Производство спирта

В настоящее время разваривание крахмалсодержащего сырья производят тремя способами: периодическим, полунепрерывным и непрерывным. Наибольшее распространение получило непрерывное разваривание по двум схемам. По первой схеме разваривание осуществляют при пониженной температуре (130 - 140°С), но длительное (50 - 60 мни). По второй схеме температура разваривания 165 - 172 °С и продолжительность варки 2 - 4 мин. При непрерывном разваривании сырье постоянным потоком движется через варочный аппарата для обеспечения равномерности потока сырье измельчают.

Непрерывное разваривание измельченного сырья включает операции: дозирование сырья и воды, приготовление замеса и разваривание в две стадии (нагрев замеса до температуры варки и выдержка замеса при этой температуре). Процесс непрерывного разваривания осуществляется следующим образом. Измельченное зерно смешивают с водой в количестве 2,0 - 3,5 л на 1 кг зерна. Воду добавляют с таким расчетом, чтобы концентрация зернового замеса составляла 16 - 17% сухого вещества. Зерновой замес нагревают вторичным паром до 70 - 75°С и подают насосом в контактную головку, где происходит мгновенный нагрев замеса (кашки) паром до 100 110°С. Затем подогретый замес подают в варочный аппарат, состоящий из 2 - 4 ступеней (колонн).

Охлаждение  разваренной массы и её осахаривание. Осахаривание заключается в обработке охлажденной разваренной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидролиза полисахаридов, белков и других сложных веществ. Основным и наиболее важным процессом при этом является ферментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, поэтому процесс и называется осахариванием. В результате осахаривания разваренной массы получают продукт - сусло спиртового производства.

При осахаривании разваренной массы солодовым молоком: крахмал гидролизуется на 70 - 75% до мальтозы и глюкозы и на 25 - 30% до предельных декстринов, которые расщепляются: до Сахаров на стадии брожения. При использовании солодового молока получается сусло, содержащее 71 - 78% мальтозы и 22 - 29% глюкозы от суммы всех сбраживаемых сахаров. Сусло, полученное при осахаривании ферментными препаратами микробного происхождения, содержит 14 - 21% мальтозы и 79 - 81% глюкозы.

Такое различие в продуктах  гидролиза крахмала при использовании  разных осахаривающих материалов связано с тем, что в солодовом молоке содержатся A - и B-амилаза и декстриназа, а ферментные препараты микробного происхождения содержат A-амилазу и глюкоамилазу. Все эти ферменты отличаются по характеру действия на крахмал и по отношению к температуре и кислотности среды. В зависимости от происхождения A-амилазы могут расщеплять крахмал только до декстринов (A-амилазы бактериального происхождения) или образуют и декстрины, и сахара (большинство A-амилаз грибного происхождения и ферменты солода). Поэтому осахаривание разваренной массы осуществляют при определенной температуре, кислотности, концентрации субстрата и осахаривающего материала.

Наиболее прогрессивным  способом осахаривания является непрерывное осахаривание с вакуум-охлаждением. Сущность его заключается в снижении давления, что приводит к мгновенному охлаждению разваренной массы вследствие затрат тепла на испарение воды. Охлаждение под вакуумом предотвращает тепловую инактивацию ферментов осахаривающих материалов. К охлажденной массе добавляют осахариваюшие материалы. Оптимальная температура действия амилолитических ферментов 57 - 58 °С. Непрерывное осахаривание разваренной массы производят по одно или двухпоточному способу. При однопоточном способе в осахариватель (цилиндрический аппарат с коническим днищем и мешалкой) подают разваренную массу, все расчетное количество осахаривающих материалов и выдерживают в течение 10 - 15 мин. При двухпоточном способе разваренную массу разделяют на два равных потока и направляют в два осахаривателя. В первый осахариватель подают 2/3 осахаривающих материалов, во второй частично осахаренное сусло охлаждают и подают на брожение в первый и второй головные аппараты бродильной батареи.

Готовое сусло должно содержать 16 - 18% сухого сахара, в том числе 13 - 15% сбраживаемых сахаров; кислотность 0,2 - 0,3 град. При пробе на йод окраска сусла не должна изменяться.

Сбраживание. Сбраживание осахаренной массы (сусла) начинается с момента введения в нее производственных дрожжей. Под действием ферментов дрожжей идет расщепление мальтозы до глюкозы, которая затем сбраживается в спирт и диоксид углерода - основных продуктов брожения. Наряду с этим образуются вторичные и побочные продукты брожения: высшие спирты, кислоты и эфиры. По мере сбраживания моно - и дисахаридов под действием амилолитических ферментов происходит доосахаривание декстринов и крахмала, содержащихся в сусле. От скорости этого процесса зависит длительность брожения.

В процессе брожения сусла  можно выделить три периода: взбраживание, главное брожение и дображивание. В первом периоде происходит интенсивное размножение дрожжей и сбраживание Сахаров. Второй период характеризуется энергичным сбраживанием Сахаров и сопровождается бурным выделением диоксида углерода. В третьем периоде идет медленное дображивание Сахаров, образующихся в результате доосахаривания декстринов сусла.

Процесс брожения проводят в закрытых бродильных аппаратах  для предотвращения потерь спирта и  выделения диоксида углерода в производственное помещение. Герметически закрытый бродильный аппарат представляет собой вертикальный цилиндр со сферическим или коническим днищем, внутри него установлен змеевик  для охлаждения бродящего сусла.

Брожение сусла проводят периодическим, циклическим и непрерывнопоточным способами. Наиболее совершенным и эффективным является непрерывнопоточный метод, осуществляемый па установке, состоящей из двух дрожжанок, взбраживателя и 8 - 10 бродильных аппаратов, последовательно соединенных переточными трубами. Дрожжанки и взбраживатель предназначены для приготовления необходимого количества производственных дрожжей. Процесс происходит следующим образом. Дрожжанку заполняют суслом, пастеризуют его при 80°С в течение 30 мин, охлаждают до 30°С, доводят рН до 3,6 - 3,8 серной кислотой и вводят из второй дрожжанки засевные дрожжи в количестве 25 - 30% от объема. Размножение дрожжей идет до достижения содержания сухого вещества в сусле 5 - 6% - Затем 70 - 75% дрожжей переводится во взбраживатель, куда одновременно подается охлажденное сусло, производится подкисление всей массы до требуемой кислотности. Массу в таком виде оставляют для брожения и размножения дрожжей. Оставшаяся часть дрожжей (25%) подается во вторую дрожжанку для размножения.

Когда содержание сухого вещества достигнет 5 - 6%, массу подают в первый головной бродильный аппарат, в который  одновременно подается охлажденное  сусло. При заполнении первого головного  бродильного аппарата сбраживаемое сусло на него перетекает, во второй головной аппарат, из него - в третий и т.д. Длительность брожения составляет 60 ч. Из последней, аппарата зрелая бражка подается на перегонку. При брожении в аппаратах поддерживается определенная температура: в первом - 26 - 27 °С, во втором - 27, в третьем - 29 - 30, в последующих - 27 28 °С.

Выделяющийся при брожении диоксид углерода вместе с парами спирта из бродильных аппаратов поступает  в специальные ловушки, и которых  происходит растворение спирта и  отделение диоксида углерода. Водно-спиртовая  жидкость из ловушки направляется вместе с бражкой на перегонку, а диоксид углерода - в специальный цех для получения сухого льда или жидкого диоксида углерода.

Зрелая бражка должна соответствовать  установленным нормам. Крепость бражки (содержание этилового спирта в объемных процентах) должна находиться в пределах 8,0 - 9,5 об.%: содержание несброженных Сахаров не должно превышать 0,4 - 0,5%; кислотность зрелой бражки не должна превышать 0,5-0,6 град.

Отгонка спирта из бражки и его ректификация. Получаемая в результате брожения зрелая бражка имеет сложный состав. Кроме воды и спирта она содержит различные органические и неорганические соединения: сахара, декстрины, минеральные вещества, летучие соединения (эфиры, спирты, альдегиды, кислоты) и др. Состав и содержание примесей зависит от вида сырья, его качества, режимов его переработки в ходе технологического процесса.

Для выделения спирта из бражки и его очистки применяется  ректификация. Ректификацией называется процесс разделения смеси, состоящей  из двух или большего числа компонентов, кипящих при разных температурах. При кипении такой смеси компонент  с более высокой упругостью пара (более летучий) переходит в паровую  фазу в относительно больших количествах, а паровая фаза обогащается более  летучим компонентом. Температура  кипения этого компонента при  постоянном давлении ниже. Поэтому  при кипении смеси летучих  компонентов паровая фаза обогащается  компонентом, имеющим более низкую температуру кипения. В водно-спиртовом  растворе упругость паров спирта при любой температуре значительно  выше упругости паров воды. Вследствие этого содержание спирта в парах  больше, чем в кипящем водно-спиртовом  растворе.

Очистка спирта от примесей путем перегонки основана на различии коэффициентов их испарения. Коэффициентом  испарения называется отношение  концентрации данного вещества в  паровой фазе к концентрации в  жидкой фазе. Коэффициенты испарения  отдельных примесей отличаются один от другого и изменяются в зависимости  от содержания этилового спирта. Для  определения возможности очистки  этилового спирта от примесей необходимо сравнить коэффициент испарения  примесей с коэффициентом испарения  этилового спирта.

При коэффициенте ректификации, равном единице, перегонка неэффективна, так как дистиллят после нее  остается без изменения. Если коэффициент  ректификации больше единицы, то в дистилляте больше примесей, чем в первоначальной смеси. Если коэффициент ректификации меньше единицы, то в дистилляте меньше примесей, чем в перегоняемой смеси. Для головных примесей коэффициент  ректификации больше единицы, для хвостовых - меньше.

Очистку спирта-сырца от примесей производят в настоящее  время преимущественно на ректификационных установках непрерывного действия, в  которых спирт-сырец освобождается  от примесей в соответствии со значениями коэффициентов испарения. Такие  установки используются на ликеро-водочных заводах, где основным сырьем является спирт-сырец.

Ректификованный спирт в  настоящее время на спиртовых  заводах получают непосредственно  из бражки на брагоректификационных  установках косвенного действия. В  установку входят три колонны: бражная. эпюрациопная и ректификационная. В бражной колонне из бражки выделяют этиловый спирт и летучие примеси, в эпюрационной отделяют головные примеси, в ректификационной получают ректификованный спирт. В состав установки входят две дополнительные колонны - сивушная и окончательная. Сивушная колонна предназначена для выделения фракции высших спиртов (сивушное масло) и их концентрации, а окончательная колонна - для дополнительного освобождения этилового спирта от примесей.

На установке косвенного действия процесс ректификации осуществляется следующим образом. Бражку подогревают  до 90°С в бражном подогревателе и подают на верхнюю тарелку бражной колонны, в которую снизу поступает греющий пар. Пары, поднимающиеся из бражной колонны, поступают в конденсатор через бражный подогреватель, где отдают тепло поступающей в бражную колонну зрелой бражке. В конденсаторе пар полностью конденсируется и полученный конденсат крепостью 45 - 55 об.% поступает в эпюрационную колонну.

 

Аппаратурно-технологическая  схема спиртового производства:

1 — нория; 2 — весы; 3 —  подвесовой бункер; 4 — мойка зерна; 5 — емкость для озонирования  зерна; 6 — установка для озонирования воды; 7 — винтовой насос; 8 — аппарат гидротермической обработки; 9 — сборник жидкой фазы; 10 — шлюзовой затвор; 11 — активный смеситель; 12 — роторно-пулъсационный агрегат РПА-50С-СД; 13 — смеситель; 14 — роторно-пулъсационный агрегат РПА-ЗОС-СД; 15, 18 — насосы; 16 — ГДФО-1; 17 — ГДФО-П; 19 — спиральный теплообменник

Сусло из осахаривателя с концентрацей сухих веществ 20-22%, охлажденное до температуры складки 24...26 °С, перекачивается на центрифугу 1, где разделяется на две фракции. Жидкая фаза — осветленное сусло подается в бродильное отделение. Твердая фаза — дробина спиртовая с влажностью 70-75% поступает в сборник для промывки 2, который снабжен мешалкой. Сюда же подается техническая вода в соотношении 1:5 к массе дробины с температурой 50...55 °С. Смесь пребывает в сборнике 10-15 мин. Вымытый из дробины растворимый белок с промывными водами насосом 11 перекачивается на фильтр 3 для отделения от взвешенных частиц. Очищенный белковый раствор насосом перекачивается на ультрафильтрационную установку 4 с целью выделения и концентрирования белковых фракций до заданной концентрации. Отделенная промытая дробина может быть использована в качестве кормового продукта или компонента для производства комбикормов.

Пермеат из ультрафильтрационной установки направляется в сборник для пермеата 7, а белковый концентрат подается в вакуум-выпарной аппарат 5. Упаренный белковый концентрат стекает в сборник 6, откуда направляется на сушилку 8, где высушивается до влажности не более 10%. Высушенный белковый концентрат поступает в сборник 9, а затем к потребителю.

Жидкая фаза — осветленное  сусло — подается в количестве 18-20% в час от полного объема в  головной бродильный аппарат 10 и далее  в бродильные аппараты 12. Диоксид углерода из бродильных аппаратов проходит через спиртоловушку (14).

Температура в первом аппарате 26...27 °С, во втором 28 °С, в третьем 29...30 °С, в последующих 27...28 °С. Продолжительность брожения 52-54 ч.

Зрелая бражка из последнего бродильного аппарата 12 насосом 11 перекачивается в передаточную емкость 13, откуда подается на БРУ. Бражка, предварительно подогретая в дефлегматоре 16, поступет в бражную колонну 15. В холодильке 17 образуется бражной дистиллят.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОДУКТОВЫЙ РАСЧЕТ

РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА СПИРТА И ВОДЫ НА ПРИГОТОВЛЕНИЕ  СОРТИРОВКИ

Смешивание спирта и воды производится периодическим или непрерывным методом. При работе по непрерывному методу подача спирта и воды в смеситель в необходимой пропорции осуществляется автоматически. При периодическом проведении процесса необходимо определять требуемое количество спирта и воды для приготовления заданного объема водно–спиртового раствора (сортировки). Требуемый объем спирта (V_сп) для приготовления сортировки вычисляют по формуле

, (1)

где V_с — объем приготавливаемой сортировки, дал; А_с, А_сп — крепости сортировки и исходного спирта соответственно, % об.

Необходимый для приготовления  сортировки объем воды (V_в) рассчитывают с учетом явления контракции. Расчет можно провести двумя способами. Первый способ, более точный, будет рассмотрен ниже в примере, по второму способу объем воды вычисляют по формуле

, (2)

где V_сп — рассчитанный ранее объем спирта, необходимый для приготовления сортировки, мл; V_спр — объем воды, который необходимо добавить к 100 объемам спирта данной концентрации для получения сортировки заданной крепости, определяется по справочной таблице Г.И.Фертмана.

 

  Пример

Требуется приготовить 500 дал сортировки крепостью 40 % об. Сколько ректификованного спирта крепостью 96,0% об и исправленной воды необходимо задать в сортировочный чан?