На початку виробничого
сезону дріжджі розмножують із чистої культури по схемі "пробірка — колба
500 мл — бутель 5 л — маточник-дріжджанка". При встановленому режимі
роботи використовують метод природно чистої культури. Живильним
середовищем в цьому разі є підкислене сусло.
При комплексній переробці сировини на спиртових заводах вирощують
кормові дріжджі, використовуючи за головний живильний компонент —
барду. Види кормових дріжджів відрізняються здатністю до активного
накопичення маси. Кормові дріжджі вирощують в спеціальних чанах при
активній аерації. При цих умовах дріжджі окислюють цукри до води та
вуглекислого газу за схемою:
С
6
Н
12
О
6
+ 6СО
2
6СО
2
+ 6Н
2
О (аеробне дихання).
Значна кількість енергії, що при цьому виділяється, використовується для
накопичення біомаси. Дріжджова клітина містить в середньому (З7...50)°о
білкових речовин і (35...40)% вуглеводів. Тому дріжджі с дуже цінним
кормовим продуктом.
781
Виробництво кормових дріжджів складається із таких основних стадій:
підготовка живильного середовища, вирощування дріжджів, концентрування
дріжджової суспензії. При цьому повинні бути спеціальні пристрої для
відведення теплоти, що утворюється в процесі бродіння і для посиленого
підвищення кисню повітря.
Підготовка живильного середовища заключається в тому, що гарячу барду
охолоджують в теплообмінниках, підкислюють кислотою, добавляють азотне
та фосфорне живлення, і отримують сусло. Засівні дріжджі видів, здатних до
активного накопичення біомаси, вирощують в апаратах чистої культури.
В деяких випадках в якості засівних використовують концентровані дріжджі.
Сусло разом із засівними: дріжджами подають в дріжджегенератори, а потім
разом з кислотою (для підтримки необхідного рН) в дріжджевирощувальні
чапи. Зернокартопляна барда використовується для вирощування дріжджів
після фільтрування, тобто після вилучення дробини.
Концентр у в ання кормових дріжджів зводиться до згущення на сепараторах
і висушуванні на вальцьових чи розпилюваннях сушарках. В результаті
отримують кормові дріжджі з вологістю (7...8)%, що містять (45...52)% білку.
Вихід сухих кормових дріжджів складає від 1,4 до 3,0 кг на один декалітр
спирту в залежності від виду барди і технологічної схеми.
21.8. Контроль та управління технологічним процесом
Технологічний процес отримання спирту із крохмалистої сировини може
бути поділений на структурні технологічні одиниці в відповідності із схемою
на рис. 20.1. Підготовче відділення заводу обладнане картоплемийками
безперервної дії, схожі на ті, що застосовуються на цукрових заводах для
мийки буряків. Картопля транспортується гідравлічним транспортером в
мийному відділені, а звідси елеватором на перетирання і розварювання.
Основною метою процесу є отримання чистої картоплі, а кількісною оцінкою
цієї мети можуть бути припустимі забруднення, що визначаються
лабораторним аналізом. Керуючими параметрами на цьому етапі переробки є
виграти картоплі Gk та води Gb. Конструктивними параметрами мийних
машин можна керувати установчо, періодично.
На етапі розтирання та розварювання сировини керуючими параметрами є
температури у варочному апараті та час розварю-
782
вання. Результатом роботи варочного відділу с ступінь руйнування клітин
маси, що надходять у відділення оцукрювання.
При періодичних процесах оцукрювання є самостійним етапом. Керують
процесом зміною витрат сировини і солодового молока, температурою,
швидкістю переміщування та іншими параметрами.
Повноту оцукрювання контролюють за кольором розчину йоду чи
експресним методами при автоматичному керуванні. При безперервному
методі оцукрювання процеси розварювання і оцукрювання проходять
одночасно, а керуючі дії сумісні. Брагоректифікацій-пий відділ спиртового
заводу — автоматично діюча система. Головними керуючими факторами є
витрати пари Gn для окремих колон, води на дефлегматори Gb і бражки іта
вході в бражну колону F.
Головну мету брагоректифікації в самому простому випадку можна
сформулювати таким чином: отримати спирт потрібної концентрації при
заданій обмеженій кількості його в кубовому залишку. Більш складною
метою може бути забезпечення мінімальних витрат енергії, приведених та
інших витрат на отримання спирту потрібної концентрації та заданої якості.
З точки зору оптимізації процеса культивування мікроорганізмів його
доцільно розглянути послідовно: отримання оптимальних живильних
середовищ, оптимальних технологічних режимів бродіння і концентрування',
апаратурного оформлення цих процесів, а також проектування найбільш
доцільної системи управління.
Інтегральною оцінкою якості процесу може бути прибуток П., отриманий від
реалізації продуктів біосинтезу, що визначається за такою формулою:
Зу-Зпр-Зк)GкЦ
(ЗдрGдрЦП
,
де Gдр — кількість дріжджів, що утворилися в культиваторі,
Ц — ціна одиниці маси дріжджів,
Здр — втрати дріжджів на подальших етапах переробки (концентрування та
ін.),
Gk і Зк — витрати на подальших етапах переробки,
Зпр і Зу— витрати на виробництво і управління.
Найбільш складною ділянкою з точки зору керування є основна стадія
виробництва — вирощування дріжджів. Складність розв'язаня цієї задачі
обумовлена багатопараметричшстю процесу, особливостями взаємодії
процесів гідродинаміки масообміну і біохімічних перетворень. Батат
опараметричпість процесу вирощування дріжджів обумовлюється більшою
кількістю факторів, що визначають кількісні показники процесу.
783
Рис. 21.4. Схеми керування ректифікаційними колонами
за складом дистиляти:
а) зміною складу, б) витратами флегми,
в) витратами теплоносителя
Керування процесами вилучення спирту при самій простій (технологічній)
постановці мети (задана концентрація спирту в дестиляторі і кубовому
продукті), здійснюється за двома принциповими схемами керування складом
дистиляту і керування складом кубового залишку. Схеми цих систем
керування наведено на рис. 21.4 та 21.5. Керуючим параметром служить
температура на одній із тарілок верхньої частини колони t, яка корелюється із
складом дистилята. Місце установки первинного вимірювального приладу
встановлюють на основі ескпериментальних досліджень. В першому випадку
керують витратами дистиляту D, в другому — витратою флегми G, а в
третьому — втратою гріючої пари Gn. Останні параметри, що залишилися —
стабілізуються.
Рис. 21.5. Схеми керування ректифікаційними колонами за складе кубового
залишку
При керуванні складом кубового залишку як і в попередньому випадку є
температура по одній із тарілок нижньої частини колони t Місце установки
також установлюють експериментально. В першому випадку керують
витратами кубового продукту, а в другому випадку керують рівнем рідини в
кубі.
Це найбільш прості системи автоматичного керування не завжди
задовольняють вимогам надійності показників якості процес)' і тому
застосовують більти складні і більш дорогі систс-
785
ми керування. Кожна система керування повинна бути виправдана
економічно. Це обгрунтування проводять у відповідності з принципами, які
викладені раніше.
Контрольні запитання до 21-го розділу
1. Загальна характеристика бродильних виробництв.
2. Сировина для виробництва спирту та його показники якості.
3. Принципи підготовки різних видів сировини дія зброджування на спирт.
4. Показники якості спирту.
5. Основні етапи виробництва спирту.
6. Комплексна переробка продуктів при виробництві спирту.
7. Виробництво дріжджів на спиртовому заводі.
8. Вилучення та очищення спирту,
9. Керування брагоректифікаційними апаратами.
10. Керування процесами вирощування дріжджів.
11. Солод і його роль у виробництві продуктів бродіння.
12. Основне устаткування спиртзаводів та їх призначення.
786