|
|||||||||||||||||||||||||||||
Непрерывные холодные способы разваривания зерна и осахариание зернового замеса на спиртовом заводе без применения повышенного давления и при низкой температуре ---> Контроль качества разваривания зерна и осахаривания зернового сусла Схемы разваривания зерна непрерывными методами под давлением. Снижение потерь при непрерывном разваривании зерна и осахаривании Разварники для зернового замеса непрерывного действия Экономия тепловой энергии при разваривании зерна в спиртовом производстве Диспергирование зерна с водой на коллоидных и вибрационных мельницах
Технико-экономическое обоснование ТЭО диспергирования зерна взамен разваривания под давлением
Схема Гидродинамической обработка зернового замеса в производстве спирта из зерна. Усовершеннствованная схема разваривания зерна ВНИИПБТ Теория клейстеризации зернового и картофельного крахмала при разваривании и последующем осахаривании
Разжижение и осахаривание зернового крахмала в спиртовом производстве
Чистка и дезинфекция оборудования спиртового производства Мойка оборудования спиртового цеха Расчет внутреннего змеевикового охладителя бродильного чана в спитовом производстве Охлаждение бродильного чана выносными теплообменниками Схемы непрерывных бродильных установок с элементами под вакуумом Интенсификация непрерывного брожения сусла / бражки с применением вакуума Влияние концентрации сухих веществ в исходном сусле на динамику накопления продуктов брожения Теория непрерывного процесса перемещения жидкости в батарее сообщающихся сосудов Оборудование для непрерывного брожения Способы сбраживания. Расчет производительности бродильной батареи. |
|
Способ разваривания зерна |
Расход Пара для разваривания зерна в спиртовом заводе, т |
Расход Нефти (мазута) для разваривания зерна в спиртовом заводе, кг |
Расход природного газа для разваривая зерна в спиртовом щаводе, м3 |
Расход угля для разваривания зерна в спиртовом заводе, кг |
Генце, высокое давление (холодная вода для приготовления замеса) |
1 |
75 |
91 |
120
|
Генце, высокое давление (теплая вода) |
0,75 |
53 |
65 |
85 |
Westphal Offenbach, вариант "а"
|
0,14
|
11
|
13
|
17
|
Westphal Offenbach, вариант "б"
|
0,07
|
5
|
6
|
8 |
В последнее время похожие перемены случаются в рамках непрерывных способов разваривания крахмалистого сырья на спировых заводах, в целях более экономичного производства спирта. Ввиду того, что в тех способах и до сих пор работали с помолом зерна, основная разница состоит в применении более низкой температуры и работы без повышенного давления.
На рисунке 2 изображается переходный путь развития непрерывного разваривания зерна на спиртовом заводе, мощность которого около 3000 дал спирта в сутки.
С. И. Громов, к. т. н., ГНУ «ВНИИПБТ Россельхозакадемии»
Во ВНИИПБТ неоднократно проводили широкие исследования по изучению влияния тонины помолов зерна и режимов приготовления сусла повышенной концентрации на степень его выбраживания. В ходе отработки длительности режимов ступенчатого подваривания зерновых замесов при температуре от 40–45 до 68–70 °С и более (125– 133 °С) и осахаривания помолы получали на лабораторных и опытно- промышленных установках (шаровая мельница МОЗ, корундовый измельчитель МЭЗ, диспергатор-гомогенизатор ВНИИПБТ). Для разжижения и осаха- ривания использовали применяемые в спиртовом производстве амилоли- тические ферментные препараты в жидком, а затем только в концентрированном виде.
Оценку эффективности низкотемпературной переработки тонкодиспергированных зерновых помолов осуществляли по показателям сбраживания сусла (выход спирта, несброженные углеводы, рН, кислотность). Для сравнения были отобраны данные по показателям выбраживания в опытах, поставленных по режимам ступенчатой обработки зерновых замесов из тонкодиспергированной пшеницы, обеспечивающих проведение процесса разаривания зернового сырья с максимальной температурой нагрева 60–68 °С, позволяющей сохранить в деятельной форме введенные в замес ферменты, антисептики и антибиотические средства.
Характеристики ситового анализа полученных на различных типах измельчителей образцов помолов тонкодиспергированной пшеницы, поступающих на приготовление сусла различной концентрации, приведены в табл. 1.
За основной был взят ступенчатый режим подготовки концентрированных зерновых замесов по низкотемпературной технологии, определенный для помолов зерна, диспергированного на шаровой мельнице.
Этот режим предусматривал получение замеса с концентрацией СВ до 20 %, внесение в качестве антисептика формалина (доза – 0,025 % по объему замеса), разжижающей амилазы – амилосубтилина Гх (доза в смеситель – 0,5 ед. АС/г условного крахмала, на осахаривание – 1,5 ед. АС/г крахмала). В качестве осахаривающего препарата применяли глюкаваморин Гх (доза – 6 ед. ГлС/г условного крахмала, для гидролиза белков – протеолитический препарат протопигмауссин П 20х. Параметры ступенчатой обработки замеса и приготовления сусла:
оптимизация разжижения замеса:
В готовое зерновое сусло после осахаривания задавали засевные дрожжи расы Х11 и при начальной концентрации дрожжевых клеток 12 млн/см3 сбраживали его при температуре °С – 72 ч. Показатели выбраживания сусла с концентрацией СВ 19,6–19,8 % представлены в табл. 2.
Из представленных в табл. 2 данных следует, что при использовании тонко- диспергированной на шаровой мельнице пшеницы и приготовлении сусла повышенной концентрации по ступенчатой технологии при температуре от 40–45 до 60–68 °С общая длительность процесса низкотемпературного гидролиза составляет 188 мин.
В условиях введения в замес антисептика – формалина – в концентрации 0,025 % по объему достигали высокой степени выбраживания сусла с получением на 72 часе брожения незакисшей бражки (рН 5,64–5,45, кислотность – 0,22–0,25°, нарастание кислотности – не более 0,2°) и высокого выхода спирта – 69,87–69,97 дал/т условного крахмала
Содержание остаточного крахмала и несброженных сахаров также находилось в пределах допустимых норм 0,011–0,046 и 0,367–0,393 г/100 см3 бражки. В контроле при использовании сусла нормальной концентрации (18,3 % СВ) из того же помола пшеницы с проходом частиц через сито с размером ячеек 0,25 мм на уровне 80 % выход спирта находился на такомм же высоком уровне, хотя содержание несброженных сахаров в зрелой бражке на 72 ч брожения было ниже и достигало 0,234–0,255 г/100 см3, т. е. достигалось более интенсивное выбраживание сусла концентрацией 18,3–18,7 % по сравнению с суслом с концентрацией СВ до 20 %.
В табл. 3 приведены показатели выбраживания зернового сусла повышенной концентрации из тонкодиспергированной на корундовом измельчителе пшеницы, полученного по низкотемпературной технологии ферментативной обработки при температуре 45– 68 °С, аналогичной режиму для шаровой мельницы.
Из данных табл. 3 видно, что выбраживание зернового сусла высокой концентрации (19,13 % СВ), полученного по ступенчатой технологии в течение 3 ч при максимальной температуре нагрева 68 °С, при которой активность термостабильной альфа-амилазы в течение 30 мин сохраняется на высоком уровне, протекает за 72 часа брожения интенсивно с достижением повышенного выхода спирта на уровне 68,85 дал/т крахмала и содержанием: остаточных сахаров – в пределах 0,388 г/100 см3 , нерастворенного крахмала – 0,078 г/100 см3 готовой бражки. При понижении исходной концентрации зернового сусла до 15,8 % СВ выход спирта несколько увеличивается (до 69,2 дал/т крахмала). Факт увеличения выхода спирта возможно объяснить снижением в сбраживаемой среде концентрации находящихся в ней декстринов, требующих более длительного срока доосахаривания.
В табл. 4 приведены показатели сбраживания пшеничного сусла высокой концентрации (25,5 % СВ), наработанного по ступенчатой технологии с применением диспергатора- гомогенизатора. Для опытов использовали тонкоизмельченную на дисковой дробилке пшеницу до 100%-ного прохода частиц через сито с размером ячейки 1 мм. Концентрированный замес готовили на воде с применением разжижающей альфа-амилазы (ферментный препарат «Диазим FА») в дозе 2,5 ед. АС/г крахмала при температуре 40 °С в течение 8 мин. Затем частицы пшеницы доизмельчали в диспергаторе-гомогенизаторе при температуре 65–68 °С в течение 20 мин, после чего замес охлаждали и задавали при температуре 60 °С глюкоамилазу – ферментный препарат «Диазим Х4» в дозе 10 ед. ГлС/г условного крахмала (из расчета на 60 ч брожения) и протеазу GS- 220 (150 г/т зерна) и выдерживали при перемешивании в течение 2,5 часа на осахаривание при температуре 60 °С.
Антисептик – антибиотическое средство «Фриконт» – вводили непосредственно в замес в дозе 3–4 г/м3
Зерновое осахаренное сусло охлаждали до температуры 30 °С, задавали засевные зрелые термотолерантные дрожжи из расчета начальной концентрации клеток в сусле 12 млн/см3 и ставили его на брожение при температуре 32 °С в течение 60 часов.
Из данных табл. 4 видно, что при поступлении на переработку зерна тонко-измельченной пшеницы с размерами частиц от 1 мм и менее в диспергатор- гомогенизатор за счет 20-минутного диспергирования замеса, осуществляемого скоростной мешалкой, делающей 1000 об/мин, под действием кавитационных сил, действующих на частицы в замесе, отмечается их доизмельчение. Процесс доизмельчения протекает в условиях непрерывного возникновения полостей, образования и лопания пузырьков с высокими перепадами давления в них, что способствовало доизмельчению частиц до размеров, на 40–50 % проходящих через сито с ячейками 0,25 мм и на 85–86 % – через сито с отверстиями 0,5 мм. Помимо этого, за счет кавитационного воздействия в разжиженной альфа-амилазой крахмалистой среде оболочки клеток вредных кислото- образующих бактерий, попадающих в зону вращения лопастей мешалки (коэффициент Rе > 10 000), подвергаются разрушению, что способствует их гибели. В результате такой интенсивной обработки массы и более равномерного распределения в замесе антибиотического средства возникают условия его активации при температуре 65–68 °С, что также усиливает его воздействие на вредную микрофлору и в ходе последующего охлаждения сусла до температуры 60 °С.
После введения в замес глюкоамилазы , осахаривающей крахмал и декстрины , а также гидролизующей белковые вещества протеазы обеспечивается эффективно длительный гидролиз углеводов до сбраживаемых сахаров и ускоряется процесс образования необходимых для питания дрожжей низкомолекулярных протеинов и аминокислот в ходе премешивания сусла мешалкой (с частотой вращения n=60 об/мин).
Сравнительный анализ данных таблиц (табл. 2–4) по выходам спирта из 1 тонны условного крахмала тонкодиспергированного сырья, достигнутых после сбраживания образцов пшеничного сусла, приготовленного по низкотемпературной технологии, показал следующее.
Проведение процесса механико- ферментативной обработки (МФО), проверенного при всех трех низко- температурных холодных технологиях разваривания зерна, ограниченных максимальной температурой нагрева замеса 68 °С, показало, что достигаются высокие выходы спирта из пшеницы при измельчении ее как на шаровой мельнице и корундовом измельчителе в сухом виде, так и в случае «мокрого» измельчения в дезинтеграторе-гомогенизаторе в зоне исследованных концентраций сусла (до 19,9–25,5 % СВ).
Наиболее целесообразным, в первую очередь с точки зрения сокращения расхода электроэнергии, является способ и технология переработки сырья с применением диспергатора- гомогенизатора, позволяющие совместить процессы доизмельчения и стерилизации крахмалистой среды водном аппарате, хотя общая длительность процесса приготовления сусла во всех опытах была примерно одинаовой – около 180 мин.
Анализируя степень достигаемого измельчения зерна пшеницы, можно отметить, что она была наивысшей при использовании шаровой мельницы (до 88,7 % прохода частиц черезз сито с размером ячеек 0,5 мм) и находилась на уровне 86,3–65,6 % для корундового измельчителя и диспергатора-гомогенизатора. При этом проход частиц через сито с ячейками 0,25 мм достигал соответственно 80, 65 и 42,8 %.
В исследованиях холодного разваривания зерна в спиртовом производстве максимальная концентрация зернового сусла достигала порядка 20 % для шарового и корундового измельчения и 25,5 % в диспергаторе.
Это было обусловлено требованиями, предъявляемыми к нормальному измельчению зерна «мокрым» способом во всех аппаратах для исключения их забивания при прохождении зерна через зазор между корундовыми дисками и или на выходе из шаровой мельницы.
Показатели зрелой бражки при переработке зерна по холодной (низкотемпературной) технологии также были достаточно удовлетворительными, что свидетельствует о качественном выбраживании концентрированного сусла. Но вместе с тем, во всех случаях отмечается тенденция к возрастанию содержания остаточных сахаров и нерастворенного крахмала в бражках с увеличением концентрации сусла от 18 до 20–25 %, например для корундового измельчителя с 0,316 до 0,388 г/100 см3 и с 0,048 до 0,78 (нерастворенный крахмал). Наилучшие результаты в ходе переработки сусла высокой концентрации были достигнуты при работе по схеме меха ни кофермент активной обработки МФО с доизмельчением частиц тонкодробленого зерна (со 100%-ным проходом частиц через сито с размером ячеек 1 мм) в замесе в процессе кавитационного воздействия на них и на инфицирующую микрофлору перепадов давления, что позволило высококонцентрированному осахаренному зерновому суслу выбродить с понижением концентрации от 25,5 до 0,28 % СВ с нарастанием кислотности от 0,05 до 0,2–0,25, т. е. без закисания бражки за 58–60 часов. Содержание несброженных сахаров и нерастворенного крахмала при этом составляло 0,485 и 0,12 г/100 см3 , т. е. было достаточно высоким и находилось в пределах, близких к нормативным показателям.
Таким образом, данные исследования подтвердили перспективность переработки доброкачественной пшеницы по схеме механико-ферментативной обработки МФО с «мокрым» диспергировпнием сырья.
В связи с этим дополнительно отметим ряд факторов, определяющих эффективность проведения холодного низкотемпературного разваривания зерна на спиртовом заводе:
1. Непременное правило работы по холодной схеме разваривания зерна при температуре до 68 °С – использование очищенного зернового сырья от пыли, земли, минеральных и металлических включений (содержание сора – не более 0,5 %).
2. Предварительное измельчение зерна до 100%-ного прохода частиц через сито с размером ячеек 1 мм наиболее доступным механическим способом без потерь мучки и сухих веществ.
3. Приготовление исходного концентрированного зернового замеса в смесителе (частота вращения мешалки – 40 – 45 об/мин) с предварительным смешиванием измельченного зерна, воды, препарата высокоактивной разжижающей альфа-амилазы в предварительном смесителе.
4. Применение для перекачивания и рециркуляции замеса в смесителе циркуляционного насоса (или РПА роторно пульсационного аппарата).
5. Использование по схеме высокоскоростного диспергатора- гомогенизатора, позволяющего осуществлять при температуре 62–68 °С доизмельчение частиц зерна в замесе до 80–86%-ного прохода их через сито с ячейками 0,5 мм, продолжительность выдержки – не менее 20 мин, коэффициент заполнения аппарата – 50–60 % (при необходимости подогрева зернового замеса используют тепло барды), гидродинамический режим при перемешивании лопастной мешалкой (Rе > 10 000).
6. Выдержку массы для осахаривания проводят в аппарате ферментативной обработки АФО при работающей мешалке с лопастями, делающими 60 об/мин, длительность осахаривания – 2–2,5 часа. В аппарате АФО за счет достаточной скорости перемешивания обеспечивается отсутствие застойных зон и задержки массы на внутренней поверхности.
7. Для принудительного охлаждения продуктовой массы используют быстроразборную, легко моющуюся и стерилизующуюся теплообменную аппаратуру пластинчатого типа, обеспечивающую беспрепятственное протекание готового сусла по внутренним каналам в процессе его охлаждения от температуры 68 до 60 °С до температуры складки (25–28 °С).
8. Для ускоренного сбраживания сусла повышенной концентрации в течение 58–62 часов применяют термо-толерантные (термостойкие) осмофильные расы спиртовых дрожжей, адаптированных к высоким концентрациям сбраживаемого сусла (до 25–26 % сухих веществ СВ), и спирта, накапливаемого в сбраживаемой среде.
9. Способ брожения осахаренного зернового сусла при холодном способе его приготовления:
10. Дрожжи «ведут» на спиртовом заводе с использованием чистых культур рас спиртовых дрожжей. Расход засевных дрожжей увеличивают на 15–20 % от нормативного.
11. В качестве ферментных препаратов применяют чистые высокоактивные концентрированные ферменты. Для разжижения предпочтительно иметь в наличии термостабильную альфа-амилазу с рабочей зоной действия: рН 5–6,5, температура (оптимальная) – 68 °С, дозировку рассчитывают по единицам активности согласно рекомендациям ВНИИПБТ.
12. Для антисептирования в ходе приготовления концентрированного сусла по низкотемпературной технологии используют антибиотические средства типа фриконта, стрептола и др., рекомендуемые для спиртовой отрасли в безопасных дозах. Антисептики в ходе производственной деятельности циклически (для исключения привыкания к ним дрожжевых клеток) меняют.
13. Максимальный эффект при работе по низкотемпературной технологии достигается в случае расхода электроэнергии на тонкое измельчение зерна 20–25 кВт⋅ч/т, на диспергирование 15–20 кВт⋅ч/т зерна с использованием тепла послеспртовой барды на нагрев замеса в аппаратах – диспергаторе- гомогенизаторе, аппарате ферментативной обраьотки АФО. На охлаждение замеса в теплообменниках от 68 до 60 °С и от 60 до 25–28 °С используют холодную воду температурой 15 °С.
14. Стерилизацию аппаратов, продуктовых трубопроводов, арматуры, технологических емкостей проводят после их освобождения, очистки, промывания водой, греющим паром по схемам, принятым в отрасли.
15. В случае возникновения отклонений в производстве его параметры регулируют с учетом возникающих обстоятельств для исключения закисания бражки и снижения эффективности процесса. При невозможности регулирования режимов в заданных параметрах переходят на работу по типовой схеме механико-ферментативной обработки МФО.
Принципиальная схема переработки концентрированного сусла из зерна пшеницы по холодной низкотемпературной технологии приведена на рисунке.