Удосконалення технологічної схеми виробництва біоетанолу на цукровому заводі м. Узин

З 1т коренеплодів буряків  може бути вироблено 80-100 л біоетанолу, тобто для виробництва 1т біоетанолу потрібно 12,7-15,9 т цукрових буряків.

Із розрахунку на 1 га площі  цукрових буряків виробництво біоетанолу різнитиметься не тільки від виходу з одиниці сировини, а й врожайності  культури.

З 1 т меляси отримуємо 300 л біоетанолу, або з 1 т цукрових буряків, перероблених на цукор, при  виході  меляси 4,7 % до маси перероблених буряків може бути вироблено 14,3 л  біоетанолу.

До додаткового сировини відносять ортофосфорну кислоту, сульфат  амонію, карбомід (сечовину) або диамонійфосфат. Також у виробництві біоетанолу використовують біостимулятори, різні кислоти (сірчану, соляну), піногасники (це в основному жири, масла і продукти їх гідролітичного розщеплення - ВЖК) [6].

3.2. Підготовка меляси для виробництва

 

 

Меляса, патока кормова – побічний продукт бурякоцукрового виробництва, густа брунатна рідина, що залишається після переробки цукрових буряків як відходи виробництва цукру.

При переробці на спирт  меляси підготовка її зводиться до гомогенізації (усереднюванню складу), підкислення, асептування, додавання  живильних речовин для дріжджів і розбавленню водою. Мелясу, сильно інфіковану мікроорганізмами, піддають тепловій стерилізації, а при випуску  спиртних дріжджів як хлібопекарських  – ще і очищають від зважених домішок.

Залежно від технологічної схеми переробки меляси одно- або двохпотоковою – готують мелясне сусло однієї або двох концентрацій сухих речовин: 22% або 12 і 32% відповідно. 12%-ве сусло називається дріжджовим і служить для вирощування посівної культури дріжджів, 32%-ве – основним. На цукровому заводі в м. Узин використовують 2 схеми паралельно [4].

 

3.2.1. Однопотокові схеми

 

За такою схемою передбачено кислотне асептування і усереднювання добового запасу натуральної меляси, в дрожжегенераторах застосовані пневмоциркуляційні аератори, дрожжегенератори і бродильні апарати сполучені більш абсолютно, для зменшення витрати піногасників проводять внутрішньобатарейне піногасіння.

Спосіб однопотокового зброджування сусла рекомендується для заводів, що випускають спирт і хлібопекарські дріжджі, оскільки стійкість їх при  зберіганні вище, ніж отриманих двохпотоковим  способом.

При однопотоковому зброджуванні готують сусло однієї концентрації – 22-24%, що спрощує технологію і управління процесом бродіння. Мелясне сусло спочатку використовують для культивування дріжджів, а потім безперервно зброджують ними.

По однопотоковій схемі  мелясу перед зважуванням гомогенізують  шляхом перекачування насосом з  нижньої частини гомогенізатора (циліндрового резервуару) в різні  місця по його висоті. Дефектна меляса спочатку стерилізується парою в контактній головці, потім охолоджується в пластинчастому теплообміннику і прямує в той же гомогенізатор, де змішується з нормальною мелясою.

Після зважування меляса підкисляється, асептуєтся і збагачується живильними речовинами для дріжджів в спеціальному змішувачі, розбавляється водою (розніжується) до 35- 40%-ной концентрації, очищається від зважених домішок на кларифікаторі і, нарешті, остаточно розніжується до 22%-ной концентрації.

 

3.2.2. Двопотокові схеми

 

Спосіб безперервного  зброджування мелясного сусла в промисловому масштабі вперше був застосований С. В. Лебедевим і Д. Н. Климовським в 1937 р. на Монастирищенському спиртному заводі. Суть цього способу полягала в тому, що основне сусло зброджувалося в чотирьох послідовно сполучених апаратах дріжджами, виділеними із зрілої браги за допомогою сепараторів.

Виробничі дріжджі з дрожжегенераторів (активаторів) і основного сусла поступали в нижню частину першого бродильного апарату, брага піднімалася, переливалася в нижню частину другого апарату, а з нього – в третій. Два останні апарати було сполучено трубою у верхній частині.

Зрілу брагу відводили  з низу четвертого апарату, де осідали  дріжджі, перед сепарацією її направляли в декантатор для відділення мертвих  дріжджових клітин і опадів. Нижній шар спускала в збірку брага, а верхній – сепарували, направляючи брагу в ту ж збірку.

Для отримання виробничих дріжджів готували мелясне (дріжджове) сусло концентрацією 11 - 12% сухих речовин, підкисляли його сірчаною кислотою до 1,1-1,3(рн 4), збагачували мінеральними живильними солями і безперервно подавали в два активатора, в яких дріжджове сусло змішувалося з дріжджами.

У активаторах дріжджове  сусло зброджувалося до 5% сухих  речовин і безперервно зливалося  в перший бродильний апарат, де змішувалося  з основним суслом концентрацією 30-34% сухих речовин в співвідношенні 1:1. Ступінь зброджування основного  сусла регулювали його притокою. Видиму щільність браги підтримували в  першому бродильному апараті 14%, в другому – 10, в третьому – 6,5 і в четвертом-до 6,1 %.Зріла брага мала міцність 8,8-9,0 %.

Суть двохпотокового способу  збереглася до теперішнього часу. Особливість  його – сепарація дріжджів і повернення їх в початок бродильної батареї  для багатократного використання, що дозволяє понизити витрати цукру  на синтез нової біомаси і підвищити вихід спирту приблизно до 2%.

При багатократному використанні дріжджів, не дивлячись на наявність  високої концентрації життєздатних дріжджових клітин, швидке настання головного бродіння пригноблює процес дихання і призводить до зниження брунькування клітин. Приріст нових дріжджових клітин врівноважується відмиранням старих; неактивні клітини заповнюються молодими, фізіологічно діяльними.

Чим вище концентрація життєздатних дріжджів і чим менше залишається  в суслі живильних речовин, тим  слабкіше йде процес брунькування і  розмноження; швидкість розмноження  обернено пропорційна концентрації дріжджових клітин.

Багатократне використання дріжджів, що повертаються, веде до скорочення і усунення лаг-фази, навіть логарифмічної  фази, і приводить до підвищення інтенсивності бродіння. Дріжджі весь час знаходяться в стаціонарній фазі розвитку. Енергія бродіння при 2-4-кратному їх використанні підвищується.

По двохпотоковій схемі  меляса, що гомогенізує, призначена для  приготування дріжджового сусла, зважується, як і по однопотоковій схемі, підкисляється, асептуєтся, збагачується живильними солями і розбавляється водою  до 12%-вої концентрації. При цьому кількість кислоти і живильних солей, розраховану на всю мелясу, вносять до дріжджового сусла.

Мелясу, призначену для приготування основного сусла, після зважування тільки асептують і потім розсироплюють до 32%-ной концентрації [36].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 4

ХАРАКТЕРИСТИКА МІКРООРГАНІЗМІВ. Культивування

 

 

1. Загальна характеристика

 

 

Сахароміцети (лат. Saccharomycetes) — клас сумчатих грибів (аскоміцетів).

Під загальною назвою дріжджі  з сахароміцетами часто об'єднують  гриби, що брунькуються або  гриби,що не утворюють сумчастої стадії (аспорогенні  дріжджі).

Сахароміцети - єдиний клас підвідділу Saccharomycotina, званого також «геміаскоміцетами» або «голосумчаті» (підвідділ Hemiascomycotina або клас Hemiascomycetes). До класу сахароміцетів, у свою чергу, відносять один порядок Сахароміцетові (Saccharomycetales). Аж до кінця XX століття до групи голосумчатих відносили аскоміцети примітивної будови, у яких не утворюються плодові тіла, а сумки формуються на міцелії або з окремих клітин (у дріжджових форм), і розділяли цю групу на 4 порядки : Ендоміцетові, Тафрінові, Протоміцетові, Аскосферові.

Вегетативне тіло сахароміцетів  часто являє собою окремі клітини,що брунькуються тобто дріжджову форму, в певних умовах вони можуть утворювати псевдоміцелій, є і види, що мають  справжній міцелій. Деякі види диморфні - залежно від умов розвиваються в міцеліальній або дріжджовій формі. До міцеліальних Сахароміцетів відноситься, наприклад, сімейство Діподаскові (Dipodascaceae), види якого зустрічаються в слизових витіканнях рослин, на деревині, в грунті, в асоціаціях з безхребетними тваринами (комахи, кільчасті черв'яки) [10].

 

 

 

4.2. Застосування

 

 

Сахароміцети  продукують комплекс ферментів, під  дією якого цукри сусла перетворюються на етиловий спирт і діоксид вуглецю. У спиртовому виробництві застосовують раси (різновиди, що відрізняються кількома особливостями) дріжджів верхового  бродіння, що володіють високою енергією бродіння. Вони утворюють максимальну  кількість спирту, зброджують моно-і  дисахариди і частини декстринів [11].

 

 

4.3. Фази росту Saccharomyces cerevisiae

 

 

Для управління процесами  ферментації необхідно знати  закономірності росту мікрорганізмів у періодичних і безперервних умовах культивування.

Розглянемо фази росту популяції Saccharomyces cerevisiae, які відображають загальну закономірність росту і розмноження цих мікроорганізмів (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Saccharomyces cerevisiae

1. Початкова фаза, охоплює проміжок часу від  моменту висівання мікроорганізмів  на живильне середовище й до  досягнення максимальної швидкості росту. В цей період мікроорганізми пристосовуються до умов культивування. Тривалість цієї фази залежить від зовнішніх умов, віку і видової специфічності бактерій.

2. Експоненціальна,  або лог-фаза. В цей період розмноження  мікроорганізмів відбувається з найбільшою швидкістю. Кількість клітин збільшується в геометричній прогресії. Внаслідок інтенсивного розмноження клітин відбувається швидке поглинання поживних речовин із живильного середовища і нагромадження в ньому шкідливих продуктів обміну. Це, в свою чергу, сповільнює розмноження культури і лог-фаза переходить у наступну фазу.

3. Стаціонарна  фаза настає тоді, коли кількість  клітин перестає збільшуватись.  У цей період кількість новоутворених  клітин дорівнює числу відмерлих,  а тому кількість живих клітин  деякий час залишається незмінною.  Разом з цим стаціонарна фаза  характеризується максимальною величиною біомаси, максимальною життєдіяльністю мікробної популяції.

4. Фаза відмирання. У цій фазі відмирання мікроорганізмів переважає над розмноженням, зростає гетерогенність культури тощо. Такий стан популяції зумовлюється зміною фізико-хімічних властивостей поживного середовища та іншими несприятливими чинниками. Фаза відмирання досі ще недостатньо вивчена.

 

 

 

 

Рис. 4.2 Схема росту культури мікроорганізмів [15]:

lg N — кількість клітин (млн у 1 мл) в логарифмічному виразі; I — лаг-фаза; II — експоненційна фаза; III — фаза сповільнення росту; IV — максимальна стаціонарна фаза; V — фаза відмирання

 

Виокремлюють ще й фазу виживання, яка характеризується наявністю  окремих клітин, що збереглися протягом тривалого часу в умовах загибелі більшості клітин мікробної популяції. Висівання цих клітин на свіже поживне середовище показало, що вони зберегли здатність після лаг-фази активно рости і розмножуватися [10].

 

 

4. Підготовка МО для зброджування у виробничих умовах

 

 

На виробництві у м. Узин дріжджі розмножують за методом чистої культури з однієї дріжджової клітини в стерильних умовах. Далі їх культивують за методом природно чистої культури, при якому створюються оптимальні умови для розвитку дріжджів (температура, рН, аерація ) і несприятливі для сторонніх мікроорганізмів, в першу чергу бактерій.

Живильним середовищем для розмноження дріжджів служить сусло, що містить речовини, необхідні для їх живлення. Для придушення розвитку сторонніх мікроорганізмів сусло підкисляють сірчаної або молочною кислотою до рН 3,8 - 4,0. Температуру підтримують на рівні 28 - 30 °С.

Розмноження дріжджів здійснюють в апаратах – дрідждогенераторах (вертикальний циліндр з конічним днищем) найти малюнок, забезпечений двома змійовиками для нагріву та охолодження сусла. Процес розмноження дріжджів ведуть періодичним або напівперіодичним способами. При періодичному сусло з оцукрювача перекачують у дрожжанку, нагрівають до 70 ° С і витримують при цій температурі 20 хв з метою пастеризації. Потім охолоджують до 50 ° С, підкисляють сірчаної кислотою, перемішують, охолоджують до 30 ° С і вносять 10% дріжджів від обсягу сусла. При розмноженні дріжджів підтримують температуру на рівні 30 ° С, регулюючи її шляхом подачі в змійовики дрожжанки холодної води. При зниженні концентрації сусла на 1 / 3 від початкової проводять відбір дріжджів. Тривалість розмноження дріжджів близько 20 год.

Напівперіодичний спосіб розмноження дріжджів проводять  в установці з двох дрожжанок  і пастеризатора, в якому пастеризують, підкисляють і охолоджують сусло. Підготовлене сусло подають в  одну з дрожжанок, вводять в неї  дріжджі і залишають на 6 - 8 год  при 28 ° С. Потім половину обсягу дріжджів переводять у другу дрожжанку  і обидві доливають суслом з пастеризатора. Через 6 - 8 год зрілі дріжджі з  однієї дрожжанки спускають в  бродильний апарат. Вільну дрожжанку  миють і стерилізують, після чого половину дріжджів з другої дрожжанки  переводять у вільну, доливають обидва апарати суслом з пастеризатора  і процес повторюється.

До додаткового сировини відносять ортофосфорну кислоту, сульфат  амонію, карбамід (сечовину) або диамонійфосфат. Також у виробництві спирту використовують біостимулятори, різні кислоти (сірчану, соляну), піногасники (це в основному  жири, масла і продукти їх гідролітичного розщеплення - ВЖК).