Помозова В.А. Технология отрасли. Технология спиртового и ликеро-водочного производств

Подождите немного. Документ загружается.

количество клеток в головном чане батареи. Продолжительность

брожения снижается с 56–60 часов до 51 часа. Благодаря мень-

шему нарастанию кислотности в процессе брожения удлиняется

межстерилизационный период с 2-х до 3-х суток. Производи-

тельность батареи увеличивается до 40%, увеличивается выход

спирта до 0,8–1,2 дал/т крахмала. За счет возврата бродящей сре-

ды обеспечивается повторное использование дрожжей, благодаря

чему уменьшается расход сахара на их биосинтез.

7.5 Качественные показатели зрелой бражки

В зрелой бражке кроме видимой концентрации сухих ве-

ществ контролируется крепость: 8–9%, нарастание кислотности:

не более 0,15–0,20

; содержание несброженных сахаров: 0,25% –

при отличной работе; 0,35 – при хорошей, 0,45 – при удовлетво-

рительной.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Дайте биологическую характеристику спиртовых дрож-

жей. Назовите оптимальные условия для размножения дрожжей.

2. Какие вещества потребляются спиртовыми дрожжами в

качестве углеводного и азотистого питания?

3. Какие соединения являются активаторами и ингибитора-

ми роста дрожжей?

4. Назовите и охарактеризуйте способы культивирования

засевных и производственных дрожжей.

5. Охарактеризуйте цели и процессы, происходящие при

сбраживании осахаренного сусла.

6. Назовите способы сбраживания сусла, приведите их па-

раметры и дайте сравнительную характеристику.

7. По каким показателям контролируется процесс броже-

ния? Как влияет на процесс брожения повышенная кислотность

бродящего сусла?

8. ВЫДЕЛЕНИЕ СПИРТА ИЗ БРАЖКИ И ЕГО

ОЧИСТКА ОТ ПРИМЕСЕЙ

8.1 Состав бражки и характеристика летучих

примесей спирта

Бражка представляет собой многокомпонентную смесь, в

состав которой входит вода – 82–90%, сухие вещества – 4–10%,

летучие вещества – 6–11%, в том числе 5–9% этилового спирта.

Сухие вещества бражки представлены как взвешенными

частицами (дрожжи, дробина), так и растворенными в водно-

спиртовой смеси органическими и неорганическими веществами

(декстрины, несброженные сахара, белки, кислоты, минеральные

вещества). В зерно-картофельной бражке много взвешенных час-

тиц, она более вязкая, чем мелассная, но общее количество сухих

веществ в мелассной бражке выше (8–10%) по сравнению в зер-

новой (5–7%) и особенно картофельной (3–4%).

Летучие примеси составляют около 0,5% к объему спирта,

однако количество их велико: в настоящее время обнаружено бо-

лее 70 различных веществ. Основную часть примесей составляют

4 группы органических соединений: спирты, альдегиды, кислоты

и эфиры. Кроме того, выделена группа азотистых веществ (амми-

ак, амины, аминокислоты) и серосодержащих соединений (серо-

водород, сернистый альдегид, сульфокислоты, меркаптаны), ко-

торые оказывают значительное влияние на органолептические

показатели спирта.

Основная часть примесей образуется в процессе брожения,

состав их также зависит от вида и качества сырья, параметров

технологических процессов. Частично примеси выщелачиваются

из сырья, воды и вспомогательных материалов.

Среди примесей этилового спирта преобладают спирты,

наибольшую долю их составляют изоамиловый, изобутиловый,

н-пропиловый спирты, которые составляют основу сивушного

масла (0,30–0,35% от количества этанола в бражке). Метиловый

спирт образуется преимущественно при тепловой обработке сы-

рья, в наибольших количествах он присутствует в бражке из

свекловичного сырья, в зерно-картофельной бражке его обычно

не более 0,2% к количеству этилового спирта.

Из альдегидов преобладает уксусный альдегид. Его количе-

ство увеличивается при аэрации сусла, поэтому уксусного альде-

гида больше в 10–50 раз в мелассной бражке (до 0,05% к этанолу)

по сравнению с зерно-картофельной.

Кислоты представлены, в основном, уксусной, присутству-

ют также масляная, пропионовая, валериановая и др. Их содер-

жание 0,05–0,1% к количеству этилового спирта.

Эфиры образуются при брожении, а также частично при пе-

регонке бражки. Преобладают уксусноэтиловый, уксуснометило-

вый, муравьиноэтиловый эфиры. Их содержание около 0,05% к

количеству этанола.

Основной целью брагоректификации является выделение

спирта из бражки и максимальное освобождение его от летучих

примесей.

8.2 Теоретические основы брагоректификации

Бражка может быть представлена как смесь легколетучего

компонента (спирта с летучими примесями) и труднолетучего

компонента (вода и труднолетучие примеси).

Выделение спирта из бражки и его освобождение от приме-

сей осуществляются путем перегонки и ректификации.

Под перегонкой понимается разделение смеси из двух ком-

понентов (или фракций), обладающих различной летучестью или

температурой кипения, на отдельные компоненты (или фракции)

путем частичного испарения и последующей конденсации пара.

Разделение смеси происходит благодаря обогащению пара легко-

летучим компонентом (ЛЛК), при этом жидкость обогащается

труднолетучим компонентом (ТЛК).

В процессе ректификации происходит разделение много-

компонентной смеси (бражки) на компоненты или группы ком-

понентов (фракции), различающихся летучестью (упругостью па-

ров), путем многократного массо- и теплообмена между противо-

точно движущимися паровым и жидкостным потоками.

Процесс перегонки подчиняется двум законам Коновалова и

закону Вревского.

В соответствии с 1-м законом Коновалова пар, находящийся

в равновесии с жидкостью, обогащается тем компонентом, при-

бавление которого к смеси снижает температуру кипения. Для

смеси этиловый спирт – вода при любой концентрации спирта в

жидкости концентрация спирта в паре будет выше, чем в жидкой

фазе. В данном случае спирт будет представлять собой ЛЛК, а

вода ТЛК.

Однако в соответствии со 2-м законом Коновалова для сме-

си спирт – вода при атмосферном давлении обогащение паровой

фазы спиртом будет идти до определенной концентрации, при

которой концентрация спирта в паровой и жидкой фазе будет

одинакова. Такая смесь называется нераздельнокипящей, а точка

на диаграмме фазового равновесия в координатах Х (концентра-

ция спирта в жидкой фазе,% об.) – У (концентрация спирта в па-

ровой фазе,%, об.), соответствующая этой концентрации – азео-

торопной точкой. При атмосферном давлении она соответствует

концентрации спирта 97,2% об., т.е. при более высоких концен-

трациях спирта пар не обогащается ЛЛК. Следовательно, путем

перегонки при атмосферном давлении нельзя получить спирто-

вый раствор более высокой концентрации.

Оба закона Коновалова действуют при атмосферном давле-

нии. Однако положение азеотропной точки может смещаться в

зависимости от давления. В соответствии с законом Вревского с

понижением давления пар будет обогащаться ЛЛК, т.е. спиртом.

При давлении 9,33 кПа (температура кипения 27

С) азеотропная

точка смещается до 100%. Таким образом, если вести перегонку

при давлении ниже атмосферного, можно получит спирть более

высокой концентрации.

Летучесть любого компонента может быть охарактеризова-

на коэффициентом испарения:

К=У/Х,

где Х – концентрация вещества в жидкой фазе, %;

У– концентрация этого же вещества в паровой фазе, %.

Чем выше К, тем большую летучесть имеет данный компо-

нент.

При очистке спирта от примесей их летучесть оценивается в

сравнении с летучестью спирта. Для этого введен коэффициент

ректификации:

Kр´= Кпр./Ксп.,

где Кпр. – коэффициент испарения примеси;

К сп. – коэффициент испарения спирта.

Коэффициент ректификации показывает, как изменяется со-

держание примесей по отношению к спирту.

Если Кр=1, то перегонка не сопровождается очисткой, со-

держание примесей в парах и жидкости одинаково.

Если Кр >1, то дистиллят содержит больше примесей, чем

подвергнутая перегонке смесь, т.к. летучесть примесей выше, чем

летучесть этилового спирта.

Если Кр<1, примеси накапливаются в жидкости, т.к. их ле-

тучесть меньше летучести этилового спирта и дистиллят содер-

жит меньше примесей, происходит испарение этилового спирта.

В зависимости от значений K´ примеси классифицируются

на 4 группы.

Головные примеси при любых концентрациях спирта име-

ют K´ >1. Они более летучи, чем этиловый спирт. К этой группе

примесей относятся альдегиды, акролеин, низкомолекулярные

эфиры, кетоны и др.

Хвостовые примеси всегда имеют меньшую летучесть, чем

этиловый спирт, поэтому K´<1. К хвостовым примесям относят

уксусную кислоту, фурфурол, воду.

Промежуточные примеси обладают двоякими свойствами:

при высоких концентрациях спирта они ведут себя как хвосто-

вые, при низких концентрациях – как головные. При определен-

ной концентрации спирта их K´= 1. Каждая промежуточная при-

месь имеет свою зону максимального накопления, где K´ равен 1,

в этой зоне осуществляют ее отбор. Промежуточные примеси,

для которых K´=1 при концентрации этанола ≥ 70% об., условно

называют верхними, при меньших концентрациях этанола – ниж-

ними примесями. К верхним промежуточным примесям относят-

ся, например, изопропанол, изовалериано-этиловый, изомасляно-

этиловый эфиры. К нижним промежуточным примесям относятся

все спирты сивушного масла (кроме изопропанола), иовалериано-

изоамиловый, уксусно-изоамиловый эфиры.

Для концевых примесей также характерна двоякость

свойств, как и для промежуточных, однако, они ведут себя как

головные при высоких концентрациях спирта и как хвостовые –

при низких концентрациях спирта. Характерной концевой приме-

сью является метанол.

8.3 Принципиальные схемы брагоректификационных

установок

Процесс ректификации осуществляется в ректификацион-

ных колоннах, в которых на специальных контактных устройст-

вах происходит контактирование парового потока, обогащенного

ЛЛК, и жидкостного потока, содержащего относительно высокую

концентрацию ТЛК. Для получения паровой фазы, обогащенной

ЛЛК, используют перегонку с дефлегмацией. Суть ее заключает-

ся в том, что паровой поток частично конденсируется в специ-

альном теплообменнике – дефлегматоре. Полученный конденсат

возвращается, а оставшаяся часть несконденсировавшихся паров

конденсируется в холодильнике. При этом в оставшейся части

пара концентрация ЛЛК выше, чем в исходном паре. Отношение

количества флегмы L к количеству дистиллята D называется

флегмовым числом: R=L/D. Чем больше флегмовое число, тем

выше концентрация ЛЛК в дистилляте, но при этом больше рас-

ход энергии на перегонку.

В ректификационных колоннах на контактных устройствах

(тарелках) происходят непрерывные процессы массо- и теплооб-

мена между жидкостным и паровым потоками. Флегма, стекая

вниз, встречается с восходящим паровым потоком. При контакте

этих потоков восходящий паровой поток обогащается ЛЛК, а

жидкостной поток – ТЛК. Для создания парового потока в ниж-

нюю часть колонны вводится греющий пар. При достаточно дли-

тельном процессе массо- и теплообмена потоков двухкомпонент-

ной смеси из колонны выходит пар, представляющий собой прак-

тически чистый ЛЛК, конденсат которого дает дистиллят, а из

нижней части – практически чистый ТЛК, который называют ку-

бовым остатком.

Для разделения многокомпонентных смесей на чистые ком-

поненты последовательно устанавливают несколько колонн, объ-

единенных в установки, в каждой из которых образуется дистил-

лят, состоящий из одного или нескольких ЛЛК, и остаток, пред-

ставляющий собой ТЛК.

Ректификационные установки спиртового производства

подразделяют на:

- сырцовые, предназначенные для получения спирта-сырца

из бражки. В них вместе с этанолом из бражки выделяются прак-

тически все летучие примеси. В спиртовой промышленности ис-

пользуются редко;

- установки для ректификации спирта-сырца, в которых

спирт-сырец очищается от сопутствующих летучих примесей, в

результате чего получается ректификованный спирт. Использу-

ются, в основном, на ликероводочных заводах или мелких спир-

товых заводах;

- брагоректификационные установки, в которых совмеще-

ны технологические операции выделения из бражки и очистки

спирта от примесей;

- установки для абсолютирования спирта, в которых полу-

чают абсолютный спирт (крепостью около 100%).

Брагоректификационные установки нашли самое широкое

применение на спиртовых заводах.

В их состав, как правило, входят три основных колонны:

бражная, эпюрационная и спиртовая, а также 1–3 дополнитель-

ных, устанавливаемых по мере необходимости.

Бражная колонна служит для выделения летучей части

бражки от нелетучей и ее освобождения от экстрактивных ве-

ществ, твердой фазы и большей части воды. Побочный продукт,

полученный из бражки после отгонки спирта в бражной колонне,

называется бардой. Она выводится из нижней части колонны, с

ней удаляются взвешенные частицы, экстрактивные вещества,

часть воды и большая часть хвостовых примесей. Летучая часть

бражки, которая содержит этиловый спирт, воду и сопутствую-

щие летучие примеси, выходит в виде пара или бражного дистил-

лята. Спирт-сырец, спиртово-водный пар, которые выходят из

бражной колонны, и бражной дистиллят различаются только по

концентрации в них спирта: спирт-сырец имеет крепость не ме-

нее 88% по объему, спиртово-водный пар и бражной дистиллят –

40–55% по объему. Состав примесей в них примерно одинаков.

Бражной дистиллят может быть представлен 5 основными

компонентами: этиловый спирт С, головные примеси Г, хвосто-

вые примеси Х, промежуточные примеси П и концевые примеси

К. Два последних компонента можно представить как головные

или хвостовые, тогда смесь может рассматриваться как смесь 3

компонентов – С, Г, Х. Для разделения 3-х компонентной смеси

достаточно 2 колонн. Для этой цели используют эпюрационную и

спиртовую колонны.

Эпюрационная колонна служит для выделения головных

примесей (головной или эфиро-альдегидной фракции). Этот про-

цесс называется эпюрацией, а спирт, освобожденный от головных

примесей, получил название эпюрата.

В спиртовой колонне спирт-эпюрат разделяется на практи-

чески чистый этиловый спирт (спирт-ректификат) и лютерную

воду, т.е. освобождается от промежуточных примесей.

Последовательность включения основных колонн в уста-

новку может быть различной, однако, следует учитывать ряд ос-

новных закономерностей, определяющих наилучшие условия от-

деления примесей спирта:

• Известно, что коэффициент ректификации почти всех го-

ловных примесей меньше при низкой концентрации спирта, по-

этому их выделение из слабоградусных растворов идет в колон-

нах с меньшим числом тарелок, при меньшем расходе пара. По-

этому эпюрационная колонна включается в установку сразу за

бражной и питается бражным дистиллятом.

• Освобождение спирта от промежуточных примесей луч-

ше всего проводить из зоны максимального их концентрирова-

ния. Это возможно в средней части колонны, в которой по высоте

концентрация спирта изменяется от 0 до азеотропной точки, то

есть в спиртовой колонне.

• Извлечение концевых примесей лучше проводить в верх-

ней части колонны, в которой концентрация спирта максимальна,

тогда концевая примесь имеет характер головной и отделяется в

зоне, выше зоны концентрирования этанола. На практике фрак-

цию спирта, обогащенного метанолом (концевой примесью), от-

деляют в самой верхней зоне спиртовой колонны в виде так на-

зываемого непастеризованного спирта. Для получения спирта,

полностью освобожденного от метанола, необходима установка

еще одной колонны, называемой колонной окончательной очист-

ки. Для выделения и концентрирования промежуточных приме-

сей устанавливают сивушную колону.

В зависимости от способа включения бражной колонны

имеется несколько схем брагоректификационных установок

(БРУ): прямого, косвенного и полупрямого действия. Принципи-

альные схемы БРУ приведены на рис. 8.1.

а б в

Рис. 8.1 – Принципиальные схемы БРУ

Особенность установок прямого действия (рис. 8.1, в) состо-

ит в питании спиртовой колонны водно-спиртовым паром, выхо-

дящим прямо из бражной колонны. В этих установках тепло

греющего пара используется двукратно. Пар вводится только в

нижнюю часть бражной колонны, а эпюрационная и спиртовая

колонны обогреваются водно-спиртовыми парами из бражной

колонны. Бражка поступает в эпюрационную колонну, освобож-

дается от головных примесей и подается на питание бражной ко-

лонны. Флегма из спиртовой колонны также поступает на пита-

ние бражной, при этом барда имеет низкую концентрацию сухих

веществ за счет разбавления лютерной водой из спиртовой ко-

лонны.

Принципиальной особенностью БРУ косвенного действия

(рис. 8.1, б) является предварительное выделение из бражки спир-

та и сопутствующих примесей. Водно-спиртовые пары из браж-

бражной колонны поступают в конденсатор, конденсируются в

холодильнике, полученный бражной дистиллят поступает в жид-

ком виде в эпюрационную колонну, где отделяются головные

примеси за счет введения в нижнюю часть колонны греющего

пара. Спирт-эпюрат также в жидком виде направляется в спирто-

вую колонну для освобождения от промежуточных и концевых

примесей также за счет ввода свежего греющего пара. Все три

колонны обогреваются свежим греющим паром. Особенностью

этой установки является то, что все колонны связаны друг с дру-

гом жидкостными потоками.

В установках полупрямого действия (рис. 8.1, а) бражку не

подвергают предварительной эпюрации, т.е. из нее не выделяют

головные примеси, а непосредственно направляют в бражную ко-

лонну. Водно-спиртовые пары из бражной колонны вместе со

всеми летучими примесями направляются в эпюрационную ко-

лонну, где из них выделяются головные примеси. Спирт после

отделения от головных примесей в виде жидкого спирта-эпюрата

для освобождения от хвостовых и промежуточных примесей на-

правляют в ректификационную колонну.

Основным отличием установок полупрямого действия от

БРУ косвенного действия является питание эпюрационной ко-

лонны не жидкостным, а паровым потоком из бражной колонны.

Дополнительные колонны: окончательной очистки, сивуш-

ная, разгонная (для извлечения спирта из ГФ), включаются в БРУ

независимо от принципа действия.

8.4 Основные типы брагоректификационных

установок. Выход спирта, его потери

На спиртовых заводах СНГ в качестве типовых приняты ус-

тановки косвенного действия. Они стабильны в работе, легки в

управлении и эксплуатации, обеспечивают высокое качество

спирта; примеси, выделенные при ректификации, выводятся в

концентрированном виде.

Промышленностью выпускаются БРУ производительностью

1000, 1500, 2000 дал спирта в сутки с 3 или 4 колоннами (с ко-

лонной окончательной очистки) и 3000 и 6000 дал спирта в сутки

(с двумя дополнительными колоннами: окончательной очистки и