Выход спирта из 1 тонны крахмала
Контроль качества разваренной и осахаренной массы.
Снижение и уменьшение потерь при непрерывном разваривании зернового замеса и осахаривании для приготовления бражки в спиртовом производстве
Схемы разваривания крахмалсодержащего сырья непрерывными методами под давлением.
Разварники непрерывного действия
Снижение потерь тепловой энергии при разваривании сырья в спиртовом производстве
Усовершеннствованная схема разваривания ВНИИПБТ
Диспергирование сырья с водой на коллоидных и вибрационных мельницах
Схема Гидродинамической обработка замеса в производстве спирта из зерна.
Теория клейстеризации крахмала
Разжижение и осахаривание крахмала
Расчет внутреннего змеевикового охладителя бродильного чана
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.
Снижение потерь при непрерывном разваривании зернового замеса и осахаривании для приготовления бражки.Снижение и уменьшение потерь при непрерывном разваривании и осахаривании зернового замеса для приготовления бражки в спиртовом производстве состоит в подготовке крахмалистого сырья к осахариванию крахмала амилолитическими ферментами микроорганизмов путем правильной установки режимов механической и водно-тепловой обработки сырья. Ферментативным осахаривание крахмала наиболее полно и с наибольшей скоростью протекает, если крахмал полностью высвобожден из растительных клеток сырья и прошел стадии клейстеризации и растворения, что обеспечивает тесный контакт его с ферментами. Подготовка сырья к осахариванию проводится путем тепловой обработки сырья (разваривании) при повышенном давлении или обработке сырья без давления, или механическим измельчением сырья до определенных размеров частиц с последующим развариванием под меньшим давлением. Наиболее эффективно проводить разваривание зернового сырья, в котором прошли полностью набухание и клейстеризация крахмала. При этом снижаются температура и продолжительность разваривания, что позволяет уменьшить потери сбраживаемых веществ и сократить расход пара. Подваривание крахмалистого сырья проводится с целью наиболее полного использования вторичного пара при предварительном нагреве крахмалистого сырья и обеспечения наиболее полного набухания и клейстеризации крахмала, позволяющих смягчить режим последующего разваривания.
Превращения и изменение свойств зернового сырья при разваривании в спиртовом производстве. При проведении разваривания , т.е. водно-тепловой обработки изменяются структурно-механические свойства крахмалистого сырья, одновременно отмечаются и значительные химические превращения веществ, входящих в состав зерна. На начальных стадиях подваривания вода, проникающая внутрь зерна, вызывает набухание крахмала и клеточных стенок, растворяет некоторые межклеточные вещества. При этом зерно размягчается и его прочность уменьшается. Так, по данным Маравина Л.Н., при сжатии зерна кукурузы до лепестка толщиной 3 мм необходимо давление 3,9 МПа, а после подваривания при 100 гр. Цельсия в течение 3 часов – только 0,26 МПа. При нагреве до температуры 55 гр. Цельсия степень набухания крахмала меньше, чем клейковины. При дальнейшем повышении температуры интенсивность набухания крахмала увеличивается, а клейковины уменьшается. При температуре 90 гр. Цельсия оболочки зерна частично разрываются и наступает стадия клейстеризации крахмала. Скорость набухания зерна различных культур неодинакова. Например, у зерна ржи она выше, чем у зерна пшеницы, овса, проса; медленнее всех набухает ячмень и кукуруза. Практически целое зерно ржи, пшеницы, ячменя и овса при температуре 85-90 гр. Цельсия полностью набухает в течение 2 часов. Нарушение целостности зерна ускоряет процесс набухания. При всех непрерывных способах разваривания крахмалистое сырье перерабатывается только в измельченном виде в смеси с водой (зерновые замесы). Чем меньше размер частич измельченного зерна, тем быстрее происходят набухание, клейстеризация крахмала и связанное с ней повышение вязкости замесов, что следует учитывать при выборе температурного режима подваривания. В зависимости от степени измельчения зерна, свойств и концентрации крахмала в замесе устанавливают оптимальное время выдержки массы при максимальной температуре, определяемое вязкостью подваренного сырья, т.е. возможностью его перекачивания. Полное набухание и клейстиризация возможны только при одновременном разжижении замеса бактериальными амилазами. Наиболее эффективны ферментные препараты бактериальных a-амилаз термофильных культур Bac.subtilis, Bac.diastatic, которые хорошо разжижая крахмал при температуре 85-90 гр. Цельсия, гидролизуют его до высокомолекулярных декстринов без значительного накопления сахаров, следовательно, можно не опасаться увеличенных потерь сбраживаемых углеводов при разваривании. После подваривания крахмалистое сырье поступает в разварники периодического или непрерывного действия, где подвергается обработке при высоких температурах 140-170 гр. Цельсия (избыточное давление 0,2-0,7 МПа). На начальной стадии разваривания заканчиваются процессы поглощения воды, набухания и клейстеризации, которые были начаты при подваривании. Вместе с этими процессами происходит растворение растворение крахмала, белков, пентозанов, гексозанов и других веществ сырья. По мере растворения отдельные клетки разрываются и крахмал высвобождается. Разрыв клеток происходит вначале в наружных слоях. Эта стадия медленного разваривания внутренних слоев продолжается в течение 40-50 минут для зерна и 15- 30 минут для картофеля. В конце разваривания при высокой температуре вещества, в том числе жидкий крахмал, выходят из увеличивающихся в размере клеток в межклеточные пространства, затем в окружающую среду.
Структурно-механические и физико-химические изменения. При непрерывном процессе разваривания режимы подваривания и разваривания зернового сырья в связи с прочной структурой и неоднородностью зерна значительно отличаются от режимов тепловой обработки картофеля. Наибольшей прочностью в зерне обладают оболочки, наименьшей – эндосперм. Прочность цветочных пленок и наружных оболочек зерна не уступает прочности древесины. Например, сопротивляемость на разрыв оболочки у ржи достигает 22,5 МПа, у пшеницы – 31,6 МПа. Алейроновый слой, находящийся снаружи эндосперма, помимо прочности отличается эластичностью – на обычных вальцовых станках его клетки практически не повреждаются, а зерновой зародыш, обладающий повышенной вязкостью, только сплющивается, но не дробится. Эндосперм в отличие от зернового зародыша обладает повышенной хрупкостью, сопротивление его сжатию составляет 1,7 – 3,2 МПа, а величина сопротивления скалыванию 0,3-0,9 МПа. Для предварительного разрушения целого зерна, осуществляемого при непрерывном процессе, требуется прилагать значительные механические усилия, что связано с увеличенным расходом электроэнергии. Например, при получении помола пшеницы с 95-96%-ным проходом частиц через сито с размером отверстий 1 мм расход электроэнергии на измельчение достигает 25 кВт*час/тонну зерна и более. Однако при этих условиях не обеспечивается вскрытие всех клеток сырья, в связи с чем уменьшение прочности сырья остается одной из главных задач, решаемых при предварительном его нагреве (подваривании), которое проводят с целым или измельченным зерном после его смешивания с 2,5-3-кратным количеством воды.
Изменение реологических свойств зерновых замесов в процессе разваривания. Реологические свойства зерновых замесов, обычно наглядно характеризуемые изменением вязкости массы, зависят главным образом от концентрации крахмала, размера частиц дробленного сырья и скорости нагрева. При полном набухании и клейстеризации крахмала сырья вязкость замеса возрастает, замес теряет текучесть и не перекачивается насосом. Поэтому все принятые в промышленности режимы подваривания основаны на проведении процесса в условиях, исключающих возможность резкого повышения вязкости замеса, что достигается снижением температуры нагрева в предразварнике до 60-65 градусов Цельсия. При этом крахмал клейстеризуется слабо и вязкость по сравнению с холодным замесом возрастает незначительно. В скоростных схемах разваривания уменьшение вязкости достигается мгновенным нагревом замеса в контакторе до 95-97 градусов Цельсия и быстрым его перекачиванием в варочный аппарат. Однако при подваривании по этим режимам не достигается необходимой полноты набухания и клейстеризации крахмала сырья. Скоростные схемы несовершенны также и потому, что не позволяют использовать для нагрева замеса весь вторичный пар, который выделяется в паросепараторе и избыток которого не утилизируется, что приводит к потерям тепловой энергии и дополнительным финансовым затратам (читай ниже). При подваривании замесов с ферментными препаратами термофильных а-амилаз, например культур Bac. Diastatic, Bac. Subtilius, замес хорошо разжижается, становится текучим и подвижным. Изменение вязкости замесов из тонкоизмельченного зерна (размер частиц 0,7-1,0 мм) при нагреве от 50 до 90 гр. Цельсия представлено на рисунке ниже. Видно, что при расходе препарата 0,2-0,25 ед. АС/г крахмала и температуре 72-75 гр Цельсия максимальная величина вязкости не превышала 1,5 Па * с, а при 95 гр Цельсия снижалась до вязкости холодного замеса 0,4-0,5 Па * с. При указанном расходе препарата максимальная вязкость и для крупноизмельченного зерна не превышала 2,0 Па * с. Подваривание замесов по режиму мгновенный нагрев до 95 гр Цельсия и выдерка 20 минут с применением а-амилазы в производственных условиях позволяет получать хорошо разжиженную, легко перекачиваемую массу, полностью использовать вторичный пар дляподогрева замеса, применять более мягкий режим разваривания, что способствует снижению потерь сбраживаемых веществ.В отличие от зерновых замесов измельченный картофель (кашку) подваривают лишь до температуры 40 гр. Цельсия, так как из-за клейстиризации свободных крахмальных гранул вязкость настолько возрастает, что кашка полностью теряет текучесть. Для снижения вязкости и разжижения картофельной кашки, как и для зерновых замесов, применяются бактериальные препараты, содержащие а-амилазу. На рис.4-2 представлено изменение динамической вязкости кашки, определяемой ротационным вискозиметром , при постепенном нагревании и перемешивании. При разжижении достаточным количеством ферментов бактериальной а-амилазы (доза культуры 0,5 ед. АС/г крахмала) вязкость кашки при температуре 80 гр. Цельсия значительно снижается.
Химические превращения крахмала в процессе разваривания в спиртовом производстве. В процессе спиртового производства из крахмала в основном получают спирт, но некоторые количество крахмала идет на производство крахмальной патоки и ферментов собственного производства. В растительных клетках крахмал находится в виде зерен (гранул) овальной и многогранной формы. Средний размер гранул картофельного крахмала составляет 40-50 мкм, гранулы крахмала злаков мельче и в среднем равны 10-15 мкм. По химическому составу гранулы крахмала неоднородны и состоят из двух полиноз: амилозы и амилопектина. Гранулы крахмала построены из концентрических слоев, в которых высоковетвистые молекулы амилопектина образуют трехмерные ячейки, заполненные амилозой. При нагревании в воде крахмальная гранула набухает поглощая 20-30 –кратное количество воды, она сильно увеличивается в объеме. При этом ослабляются и разрываются связи между отдельными структурными элементами гранулы и она разрушается; происходит клейстеризация крахмала, сопровождающаяся резким возрастанием вязкости крахмального клейстера. В клейстере сильно набухшие цепи амилопектина переплетены, а пространства между ними заполнены жидким раствором амилозы. Процесс клейстеризации сопровождается потерей кристаллической структуры, которая четко фиксируется на рентгенограммах нативных крахмалов. Температура клейстерзации крахмала зависит от многих факторов (вида крахмала, размера гранул, концентрации суспензии, скорости нагрева, наличия солей и т.д.) и характеризуется следующими температурными интервалами (в градусах Цельсия):
Добавление щелочи и нейтральных солей снижает, а сахара – повышает температуру клейстеризации. Изменение консистенции крахмальной суспензии при нагревев ходе разваривания определяет и изменение вязкости замесов из различных видов зернового сырья. В интервале температур 35-45 гр. Цельсия вязкость замеса практически мало изменяетя, при последующем нагреве увеличивается сначала медленно (температурный интервал 45-65 гр. Цельсия), затем резко возрастает при 75-85 гр. Цельсия, что связано с интенсивным набуханием и клейстеризацией крупных гранул крахмала, при 90 гр. Цельсия, когда клейстиризация заканчивается, достигает максимального значения, в ходе дальнейшего повышения температуры резко снижается в результате разрушения трехмерной сетки крахмального клейстера при перемешивании. В интервале температур 120-130 гр Цельсия образуется легкоподвижный клейстер. Растворение амилопектина также зависит от вида крахмала и протекает
В ходе нагревания наблюдаются и химические изменения в крахмале, связанные с ферментативным гидролизом крахмала при подваривании под действием амилаз, содержащихся в сырье, и кислотным гидролизом, протекающим при разваривании в слабокислой среде. При температуре до 70 гр. Цельсия среди продуктов гидролиза преимущественно присутствуют сахара, при 75 –80 C – декстрины. Накопление сахаров нежелательно, так как при разваривании под давлением они разлагаются. Декстрины более устойчивы к термообработке, и образование их в сырье не приводит к заметному увеличению потерь. Важное значение для снижения накопления сахара в замесе при подваривании измельченного сырья имеют скорость нагрева и продолжительность выдержки замеса в зоне температур 55-60 градусов Цельсия. При быстром прохождении этой зоны количество сахаров в замесе снижается на 40 – 50 %. При разваривании в слабокислой среде (при естественном рН сырья равном 6,5) под действием водородных ионов крахмал гидролизуется незначительно, а главным образом растворяется. Частично из него образуются высокомолекулярные декстрины; гидролизаты в виде моно- и дисахаридов не образуются.
Сахара. В крахмалсодержащем сырье содержатся главным образом сахароза, фруктоза и глюкоза. Общее количество сахаров в картофеле достигает 0,3 %, в зерне – до 4 % (во ржи – до 7%). В дефектном сырье, а также мороженном картофеле количество свободных сахаров значительно больше. Дополнительное количество сахаров образуется при подваривании сырья. Смирнов и Сотская считают, что основной реакцией распада гексоз (фруктозы и глюкозы) в процессе разваривания является оксиметилфурфурольное разложение. При этом из гексоз в кислой среде в результате дегидратации образуется оксиметилфурфурол, распадающийся на две кислоты: левулиновую и муравьиную.
Часть оксиметилфурфурола конденсируется с образованием красящих веществ желто-коричневого цвета. Устойчивость моносахаридов зависит от активной реакции среды (рН) и режима разваривания сырья. При естественном рН 6,5 разлагается около 80% глюкозы и 90% фруктозы. Минимальное количество глюкозы (5 %) распадаетя при рН 3,4, фруктозы (26 %) – при рН 3,6. Следовательно, для сохранения этих моносахаридов в процессе разваривания наиболее подходит слабокислая среда с рН 3,5 – 3,6. При условиях мягкого разварвания по непрерывным схемам разложение глюкозы и фруктозы может быть значительно уменьшено (соответственно до 0 и 9 %). Степень разложения сахаров можно снизить подкислением разваренной массы до рН 3,5 или смягчением режима варки. С точки зрения сохранности сахарозы и мальтозы рН 3,5 также является более благоприятным, чем рН сырья около 6,5. Однако на практике способ подкисления разваренной массы не нашел применения из-за отсутствия на заводах кислотоустойчивой варочной аппаратуры и насосов. Менее интенсивно разложение сахаров в процессе разваривания протекает другим сложным путем с образованием несбраживаемых дрожжами веществ – меланоидов (сахароаминная реакция). В результате из сахара и аминокислоты через ряд сложных превращений образуется продукт , который может быть выделен в виде бесцветных кристаллов, быстро буреющих при нагревании. Этот продукт является ключевым, обязательным для последующих реакций, приводящих к образованию окрашенных соединений - меланоидинов. Кроме меланоидинов среди продуктов реакций найдены алифатические альдегиды, фурфурол и его производные, формальдегид, ацетон, метиглиоксаль и др. Реакция меланоидинообразования протекает в широком диапазоне (рН от 2,1 до 7 - 8). В щелокной среде ее скорость выше, чем в слабокислой. С повышением температуры на 10 гр. Цельсия интенсивность реакции возрастает в 2 – 3 раза. Так как содержание свободных аминокислот в крахмалосодержащем сырье невелико, а гликол составляет ничтожную часть всех аминокислот, роль этой реакции в образовании потерь углеводов при разваривании незначительна по сравнению с оксиметилфурфурольным разложением сахаров. Кроме того, оксиметилфурфурол более реакционоспособен, чем сахара, поэтому его образование уже предопределяет снижение скорости образования меланоидов. Интенсивность меланоидинообразования можно снизить как путем снижения смягчения режима разваривания, так и подкислением среды до рН 3,5. В настоящее время реального уменьшения потерь сахаров можно достичь путем применения более низких температуры и давления при разваривании сырья за счет перехода на переработку тонкоизмельченного сырья.
Целлюлоза. Геммицеллюлоза, пектиновые и другие вещества. Целлюлоза при разваривании под давлением 0,4 – 0,5 Мпа практически не изменяется. Гемицеллюлозы частично растворяются и частично гидролизуются до декстринов различной молекулярной массы с образованием в качестве конечного продукта пентоз (арабинозы и ксилозы). Пектиновые вещества при разваривании гидролизуются с образованием (при жестких режимах обработки под давлением) большого количества метанола, что вызывает определенные трудности при ректификации, так как температура кипения метанола близка к температуре этилового спирта.
Чем жестче режим разваривания, тем выше давление и температура разваривания, тем больше образуется метанола. Гумми-вещества (слизи,камеди), растворяясь при разваривании, могут гидролизоваться при осахаривании под действием фермента В-глюканазы до глюкозы, способствуя, таким образом, увеличению выхода спирта за счет накопления большого количества сбраживаемых сахаров в сусле.
Азотистые, жировые и другие вещества крахммального сырья. При нагреве до температуры 100 гр. Цельсия, белки картофеля и зерновых злаков коагулируют и частично денатурируются, вследствие чего отмечается некоторое уменьшение содержания растворимого азота в сырье. При температуре 140 – 158 гр. Цельсия содержание растворенного азота возрастает за счет образования при гидролизе белков пептидов. По данным Климовского и Коновалова при разваривании целого зерна в раствор переходит до 20 – 50 % общего его количества. Жиры в процессе разваривания не претерпевают значительных изменений. Активная кислотность нормального сырья изменяется в пределах рН 6,0 – 6,2, что обусловлено присутствием в нем солей фосфорной, органических кислот, белков и других соединений. Дефектное сырье, подвергавшееся самосогреванию и гниению, содержит повышенное количество кислых продуктов, образовавшихся в результате разложения микроорганизмами углеводов в молочную, уксусную, масляную и другие кислоты. В ходе разваривания кислотность массы увеличивается за счет освобождения фосфорной кислоты из органических и неорганических соединений и образования из сахаров гуминовых веществ, а также муравьиной, левулиновой и других кислот. Образование кислых соединений является нежелательным процессом, так как способствует усилению гидролитических реакций, накоплению и разложению сахаров. В процессе разваривания увеличивается содержание экстрактивных веществ, в раствор переходит до 15-20% неуглеводных веществ. Значительное растворение веществ неуглеводной природы нежелательно, так как при этом снижается доброкачественность сусла, которое становится трудносбраживаемым.
Потери при разваривании зернового сырья. Потери сбраживаемых веществ (углеводов) при разваривании зависят от термического разрушения, оксиметилфурфурольного разложения сахаров и меланоидинообразования. Потери углеводов зависят также от качества и степени измельчения сырья, режимов подваривания, разваривания и других факторов. В таблице 4-1 показаны величины потерь сбраживаемых углеводов при разваривании, характеризующихся суммой спирторастворимых углеводов, в зависимости от режимов подваривания и разваривания замесов, приготовленных из крупно- и тонко- измельченного зерна.
При разжижении замесов бактериальной культурой при тех же режимах подваривания потери спирторастворимых углеводов меньше. Это объясняется тем, что разжиженные замесы расчитаны на более мягкий режим разваривания. Например, уменьшение потерь при переработке крупки с величиной частиц 2,5-3,0 мм вызвано тем, что продолжительность разваривания снижена до 120 мин (вместо 150 мин без разжижения). Некоторое увеличение содержания спирторастворимых углеводов во время выдержки быстро нагретых и разжиженных замесов большей частью за счет высокомолекулярных декстринов не приводит к заметному увеличению потерь при более мягком режиме разваривания. Наименьшие потери углеводов имеют место при разваривании тонкоизмельченного зерна, которое требует наименьшей длительности обработки – 50 мин. Вместо 120 мин для крупноизмельченного. В этих условия потери снижаются до 1% исходного крахмала сырья. Следовательно, тонкое измельчение при рациональном режиме подваривания, требующем более мягкого режима разваривания, является наиболее перспективным для снижения и в конечном итоге полного исключения потерь углеводов на этой стадии обработки сырья. Схемы разваривания зернового сырья. На большинстве спиртовых заводов разваривание крахмалистого сырья осуществляется по непрерывным схемам. На некоторых заводах сохранились также полунепрерывные и периодические схемы разваривания зерна и картофеля. Технологические требования к установкам непрерывного разваривания. Непрерывное разваривание можно разделить на следующие основные этапы: измельчение сырья, смешивание его с водой, подваривание, разваривание.Все способы непрерывного разваривания расчитаны на переработку сырья в измельченном виде, что позволяет перекачивать зерновые замесы насосами и дает возможность, смягчив режимы разваривания, снизить потери сбраживаемых веществ и улучшить использование углеводов сырья при переработке спирта. Б.А.Устинниковым, С.И. Громовым, М.Т. Полуяновой было количественно исследовано и обосновано увеличение выхода спирта (выходом спирта называется объем его в декалитрах (дал) , получаемый из 1 т условного крахмала или сахарозы, содержащейся в сырье) при переходе на тонко измельченное сырье. Выход спирта из 1 т крахмала для крупки данной степени измельчения (диаметр частиц крупки 0,5-3,0 мм) при режимах разваривания оптимальных для каждой степени (в дал), Y = A – B*d, Где А и В – коэффициенты, зависящие от вида, состояния сырья и способа его подваривания; d – средний эквивалентный диаметр частиц крупки, мм. Для пшеничной крупки с d от 1 до 3 мм: Y = 67,67 – 0,43 * d Средний диаметр крупки, получаемый при дроблении зерна, обычно составляет 1,5 – 1,7 мм. Если условный диаметр целого зерна принять равным 3,5 мм, то выход спирта при расчете по данному уравнению при переходе от разваривания целого зерна к измельченному должен увеличиваться на 0,9 – 1,1 дал из 1 т крахмала. Следовательно принятая в промышленности надбавка к выходу в 0,7 дал при способах непрерывного разваривания близка к расчетной. Дальнейшее увеличение степени измельчения по сравнению с существующей ограничивается отсутствием измельчающих машин, на которых можно за один пропуск через машину получить тонкий помол зерна со сранительно небольшим расходом элекроэнергии. В настоящее время на многих заводах применяют двухступенчатое измельчение зерна на молотковых дробилках и вальцевых станках и получают помолы с 75 – 80 % - ным проходом через сито с размером отверстий 1 мм. Переход на переработку зерна с 100 % - ным проходом через сито с размером отверстий 1 мм позволит повысить выход спирта еще на 0,3 – 0,4 дал из 1 т крахмала, снизить температуру с 140 до 136 -134 гр. Цельсия и сократить продолжительность разваривания до 10 –15 мин. Доказано, что при измельчении зерна до частиц размером 60 – 80 мкм (микрон), когда нарушается в определенной мере целостность крахмальных гранул, тепловую обработку под давлением можно заменить стерилизацией при температуре не выше 100 гр. Цельсия или значительно снизить как температуру, так и длительность обработки, что позволит увеличить выход спирта на 2 – 3 дал из 1 тонны крахмала. В этом случае снижается расход пара на разваривание, которое проводится в более безопасных условиях при атмосферном давлении. Технологическая схема механико-ферментативной подготовки крахмалистого сырья к сбраживанию представлена на рисунке. Работами Устинникова Б.А., С.В. Пыховой, С.И. Громова, В.И. Зотова и др. было показано, что если на замес из измельченного зерна, предварительно смешанные с препаратом а-амилазы, воздействовать тепловой энергией при непрерывном перемешивании в течении нескольких часов в диапазоне температур 60 .... 90 гр. Цельсия, то замес можно без разваривания под давлением охлаждать до 60 гр. Цельсия и подавать на осахаривание. В результате внедрения такого способа уменьшается расход пара на разваривание (на 40 %) и при снижении температуры разваривания до 100 гр. Цельсия потери сбраживаемых веществ.
Очищенные от посторонних примесей зерно или картофель поступают на молотковые дробилки 9 где измельчается до необходимых размеров частиц. Измельченное зерно поступает в смеситель 10, куда одновременно подают воду и a-амилазу из сборника через дозатор . В смесителе поддерживается температура 50-55 градусов Цельсия подачей теплой воды. Из смесителя замес подается насосом 11 через контактную головку 13 в аппарат 14 гидродинамической и ферментативной обработки первой ступени (ГДФО-1). В контактной головке замес быстро нагревается до 65 - 70 градусов Цельсия и поступает в аппарат гидродинамической и ферментативной обработки первой ступени (ГДФО -1), где выдерживается в течение 120 - 150 минут при постоянном перемешивании, осуществляемом механической мешалкой и рециркуляцией с помощью насоса 15. Для поддержания постоянной температуры пар подают в рубашку или змеевик. Подачей пара в контактную головку по этому варианту в аппарате гидродинамической и ферментативной обработки (ГДФО) поддерживают температуру 65-70 градусов Цельсия. Готовый замес насосом 16 непрерывно поступает в контактную головку 17 и затем в аппарат 18 гидродинамической и ферментативной обработки второй ступени. В аппарате гидродинамической и ферментативной обработки второй ступени (ГДФО-2) замес подогревается до 80-95 градусов Цельсия и выдерживается в непрерывном потоке при перемешивании в течение 30-40 минут. Из аппарата гидродинамической и ферментативной обработки второй ступени (ГДФО-2) масса подается в паросепаратор 19. Для переработки дефектного и трудно перерабатываемого зерна (например, стекловидной кукурузы) необходим более жесткий тепловой режим разваривания. В этом случае развариваемая масса насосом 16 подается на контактную головку 17, где подогревается острым паром до 105 градусов Цельсия, а при необходимости и до 130 градусов Цельсия. При этой температуре развариваемая масса проходит аппарат 18 гидроферментативной обработки второй ступени и через регулирующий клапан выдувается в паросепаратор 19. Технологический процесс разваривания успешно осуществляется при степени измельчения зерна, характеризуемой проходом через сито с отверстиями диаметром 1 мм не менее 75-80%. Остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм не должен превышать 0,2 %. Ферментные препараты дозируются в зависимости от их активности на 1 грамм условного крахмала: 1,5 - 2,0 единиц а-амилазы в смеситель или ГДФО первой ступени и 6,0-6,5 единиц глюкоамилазы в осахариватель. Техно-химическая характеристика ферментных препаратов
Информационный бюллетень №9 сентябрь 2000 года. Ликероводочноепроизв-во и виноделие. В применяемых ранее схемах непрерывной варки зернового сырья использовалась внешняя энергия на нагревание зернового замеса и внешняя (в виде одноступенчатой системы вакуум охлаждения, приводимой в действие вакуум насосом)– на его охлаждение. В предлагаемой схеме используется не только вторичный пар из выдерживателя 19 для подогрева замеса в смесителе 10, но и тепловая энергия сваренного замеса. Теплообменник производит нагревание замеса используя теплоту сваренной массы, которая одновременно охлаждается до нужной температуры. Этим достигается экономия тепловой энергии, расходуемой на нагревание зернового замеса при его разваривании. Контактная головка острого пара 13 используется только для догрева замеса до нужной температуры в пусковые моменты и при необходимости.
Например: Годовой расход мазута в тоннах за Н- год составляет 9850 тонн. Теплота сгорания низшая в пересчете на сухое топливо мазута топочного по ГОСТ 10585-63
Годовая мощность котельной составляет соответственно: 9850 тн/год * 1000 кг * 9650 ккал/кг = 95,052,500,000 ккал/год или 95,052,500 Мкал/год Мощность теплообменника согласно расчета (смотри следующую страницу) составляет 895,8 Мкал/час. 895,8 Мкал/час * 24 часа * 240 дней = 5,159,808 Мкал/год или 5,159,808,000 ккал/час. 5,159,808,000 ккал/час / 9650 ккал/кг = 534695,13 кг или 534,6 тн. Соответственно, применение теплообменника использующего для подогрева замеса теплоту самого замеса составит 534,6 тонн мазута марки М-100 в год.
ОАО Альфа Лаваль Поток Спецификация на пластинчатый теплообменник Заказчик : Слободской СВЗ Модель : МА30-SFM Дата : 17.05.2002
Усовершенствование типовой технологической схемы при переработке дефектного зерна в спиртовом производстве на Байловском спиртзаводе ГУП ФАПК "Якутия". С.И.Громов, к.т.н., ГНУ ВНИИПБТ, В.Н. Сидорин, В.Н. Поликашин, Байловский спиртзавод ГУП ФАПК "Якутия". Информационный бюллетень № 11, ноябрь 2000 года. При переработке по типовой схеме схеме механико-ферментативной обработки зерна I и II степени дефектности (ржи с высоким содержанием некрахмальных полисахаридов - гумми веществ, камедей,недозревшей щуплой пшеницы, пленчатого ячменя и т.д.) часто возникают сложности в производстве, связанные с замедлением процесса брожения, особенно при повышении начального содержания сухих веществ в сбраживаемом сусле (увеличении концентрации сусла). Работу в этих условиях осуществляют при пониженных концентрациях сусла: ржаного и ячменного - до 15 - 15,5 %, пшеничного - до 16,5 - 17 %. Переход на более высокую концентрацию сусла ведет к увеличению его вязкости, может способствовать сильному образованию пены на стадии главного брожения, что требует недолива чанов для предотвращения потерь из-за попадания бражки в углекислотную линию, при переливе ее из люков и т.д., в результате чего снижается полнота выбраживания и производительность бродильного отделения. Для повышения эффективности процессов производства спирта и увеличения съема спирта с 1 м3 бродильной емкости при переработке сусла более высокой концентрации предлагается следующий комплекс усовершенствований на стадиях подготовки сырья, ферментативной и термической обработки замесов, приготовления и сбраживания сусла полу-непрерывным способом. Дооборудование аппаратов ферментативной обработки (АФО) выносными контурами рециркуляции замеса с повышенной кратностью массообмена (до 4 - 6 против 2- 3 по типовой схеме). Многократная рециркуляция замеса из тонко измельченного зерна обеспечивает большую степень растворения сухих веществ, стабильного разжижения, декстринации крахмала под действием альфа-амилазы с сохранением достаточной текучести массы. Установка в насосах контура рециркуляции замеса протирочных дисков с регулируемыми зазорами от 0,2 до 0,25 мм и пропеллерных дековых устройств на выходе массы из рециркуляционных контуров. Эти устройства, при всей своей простоте изготовления даже силами собственной ремонтной службы завода, позволяют улучшить условия массообмена, воздействия ферментного препарата а-амилазы на обрабатываемую среду. В аппаратах емкостного типа за счет дополнительного диспергирования зерновых частиц. Доукомплектование технологической схемы узлом дополнительной термообработки, состоящим из укороченной трубчатки и колонны кратковременной выдержки с регулятором уровня. Этот узел позволяет обеспечить дополнительную термообработку гидролизованного замеса с целью высвобождения и растворения труднодоступных крахмальных зерен, жестко связанных со структурными частями зерна (алейроновый слой, пленки, клеточные стенки). Непродолжительная выдержка массы при температуре 125 - 130 гр.Цельсия в течение 5 - 15 минут не ведет к увеличению потерь, особенно при использовании термостабильной альфа-амилазы, но значительно улучшает степень подготовки массы к обработке ферментами в осахаривателе. В результате масса после термообработки отличается большей устойчивостью к инфицированию вследствие термической гибели вредных для спиртового брожения микроорганизмов, стабильно осахаривается и сбраживается. Оборудование осахаривателя выносным контуром рециркуляции осахариваемой массы с 7 -10 кратным массобменом и вырезом окна в нижней части требопровода подачи охлажденной гидролизованной массы от вакуумиспарительной камеры, проходяшего через осахариватель на протирочный насос. Через вырез-окно производится дополнительный подсос сусла. Смесь сусла и массы перемешивается с ферментными препаратами глюкоамилазы и альфа-амилазы и многократно прокачивается через циркуляционный контур. Энергичное контактирование смеси амилолитических ферментов с уже осахаренной и свежей массой обеспечивает интенсивный гидролиз массы при получении сусла. Дооборудование рециркуляционным контуром бродильных чанов. При этом за счет рециркуляции значительно интенсифицируется непосредственно процесс брожения. Срок сбраживания при полу-непрерывном (циклическом) способе сокращается с 72 до 53 -55 часов. Поскольку в некоторых случаях интенсивное брожение с рециркуляцией сопровождается образованием пены на бражке, часть пены может попасть в углекислотную линию и привести к ее забиванию и инфицированию, предлагаются специальные решения по гашению пены. Решения заключаются в установке внутри чана на выходе из рециркуляционной линии форсунки (сопла) для сбивания пены, что приводит к экономии пеногасителя (например соапстока) и как следствие этой экономии - к улучшению качества спирта. Установка на углекислотной линии газовых коробок - пеноловушек вместо задвижек для исключения перетока бродяшей массы по коммуникациям, чанам и предотвращения нарастания кислотности в среде. Предложенные выше элементы усовершенствования отражены на приводимой технологической схеме механико-ферментативной обработки замеса со сбраживанием зернового сусла полу-непрерывным способом.
Описание технологической схемы .Измельчение зерна до прохода частиц через сито 1 мм в количестве от 70 - 75 % до 80 - 90 % осуществляют по схеме с разделением зерна на две фракции и доизмельчением крупной фракции. Измельченное зерно и вода поступают в смеситель (1). Сюда же из расходного сборника (2) одноплунжерным насосом-дозатором (3) вводят ферментный препарат альфа - амилазы в количестве 0,6 -0,7 * 10 6 ед АС на 1 тонну условного крахмала. Замес при температуре 35 - 45 гр. Цельсия перемешивают мешалкой (4), после чего насосом (5) перекачивают по линии ( 6) в контактную головку (7). В контактной головке замес нагревается паром до температуры 65 - 70 гр. Цельсия и по трубопроводу направляют в аппарат ферментативной обработки АФО-1 (9), откуда замес по переливной трубе поступает во второй аппарат АФО - 2 (10). В процессе выдержки замеса в аппаратах АФО -1 и АФО -2 осушествляют перемешивание массы мешалками (11, 15) и рециркуляционными контурами (14), включающими протирочные насосы (12,13) и пропеллерно-дековые измельчители (16,17). На этой стадии при продолжительной выдержке в течение 3 - 4 часов сохраняется активность фермента альфа-амилазы до 80 - 85 %. Вследствие перетирания и механического разрушения частиц развариваемая масса становится более подвижной. В ней интенсивно протекают процессы разжижения, растворения крахмала с доизмельчением некрахмалистых частей и клеточной структуры зерна. При этом возрастает содержание нерастворимых веществ в массе до 90 %. Разжиженную массу насосом (18) через контактную головку (19) и трубчатку (20) отводят на тепловую стерилизационную выдержку в колонну (21). Разваренная масса в колонне выдерживается при температуре 125 -130 гр. Цельсия в течение 15 минут, после чего через регулятор уровня выпуска (22) поступает в паросепаратор (23). Из паросепаратора масса направляется в испаритель (24) на вакуумохлаждение до температуры 62 -63 гр. Цельсия и дальше отводится по трубопроводу (25) в осахариватель (26). В трубопровод 25 с гидролизованной разваренной массой дозируют суспензию глюкоамилазы и альфа-амилазы из расходного сборника (28) третьим плунжером суслового насоса. Процесс осахаривания стерилизованной массы, протекающий при интенсивном массобмене, проводят при дозе альфа-амилазы 1,6 - 1,7 * 10 6 ед Ас и глюкоамилазы - 6,0 - 8,0 * 10 6 ГлС/т условного крахмала. Сусло из осахаривателя 26 двумя плунжерными насосами подается на теплообменник 31, где оно охлаждается до температуры складки 22-24 гр. Цельсия. Охлажденное осахаренное сусло передают на брожение в головной бродильный чан. В дрожжанку сусло передается после осахаривания минуя теплообменник. Брожение ведут с использованием термотолерантной расы дрожжей У-717. На стадии циклического брожения пшеничного и ржаного сусла концентрацией до 18 - 18,5 и ячменного - 17 -17,5 применяют возврат сбраживаемой среды рециркуляционным насосом (36) из второго и третьего чанов (33,34) в первый чан. Помимо сусла в первый чан батарей (32) задают дрожжи из дрожжанки (35) в количестве 10 - 15 % по объему. После заполнения суслом чана (32) до верхней переливной трубы подключают рециркуляционную линию, в состав которой входят насос 36, форсунка с сопловым устроиством для пеногашения (37), расположенная в конце рециркуляционного трубопровода над переливной трубой в зоне интенсивного образования пены на поверхности бродящего сусла. Таким образом осуществляется интенсивное перемешивание сусла с одновременным гашением пены струей возвращаемой сбраживаемой среды. Через первый чан (32) заливают суслом второй, третий (четвертый) чаны (33,34). При этом для предотвращения попадания пены в чаны используют пеноловушки - газовые коробки, расположенные над каждым чаном и присоединенные к углекислотной коммуникации.Практика работы Байловского спиртового завода ГУП ФАПК "Якутия" показала, что внедрение перечисленных выше элементов усовершенствования типовой технологической схемы на стадиях подготовки сырья к сбраживанию и сбраживания сусла повышенной концентрации, способствует большей степени использования сбраживаемых веществ зерна, увеличению содержания спирта в бражке до 8,5 - 9 % и, как следствие, повышению выхода спирта.
Недостатком этой схемы является то, что выпар из паросепаратора-выдерживателя 23 выбрасывается в атмосферу, а не используется для предварительного подваривания замеса в смесителе 4 (о чем упоминалось в первом абзаце). Эти тепловые потери ведут к дополнительным финансовым затратам на приобретения топлива. Величина тепловых потерь и экономическая целесообразность использования теплоты разваренного (горячего) замеса для подогрева замеса на начальном этапе приготовления была описана выше (смотри пример использования пластинчатого теплообменника на Слободском СВЗ).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Бражка
