Производство этилового спирта из картофеля

Промежуточные примеси представляют собой наиболее трудноотделимую группу соединений. В зависимости от условий перегонки они могут быть и головными, и хвостовыми. В эту группу примесей входят изомасляноэтиловый, изовалерианоэтиловый, уксусноизоамиловый, изова-лерианоизоамиловый эфиры.

В некоторых случаях спирт-сырец перед ректификацией предварительно подвергают химической обработке для освобождения от примесей: раствором NaOH омыляют сложные эфиры и превращают их в соли летучих кислот; раствором КмnO4 окисляют альдегиды в непредельные соединения.

Технологическая схема производства спирта-сырца из картофеля

Хранение и транспортировка картофеля

Под буртовое поле отводится ровная площадка с низким уровнем стояния грунтовых вод, имеющая естественную защиту от господствующих холодных (главным образом, северных) ветров.

Тип, размеры, способ укрытия буртов определяются местными условиями, а также качеством картофеля, закладываемого на хранение.

Емкость бурта рекомендуется в пределах 100¸200 тонн и более при хорошем качестве картофеля.

Подача картофеля из рештака на производство осуществляется гидротранспортом. Гидранты устанавливаются с интервалом 8¸15 м.

Картофелехранилище состоит из подработочного отделения и рештака.

Подработочное отделение – многоэтажное здание с подвалом, выполняется в железобетонном, металлическом каркасе или в кирпиче.

Рештак – бункерная заглубленная конструкция открытого или закрытого типа.

Рис. 2. Схема механизации картофелехранилища: а — загрузка хранилища; б — разгрузка хранилища; 1 — самосвал; 2 — приёмный бункер; 3 — лопастной транспортёр; 4 — загрузчик; 5 — выгрузной транспортёр (помещен в вентиляционном канале); 6 — сортировальная машина; 7 — ленточные транспортёры.

 

Подработка картофеля

 

Подработка картофеля заключается в отделении и удалении мусора от сырья, мойке и дроблении.

На транспортировку и мойку расходуется 700 – 800 %* воды по весу сырья.

Расход может быть снижен при повторном использовании воды.

Продолжительность пребывания картофеля в мойке – 10¸14 минут, остаточная загрязненность после мойки - 0,25 %.

Транспортировку картофеля на стадии подработки рекомендуется вести следующим оборудованием:

ü    ленточными и винтовыми конвейерами,

ü    элеваторами,

ü     гидротранспортом.

Угол наклона ленточного транспортера не должен превышать 24°.

Степень измельчения картофеля должна характеризоваться полным отсутствием частиц, остающихся после промыва кашки на сите с диаметром отверстий 3 мм.

Потери на стадии подработки – 0,2 %.

Разваривание, осахаривание и охлаждение сырья

Водно – тепловая обработка сырья на действующих заводах принята непрерывным способом в агрегатах колонного типа.

Приготовление замеса предусматривается в смесителе – предразварнике. В смесителе поддерживается температура 40 – 45° - в предразварнике – 60 - 65° с выдержкой замеса 6 - 7 мин. Картофельная кашка нагревается не выше 45°.

При приготовлении замеса расход воды 2,5 - 3 литра на 1 кг зерна, что обеспечивает концентрацию сусла 16 - 17° по сахарометру.

Режим разваривания картофеля

Температура = 138°С

Продолжительность = 40 мин.

Осахаривание принято непрерывное с одноступенчатым вакуум-охлаждением.

Первая ступень охлаждения до температуры 60 - 62° происходит в испарителе при вакууме в пределах 0,08 - 0,081 МПа.

Для осахаривания крахмала применяется солодовое молоко или ферментные препараты.

Продолжительность осахаривания 15 мин. при температуре 58 - 60°.

Расход солодового молока на осахаривание составляет 15 - 16 % от массы крахмала сырья.

Вторая ступень охлаждения до температуры складки 18 - 20° производится в теплообменнике холодной водой с температурой 10 - 12°.

В настоящее время рекомендован к внедрению способ механико-ферментативной обработки крахмалистого сырья на спиртовых заводах, применяющих ферментные препараты взамен солода.

Применяются препараты микробных ферментов: α-амилазы и глюкоамилазы на стадиях разжижения, осахаривания и брожения.

В качестве осахаривающих материалов используются жидкие глубинные культуры микроорганизмов - продуцентов амилолитических ферментов, которые выращиваются в ферментных цехах при спиртовых заводах по соответствующим регламентам.

Рекомендуемая схема механико-ферментативной обработки крахмалистого сырья

Начальная стадия разжижения крахмала происходит в смесителе при температуре 55 - 60° за счет действия α -амилазы ферментного препарата амилосубтилина Гх, дозируемого из расчета 1,5 ед. АС на 1 г условного крахмала.

Дальнейшее разжижение крахмала производится в аппаратах гидроферментативной обработки 1 ступени - ГДФО-1 при температуре 65 - 70° (при переработке кукурузы при 75°).

Продолжительность выдержки - 3 - 4 часа. Величина рН массы составляет 5,5 - 6,0.

Интенсивная клейстеризация крахмала происходит в аппарате гидроферментативной обработки 2-ой ступени ГДФО-2, разделенном на 3 отсека.

Первая секция - температура 68 - 70°,

 время выдержки 15 - 16 мин.

Вторая секция - температура 72 - 75°,

 время выдержки 15 - 16 мин.

Третья секция - температура 85 - 95°,

 время выдержки 15 - 16 мин.

Осахаривание стерилизованной массы происходит в испарителе-осахаривателе, где масса смешивается с ферментным препаратом α -амилазы - амилосубтилином Гх.

Дозировка α -амилазы составляет 0,5 - 1,0 ед. АС/г условного крахмала сусла, продолжительность выдержки сусла при температуре 58 - 60° составляет 30 - 35 мин.

Приготовление дрожжей и сбраживание сусла

Производственные дрожжи

На спиртовых заводах при внедрении механико-ферментативного способа обработки крахмалистого сырья процесс дрожжегенерации заключается в разведении производственных дрожжей из чистой культуры или захоложенных засевных дрожжей.

Сбраживание

После подготовки бродильного аппарата начинается приток сусла, осахаренного a-амилазой и одновременно подача зрелых дрожжей. По заполнении бродильного аппарата на 20 - 25 % спускают всю глюкоамилазу, рассчитанную на бродильный аппарат.

Подачу глюкоамилазы производят в испаритель-осахариватель. Затем бродильный аппарат заливают суслом полностью и оставляют на брожение.

Сбраживание сусла, приготовленного по способу механико-ферментативной обработки сырья, осуществляется периодическим способом.

Расход дрожжей составляет 8 - 10 % по объему сбраживаемого сусла.

Брагоректификация и хранение спирта

Аспирация

Для обеспечения безопасности условий труда; а также пожаровзрывобезопасности при хранении и подработке зерна необходимо предусматривать аспирацию пылевыделяющего оборудования.

При проектировании аспирационных систем необходимо руководствоваться СНиП 2.04.05-91. Расчет и компоновка аспирационных систем выполняется согласно «Указаниям по проектированию обеспыливающих установок на элеваторах, зерноскладах и сушильно-очистительных башнях» и «Указаниям по проектированию аспирации мельниц, комбикормовых и кукурузообрабатывающих заводов» ЦНИИПромзернопроекта.

При аспирации зерноочистительных машин и транспортного оборудования средняя концентрация пыли в воздухопроводе до пылеотделителя - 3 - 6 г/м3.

При аспирации силосов, бункеров, весового оборудования средняя концентрация пыли в воздухопроводе - 0,5 г/м3.

Коэффициент пылеотделения циклонов типа ЦОЛ - 95 %,

типа БЦШ – 98 %.

Исключить возможность работы пылевыделяющего оборудования без пылеудаления, предусматривая обязательную блокировку электродвигателей вентилятора и аспирируемого оборудования с тем, чтобы пуск вентиляторов осуществлялся с опережением на 15 сек. от пуска технологического оборудования и на 2 - 3 мин. позднее его остановки.

Пылеотделители (циклоны) рекомендуется устанавливать на нагнетательной части сети. Допускается установка пылеотделителей (циклонов) на всасывающей части сети.

Перечень используемого оборудования

1. Дробилка для картофеля: А1-ВДК; ДБ-6

II. Варочное отделение

2. Смеситель ВЛ.4-591.04

3. Аппарат гидроферментативной обработки ГДФО1 (1,2)      

4. Аппарат ферментативной обработки ГДФО2     

5. Трубчатый стерилизатор А2-ВРА-3000/5

6. Паросепаратор       

7. Испаритель-осахариватель       

8. Теплообменник 101М-01 

III. Бродильно-дрожжевое отделение

9. Бродильный чан     

Бродильный чан с выносным теплообменником F = 70 м2 10-1М-01

10. Дрожжанка  

IV. Брагоректификационное отделение

11. Брагоректификационная установка производительностью дал/сут. условного спирта-сырца.

Технологическое оборудование и цеха спиртового завода

1. Приемное устройство для клубней картофеля с автотранспорта и ж. д. и весовая.

2. В производственном корпусе :

- подработочное отделение картофеля

- отделение разваривания и осахаривания

- бродильно-дрожжевое отделение

- брагоректификационное отделение

- спиртоприемное отделение

3. Спиртохранилище:

- спиртоотпускное отделение

- спиртохранилище

4. Цех ферментных препаратов:

- склад сырья

- отделение приготовления питательной среды

- ферментационное отделение

- отделение готовой культуры

5. Бардораздаточная

6. Хранение и подработка картофеля:

- буртовое поле

- рештак

- отделение мойки картофеля

- дробильное отделение

- отделение приготовления замеса

7. Лаборатория

8. Административно-бытовой корпус

9. Подсобно-вспомогательные производства

Установка для извлечения спирта (ректификации)

• Состав линии

ü    Бражная колонна

ü    Конденсаторы

ü    Эпюрационная колонна

ü    Ректификационная колонна

Холодильники

Материальный баланс процесса

Материальный баланс спиртового брожения имеет следующий вид:

СnН2 nОn + 0,005 NН3 - 0,04 X + 0,49 С2 Н5 ОН + 0,47 СО2 .

биомасса

Энергия субстрата в процессе брожения распределяется так:

90% переходит в этанол и по 5% - в биомассу и теплоту.

Выход этилового спирта из картофеля, как правило, составляет 166 л/га.

Выход спирта в декалитрах из 1 т усл. крахмала картофеля

По схемам производства:

ü    Периодической – 64,7

ü    Полунепрерывной – 65,0

ü    непрерывной      – 65,7

ü     непрерывной с мех.-фермент. Обработкой – 66,1.

Следует отметить идею японского ученого Ямомото – создание замкнутой безотходной системы получения этанола из картофеля. Ямомото экспериментально доказал, что полученный из микромицетов рода Rhizopus комплексный ферментный препарат, обладающий амилазной и пектиназной активностью, при добавлении к дрожжам хорошо конвертирует крахмал растертой массы катофеля в этанол. Процесс реализуется при рН 4,2 и температуре 25 ?С. В этой технологии не требуется разваривать картофель и отдельно осахаривать массу.

После мойки картофель измельчают на терке и проводят одностадийную ферментацию (рис. 3). Этанол дистиллируют, а барду вместе с ботвой направляют на метановое брожение. Биогаз используют для дистилляции этанола, а ферментированную жидкую фракцию после метанового брожения со всеми минеральными компонентами урожая возвращают на поле в качестве удобрения. Согласно данной технологии с 1 га поля можно получить 270 л этанола за один цикл. Из ферментированного субстрата с содержанием этанола 6-10% об. последний выделяют в перегонных аппаратах, получая технический продукт (сырец) с содержанием этанола 85 % об. После ректификации получают продукт, содержащий 96,5% этанола. В среднем для получения 1 л этанола тратится 4 кг пара. В скором будущем предполагается снизить расход пара до 2,2 кг.

№	Содержание информации	Условное обозначение	Единица измерения	Принятые значения
1	Содержание С2 Н4 в этиленовой фракции	g011	доля по объему	0,96
2	Содержание С2Н5ОН в ректификате	g401	доля по массе	0,945
3	Норма расхода пара	К	моль Н2О / моль С2Н4	0,7
4	Конверсия этилена	c	доля единицы	0,055
5	Селективность	j1	доля единицы	0,955
6	Степень превращения конвертированного этилена в - диэтиловый эфир- ацетальдегид	j2 j3	доля единицы	0,035 0,01
7	Содержание инертов в циркуляционном газе	g51и	доля по объему	0,16
8	Количество свежей этиленэтановой фракции (базис расчета)	П	кг	7900
9	Доля отдуваемого газа, выходящего из сепаратора	g35и	доля по объему	0,15

Характеристика и очистка сточных вод спиртового производства

Каждое спиртовое производство в зависимости от своей специализации характеризуется своими, присущими только данному производству, источниками образования сточных вод.

Поэтому, прежде чем описывать схемы очистки данной категории производств, приведу классификацию самих производств в зависимости от перерабатываемого и выпускаемого сырья.

По виду перерабатываемого сырья спиртовые заводы делятся на:

1.                • Перерабатывающие крахмалосодержащее сырье (картофель и зерновые культуры). Назовем условно эту категорию первой группой.

2.                • Ко второй группе относятся заводы, перерабатывающие мелассу (отход свекольного производства).

На спиртовых заводах, перерабатывающих крахмалосодержащее сырье (первая группа), организуют производство ферментных препаратов, кормовых дрожжей и сжиженной пищевой углекислоты.

Источники образования сточных вод на различных видах производств и системы производственной канализации

На спиртовых заводах первой группы сточные воды образуются:

1.                • при промывке и замочке зерна на солод;

2.                • при гидротранспортировке зеленого солода;

3.                • при увлажнении воздуха в увлажнительной камере солодовни;

4.                • при мойке солодовенных сит;

5.                • при мойке технологического оборудования;

6.                • при промывке фильтров установок химической водоочистки.

При переработке картофеля дополнительно образуются транспортерно-моечные воды.

На крахмалопаточном заводе сточные воды образуются:

1.                • при транспортировании и мойке клубней картофеля;

2.                • в результате многократной промывки крахмала и мезги;

3.                • при мойке технологического оборудования, сит;

4.                • при смыве фильтр-прессной грязи;

5.                • в процессе выпаривания и уваривания сиропа (конденсат вторичного пара):

6.                • при охлаждении продуктов, полупродуктов и машин.

В настоящее время сточные воды, образующиеся в производственных процессах на перечисленных заводах, отводят по двум раздельным сетям канализации:

ü    По сети отработавших вод (от охлаждения производственных сред в аппаратах через поверхность теплообмена, подшипников, компрессоров и воздуходувных машин). При условии, что данная вода не подверглась в процессе теплообмена загрязнению посторонними примесями, ее используют повторно в системе оборотного водоснабжения после охлаждения и профилактической дезинфекции.

ü     По сети производственных загрязненных сточных вод отводят воды со значительной концентрацией растворимых, коллоидных и взвешенных органических веществ, которые быстро забраживают и загнивают. Сюда относятся воды от мойки технологического оборудования и трубопроводов, полов, замачивания зерна на солод, его мойки и дезинфекции, лютерная вода, продувочный сброс транспортерно-моечных вод после многократного использования.

Кроме того, на заводах, перерабатывающих картофель, дополнительно устраивают канализационную сеть транспортерно – моечных вод, куда направляются сточные воды от гидравлического транспортера и от мойки клубней картофеля. Основными видами загрязнений этих вод являются взвешенные вещества (песок, земля и т.п.), а также растворимые составляющие почвы и поверхностные органические вещества клубней, количество которых резко возрастает при транспортировании и мойке поврежденных, загнивших или подмороженных клубней картофеля.

Характеристика сточных вод и методы их очистки.

 

Сточные воды спиртовых и ликероводочных производств

Сточные воды спиртовых и ликероводочных производств характеризуются следующими показателями, сведенными в таблицы 1,2.

Табл. 1. Характеристика сточных вод спиртовых заводов, перерабатывающих крахмалосодержащее сырье

Вид производства	Т, ºC	Взвешенные вещества, Мг/л	ХПК, мг О2/л	БПКполн., мг О2/л	рН
При прямоточной системе водоснабжения
Производство спирта из картофеля	16	8800	1200	430-760	6,8
Производство спирта и зерновых культур	37	450	600-1100	300	6,6
При оборотной системе водоснабжения
Производство спирта из картофеля	30	500	1300	700	6,5
Производство спирта и зерновых культур	36	430	600	500	5,8

Объем и концентрация производственных сточных вод при получении спирта представлены в табл. 22, составленной на основании «Рекомендаций по замкнутому циклу очистки и использования в обороте производственно-загрязненных сточных вод по бессточной схеме водоиспользования для спиртовых заводов, перерабатывающих крахмалосодержащее сырье».

Таблица 2

Показатели	Размерность	Производство спирта из картофеля
Количество воды	м3/1000 дал	146
Взвешенные вещества	мг/л	500
Окисляемость	мг/л	1900
БПК5	мг/л	600
БПКполн.	мг/л	900
рН	-	7,0
Температура	°С	35

Как видно из приведенных выше данных, сточные воды спиртовых заводов характеризуются высоким содержанием взвешенных веществ и большим содержанием органических загрязнений.

На спиртовых заводах, перерабатывающих картофель, очистка воды осуществляется по двум самостоятельным линиям. Это линия по очистке транспортерно-моечных вод (сооружения механической очистки) и линия очистки производственных и бытовых сточных вод (сооружения биологической очистки).

В некоторых случаях производственные сточные воды крахмалопаточных заводов используют для орошения сельскохозяйственных угодий после предварительной механической очистки.

Очистка транспортерно-моечных вод

Очистка подобного рода сточных вод осуществляется путем отстаивания в сооружениях механической очистки. Для ускорения процесса осветления, осаждения взвешенных веществ и коррекции реакции среды в очищаемую воду периодически добавляют известь. После осветления сточные воды многократно возвращаются в гидротранспортер и используются для транспортирования клубней картофеля или сахарной свеклы. Для обновления транспортерно-моечных вод и восполнения их объема в мойку подают отработавшие воды в количестве 0,6-0,7 м2 на 1т перерабатываемого картофеля. Набор сооружений механической очистки стоков в данном случае представлен сборником загрязненных стоков, смесителем для добавления гашеной извести, песколовки и отстойника. При этом осадок из отстойника периодически удаляют гидростатическим напором или насосом в накопитель земли. Вода из накопителя земли собирается в колодцах и насосом подается на сооружения биологической очистки из расчета 10% находящейся в обороте, избыток воды возвращается в гидрогранспортер.

Очистка производственных загрязненных сточных вод

Сточные воды спиртовых заводов подвергают биологической очистке в естественных или искусственных условиях.

Схема биологической очистки спиртовых заводов, перерабатывающих крахмалосодержащее сырье:

Сточные воды предварительно поступают в биоочиститель, представляющий собой блок песколовки и биокоагулятора, куда непрерывно подается избыточный активный ил из вторичных отстойников и осветленная транспортерно-моечная вода из накопителя земли. Осветленная вода из первичных отстойников с концентрацией взвешенных веществ 100-120 мг/л поступает в двухступенчатые аэротенки, сблокированные со вторичными отстойниками каждый. При необходимости доочистки сточная вода из третичного отстойника подается на гравийно-песчанный фильтр (или фильтр с плавающей загрузкой из полиуретанового наполнителя) и далее в каскад биологических прудов с естественной или искусственной аэрацией.

Обеззараживание сточных вод производится жидким гипохлоритом натрия, получаемым из хлористого натрия (поваренной соли) путем электролиза.

Избыточный активный ил из вторичного и третичного отстойника и контактного резервуара подается насосом в биоочиститель и илоуплотнитель. Продолжительность уплотнения 7-8 часов. Уплотненные осадок и ил подаются на обезвреживание в дегельминтератор для обезвреживания их термической обработкой при температуре 70-75 ºС. Иловая вода из дегельминтезатора и илоуплотнителя подается в аэротенки, обезвоженный осадок подается в накопитель, а затем используется в качестве удобрения.

Отходы производства спирта из картофеля

Наряду со спиртом образуется ряд побочных спиртопродуктов и отходов производства:

- барда, представляющая собой водную суспензию органических остатков;

- головная фракция – этиловый спирт;

- сивушной масло;

- лютерная вода;

- шлам от промывок оборудования;

- углекислый газ.

Направление использования побочных продуктов решается в зависимости от места привязки типового проекта.

Барда используется на откорм сельскохозяйственных животных, используется для получения глицерина, бетаина, глютаминовой кислоты, а также в качестве питательной среды для выращивания кормовых дрожжей и получения кормового витамина В12. Из зрелой мелассной бражки отделяют сепарированием дрожжи, используемые в хлебопекарной промышленности.

Зернокартофельная барда является ценным кормовым продуктом, так как в ее состав входят белковые вещества, углеводы, органические кислоты, жиры, витамины, минеральные вещества и др. Ее используют на кормовые цели в натуральном виде, в качестве добавок к комбикормам и т. д.

Побочные продукты ректификации - головная фракция и сивушное масло - содержат ценные вещества. Головная фракция содержит до 90 об.% этилового спирта и около 2 - 6% примесей (в основном эфиры и альдегиды). В настоящее время из головной фракции получают ректификованный спирт и концентрат головной фракции, используемый в качестве источника углерода при выращивании кормовых дрожжей.

Сивушное масло является ценным продуктом, в состав которого входят в основном высшие спирты (изоамиловый, изобути-ловый, пропиловый). Сивушное масло разгоняют на составные компоненты и затем используют для синтеза душистых веществ и медицинских препаратов, в лакокрасочной, фармацевтической промышленности и др.

На спиртовых заводах также предусмотрено комплексное использование сырья и побочных продуктов производства. Наряду со спиртом выпускают жидкий или твердый диоксид углерода. Жидкий диоксид углерода находит широкое применение в производстве безалкогольных напитков, минеральных и газированных вод; его применяют при сварке, механической обработке металлов, для взрывных работ, огнетушителей и других целей. Твердый диоксид углерода (сухой лед) используется в качестве хладагента.

Основные вредные вещества, выделяющиеся в помещениях на спиртовых заводах:

ü    Зерновая пыль,

ü    углекислый газ,

ü    пары спирта

Техногенное влияние – тепло.

Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ

Таблица 3. Перечень загрязняющих веществ, взбрасываемых производством в атмосферу

Наименование вредных веществ	ПДК ОБУВ мг/м3	Класс опасности
Органическая пыль (зерновая)	0,5	4
Этиловый спирт	5,0	4
Пыль абразивов и металлов (по окислам железа)	0,4	3
Фреон	100	4
Аммиак	0,2	4
Окислы марганца	0,01	2
Формальдегид	0,035	4
Окись углерода	5,0	4
Окислы азота (по двуокиси азота)	0,085	4
Сернистый ангидрид	0,5	3
Сажа	0,15	4

Таблица 4. Ориентировочные удельные величины загрязняющих веществ, отходящих от технологических процессов производства спирта.

№	Наименование производственных отделений	Наименование загрязняющего вещества	Удельные показатели выбросов
1	Элеватор	органическая пыль	0,0172 г/сек. на 1000 дал спирта
2	Производство спирта Дробильное отделение Приготовление спирта Обработка оборудования	органическая пыль этиловый спирт формальдегид	0,18 кг/тыс. дал спирта 31,34 кг/тыс. дал спирта 0,0002 г/сек
3	Спиртохранилище с приемным и отпускным отделениями	этиловый спирт	4,6 кг/тыс. дал спирта
4	Вспомогательное производство Холодильно-компрессорная станция Механические мастерские Сварочное отделение	аммиак (фреон) пыль нетоксическая пыль нетоксическая окислы марганца	0,0003 г/сек.  0,002 г/сек 0,0017 г/сек 0,0002 г/сек

Список используемой литературы

1.Рынок спирта: история, перспективы, прогнозы

2. #"#_ftnref1" name="_ftn1" title="">[1] Меласса, или кормовая патока - отход свеклосахарного производства, содержащий около 50% сахара.

Страницы: 1, 2