Виробництво етилового спирту з крохмалевмісної сировини

Вуглевод крохмаль с полімером глюкози і відноситься до гру­пи полісахаридів. В клітинах рослин крохмаль міститься в ви­гляді зерен характерної для даної рослини форми. Розмір цих зе­рен змінюється від 2 до 150 мікронів. Зерно картопляного крох­малю еліптичної форми має розмір (15... 120) мк. Зерна крохмалю злаків мають менші розміри (2...35) мк. Переробка крохмалевміс­ної сировини в спирт проводиться в декілька стадій і підготовка сировини до переробки, розварювання, оцукрювання, зброджу­вання сусла, вилучення спирту із бражки та його очищення. На деяких заводах одночасно проводять і допоміжні операції: одер­жання оцукрюючих матеріалів та культивування дріжджів.

Для того, щоб дріжджі змогли використовувати крохмаль, крохмалевмісну сировину необхідно піддати попередній обробці: звільнити її від оболонок механічним засобом із клітини рослин:, піддати тепловій обробці і гідролізу під впливом ферментів. Кінцевою метою цієї обробки є перетворення крохмалю в цукри, які легко засвоюються дріжджами. На рис. 21.1 наведено функ­ціональну схему переробки крохмалевмісної сировини на спирт.

При підготовці зерна і картоплі до переробки на спирт вони повинні бути очищені від домішок і подрібнені. Подріб.тена маса повинна бути розбавлена водою до певного вмісту сухих речо­вин. Така маса в подальшому підлягає розварюванню. Підготов­ка сировини на сучасних спиртових заводах проводиться на апа­ратах безперервної дії. Картоплю миють в мийках. Звільнену від землі, соломи, бараболшшя і камінців сировину піддають подріблепню на картоплегерочпих машинах з мстою розірвати

Рис. 2J.I. Узагальнена функціональна схема комплексної переробки

 

крохмалевміспої сировини на спирт та інші продукти

клііипи коренеплоду і вивільнюй зерна крохмалю. Каргоплсіс-рочпа машина уявляє собою обертальний барабан, поверхня якого складається з вкладених між прокладками пиловидних зубців. Барабан закритий кожухом з завантажувальною ворон­кою. Кореїісплоди притискуються до барабану притискуваль­ного колодкою і стираються. Зернова сировина після очистки від домішок дробиться на молоткових чи вальцових дробарках.

Подрібдене зерно чи картоплю направляють в змішувач, де змішують з водою. На 1кг зерна додають (2,5...3,5) л води, на 1 кг картоплі — (0,2...0,5) л. Після перемішування одержану масу підігрівають і направляють її аппарат для розварювання.

Розварювання сировини

Механічним подрібнюванням вдається розкрити тільки час­тину клітини. Основна мета розварювання заклточасться в по­дальшому руйнуванні кліткової структури та розчиненні крохма­лю. Розварювання проводять насиченою парою при температурі (135... 155) °С. Крім руйнування кліткових стінок в процесі розва­рювання відбувається ряд складних структурно-механічних і хімічних змін, які готують середовище до подальшої фермента­тивної обробки. Розварювання на сучасних спиртових заводах проводиться в апаратах безперервної дії.

Оцукрювання — фермнтативний процес, який проходить за до­помогою амілолітичних ферментів солоду чи плісневих грибів. Со­лод, який використовують на спиртових заводах, містить значну кількість амілолітичпих ферхМентів, які мають оцукрюючу здат­ність. При переробці крохмалистої сировини ферменти виробля­ються в спеціальних цехах завода — солодовнях. Пророщене зерно ячменю чи інших культур підлягає подрібненню. В розбавленому водою вигляді цей продукт називається солодовим молоком. Соло­дове молоко направляють у розварену і охолоджену масу замісу.

Культури пліснявих грибів вирощують на пшеничних висів­ках, відходах спиртових заводів (барді) і картопляних лушпиннях. Плісеневі гриби містять різноманітний комплекс ферментів та інтенсивно оцукровують крохмаль перетворюючи його у зброд-жуваємі цукри. Плісеневі гриби культивують або на спеціальних підприємствах, або в окремих цехах спиртових заводів.

Оцукрювання крохмалевміспої сировини здійснюють безпе­рервним способом при додаванні солодового молока чи фер-

менших препаратів при певних умовах. В процесі оцукрювання коли 67% крохмалю перетворюється в цукри — мальтозу і 33° в продукти: розпаду молекули крохмалю — декстрини. Мальто­за — це зброджуваємий дріжджами цукор. Декстрини при бродінні дооцукровуються ферментами середовища в збраджуємі цукри. Процес оцукрювання складається з ряду послідовних опе­рацій — охолодження розвареної маси до необхідної темпера ту­ри, змішування охолодженої маси з солодовим молоком чи з культурою плісеневих грибів, оцукрювання крохмалю, охолод­ження оцукреної маси до початкової температури бродіння, пе­редача одержаного середовища (сусла) в бродильне відділення.

Зброджування оцукреної маси

При зброджуванні сусла цукор під дією дифузії проходить в дріжджову клітину. В результаті складних ферментативних про­цесів в клітині виробляється спирт і вуглекислота, які виводяться клітиною в навколишнє середовище.

Крім спирту і вуглекислоти продуктами життєдіяльності дріжджів є гліцерин, оцтовий альдегід, органічні кислоти, а та­кож вищі спирти (сивушні масла) і т.д.

Тривалість бродіння при температурі (26...30) °С — біля 60 год. Зріла бражка містить (8... 10)% об. спирту, деяку кількість нерозчиненого крохмалю і пезброджених цукрів. Вилучена при бродінні вуглекислота надходить до спиртоловушки, де спирт поглинається водою. Очищена вуглекислота надходить до вугле­кислого цеху де її скраплюють. Всі апарати батареї з'єднані труб­ками, по яких перетікає бродяче сусло, подається вода та пара для стерилізації. Бражка надходить до ректифікаційного відділення заводе для вилучення з неї спирту.

Вилучення спирту

Склад зрілої бражки, що одержана при, зброджуванні сусла, складний, але його можна розділити на дві частини — леткі та не­леткі компоненти. До легких відносять етиловий спирт, воду, ор­ганічні кислоти, ефіри, альдегіди, вищі спирти. Всього в бражці міститься більше 50 летких речовин. До нелетких компонентів відносять: дріжджі, солі, незброджусмі вуглеводи, гліцерин та інші.

Завдання заключается в тому, щоб відокремити з цієї склад­ної суміші леткі компоненти і одержати етиловий спирт належної

 

міцності та чистоти. Домішки спирту при цьому вилучають із спирту і ділять па фракції. У відходи йде барда, як цінний кормо­вий препарат для годівлі худоби.

Вилучення спирту проводять за допомогою ректифікації, яка заснована на різній леткості спирту і його домішок. Леткість домішок змінюється в залежності від концентрації в середовищі етанолу. Для оцінки летких домішок по відношенню до леткості етанолу вводять поняття про коефіцієнти випарювання і рек­тифікації. Позначимо вміст спирту в парі А, а в рідині — а. Відно­шення К=А/а називають коефіцієнтом випаровування. Для домішок відповідно приймемо позначення а і / . Тоді маємо: Kg = a/ . Для прикладу, при вмісті етанолу в рідині 10% масових в парі: міститься 52,5% масових спирту. Тому Ксп = 52,2/10 = 5,22. Коефіцієнтом ректифікації називають відношення коефіцієнта ви­паровування домішок до коефіцієнта випаровування етанолу.

Коефіцієнт ректифікації показує збільшення чи зменшення вмісту домішок по відношенню до етилового спирту. Домішки спирту розділяють на 3 групи; головні, проміжні і хвостові.

До головних відносять ті, які мають коефіцієнт ректифікації більше за 1. Основні їх представники: оцтовий альдегід, масля­ний альдегід, оцтово-етиловий ефір та ін. Вони концентруються в парі при будь-якому вмісту спирту в рідкій фазі. У хвостових домішок леткість завжди менша леткості етанолу, тобто К’< 1. До цієї групи відносять: воду, оцтову кислоту. Проміжні домішки мають подвійні властивості. При високих концентраціях спирту вони проявляють себе як хвостові домішки (К’<1), а при низьких концентраціях — головними (К’<1). Користуючись різницею в леткості компонентів ректифікація дозволяє вилучити етанол із домішок у будь-якій концентрації.

Ректифікаційні установки спиртових заводів — складні систе­ми, які включають колони, теплообмінну апаратуру (дефлегма­тори, холодильники, кип'ятильники), контрольно-вимірювальні пристрої і автоматичні засоби управління.

Основними елементами ректифікаційної установки с колони, кількість яких змінюється в залежності від її типу. Колона — ап­парат протитечійний. В ній встановлені тарілки — контактні пристрої, які призначені для приведення в тісний контакт пари,

що надходить знизу колони і рідину, що стікає по стінкам зверху вниз. При такому контакіі обмін компонентами між парою та рідиною дуже ефективний.

Рис. 21.2. Схема брагоректифікаційного апарату

І — бражна колона, 2 — конденсатор, З — елюраційна колона,

4 — дефлегматор, 5 — конденсатор, 6 — ректифікаційна колона,

7 — дефлегматор, 8 -— холодильник

На рис. 21.2 наведена одна із найбільш розповсюджених тех­нологічних схема брагоректифікаційної установки, що склада­ється із трьох колон: бражної - /, епюраційної — 3, ректифіка­ційної г- б. За такою схемою бражка із бродильного відділу на­сосом подається в конденсатор (дефлегматор) 2, потім в піді­грітому стані в колону І, в яку знизу також подається гріюча па­ра, що підіймається назустріч бражці, яка стікає, по тарілках ви­лучає із неї леткі компоненти. Залишок (барда) виводиться знизу колони. Спиртоводна пара конденсується в конденсаторі 2, віддаючи теплоту бражні. Спиртовий: конденсат, що містить всі леткі елементи бражки, надходить в епюраційну колону 3, при­значення якої в тому, щоб вивести із конденсату головні домішки. Вони частково конденсуються в дефлегматорі 4 і повер­гаються в колону 3. Друга частина пари конденсується в конден­саторі 5\ відбирається як фракція головних продуктів.

Звільнена від головних продуктів рідина (епюрат) відправ­ляється в колону 6. В цій колоні епюрат ділиться на спирт-рск-тифікат, що відбирається з верхніх тарілок колони та охолод­жується в холодильнику 8, і сивушне масло, що містить домішки ліотеру, який містить в основному воду і деяку кількість спирту. В установці отримують спирт-ректифікат міцністю (96,2...96,5) об." о, сивушне масло (хвостові домішки) і головні домішки. Відходами є барда та лютериа вода. Керування брагоректифікаційпими уста­новками в основному автоматичне.