Удосконалення технологічної схеми виробництва біоетанолу на цукровому заводі м. Узин

Випускаються спеціальними заводами або спеціалізованими цехами спиртових заводів ферментні  препарати являють собою або  рідини з вмістом сухої речовини не менше 50%, або порошки  з певною стандартною ферментативною активністю. Ферментні препарати, які використовуються у спиртовій промисловості, отримують з міцеліальних грибів роду Aspergillus, бактерій Вас. mesentericus, Вас. subtilis. Ці мікроорганізми утворюють а-амілазу, а деякі глюкоамілазу (фермент, що розщеплює крохмаль до глюкози). Застосування ферментних препаратів мікробного походження в спиртовій промисловості замість солоду дозволяє істотно знизити витрату високоякісного зерна на отримання солоду і сприяє підвищенню виходу спирту [11].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 5

ТЕХНОЛОГІЯ ОТРИМАННЯ БІОЕТАНОЛУ

 

 

1. Етапи виробництва біоетанолу

 

 

Біоетанол отримують зброджуванням  цукру за технологією, яка використовується у виробництві пива та харчового  спирту. Природні цукри з цукрового  буряка, цукрової тростини або сорго  зброджуються дріжджами в бражку, тобто суміш спирту, води і незброджені  залишки. Етанол відокремлюють від  бражки в дистиляційних колонах  і додатково очищають у ректифікаційних  колонах, на виході яких отримують суміш  етанолу з водою. На етапі зневоднення  з цієї суміші видаляють залишки  води, і отримують безводний біоетанол, який можна змішувати з бензином в якості окислювача і високооктанового компонента.

Виробництво біоетанолу полягає в здійсненні основних етапів

- підготовка меляси до зброджування;

- вирощування чистої культури дріжджів;

- зброджування цукрів меляси;

- сепарація бражки;

- брагоректифікація дозрілої бражки;

- контроль якості біоетанолу [12].

 

 

2. Підготовка сировини

 

 

 Сировина становить  істотну частину собівартості  біоетанолу. Меляса , що відповідає існуючим стандартам знижує собівартість і підвищує вихід продукту. На етапі підготовки з сировини також витягуються компоненти, які не використовуються при отриманні біоетанолу, але які є сировиною для виробництва інших продуктів.

 

 

5.3. Зріджування, оцукрювання і зброджування

 

 

 Зрідження починається  з затирання, тобто додавання  в мелясу теплої води з отриманням  суспензії. Потім її нагрівають  парою в розварнику, де меляса під дією тепла і альфа-амілазного ферменту перетворюється на гель і зріджується. Альфа-амілаза розщеплює довгі молекули глюкози (цей процес називається гідролізом. Ця гідролізована глюкоза піддається подальшій переробці - оцукрюванню, в ході якої глюкоамілазні ферменти в умовах регульованої температури і рН перетворюють її в придатну для зброджування глюкозу. Частина оцукреного сусла відбирається з і подається в дріжджогенератор 2. Оцукрене сусло з оцукрювача змішується з закваскою в бродильному апараті. Перемішування забезпечує оптимальний контакт дріжджів з цукрами, а регулювання температури і вмісту поживних речовин підтримує необхідну швидкість зброджування. Дріжджі перетворюють молекулу глюкози в 2 молекули етанолу і 2 молекули вуглекислого газу [13].

 

 

5.4 Дистиляція і ректифікація

 

 

Дистиляція починається  з бражної колони 3. Тут з продукту бродіння, бражки, відганяється суміш етанолу і води. Подальше очищення відбувається в ректифікаційної колоні, де спирт максимально звільняється від води і склад парів наближається до азеотропної точки [24].

5.5. Зневоднення та очистка етанолу.

 

 

Щоб отримати паливний етанол, зі спирту-сирцю потрібно видалити воду. Воду можна видаляти за допомогою  молекулярних сит, дифузійного випару через мембрану або азеотропної  перегонкою з розділяють агентами.

 

5.5.1. Технологія молекулярних сит.

 

Використання молекулярних сит (адсорбентів) - це найсучасніша низькоенергетична  технологія зневоднення. Перегріта  суміш парів етанолу та води проходить  через шар цеоліту, тобто пористого  матеріалу з дуже точно витриманим розміром пір. Молекули води трохи менше  розміру пір і в силу своєї  високої полярності утримуються  в порах електростатичними силами. У той же час більш великі молекули етанолу проходять крізь молекулярні  сита, не затримуючись. У результаті утворюється безводний етанол [29].

 

5.5.2. Дифузійне випаровування біоетанолу

 

Дифузійне випаровування - це альтернативний метод осушення, в якому застосовуються гідрофільні мембрани. З одного боку мембрани створюється вакуум. У силу відмінності дифузійного опору і парціального тиску етанолу і води відбувається поділ цих речовин на мембрані. Вода проходить крізь неї, а зневоднений етанол залишається.

 

 

 

 

 

5.5.3 Азеотропна перегонка

 

Під час азеотропної перегонки в суміш спирту і води додається розділяючий агент, який утворює азеотроп з етанолом або водою. Потім у регенераційної колоні цей азеотроп розділяється на розділяє агент і компонент вихідної суміші [30].

 

 

5.6. Технологія  виробництва біоетанолу на цукровому  заводі в м. Узин

 

 

Сировина надходить в  приймальний бункер 1, загальним обсягом 5 м², потім норією 3 подається на сепаратор 4, в якому відбувається очищення меляси від сторонніх домішок. Домішки надходять в бункер 5, об'ємом 1,5 м². У міру накопичення виводяться гвинтовим конвеєром 6 за межі цеху та утилізуються.

Очищена меляса гвинтовим конвеєром 7 подається в бункери 8 для зберігання.

Для виведення меляси з  бункера встановлена засувка  в нижній частині. Гвинтовим конвеєром 9 вона подається в норію 10, яка  переміщує його в бункер 11, що знаходиться  над перемішувачами. З бункера  меляса надходить в один із перемішувачів 12 через дозуючий пристрій.

Далі сировина надходить  у змішувач 13, куди одночасно подається  вода температурою 35-40 ° С у кількості 2,5-3,0 л на 1 кг меляси при постійно працюючій мішалці для запобігання  осідання крупки на днище змішувача  і отримання однорідного замісу.

Плунжерним насосом 14 заміс  подається в контактну голівку 15, куди подається гострий пар. Заміс  миттєво нагрівається до температури 120 ° С і поступає в варочно-бродильний апарат 16 (Рис. 5.1).

Рис. 5.1 Варильно-бродильний апарат

 

Варильно-бродильний апарат складається з корпусу, виготовленого зі сталі.

Бродильний апарат являє  собою циліндр з конічним днищем, виготовлений із сталі товщиною 6 - 8 мм. Сусло в ньому зброджується під дією ферментів дріжджів. Усередині апарату змонтований змійовик 1 з сталевих труб діаметром 51-76 мм для відводу теплоти, що виділяється при бродінні маси. Меляса подається через штуцер 4, дріжджі - через штуцер 3. Вуглекислота, що виділяється при бродінні, відводиться через патрубок 5.

Для огляду і ремонту апарат забезпечений люками 2 і 10. 3а процесом бродіння спостерігають через оглядове віконце 8 за допомогою світильника 7. Термометри встановлюють у гільзи 9. До штуцер 6 підключають гідрозатвор, який запобігає утворенню вакууму  при пропарюванні апарату парою. При безперервно-проточному способі  бродіння на переточні трубах встановлюють дисковий затвор, за допомогою якого  апарат відключається від батареї  для мийки та дезінфекції. Конструкція  затвора запобігає застою бражки, що забезпечує стерильність процесу  бродіння.

Апарат забезпечений лопатевою  мішалкою, вона служить для рівномірного перемішування бродильна суміш на стадії розварювання, і перемішування вже звареної суміші з оцукрюючими матеріалами для охолодження до температури складки. Охолоджуюча вода подається в сорочку знизу вгору. Гріючий пар надходить у верхній патрубок сорочки, а конденсат з нижнього патрубка потрапляє в каналізацію.

Розварювання ведеться в  «м'якому» режимі шляхом витримки суміші при температурі 95 ° С протягом 2 годин. Дана температура підтримується за допомогою подачі пари в сорочку. Для рівномірного підігріву суміші необхідно, щоб мішалка працювала постійно.

Після розварювання меляси приступають до її охолодження до температури оцукрювання, подаючи воду в сорочку апарату знизу. При досягненні температури 58-60°С в зварену мелясу подають оцукрючий матеріал. Оцукрюючим  матеріалом можуть служити ферментні препарати з культур мікроорганізмів. Після ретельного перемішування мішалку зупиняють на 15-20 хвилин для здійснення процесу оцукрювання. Продовжують охолодження сусла до температури складки 18-20 ° С. При досягненні температури складки в сусло насосом задають дріжджі з дрожжанки 17 і залишають на бродіння при герметично закритому чані.

У даній схемі прийнято періодичне 3-добове бродіння. Температура  в період головного бродіння не повинна  підніматися вище 29-30 ° С, під час  доброджування - 27-28 ° С. Бродіння вважається закінченим, коли вміст незброджених цукрів у бражці досягне 0,2-0,3 г/100 мл, а видимий і справжній зміст сухих речовин не змінюється протягом останніх 2-3 годин.

Для конденсації спиртових парів, що виділяються з діоксидом вуглецю, передбачено спиртовловлювачі (у схемі не вказані), промивна вода з яких потрапляє до збірки і потім відводиться на перегонку в цех ректифікації.

Зріла бражка насосом 18 подається  в підігрівач, нагрівається в ньому до 70-75°С і направляється в сепаратор 22, де від неї відокремлюються пари діоксиду вуглецю. Відсепарована брага поступає на тарілку живлення бражної колони 23, а паровий потік - в конденсатор СО₂ 24. Пар рухається знизу вгору по колоні, і стікає по тарілках бражкою і збагачується спиртом. Брага, у вигляді барди відводиться з колони через бардорегулятор 25, а водно-спиртові пари колоною 40-50% об. через піновловлювач надходять в підігрівач, де відбувається їх конденсація. Неконденсована частина водно-спиртових парів відводиться у водяну секцію підігрівача бражки і конденсатор бражні колони 26. Сконденсовані водно-спиртові пари і домішки спирту утворюють бражний дистилят, який направляється в епюраційну колону 28 для очищення.

У епюраційній колоні крім очищення бражного дистиляту від головних домішок відбувається їх концентрування. Паровий потік з виділеними в процесі епюрації домішками надходить в дефлегматор 29 і конденсатор 30, конденсується і у вигляді флегми повертається на верхню тарілку колони. Головний фракція відбирається з конденсатора, потім через холодильник і контрольний снаряд направляється в спиртоприймач. Бражний дистилят після епюраціі колоною 30-35% об. надходить на 16-у тарілку ректифікаційної колони 31. У колоні спирт відганяється, зміцнюється, компоненти сивушного масла конденсуються; відбувається також пастеризація спирту, тобто додаткове очищення його від головних домішок за рахунок наявності тарілок над зоною відбору спирту. Пари спирту надходять в дефлегматор 32, не сконденсована частина спиртових парів з дефлегматора поступає в конденсатор 33, в якому відбувається їх повна конденсація. З конденсатора 33 ректифікаційної колони. Непастеризований спирт в кількості до 3% через ротаметр направляється на 3 або 4 тарілку епюраційної колони або відводиться на ліхтар головної фракції.

Ректифікований етиловий спирт з однією з таріло відбору спирту направляється на холодильник або на тарілку живлення остаточного очищення.

Брагоректифікаційні установки, що застосовуються в спиртовій промисловості, укомплектовані бражною, епюраційнної і ректифікаційної колонами.

Ректифікаційні колони (мал. 3.), що входять до складу установок, бувають колонними, відганяючими, концентраційними.

Повна колона 1 (мал. 3.,а) складається з відгонкової (вичерпної) і концентраційної частин, до складу яких входить дефлегматор 2 і холодильник дистиляту 3. Гріючий пар підводиться в нижню частину колони, а вода проходить через дефлегматор і холодильник. Харчування в повну колону вводиться в середню частину (на верхню тарілку відгонної частини колони). Дистилят відводиться з холодильника дистиляту.

 

               а)                    б)     в)

Рис. 5.2 Принципові схеми ректифікаційних колон

а) - повна б) - неповна відганяюча в) - неповна концентраційна

 

Відганяюча колона 1 (неповна) (мал. 5.2, б) має тільки відгонну частину, в ній відсутній дефлегматор 2, а живлення подається на її верхню тарілку.

Концентраційна колона 1 (неповна) (Рис.5.2, в) забезпечена дефлегматором 2, а живлення надходить під нижню тарілку в пароподібному вигляді.

Повною ректифікаційної  колоні 1 створюється можливість для  отримання практично в чистому  вигляді обох компонентів поділюваної  бінарної (двокомпонентної) суміші. У  неповній відгонній колоні з нижньої частини відводиться практично чистий важколеткий компонент, а з верхньої - пар, збагачений легколетючим компонентом. З верхньої частини неповної концентраційної колони відводиться практично чистий легколетючий компонент, а з нижньої - залишок S, збагачений важколетучим компонентом.

Контактний пристрій - основний елемент ректифікаційної колони, на якому здійснюється процес масообміну між парою і рідиною. Інтенсивний масообмін на контактному пристрої досягається шляхом створення розвинутої поверхні контакту фаз та активної гідродинамічної обстановки.(Рис 5.3)

 

Рис. 5.3 Контактний пристрій

 

У спиртової промисловості, як правило, застосовують тарілчасті контактні  пристрої, на яких здійснюється послідовно ступінчастий контакт фаз. На тарілці  утримується шар рідини, через  який проходить пар, в результаті чого здійснюється масообмін [22].

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 6

 ІСНУЮЧІ СПОСОБИ ПЕРЕРОБКИ БАРДИ

 

 

Узинський цукровий комбінат (Київська обл.) налагодив на потужностях  одного із цехів виробництво біоетанолу із цукрової меляси. Перероблюючи в добу приблизно 70 т меляси, завод отримує 30 т біоетанолу.

Технологія виробництва  спирту відноситься до біотехнології, так як виробництво пов'язане  з використанням каталізаторів (ферментів), що мають біологічне походження. При  належному підході виробництво  спирту є безпечним і безвідходним: у виробництві крім спирту отримують  діоксид вуглецю, барду, ефіро-альдегідну фракцію, сивушні масла.