на главную 

Схемы непрерывных бродильных установок с элементами под вакуумом

    Скорость непрерывного сбраживания углеводов сусла и производительность спиртовой бродильной установки ограничены в основном ингибирующим, т.е. угнетающим действием на дрожжи повышенных концентраций этилового спирта и побочных продуктов (эфиров, альдегидов, высших спиртов, кислот), образующегося в ходе брожения, а также нелетучих компонентов бражки.

    Во ВНИИППД исследовано влияние вакуума на показатели непрерывного спиртового сбраживания меласcного сусла — скорость и степень ассимиляции углеводов, уровень содержания этилового спирта и спиртопродуктов в бражке, накопление биомассы дрожжей [1]. Определен также состав полупродуктов одно­стадийного вакуумирования бражки — спиртового дистиллята, водно-спиртовой жидкости и провакуумированной бражки [2]. Установлено, что применение вакуума при непрерывном анаэробном сбраживании мелассного сусла высокой концентрации предотвращает отрицательное влияние продуктов обмена дрожжей на степень сбраживания углеводов этого сусла в результате удале­ния их из бражки и тем самым снижает коэффициент ингибирования процесса[3].

    На основании результатов лабораторных, полупромышленных и промышленных исследований во ВНИИППД разработаны способы непрерывного сбраживания сусла повышенной и высокой концентрации в спиртовом производстве, созданы новые ферментационные установки и устройства для вакуумирования бродящей среды и улавливания спирта и спиртопродуктов из газов брожения.

   Схема непрерывной бродильной установки, работающая с применением вакуума на стадии анаэробного сбраживания, испытана на Лужанском экспериментальном спиртзаводе (рис. 1). Бражку вакуумируют при непрерывном анаэробном сбраживании в бродильных аппаратах 1 для уменьшения концентрации растворенного диоксида углерода и тем самым снижают его ингибирующее действие на скорость сбраживания углеводов и процессы катаболизма дрожжей [4]. Газообразный диоксид углерода в смеси со спиртопродуктами через пеноловушку 2 и абсорбционно-конденсационную спиртоловушку 3 поступает в вакуумнасос 4 и в дальнейшем на утилизацию.

   Промышленными испытаниями бродильной установки на Лужанском экспериментальном спиртзаводе с применением вакуума (—0,03 МПа) установлена возможность эффективного непрерывного сбраживания мелассного сусла повышенной концентрации (30—31 % СВ) до концентрации этилового спирта в зрелой бражке 11,8—12,0% об. без увеличения продолжительности брожения и с обеспечением нормативного выхода спирта. Использование бродильной установки для сбраживания сусла повышенной концентрации позволяет уменьшить объем послеспиртовой барды, расход чистой воды на приготовление сусла и расход пара на перегонку бражки на 12—14 % по сравнению со сбраживанием сусла концентрацией 26 – 27% при атмосферном давлении.

Рис. 1. Схема непрерывной бродильной установки для анаэробного сбраживания сусла под вакуумом

 При эксплуатации установки повышается на 10—15 % количество товарной сжиженной углекислоты за счет увеличения доли сбраживаемой мелассы в бродильных аппаратах и снижения ее потерь в растворенном виде со зрелой бражкой на брагоректификационной установке. Экономический эффект установки непрерывного способа сбраживания мелассного сусла с использованием вакуума для спиртового завода мощностью 6000 дал спирта в сутки составляет 12 000 000 рублей в год.

Дальнейшей интенсификации непрерывного сбраживания сусла за счет повышения его концентрации до 36—40 % с соответствующим снижением объемов послеспиртовой барды на 20 % способствует применение бродильной установки с одноступенчатым вакуумированием при анаэробном сбраживании (рис. 2). В опытно-промышленных условиях Лужанского экспериментального спиртзавода мелассное сусло сбраживали по усовершенствованному однопоточному способу с использованием сусла для дрожжей концентрацией 16—17 % СВ и последующим вводом неразбавленной мелассы в первые три бродильных аппарата 1, 2 и 4 для повышения начальной концентрации бражки до 36—40 % СВ. После этого бражку непрерывно подавали в бродильный аппарат-испаритель 3, газы брожения — в поверхностный конденсатор 5 и в спиртоловушку 6 абсорбционно-конденсаторного типа, а через вакуум-насос 7 — в атмосферу, зрелую бражку отбирали из бродильного аппарата 8. Эксплуатация бродильной установки при вакуумировании бражки второго бродильного аппарата с концентрацией этилового спирта 7,3 % об. и содержанием несброженных углеводов 13,05 г на 100 мл показала, что в провакуумированной бражке концентрация этилового спирта составляла 2,6 % об., а содержание несброженных углеводов 7,38 г на 100 мл. В бродильном аппарате-испарителе одновременно с извлечением этилового спирта и спиртопродуктов со значительной скоростью 130,5 — 73,8 = 56,7 г/л за 1 час протекало сбраживание углеводов сусла (130,5 и 73,8 г/л соответственно содержание несброженных углеводов до- и после вакуумирования).

Рис. 2. Схема непрерывной бродильной установки для анаэробного сбраживания сусла с одноступенчатым вакуумированием бражки

Удаление из бражки спирта и спирто­продуктов на промежуточной стадии процесса в бродильном аппарате-испарителе 3 способствовало в дальнейшем сбраживанию углеводов бражки в третьем бродильном аппарате 4 с высокой скоростью, где в течение 2 часов концентрация этилового спирта в бражке возрастала до 7,6 % об., а содержание несброженных углеводов уменьшалось до 4,55 г на 100 мл. Вакуумирование спиртовой бражки понижало коэффициент ингибирования с 45,9 в бродильном аппарате до 19,08 в сборнике провакуумированной бражки, что увеличивало удельную скорость образования спирта с 0,21 до 0,60 мг/г биомассы за 1 час в третьем бродильном аппарате. При вакуумировании бражки в поверхностном конденсаторе 5 образовывался спиртовой дистиллят с концентрацией этилового спирта 33 % об., в котором, кроме этилового спирта, содержалось в 43 раза больше альдегидов и в 5 раз высших спиртов, чем в зрелой бражке.

Значительному снижению вакуума в бродильном аппарате-испарителе, конденсаторе и спиртоловушке, снижению металлоемкости этого оборудования и удельного расхода электроэнергии способствует применение бродильной установки для вакуумирования предварительно обездрожженной бражки (рис. 3). Обездроженная бражка из сепаратора 3 поступает в испаритель 4, а провакуумированная бражка смешивается в бродильном аппарате 5 с дрожжевым концентратом из сепаратора 3 и дополнительным количеством мелассы для повышения начальной концентрации бражки. Этот прием позволяет повысить температуру вакуумирования (кипения) обездрожженной бражки до 45—60 °С и соответственно понизить вакуум в испарителе.

Установлено, что аппаратурное оформление бродильной установки многоступенчатого вакуумирования бражки в течение всего непрерывного анаэробного сбраживания углеводов позволяет повысить начальную концентрацию сбраживаемого сусла до 65—73 % СВ и получить условную концентрацию этилового спирта в зрелой бражке (с учетом безводного алкоголя, содержащегося в спиртовом дистилляте и водно-спиртовой жидкости спиртоловушки) до 28-30% об.

Рис. 3. Бродильная установка для непрерывного анаэробного сбраживания сусла с одноступенчатым вакуумированием обездрожженной бражки: 1, 2, 5, 9 — бродильные аппараты; 3 — сепаратор; 4 — бродильный аппарат-испаритель; 6 — поверхностный кондесатор; 7 — спиртоловушка; 8 — вакуум-насос

Рис. 4. Схема непрерывной бродильной установки анаэробного сбраживания сусла с многоступенчатым вакуумированием бражки:

1, 2, 4, 5, 7, 11 — бродильные аппараты; 3, 6 — бродильные аппараты-испарители; 8 — поверхностный конденсатор; 9 — спиртоловушка; 10 — вакуум-насос

 В результате этого эффективность сбраживания и производительность бродильной установки увеличиваются на 30 % по сравнению со сбраживанием сусла концентрацией СВ 36—40 % с одноступенчатым вакуумированием бражки. Отпадает также необходимость в упаривании послеспиртовой барды, так как объем барды приблизительно равен объему перерабатываемой мелассы. В отличие от бродильной установки с одноступенчатым вакуумированием бродильная установка с многоступенчатым вакуумированием бражки должна иметь несколько бродильных аппаратов-испарителей и общий узел поверхностных конденсаторов и абсорбционно-конденсационных спиртоловушек с источником вакуума (рис. 4).

Например, мелассное сусло сбраживали по методике [1] с тем отличием, что после каждого вакуумирования в бражку в течение 1 часа вносили мелассу в количествах, указанных в таблице.

Дополнительные навески мелассы №1,2 вносили в мелассное сусло 22 %-ной концентрации, на приготовление которого использовали 448 г мелассы, через каждые 3 часа брожения для повышения начальной концентрации до 28 % СВ, а № 3—7 после каждого вакуумирования бражки.

Концентрация сброженного сусла (в % СВ) с учетом всего количества мелассы, внесенного в бродильный сосуд, равна

К = 2192 * 76 / 1,2 * 2000 = 69,4,

Где 2192 — общее количество мелассы, ис­пользованное в опыте, г;

76 — концентрация СВ в мелассе, %;   

1,2 — плотность сусла, г/см3; 2000 — объем сусла, мл.

За время опыта получено 563,75 мл этилового спирта, условная крепость бражки (в % об.) равна

Х= 563,75 * 100 / 2000 = 28,1,

где 563,75 — количество полученного этилового спирта, мл;

2000 — объем бражки, мл.

Таким образом, эксплуатация бродильных установок, работающих с применением вакуума для непрерывного анаэробного сбраживания сусла, способствует увеличению образования спирта при повышениеи начальной концентрации сбраживаемого сусла и этилового спирта в зрелой бражке, что уменьшает удельные расходы воды на приготовление сусла и тепла на перегонку бражки. Такие установки в аппаратурно-технологической схеме спиртового завода должны использоваться с принципиально новым ферментационным оборудованием — бродильными аппаратами, бродильными аппаратами-испарителями, спиртоловушками и высокоэкономичными источниками вакуума.

Список использованной литературы

1. Янчевский В. К., Коваленко А. Д. Сбраживание мелассного сусла дрожжами Saccharomyces при пониженном давлении. Киев: — Микробиологический журнал, 1983, т. 45, вып. 1.

2. Состав полупродуктов при одностадий­ном вакуумировании мелассной бражки/[В. К. Янчевский, А. Д. Коваленко, А. А. Егоров, Л. В. Ма­лыш] — Ферментная и спиртовая промышленность, 1984, № 3.

3. Применение вакуума для интенсификации сбраживания мелассного сусла [В. К. Янчевский, А. Д. Коваленко, В. В. Рудая и др.] — Ферментная и спиртовая промышленность, 1984, № 8.