Следующей за осахариванием операцией по приготовлению этилового спирта является брожение осахаренного и охлажденного сусла.

Все сусло кроме той части, что идет на приготовление дрожжей, направляют в бродильные аппараты, и содержащийся в нем сахар сбраживается дрожжами в спирт. При сбраживании зерно-картофельного сусла одновременно происходит доосахаривание декстринов. Бродящее сусло называют бражкой, или культуральной жидкостью.

1.2.1 Непрерывно-поточное сбраживание

На крупных спиртовых заводах применяют непрерывные способы сбраживания - непрерывно-поточный, поточно-рециркуляционный и циклический, а на малых заводах еще и периодический способы сбраживания сусла.

На рисунке 7 изображена схема непрерывно-поточного сбраживания сусла, предусматривающая установку следующего оборудования: двух механизированных дрожжанок 1, каждая емкостью 25-30 % от емкости возбраживателя; возбраживателя 2емкостью 80 % от емкости головного чана; двух головных бродильных чанов 3 и восьми-десяти бродильных чанов 4.

Рисунок 7 - Схема непрерывно-проточного сбраживания сусла

Для спуска засевных дрожжей самотеком механизированные дрожжанки располагают над возбраживателем, который в свою очередь установлен выше бродильных чанов. Цилиндрическая часть головных чанов должна быть на 1 м выше остальных бродильных чанов. Для ускорения перетекания бродящей массы из чана в чан переточные трубы в обоих головных чанах устанавливают на расстоянии 1 мот верхнего края цилиндрической части, в третьем - на 0,1 мниже верхнего края цилиндрической части, в последующих - на 0,1 мниже каждого предыдущего и в последних двух чанах - на 0,5 мот верхнего края. Переточные трубы снабжены дисковыми затворами для отключения каждого чана на стерилизацию. Перед стерилизацией головные чаны освобождают от бражки посредством центробежного насоса 5 по коммуникации а, остальные чаны - посредством насоса 6 и коммуникации б. Углекислый газ из всех бродильных чанов проходит спиртоловушку 7.

Непрерывно-поточное сбраживание ведется следующим образом. В начале производства в двух дрожжанках приготовляют 50 - 60% зрелых дрожжей. Зрелые дрожжи из одной дрожжанки переводят во возбраживатель, дрожжанку промывают, пропаривают и после охлаждения заполняют суслом. Сусло пастеризуют при температуре 75°С, охлаждают и задают 25-30% маточных дрожжей из другой дрожжанки. При охлаждении сусло подкисляют серной кислотой до 0,7-1,0° и сбраживают до 5-6% по сахарометру.

После отъема маточной культуры в первую дрожжанку зрелые дрожжи из второй дрожжанки также спускают во возбраживатель. Дрожжанку промывают, пропаривают и повторяют вышеописанные операции по приготовлению дрожжей.

Во возбраживатель одновременно со зрелыми дрожжами подают охлажденное сусло. По заполнении возбраживателя всю массу подкисляют серной кислотой до 0,4-0,5°. При переработке дефектного сырья сусло, поступающее во возбраживатель, предварительно пастеризуют при такой же температуре, как и сусло в дрожжанках, а затем охлаждают.

Массу во возбраживателе оставляют на брожение и по достижении отброда 5-6° полностью передают в один из головных бродильных чанов.

Одновременно со спуском засевных дрожжей и после него в головной чан непрерывно подают основное сусло. При этом бродящая масса последовательно заполняет один чан за другим и зрелая бражка из последнего чана направляется на перегонку. Как видно из рисунка 7, переточные трубы соединяют верхнюю часть каждого предшествующего чана с нижней частью каждого последующего.

В головном чане происходит главное брожение, в остальных чанах - дображивание. Одним из основных условий успешного проведения непрерывного брожения является поддержание в головном чане батареи в активном состоянии большого числа дрожжевых клеток (100-120 млн/мл).

В том случае, когда скорость притока сусла в головной чан велика и дрожжей из него выносится бражкой больше, чем образуется вновь, в работу включают оба головных чана.

Для ликвидации задержек и предупреждения развития бактериальной флоры головные чаны через каждые 24-30 чпо очереди полностью освобождают от бражки, перекачивая ее насосом, например, из первого чана во второй. После освобождения первого чана его вновь заполняют засевными дрожжами из возбраживателя и открывают приток затора, а бражку из второго головного чана перекачивают в третий по порядку. Затем второй головной чан заполняют так же, как и первый, и возобновляют приток затора.

С той же целью головные чаны промывают и стерилизуют паром через каждые 48-60 ч, а остальные чаны - по очереди через каждые 65-75 ч. При отключении на стерилизацию первого или второго головного чана приток сусла временно переводят на один из этих чанов. Из подлежащего стерилизации бродильного чана бражку перекачивают насосом в последующий чан.

Установка специальной запорной аппаратуры (дисковых задвижек) на переточных коммуникациях сводит к минимуму задержки частиц старой бражки в этих местах бродильной батареи.

Для того чтобы иметь возможность регулярно дезинфицировать и стерилизовать линии подачи осахаривающих материалов, осахаривания и охлаждения сусла, не нарушая непрерывности работы бродильной батареи, устанавливают две таких линии.

При кислотности засевных дрожжей 0,4-0,5° и непрерывном притоке свежего затора с кислотностью 0,15-0,2° как в головных, так и в других чанах батареи в течение 24-30 ч устанавливается постоянная кислотность, равная около 0,45° (рН 4,4). Замена бражки в головном чане новыми засевными дрожжами с такой же кислотностью (0,4-0,5°) сохраняет кислотность на прежнем уровне. Таким образом, кислотность бражки остается неизменной в течение 48-60 ч, что способствует чистоте спиртового брожения и активности амилазы (лучшему осахариванию декстринов и крахмала).

В бродильных чанах поддерживают температуру: в головных 25-27°С, в третьем чане 27-30°С, в остальных чанах 27-28°С. Брожение заканчивается через 60-62 ч, вместо 72 ч при периодическом способе сбраживания.

1.2.2 Проточно-рециркуляционное сбраживание

При рециркуляции отсепарированной биомассы дрожжей без ее антисептирования возможно инфицирование продуктов брожения. Поэтому был разработан способ рециркуляции сбраживаемой среды из 2, 3 и 4-го аппаратов в 1-й аппарат батареи. Таким способом из аппаратов 1, 2, 3 и 4 образуется рециркуляционный контур, в котором можно создать нужную скорость разбавленияи этим воздействовать на повышение удельной скорости роста микроорганизмов при стабилизации этих показателей в остальной части (5, 6, 7, 8, 9, 10 аппаратах) батареи. Объем рециркулируемой сбраживаемой среды составляет 100% от исходного притока сусла в батарею, что позволяет включить дополнительный приток этого сусла в количестве около 40 % от основного. Технологические показатели зрелой бражки, полученной при этом, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика зрелой бражки

Благодаря меньшему нарастанию кислотности в процессе брожения межстерилизационный период удлиняется с двух до трех суток, производительность бродильной батареи повышается на 40%, выход спирта увеличивается при продолжительности брожения 60 ч на 0,8 дал/т крахмала, а при 48 ч - на 1,2 дал/т.

В результате рециркуляции снижается унос дрожжей, происходящий при непрерывно-поточном брожении, обеспечивается повторное использование дрожжей, а следовательно, уменьшается расход сахара на синтез их биомассы, что сопровождается повышением выхода спирта на 0,1 дал/т крахмала.

При дальнейшем совершенствовании непрерывно-проточного брожения может быть использован способ обработки сбраживаемого сусла в головной части батареи действием вакуума для удаления ингибиторов брожения - спирта и промежуточных продуктов. Снижением концентрации спирта до 2%, дополнительным вводом ферментов достигается интенсификация доосахаривания и брожения, а в конечном результате - сокращение процесса до одних суток.

1.2.3 Циклическое сбраживание

Циклический способ, предложенный В.Л. Яровенко и Е.П. Скалкиной, представляет собой разновидность полунепрерывных методов брожения, в которых возбраживание и главное брожение протекают непрерывно, а дображивание - периодически. Для осуществления способа необходимы 2-3 механизированных дрожжевых аппарата, один взбраживатель и 6-7 бродильных аппаратов, соединенных между собой переточными трубами (с запирающими дисками для их изоляции во время стерилизации).

Порядок соединения, например, семи бродильных аппаратов в батарею для последовательного перемещения и сбраживания в ней протекающего сусла представлен на рисунке 8.

В возбраживатель 9 сусло подается из ответвления от суслового трубопровода, через который наполняется бродильная батарея, а чистая культура дрожжей поступает в него из дрожжевых аппаратов 8.

1,7 - головные аппараты; 2 - 4 - рядовые аппараты (5,6 - не показаны); 8 - дрожжевые аппараты; 9-возбраживатель; 10 - спиртоловушка; 11 - насос

Рисунок 8 - Аппаратурно-технологическая схема циклического способа брожения

Насос 11 предназначен для оперативного поднятия (накопления) необходимого объема чистой молодой бражки, подкисления ее до 0,7° и накопления биомассы дрожжей во возбраживателе, когда возникает в этом необходимость.

Работа батареи по циклическому способу начинается с периодического или полунепрерывного размножения дрожжей в двух дрожжевых аппаратах 8 и дальнейшего их накопления во взбраживателе 9 до 25-30 % от вместимости головного бродильного аппарата батареи. Размножение дрожжей в дрожжевых аппаратах и во возбраживателе продолжается по 14-16 ч. Кислотность сусла в дрожжевых аппаратах 0,9-1,2° и в возбраживателе 0,5-0,7° устанавливается добавлением раствора серной кислоты, редко - в результате молочнокислого брожения. Концентрация дрожжевых клеток за весь период размножения в дрожжевых аппаратах возрастает от 20-25 млн/мл до 80-100 млн/мл.

В дрожжевых аппаратах дрожжи размножаются на сусле, дополнительно осахаренном в течение 40-60 минут, пастеризованном при 75-78°С в течение 20-30 минут и охлажденном; во возбраживатель сусло из нормального сырья поступает из общей магистрали без пастеризации, но подкисленное.

В начале работы батареи головной аппарат одновременно наполняют дрожжами и суслом. Бродящее сусло с дрожжами из него непрерывно последовательно заполняет 2, 3, 4, 5 и 6-й бродильные аппараты примерно за 25-30 ч, после чего приток сусла прекращают и переводят на другую параллельную батарею, а здесь проводят периодическое дображивание сусла при температуре не выше 30єС в течение 32-38 ч. Рекомендуется иметь 2-3 параллельные батареи из 6-7 аппаратов каждая. Сразу после заполнения первой батареи сусло и дрожжи переводят на наполнение второй батареи, пока ее наполняют, заканчивается дображивание сусла в первой батарее. Батарею освобождают от бражки, начиная с концевого аппарата последовательно по направлению к головному. Новый цикл брожения в первой батарее начинают с 7-го аппарата. Вслед за его заполнением сусло с дрожжами перетекает в 6, 5, 4, 3 и 2-й бродильные аппараты после их освобождения, стерилизации и охлаждения. Сусло, загруженное в батарею в обратном направлении, оставляют на дображивание, а приток свежего сусла переводят в такой же концевой аппарат второй батареи и т.д.

В циклическом способе по окончании брожения первая стерилизация осуществляется от головного к концевому, во второй - от концевого к головному аппарату.

При переработке нормального сырья разрешается в качестве производственных маточных дрожжей использовать объемы бродящего сусла (бражки) из первого по потоку бродильного аппарата при концентрации сухих веществ 8-10 %. С помощью отдельного насоса 11из 1-го аппарата отбирают во возбраживатель 25-30% молодой бражки, подкисляют его раствором серной кислоты до 0,7 - 0,8° при температуре 23-27єС, сбраживают 6 ч и сливают в головной бродильный аппарат в качестве маточных дрожжей.

Недостаток циклического способа - неодинаковая продолжительность пребывания бражки в отдельных аппаратах батареи: наибольшая - в головных, наименьшая - в концевых, средняя - в остальных сосудах. Эта неоднородность ведет к инфицированию и закисанию бражки, что сопровождается потерями сахаров и снижением выхода спирта.

Для предупреждения инфицирования целесообразно создать две параллельные линии подготовки полупродуктов, в которые входят дробилки солода, баки солодового молока, осахариватель и теплообменник. Обе линии работают одновременно и при отключении одной из них на стерилизацию непрерывность притока сусла в батарею не нарушается. Стерилизацию каждой линии проводят через 24 ч, а линии солодового молока - через 8 ч.

При правильной организации циклического брожения сокращается общая продолжительность процесса на 12-15%, увеличивается съем спирта с 1 м³ бродильных аппаратов до 2,3 дал/сут вместо 2,0 дал/сут при периодическом брожении, сахар выбраживается полнее, несколько улучшаются технологические показатели зрелой бражки, они лучше, чем при периодическом способе, но всегда хуже, чем при непрерывном способе брожения.

1.2.4 Периодическое сбраживание

При периодическом способе брожения все операции от начала до конца проводят в одном аппарате. Приготовленное в осахаривателе сусло охлаждают до 30єС, добавляют засевные дрожжи и выкачивают сусло насосом в каждый бродильный аппарат. При непрерывном способе осахаривания зрелые дрожжи сливают непосредственно в бродильный аппарат. В этом случае в стерилизованный и охлажденный бродильный аппарат сначала вводят 1-2 м³ сусла, затем 6-8% засевных дрожжей от объема аппарата и дополняют его тем же суслом. Сусло с дрожжами оставляют на брожение в течение 72 ч.

Начальная температура сусла ("складка") зависит от продолжительности брожения: чем больше продолжительность, тем ниже температура (18-20єС при 72 ч). При недостаточной общей вместимости бродильных аппаратов на отдельных заводах опускают продолжительность брожения 48 ч с начальной температурой 24єС. Во время главного брожения поддерживается температура 29-30єС, в процессе дображивания - 27-28°С. Снижая температуру дображивания, предотвращают нарастание кислотности бражки. При этом нельзя тормозить нуждающееся в повышенных температурах превращение декстринов в моносахара и далее в спирт.

Брожение считают законченным, когда содержание несброженных сахаров (редуцирующих веществ - РВ) в бражке достигает 0,2-0,3 г/100 см³, а видимое и истинное содержание сухих веществ не изменится в течение последних 2-3 ч. Если отсутствует окраска зрелой бражки в йодной пробе, значит, произошло осахаривание растворимого крахмала.

Для мойки бродильных аппаратов удобно пользоваться специальным механическим приспособлением, которое приводится в движение рабочей жидкостью, нагнетаемой в него насосом под давлением до 0,4 МПа. Рабочая жидкость - смешанная с антисептиком перегретая вода - разбрызгивается внутри бродильного аппарата.

В производственном процессе спирта образуется большое количество отходов - послеспиртовой жидкой барды. При её сбросе окружающая среда подвергается загрязнению. Но барда является и ценным питательным продуктом, т.к. именно в ней содержится белок зерна.

Она представляет собою жидкость светло-коричневого цвета, имеет характерный "хлебный" запах, содержит 5-10 % сухих веществ. Но в таком виде она не может долго храниться, поэтому используется сушка барды, в результате которой получают сухой кормопродукт (DDGS), широко использующийся в сельском хозяйстве.

Сушка барды осуществляется при помощи выпарных станций. Выпарные станции и производство сухой барды являются неотъемлемой частью биоэтанольного производства (если используется зерновое сырьё), они могут устанавливаться и на территории спиртового завода, который работает на зерне.

В процессе производства барда из станции ректификации (разделения компонентов жидких смесей) поступает на станцию декантации (на основе пресс-фильтров), после чего сухой осадок поступает на станцию, предназначенную для сушки барды, грануляции и упаковки, фильтрат барды поступает на станцию выпаривания. А конденсат из выпарной станции и концентрированный фильтрат барды поступают на поля фильтрации или очистные сооружения.

Для сушки барды вместо выпаривания можно использовать и технологию аэробной микробиологической переработки жидкой фазы, в результате которой получают концентрированные кормовые дрожжи. Такая технология позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты за счёт низкой стоимости оборудования.

Полученные в результате сушки барды кормовые дрожжи представляют собой высокоэффективные белковые добавки к кормам, которые используются на многих комбикормовых заводах и сельхозпредприятиях. В кормовых дрожжах содержание белка превышает 42-44 %.

Существует и современный, новый способ, позволяющий комплексно решить проблемы переработки барды. Этот способ подразумевает использование известных и уже успешно зарекомендовавших себя технологических приёмов - это разделение твердой и жидкой фазы на центрифугах, на фугате выращивание кормовых дрожжей, сушка продукции при помощи камерных контактных сушилок.

В процессе разработки данной технологии были решены все основные технологические и технические проблемы. В ней оптимизирован состав оборудования, выбраны расы микроорганизмов и подобраны оптимальные технологические режимы.

Разработанная технология подразумевает переработку жидкой барды в ДКК - сухой дрожжевой кормоконцентрат, который представляет собою смесь барды твёрдой фазы с кормовыми дрожжами, выращёнными на основе фугата. Дрожжи в качестве биологически активной добавки вводятся в "кек", это позволяет получать такой готовый кормопродукт, который по усвояемости и биологической ценности значительно превосходит "DDGS", а по питательной ценности и своим свойствам соответствуют кормовым дрожжам 1-ой категории.

Современное биоэтанольное производство предусматривает и одновременное создание комплектных заводов для получения гранулированных сухих кормов на основе спиртовой барды. Такое решение является наиболее выгодным, так как оно основано на использовании высокоэффективного оборудования сушки биомассы.

Анализируя вышеприведенныеданные, вкурсовом проекте выбираем осахаривание с одноступенчатым вакуум-охлаждением, непрерывно-поточный способсбраживания, а также предусматриваем переработку барды в сухой кормопродукт типа DDGS.

1.3 Описание технологической схемы производства