Производство кормовых дрожжей на сахаросодержащих средах гидролизатах растительной биомассы

На рис. 11 показана принципиальная технологическая схема дрожжевого цеха. По этой схеме гидролизат, прошедший предварительную обработку, центробежным насосом 1 подается на охлаждение, которое происходит в две стадии: основное охлаждение на вакуумохладительной установке 2, доохлаждение сусла осуществляется при помощи пластинчатых теплообменников 3. Охлажденное сусло подается в дрожжерастильный аппарат 4 с аэрлифтной системой воздухораспределения. В аппарат для выращивания кормовых дрожжей, кроме сусла, подается воздух воздуходувкой 5, вода и отработанная бражка на разбавление, питательные соли в виде аммофоса, аммиачная вода для поддержания рН, засевные или подсевные дрожжи для поддержания культуры дрожжей. Отводят тепло путем орошения водой наружной поверхности аппарата и подачи воды в двухстенный диффузор. Выращенные дрожжи в виде дрожжевой суспензии непрерывно отводят из трех-четырех аппаратов во флотатор 6, в котором методом флотации в одну или две стадии осуществляется выделение дрожжей. Отработанная дрожжевая бражка выводится из флотатора и направляется на разбавление сусла или в канализацию, а частично сконцентрированная дрожжевая суспензия через газоотделитель 7 насосом откачивается в сборник 8, а из него в сепараторы 9 первой ступени сепарирования. Отработанная жидкость из этой группы сепараторов для снижения потерь дрожжей сбрасывается во вторую ступень флотации, а дрожжевая суспензия при помощи при помощи водоструйного насоса 10, разбавленная в нем водой, подается на сепараторы 9 второй ступени сепарирования и сгущения дрожжей. Отработанная промывная вода со второй группы сепараторов для снижения потерь возвращается на промывку дрожжей в газоотделитель. Сгущенная дрожжевая суспензия после второй сепарирования собирается в сборнике 11, а из него через подогреватель 12,в котором при помощи пара нагревается и плазмолизируется концентрат дрожжей, подается через напорный бак 13 на упаривание в двухступенчатую вакуумвыпарную установку. Упаренный дрожжевой концентрат откачивается насосом и подается в сборник 18, а из него в сушильную установку, состоящей из распылительной сушилки 19, вентилятора 20, циклонов 21, топки для подогрева воздуха и другого вспомогательного оборудования. Сухие дрожжи пневмотранспортом поступают в бункер 22, а из него на упаковку в бумажные мешки.

Вышеописанные схемы работы дрожжерастильных аппаратов приемлемы для работы на разбавленных сахаросодержащих растворах. Для работы на растворах с более высоким содержанием РВ эти схемы менее пригодны, так как дают повышенные недоброды. Существуют два варианта решения проблемы: первый - вести разбавление сусла отработанной дрожжевой бражкой, возвращаемой после флотаторов и сепараторов в процесс в необходимом количестве; второй - вести выращивание дрожжей на неразбавленном гидролизате в две ступени.

Трудности в применении первого способа заключаются в следующем: постепенное накопление в процессе выращивания дрожжей продуктов разложения; возможность заражения культивируемых дрожжей нежелательными посторонними микроорганизмами; дополнительное охлаждение бражки. Однако при этом резко сокращается расход свежей воды на производство.

Технологическая схема выращивания дрожжей на сусле с высокой концентрацией РВ заключается в том, что процесс выращивания разделяется на две ступени: первая - выращивание в условиях высоких концентраций РВ, вторая - в условиях низких концентраций. Дрожжи, выращенные на первой ступени, полностью отделяются от жидкости, прежде чем освобожденная от дрожжей жидкость поступит на повторное использование. На рис показана технологическая схема этого способа.

4. Выделение биомассы дрожжей из отработанной среды и концентрирование ее до товарной продукции.

Товарные кормовые дрожжи должны быть получены в сухом виде с содержанием не более 10% влаги. Следовательно всю вдагу, содержащуюся в готовой бражке с дрожжами, после выхода ее из дрожжерастильного аппарата необходимо удалить. В таблице 3 приведены данные о количестве влаги, подлежащей удалению из готовой бражки, в зависимости от содержания в ней дрожжей.

Таблица 3

С увеличением концентрации биомассы дрожжей в готовой бражке резко снижаются удельные затраты на удаление излишней влаги. Известны различные способы выделения биомассы дрожжей из готовой бражки, но основными , широко известными являются механические и теплотехнические. К механическим способам относится фильтрация, отстаивание, центрифугирование, сепарирование, разделение на гидроциклонах. К теплотехническим можно отнести выпаривание и сушку.

Путем экономической и технической оценки разных способов удаления влаги из биомассы дрожжей выделили натболее целесообразный технологический вариант: осуществляются последовательно флотирование, сепарирование, выпаривание и сушка.

Для получения кормовых дрожжей высокого качества в схему удаления влаги на флотаторах и сепараторах включена обязательная операция - промывка дрожжей. При этом отмывается почти вся отработанная среда, в которой росли дрожжи.

4.1 Флотирование дрожжей и деэмульгирование готовой бражки с дрожжами

Флотационный способ выделения дрожжей имеет перед сепарационным целый ряд преимуществ: значительно сокращается количество дорогостоящих сепараторов, сокращаются расходы на эксплуатацию, затраты на электроэнергию. Представляется возможным более надежно обеспечить непрерывный процесс выделения дрожжей из бражки; дрожжи, получаемые методом флотирования, имеют более высокие качественные показатели по содержанию белка, зольности, по вкусу и цвету; процесс выделения дрожжей становится полностью непрерывным.

На флотационную способность биомассы влияют раса внедренных в производство дрожжей, их размер и ветвистость. Большое значение имеет конструкция флотатора. Степень концентрирования дрожжей флотационным способом называют коэффициентом флотирования. Обычно этот коэффициент колеблется от 3 до 4, иногда доходит до 6.

Флотаторы предназначены для разделения готовой бражки методом флотации на две части: дрожжевую суспензию и отработанную жидкость. При разделении происходит концентрирование дрожжей. Имеющиеся в промышленности флотаторы выполнены в нескольких вариантах: цилиндрические, конические, одноступенчатые с внутренним стаканом, двухступенчатые (рис. 12).

Одним из самых распространенных аппаратов для флотирования дрожжей является флотатор одноступенчатый пятисекционный. Как показала практика, в одну ступень невозможно выделить из суспензии все дрожжи без потерь. Для более глубокого выделения дрожжей из жидкости применяют двухступенчатое исчерпывание дрожжей или концентрирование дрожжей методом флотирования. На рис. 13 показаны три варианта двухступенчатого флотирования.

По схеме а дополнительное исчерпывание дрожжей осуществляется на флотаторе II ступени, конструктивно аналогичным флотатору I ступени. Однако в связи с различием начальных концентраций флотатор IIступени должен несколько отличаться. После I ступени флотирования вместо спуска в канализацию отработанная жидкость центробежным насосом перекачивается в кольцевое пространство флотатора II ступени. Для усиления флотационной способности целесообразно во всасывающую линию насоса давать небольшой подсос воздуха из атмосферы. Концентрации дрожжей в отдельных точках примерно следующие:

· в готовой бражке, поступающей из дрожжерастильного аппарата, - 30 г/л;

· в дрожжевой суспензии после флотирования на I ступени - 90 - 120 г/л;

· в отработанной жидкости после I ступени флотирования, подавемой на II ступень флотирования, - 2 - 3 г/л;

· в дрожжевой суспензии после флотирования на II ступени - 8 - 10 г/л;

· в отработанной жидкости после II ступени флотирования - 0,2 - 0,3 г/л.

Схема б отличается от описанной выше тем, что здесь в две ступени подвергается флотированию не жидкостная часть, а дрожжевая. Поэтому на I ступени флотирования предполагается осуществить максимально глубокое исчерпывание дрожжей с получением при этом более разбавленной дрожжевой суспензии. Концентрации дрожжевой суспензии по этому варианту флотирования будут примерно следующими:

· в готовой бражке из дрожжерастильного аппарата - 30 г/л;

· в дрожжевой суспензии после флотирования на I ступени - 60 г/л;

· в отработанной жидкости после I ступени флотирования - 0,3 - 0,5 г/л;

· в дрожжевой суспензии после флотирования на II ступени - 120 г/л;

· в отработанной жидкости после II ступени флотирования - 3 - 4 г/л.

На рис. 13 в показана схема работы флотатора, в котором обе ступени флотирования совмещены. По существу эта схема не отличается от схемы а. Вторая ступень здесь конструктивно вписана в корпус флотатора. Основное преимущество этой конструкции заключается в ее компактности, однако, недостаточность объема II ступени флотирования не позволяет значительно снизить потери дрожжей.

Дрожжевая суспензия из флотаторов подается на сепарацию. По мере продвижения по трубам сгущенной дрожжевой суспензии из нее выделяется воздух. Для частичного отвода воздуха из труб перед центробежными насосами устанавливают газоотделители (рис. 14), представляющие собой искусственный расширитель потока дрожжевой суспензии. В результате расширения свободного потока уменьшается скорость жидкости, это способствует выделению воздуха, который отводится через верхний штуцер в атмосферу.

Деэмульгирование по технологическому значению является процессом, обратным флотации. Когда готовая бражка находится в состоянии дисперсности с воздухом, принимают меры для разрушения дисперсности и превращения бражки в жидкое состояние, пригодное для нормальной перекачки и сепарирования. Это достигается тремя наиболее широко известными доступными средствами: химическими, механическими и естественным способами.

К механическому способу разрушения пены относят использование вращающегося диски и колеса, а также подачу воды или отработанной жидкости на орошение пены.

К химическим средствам гашения пены относят олеиновую кислоту, рыбий жир, технические жиры и другие средства.

Естественный способ гашения рассчитан на самоосаждение и является, как правило, весьма длительным, так как некоторые виды пены весьма стойки.

4.2 Сепарирование и промывка дрожжей

На степень извлечения дрожжей из бражки влияет размер дрожжевой клетки. Поэтому на одних и тех же сепараторах нельзя получить одинаковый эффект при сепарировании дрожжей различных рас, имеющих разные размеры клеток. До некоторой степени на эффективность сепарирования влияют удельный вес и вязкость бражки, с повышением которых скорость выделения дрожжей снижается.

Общая продолжительность пребывания дрожжевой бражки в барабане сепаратора составляет 2 - 5 сек. Степень сгущения дрожжей, создаваемого сепаратором, зависит от соотношения объемов отработанной бражки и дрожжевого концентрата. Это соотношение регулируется изменением числа и сечения установленных в корпусе барабана дрожжевых мундштуков. При нормальной работе объем дрожжевого концентрата обычно составляет 10 - 15% от объема бражки. При уменьшении числа рабочих мундштуков увеличивается концентрация сгущенной суспензии, а также соответственно количеству заглушенных отверстий уменьшается производительность.

Степень сгущения дрожжей на сепараторах в значительной степени зависит от начальной концентрации дрожжей в бражке. При низком содержании дрожжей в бражке (10 - 15 г/л) можно достичь степени сгущения, или коэффициента сепарирования, равной 10. Если требуется сгустить дрожжи до более высокой концентрации, то полученную дрожжевую суспензию необходимо подвергнуть повторному сепарированию.

Дрожжевая суспензия из дрожжерастильного аппарата поступает с концентрацией биомассы дрожжей 20 - 40 г/л. На сепараторах можно сгустить биомассу дрожжей до 600 - 650 г/л. Такой степени сгущения без предварительного флотирования можно достичь лишь в несколько стадий.

Существует несколько схем сгущения. Основные причины, влияющие на выбор той или иной схемы, следующие: концентрация РВ в сусле и соответственно концентрация дрожжей в суспензии; возможность осуществления флотации перед сепарированием; качество сусла; возможность промывки дрожжей при помощи водоструйных насосов или баков; сепарирование без промывки.

1. Схема сепарирования дрожжей, полученных от переработки разбавленной водой и отработанной бражкой гидролизата, с флотацией и промывкой дрожжей на водоструйном насосе показана на рис. 15. Дрожжевая суспензия, поступающая на сепарирование после флотации, частично сгущена до 60 - 120 г/л биомассы дрожжей. Такой большой предел колебаний концентрации в суспензии является следствием выращивания дрожжей на средах с различным содержанием сахара. Дрожжевую суспензию в данном случае сгущают на двух группах сепараторов. На I группу сепараторов поступает частично сгущенная суспензия. Если при сгущении на флотаторе для промывки и гашения пены подавалась вода, то дрожжевая суспензия, поступающая на I группу сепараторов, будет снова частично разбавлена. Отработанную промывную воду со II группы сепараторов возвращают для снижения потерь дрожжей, уносимых с водой. Дрожжевая суспензия, разбавленная после флотации до концентрации биомассы 40 - 50 г/л, пройдя сепараторы I группы, вновь сгущается до 250 - 300 г/л. После I группы сепараторов дрожжевую суспензию необходимо промыть водой и подать на II группу сепараторов для дальнейшего сгущения. Качество промывки дрожжей зависит от соотношения количества промывной воды и дрожжевой суспензии. Это отношения называют кратностью промывки. По нормам технологического проектирования кратность промывки принимают равной 3. Сконцентрированные на II группе сепараторов дрожжи собираются в сборнике и из него откачиваются насосом на упаривание или непосредственно на сушку.

2. Схема сепарирования дрожжей без промывки показана на рис. 16. По этой схеме дрожжевая суспензия, пройдя флотатор, разделяется. Отработанная бражка выводится из флотатора и направляется в канализацию или на упаривание. Дрожжевая суспензия через сборник поступает для дальнейшего повышения концентрации на I группу сепараторов. Предполагается, что при нормальном режиме работы концентрация дрожжевой суспензии после I группы сепараторов будет 350 - 400 г/л. Для окончательного концентрирования дрожжевая суспензия направляется на II группу сепараторов. Перед этим дрожжевую суспензию в сборнике разбавляют отработанной бражкой для поддержания необходимой концентрации дрожжей.

4.3 Упаривание дрожжевой суспензии

Суспензия, содержащая перед упариванием живые дрожжевые клетки или плазмолизированные дрожжи, определяет некоторые специфические условия ведения технологического процесса. С учетом всех требований при упаривании дрожжевой суспензии нужно соблюдать следующие условия:

1. температура при упаривании не должна превышать 80 - 85?С, чтобы сохранить витаминный комплекс и предотвратить возможность пригорания.

2. дрожжевую суспензию перед подачей на упаривание необходимо плазмолизировать для снижения пенообразования в сепараторах выпарных аппаратов.

3. выпарной аппарат должен обеспечивать хорошую циркуляцию дрожжевой суспензии.

4. в схеме выпарной станции должна быть предусмотрена непрерывная циркуляция дрожжевой суспензии по трубам и аппаратам без длительных остановок, так как в противном случае создаются условия высаждения дрожжей в виде твердой пленки.

На рис. 17 показана схема двухкорпусной вакуумвыпарной установки. Установка работает по непрерывному способу. Дрожжевая суспензия с концентрацией сухих веществ около 15 % из сборника 1 подается центробежным насосом в первый корпус выпарной батареи. Перед поступлением в выпарной аппарат дрожжевая суспензия нагревается в теплообменнике-плазмолизаторе 2 до температуры 75 - 80?С с целью плазмолиза дрожжевых клеток. Дрожжевая суспензия при плазмолизе ожижается и становится однородным раствором с определенным содержанием сухих веществ. После плазмолиза дрожжевая суспензия поступает в напорный бак 7, где выдерживается не менее 30 - 40 мин. Суспензия в плазмолизаторе и калоризаторе первого выпарного аппарата подогревается паром низкого давления. Рекомендуемые температуры кипения в выпарных корпусах: в первом 80 - 83?, во втором 58 - 60?. В соответствии с этими температурами создается вакуум при помощи вакуум-насоса или пароэжекторной установки. При упаривании без принудительной циркуляции дрожжевая суспензия непрерывно циркулирует вследствие разности удельных весов. Однако дрожжевая суспензия при упаривании до 25% сухих веществ приближается к состоянию жидкости с повышенной вязкостью, вследствие чего происходит потеря напора. Целесообразно второй корпус изготовлять с принудительной циркуляцией. За счет разности давлений между первым и вторым корпусами упариваемая жидкость непрерывно перетекает из одного аппарата в другой. За счет разности температур в испарителе второго корпуса происходит самоиспарение части жидкости. Образующийся при этом пар уходит в барометрический конденсатор. Упаренная суспензия, так называемый дрожжевой концентрат, непрерывно отбирается из второго корпуса в сборник, а из него насосом подается в сушильное отделение.

4.4 Сушка дрожжей

Дрожжевая промышленность пользуется сушилками вальцовыми и распылительными, которые имеют конструктивные и технологические различия. Вальцовые сушилки широко используются на предприятиях малой мощности. Сушилки различаются по их испарительной способности: для вальцовых сушилок - 1 т влаги в час, для распылительных - 4 - 6,3 т влаги в час. Однако кроме сравнения их испарительной способности необходимо обратить внимание на качественные характеристики получаемой продукции. Несовершенство вальцовых сушилок состоит в том, что дрожжи на поверхности сушильного барабана в течение неполного его оборота во время сушки подвергаются воздействию температуры 140 - 150?. Это приводит к частичному разложению белка и аминокислот. Таким образом, потеря белка на вальцовых сушилках достигает 15%. На распылительных сушилках потери белка незначительны.

Сухие дрожжи после сушилок из циклона подаются на упаковку.

5. Отходы производства

5.1 Фурфурол

Фурфурол (от лат. furfur -- отруби) -- производное фурана, жидкость с запахом свежего ржаного хлеба. Получают при кипячении с серной кислотой различных сельскохозяйственных отходов (стебли подсолнечника, соломы, отрубей), а также древесины. При этом происходит гидролиз гемицеллюлозы (одного из полисахаридов клеточных стенок растения), образующиеся пентозы (главным образом, ксилоза) под действием серной кислоты подвергаются дегидратации, ведущей к образованию фурфурола. Фурфурол отгоняется вместе с парами воды. Фурфурол -- тяжелокипящая (161,7 °C) жидкость, плотностью 1,16 г/смі. Легко растворяется в большинстве полярных органических растворителей, но лишь незначительно растворим как в воде, так и в алканах.

Фурфурол применяют на предприятиях нефтехимии как растворитель для экстракции диенов (используемых для производства синтетической резины) из смеси улеводородов. Фурфурол и фурфуриловый спирт могут быть использованы вместе или по отдельности для получения твёрдых смол по реакции с фенолом и ацетоном, или с мочевиной. Такие смолы используются в производстве стекловолокна, некоторых деталей самолётов, и автомобильных тормозов. Из фурфурола получают фуран, служащий, в свою очередь, сырьём для получения популярного растворителя -- тетрагидрофурана. Кроме того, служит исходным сырьём для получения антимикробных препаратов группы нитрофуранов, таких как фурацилин и подобные.

В технологической схеме выращивания дрожжей урфуролсодержащий конденсат образуется в результате гидролиза и подготовки гидролизата к выращиванию дрожжей. С 1 т абсолютно сухой древесины можно получить 5,6 кг фурфурола-сырца (94%), поэтому содержание его в гидролизате весьма значительно.

Фурфуролсодержащий конденсат, образующийся после вакуумохладительной установки, направляется на ректификацию, посредством которой отделяется чистфй фурфурол.

5.2 Лигнин

Лигнин (от лат. lignum -- дерево, древесина) -- вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток. Сложное полимерное соединение, содержащееся в клетках сосудистых растений.

Одеревеневшие клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить со структурой железобетона: микрофибриллы целлюлозы по своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, -- бетону. Молекула лигнина состоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов; основной мономер -- конифериловый спирт.

Древесина лиственных пород содержит 20--30 % лигнина, хвойных -- до 50 %. Лигнин -- ценное химическое сырьё, используемое во многих производствах.

Лигнин в процессе производства кормовых дрожжей выделяется в процессе гидролиза древесного сырья в огромных количествах: из 1 т абсолютно сухой хвойной древесины образуется до 380 кг лигнина.

После окончания процесса гидролиза лигнин промывается и подается в циклон, где из него вследствие самоиспарения отделяется пар, а лигнин оседает на дне циклона. В днище имеются два отверстия для выгрузки лигнина, через одно из них лигнин можно ссыпать на конвейер, а через другое - в автомашины для вывоза за пределы завода.

На самом дрожжерастильном заводе лигнин утилизируется посредством использования его в качестве топлива для сушки дрожжей, предварительно подсушенный в трубе-сушилке.

Способ промышленного использования остального количества лигнина (около 50%) определяется в каждом отдельном случае в зависимости от профиля завода. Например, лигнин используют для высушивания того же лигнина. В этом случае сжигают уже высушенный до влажности 40% лигнин, дымовые газы служат сушильным агентом для лигнина, поступающего из циклонов с влажностью 65%. На этот процесс используется еще примерно 21% образующегося лигнина.

5.3 Промышленные стоки

В технологическом процессе производста дрожжей имеется несколько мест, где производится сброс жидкостей в канализацию. В одном случае это чистые стоки - воды из теплообменников, а в другом - загрязненные. В промышленных стоках присутствуют практически все вещества, переходящие в гидролизат в процессе гидролиза, химикаты, применяемые в производстве, продукты жизнедеятельности дрожжей.

Общее количество грязных промышленных стоков составляет 14 - 17 тыс. м³ в сутки, или 40 - 50 м³ на 1 т абсолютно сухой древесины. На 1 т абсолютно сухой древесины приходится: общее БПК₅ по всем стокам составляет примерно 88 кг, количество взвешенных веществ - 20 - 20,5 кг.

Для очистки сточных вод применяется механобиологическая очистка, производимая на собственных или городских очистных сооружениях. Осуществляется переход дрожжерастильных заводов на оборотную систему водоснабжения. Для ликвидации стоков применяется также метод упаривания.