Технология производства этилового спирта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Сырье и материалы для производства спирта

1.1 Основное сырье

1.2 Вспомогательные материалы

2. Описание технологических процессов производства спирта

2.1 Подготовка сырья к сбраживанию

2.2 Приготовление аппаратуры к брожению

2.3 Выращивание чистой культуры дрожжей

2.4 Дрожжегенирование

2.5 Сбраживание

2.6 Перегонка бражки

2.7 Выход спирта

2.8 Блок-схема процесса производства спирта

3. Области промышленности применения спирта

Список используемой литературы

1. Сырье и материалы для производства спирта

Анализ технико-экономических показателей спиртового производства свидетельствует об экономической эффективности переработки мелассы и других видов сахарсодержащего сырья. Преимущество заключается в простоте переработки мелассы, повышенном выходе спирта, большой производительности труда, снижении себестоимости продукции.

1.1 Основное сырье

Меласса является основным видом сахаросодержащего сырья, используемого для производства спирта.

Главной ее составной частью, пригодной для сбраживания на спирт, является сахар. Несахара мелассы - химические вещества органического и неорганического характера в большей мере также пригодны для спиртовой технологии, так как являются полезными питательными веществами и участвуют в процессах ферментации.

В зависимости от вида сырья, при переработке которого на сахарных заводах получена меласса, а также от характера сахарного производства различают следующие виды меласс:

· Свеклосахарная, полученная при переработке сахарной свеклы;

· Тростниковая (черная), полученная при производстве сахара их сахарного тростника;

· Тростниково-сахарная, полученная при очистке тростникового сахара-сырца на белый сахар;

· Рафинадная, полученная при производстве сахара-рафинада.

Они различаются неодинаковым составом несахаров. Этот показатель является основной технологической характеристикой, определяющей пригодность сырья и эффективность его переработки в спиртовом производстве.

При определении степени пригодности мелассы для переработки на спирт и другие продукты и выбора оптимальной технологии подготовки и сбраживания сырья необходимо перед началом производства определить состав и достоинства мелассы для получения максимально возможного выхода продукции ее высокого качества.

Все виды меласс, предназначенные для производства спирта и дрожжей, не должны содержать посторонних веществ, вредных для жизнедеятельности дрожжевых культур и ухудшающих качество продукции.

Свеклосахарная меласса является продуктом переработки сахарной свеклы в сахарном производстве. В 1982г. введен отраслевой стандарт (ОСТ 18-395-82), который распространяется на мелассу, используемую для производства этилового спирта, пищевых кислот, хлебопекарных и кормовых дрожжей и как добавка в корм сельскохозяйственным животным. Внешний вид густая сиропообразная непрозрачная жидкость от коричневого до темно-бурого цвета. Вкус сладкий с горьким привкусом. Запах свойственный свеклосахарной мелассе без постороннего запаха. Растворимость в воде полная, легко растворяется в любых соотношениях горячей и холодной воде.

Дефектная свеклосахарная меласса в отличие от нормальной плохо сбраживается, оставляет большой процент несброженного сахара, в результате чего дает пониженный выход спирта и дрожжей. Причиной плохой сбраживаемости является неблагоприятный для жизнедеятельности дрожжей химический состав мелассы, содержащий вредные примеси, угнетающие жизнедеятельности дрожжей и наличие бактериальной инфекции.

Тростниково-сахарная меласса является продуктом переработки тростникового сахара-сырца на белый сахар. В отличие от свеклосахарной она бедна азотом и фосфором, содержит много инвертного сахара, имеет высокую цветность, пониженную зольность и обладает малой буферностью.

Тростниково-сахарная меласса богата некоторыми ростовыми веществами, например биотином, крайне необходимыми для размножения и роста дрожжей; характеризуется отсутствием бетаина, обнаруживаются следы раффинозы.

Рафинадная меласса по химическому составу и технологическим качествам близка к тростниково-сахарной мелассе. Отличие заключается главным образом в большом содержании раффинозы, которая в тростниково-сахарной мелассе отсутствует.

Тростниковая (черная) меласса получается при производстве сахара из сахарного тростника. Она широко применяется в бродильной промышленности зарубежных стран с теплым климатом, пригодных для выращивания тростника, а также в некоторых странах, которые эту мелассу импортируют для производства спирта или добавки к свеклосахарной мелассе при выращивании хлебопекарных дрожжей.

Состав тростниковой мелассы зависит от района и условий культивирования сахарного тростника и технологии его переработки на сахарных заводах. По своим качественным показателям она значительно отличается от свеклосахарной: имеет обычно темно-коричневый до черного цвет и приятный фруктовый (сливовый) запах.

Порядок транспортирования и приемки мелассы от сахарных заводов производится в соответствии с действующей Инструкцией по хранению, транспортированию и приемке мелассы на предприятиях Министерства пищевой промышленности СССР.

Доставляют мелассу на спиртовой завод в основном по железной дороге цистернах и автомобильным транспортом в автоцистернах. На станции назначения приемка производится по массе. Наряду с проверкой массы груза определяют качество. Для этого из каждой прибывшей партии отбирают пробу, в которой определяют плотность, реакцию, сахаристость.

На спиртовых заводах меласса хранится в закрытых металлических резервуарах, оборудованных нижними верхними люками, воздушниками и змеевиками в месте забора на насосы для подогрева ее в зимнее время. Вместимость резервуаров рассчитывается исходя из производительности завода и обеспечения производства сырьем на период не менее 5 месяцев. При этом количество мелассохранилищ должно быть не менее 3 единиц, чтобы обеспечить раздельную приемку различных по качеству меласс.

Емкости для мелассы изготовляют из листового железа, желательно рулонной заготовки требуемых размеров. Наиболее выгодное отношение диаметра резервуара к высоте 1:1.

Мелассные резервуары устанавливаются по схеме, позволяющей подавать мелассу для переработки из каждого хранилища в отдельности и одновременно из всех емкостей, а также производить рециркуляцию и перемещение мелассы из одной емкости в другую. Рециркуляцию осуществляют насосом после подачи на производства требуемого количества.

При хранении мелассы должна быть исключена возможность попадания в нее концентрированной серной или соляной кислоты во избежание инверсии сахарозы и возникновения сахароаминной реакции.

1.2 Вспомогательные материалы

Вспомогательными материалами в спиртовом производстве являются кислоты, соли и другие вещества химической природы, применяемые в технологии получения спирта из мелассы и при переработке других видов сырья для подкисления сусла в качестве питательных веществ для дрожжей, для гашения пены и других технологических целей. Они используются также при переработке сахаросодержащего сырья на спирт, хлебопекарные и кормовые дрожжи, углекислоту и другие продукты.

· Ортофосфорная кислота - это кислота неорганического типа, имеющая формулу H3PO4, при обыкновенных условиях ортофосфорная кислота имеет вид бесцветных кристаллов, которые отлично впитывают влажность. Кислота растворяется в воде и обыкновенно ортофосфорной кислотой называют 85% водный раствор, похожий на сиропообразную жидкость, не имеющую запаха.

· Диаммонийфосфат - водорастворимая соль, образующаяся при взаимодействии аммиака и фосфорной кислоты. Химическая формула (NH4)2HPO4.

· Карбамид - это мочевина тривиальное название карбамида (диамида угольной кислоты). Белые кристаллы, растворимые в полярных растворителях (воде, этаноле, жидком аммиаке). Выпускается в кристаллическом и гранулированном виде.

· Хлорная известь - смесь гипохлорита, хлорида и гидроксида кальция. Относится к смешанным солям. Получают взаимодействием хлора с гашеной известью. Нормируется и дозируется для антисептических работ по содержанию активного хлора.

· Соляная кислота - раствор хлороводорода в воде; сильная одноосновная кислота. Бесцветная, «дымящая» на воздухе, едкая жидкость. Реагируя с такими веществами, как хлорная известь, диоксид марганца, или перманганат калия, образует токсичный газообразный хлор.

· Серная кислота - сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота - тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. Сырьем для получения серной кислоты служат сера, сульфиды металлов, сероводород, отходящие газы теплоэлектростанций, сульфаты железа, кальция и др.

· Олеиновая кислота - ненасыщенная жирная кислота. Бесцветная вязкая жидкость.

· Сульфонал представляет собой смесь натриевых солей алкилбензолсульфокислот, полученных на основе линейного алкилбензола. Последующей грануляцией водного раствора сульфанола получают сульфанол порошок.

· Формалин технический - водный раствор, содержащий 40% формальдегида, 8% метилового спирта и 52% воды. Источник формальдегида, дезинфицирующее и дезодорирующее средство, жидкость для сохранения анатомических препаратов и дубления кож.

2. Описание технологических процессов производства спирта

Технология производства этилового спирта основана на ферментативном сбраживании сахаров дрожжевыми микроорганизмами и состоит из следующих основных процессов:

· Подготовка сырья к сбраживанию;

· Приготовление аппаратуры к брожению;

· Дрожжегенерирование;

· Выращивание чистой культуры дрожжей;

· Сбраживание;

· Перегонка бражки.

Указанные процессы имеют большое значение, и требует строго соблюдения режимов для обеспечения высокой эффективности всего производственного цикла.

2.1 Подготовка сырья к сбраживанию

Процесс подготовки мелассы и сахара-сырца к сбраживанию подразделяется на ряд технологических операций: тепловая обработка (пастеризация и стерилизация); химическое антисептирование; подкисление кислотами; внесение питательных солей; приготовление мелассного сусла и раствора сахара-сырца.

Тепловая обработка. Практически все мелассы, хотя и в разной степени, заражены посторонней микрофлорой, жизнедеятельность которой приводит к нарушению технологических процессов сбраживания, нерациональным тратам сахара и ухудшению качества спирта и хлебопекарных дрожжей. Для обезвреживания посторонней микрофлоры меласса должным образом обрабатывается. Одним из наиболее эффективных способов обеззараживания мелассы на спиртовых заводах является метод тепловой обработки (стерилизация и пастеризация). Стерилизация осуществляется нагреванием мелассы котельным паром в теплообменниках до температуры 109-110 градусов по Цельсию и выдерживается при этой температуре в течение 1,5-2мин. За это время происходит полное подавление микроорганизмов молочных бактерий, диких дрожжей, плесневых грибов и др.

После выдерживания нагретая меласса выпускается в сборник, где продуванием воздуха удаляются летучие вещества, и охлаждается до температуры 25-30 градусов по Цельсию. Охлаждение проводят в теплообменниках трубчатого или пластинчатого типа холодной мелассой по рациональной схеме теплоиспользования. Пастеризация мелассы в отличие от стерилизации осуществляется при более низких температурах и длительном выдерживании.

Химическое антисептирование. Подкисление мелассы. Тепловая обработка мелассы проводится в сочетании с обработкой химическими антисептиками и кислотами. Обеззараживание раствора сахара-сырца кислотами не допускается - применяют только химические антисептики. Подкисление мелассы кислотами проводят не только в целях борьбы с микрофлорой, но и для создания для дрожжей оптимальной рН среды. При однопоточном способе сбраживания подкислению подвергают всю мелассу, поступающую в производство, из расчета получения кислотности мелассного сусла в пределах 0,4-0,5° Д и рН 4,9-5,1. при таком режиме проводится выдерживание мелассы в течение 8-12ч. При двухпоточном способе подкисляют и антисептируют соляной или серной кислотой только ту часть мелассы, которая идет для приготовления дрожжевого сусла. Количество кислоты определяют на всю массу мелассы. После подкисления меласса должна иметь кислотность 3,5-4,0 град, что обеспечивает антисептирование при выдерживании мелассы в течение 4-8ч.

Расход кислот для подкисления мелассного сусла складывается из количества, необходимого для нейтрализации щелочности меласс, и для придания суслу соответствующего рН и кислотности. Для этой цели применяют серную и соляную кислоты. Последняя применяется на спиртовых заводах, имеющих цехи сухих кормовых дрожжей и выпарные установки, так как ее соли (хлориды) растворимы в воде и не дают осадков в теплообменной аппаратуре в отличие от солей серной кислоты.

Внесение питательных солей. Немаловажное значение в подготовке сырья к сбраживанию имеет внесение в мелассу питательных солей. Они вводятся в виде предварительно приготовленных растворов по установленным нормативам расхода одновременно с серной или соляной кислотой. Все химикаты задаются в мелассу при выпуске из сборника в смеситель пропорционально ее массе. После размешивания подработанную массу сливают в сборники суточного запаса для выдерживания. Питательные соли и кислоты, нормируемые на тростниковый сахар-сырец, вносятся на стадии приготовления водного раствора одновременно с внесением антисептиков и проведением тепловой обработки раствора.

Количество питательных веществ, вносимых в мелассу, определяется по нормативам их расхода на 1000 дал спирта, вносимых в тростниковый сахар-сырец - по нормативам расхода на каждую тонну сахара-сырца в зависимости от доли его в смеси с мелассой, а также на смесь сахара-сырца и мелассы в расчете на 1000 дал спирта.

Приготовление сусла. В натуральном виде меласса не сбраживается дрожжами из-за высокой концентрации сахара и несахаров, поэтому для обеспечения нормальной жизнедеятельности дрожжей и для протекания биохимических процессов, связанных с их деятельностью, мелассу необходимо разбавлять чистой водой до концентрации 20-28% СВ.

Мелассное сусло независимо от способа сбраживания необходимо готовить на чистой артезианской воде или стерильных конденсатах упаренной барды. Однако ряд спиртовых заводов для приготовления сусла используют прудовую или речную воду в неподготовленном виде, которая в сильной степени инфицирована и представляет опасность для чистоты процесса брожения. Поэтому перед пуском такой воды на приготовление сусла она должна быть обеззаражена.

При однопоточном способе сбраживания мелассное сусло готовят одной концентрации - 15-19% СВ, при двухпоточном - дрожжевое сусло концентрации 8-12% СВ, основное сусло -36-50% СВ в зависимости от соотношения объемов дрожжевого сусла и сусла, подаваемого на сбраживание в бродильные аппараты.

Основное сусло при однопоточном способе сбраживания подается в бродильную батарею в виде неразбавленной мелассы, концентрированного раствора сахара-сырца или их смеси.

Мелассное сусло в условиях непрерывного брожения готовится на непрерывно действующих рассиропниках, которые представляют собой аппараты для растворения и размешивания мелассы с горячей и холодной водой в непрерывном потоке по заданному режиму концентрации сухих веществ и температуры.

2.2 Приготовление аппаратуры к брожению

Производство спирта из мелассы основано на биохимических процессах, в которых микробиологическая чистота среды имеет важное значение для обеспечения нормального выхода и хорошего качества этилового спирта и дрожжей. Борьба с инфекцией в спиртовом производстве осуществляется антисептированием или стерилизацией мелассы. Обработкой воды и воздуха, применяемых в технологии спирта и стерилизацией технологического оборудования.

Стерилизация или дезинфекция технологического оборудования, являющегося одним из крупных очагов развития и распространения инфекции, проводится следующим образом: производственные сборники мелассы очищаются от содержимого сырья и замываются чистой водой. Внутренние поверхности их очищают водным раствором хлорной извести и формалина. Раствор антисептиков прокачивается по трубопроводам, которые после выпуска раствора пропариваются острым паром в течение не менее 30 мин при давлении до 2 атм. Рассиропники и трубопроводы промываются водой и пропариваются паром периодически при проведении профилактической стерилизации дрожжегенераторов и бродильных аппаратов по указанному режиму.

Дрожжегенераторы, бродильные аппараты и другие бродильные емкости при проведении стерилизации и дезинфекции промываются внутри чистой водой. Внутренняя поверхность их обрабатывается раствором антисептика и при закрытых люках, но при действующих вакуум-прерывателях пропариваются острым паром не менее 30 мин, начиная отсчет времени при достижении температуры в сосуде не ниже 85°С. Если в пропариваемых аппаратах установлены трубчатые змеевики, то из последних перед пропариванием должна быть выпущена вода по специальным спускным приспособлениям.

Предприятия, работающие на нормальной, не инфицированной, мелассе, дезинфекцию и стерилизацию технологического оборудования проводят один раз в 5-10 дней при однопродуктовом производстве и через 2-3 суток двухпродуктовом производстве.

Стерилизация дрожжегенераторов, выполненных по схеме УКРНИИСПа, проводится практически без нарушения непрерывности процесса дрожжегенерирования. Пар для пропарки дрожжегенераторов подводится в воздухораспределительную систему.

Стерилизация бродильных аппаратов осуществляется по поступательно-возвратному принципу и начинается с опорожнения последнего аппарата бродильной батареи. Пар для бродильных аппаратов подводится в передаточные линии, причем пар подается обязательно в нижнюю часть сосуда для полного прогрева его по всей высоте.

Газовую коммуникацию бродильной батареи отключают от бродильных аппаратов и пропаривают по частям так, чтобы жидкость из коммуникации при пропарке не попадала во вновь залитые бродильные аппараты.

Спиртоловушки и пеноловушки замываются водой и пропариваются совместно с газовыми коммуникациями дрожжегенераторов и бродильной батареи.

Перед началом технологического процесса вся аппаратура, коммуникации, запорная арматура, насосы и другое оборудование тщательно ремонтируется во избежание течей, пропусков массы, перегрева сусла и дрожжей паром и т.п.

2.3 Выращивание чистой культуры дрожжей

Чистые культуры дрожжей поступают на предприятия обычно в пробирках, закрытых ватными пробками и залитых сургучом.

В зимнее время чистые культуры дрожжей готовятся на сусло-желатине, а в летнее - на сусло-агаре. В последнем случае вместе с пробиркой дрожжей получают запаянную ампулу со стерильным суслом, которым смывают дрожжи с поверхности сусла-агара после выдерживания пробирки при температуре 30°С в течение 2-3ч в термостате или водяной бане.

Режимы разведения чистой культуры дрожжей устанавливаются технологическим регламентом производства спирта.

2.4 Дрожжегенирование

Для сбраживания мелассного и смешанного мелассно-сахарного сусла в спирт применяются культуры дрожжей-сахаромицетов, представляющих собой одноклеточные микроорганизмов, относящиеся к классу аскомицетов.

Для достижения высокой экономичности спиртового производства необходим подбор культур дрожжей, наиболее приспособленных к сбраживанию сахаров в условиях больших концентраций солей в несахарной группе мелассы, к высокому осмотическому давлению в среде культивирования.

2.5 Сбраживание

Основывается на приготовлении мелассного сусла двух концентраций: для дрожжегенерирования 8-12% и для сбраживания основного сусла 32-36%.

Основное сусло подается в три первых бродильных аппарата батареи примерно равными частями одновременно с потоком дрожжей в головной бродильный аппарат.

Из рассиропника сусло подается в дрожжегенераторы. Выращенные в дрожжегенераторах производственные дрожжи по верхним линиям отбора из каждого дрожжегенератора направляются в коллектор, а по нему - в первый головной бродильный аппарат.

Расход основного сусла в бродильных аппаратах определяется по показателям начальной концентрации: при понижении этого показателя по сравнению с заданной величиной приток сусла увеличивают; при повышении - уменьшают.

Конечные показатели брожения по усовершенствованной схеме лучше по сравнению с показателями обычной двухпоточной схемы: достигается более глубокое выбраживание сахаров мелассы, накапливается в зрелой бражке больше спирта и биомассы дрожжей.

Преимуществом усовершенствованной двухпоточной схемы является снижении расхода сахара на образования вторичных продуктов брожения - кислот, эфиров, альдегидов и особенно глицерина. При этом последних образуется значительно меньше, чем в обычном режиме двухпоточной схемы.

2.6 Перегонка бражки

меласса дрожжи бражка спирт

Перегонка бражки и ректификация спирта являются сложными, энергоемкими и многооперационными стадиями спиртового производства. Это обусловлено тем, что зрелая бражка представляет собой многокомпонентную и многофазную систему, в основе которой состоит водный раствор, содержащий 6-10% общего спирта и сопутствующих ему летучих примесей. Кроме того, в бражке содержатся дрожжевые клетки, коллоиды, а также до 10% нелетучих растворенных веществ.

Сухие вещества бражки при перегонке способны накапливаться и отлагаться в аппаратуре, загрязняя ее.

Минеральные соли и кислоты в бражке обусловливают реакцию среды рН 4,8-5,6. Вместе с взвешенными частицами кислая среда способствует интенсивному коррозионному разрушению перегонной аппаратуры.

Технология получения спирта складывается из ряда процессов:

· Извлечение спирта перегонка из бражки, отделение дробины, дрожжей, коллоидов и органических нелетучих веществ;

· Получение эпюрацией летучих низкокипящих примесей, сопутствующих спирту в дистилляте;

· Концентрирование спирта из разбавленных растворов ректификацией и одновременное отделение сивушной фракции с высококипящими (сивушными) компонентами;

· Окончательная очистка путем эпюрации концентрированного спирта применяется для стабилизации его качества и очистки от метанола и промежуточных примесей, снижающих органолептические оценки спирта;

· Концентрирование примесей низкокипящих (головных) и высококипящих (хвостовых). При этом чаще фракция головных включает в себя 3-5 колонн с дефлегматорами и конденсаторами; оснащены кипятильниками, вспомогательными устройствами и средствами контроля и автоматизации технологического процесса.

В основу проектирования экономических систем перегонки и ректификации спирта положены следующие принципы:

· Рациональные условия проведения процессов перегонки и ректификации спирта (концентрирования спирта и выделения примесей);

· Многократное или ступенчато-последовательное использование потребляемой теплоты котельной;

· Максимальная утилизация теплоты конденсируемого пара и отводимых продуктов.

2.7 Выход спирта

После всех процессов выработки спирта происходит выход спирта из брагоректификационных колоннах в сливное отделение или спиртохранилище, в котором в дальнейшем и хранится до продажи.

2.8 Блок-схема процесса производства спирта

1. Подготовка сырья к сбраживанию:

Стерилизация

(теплообменник), t 109-110; 1,5-2минуты

Пастеризация

(сборник), t 85-95; 50-60 минуты

Химическое антисептирование

Подкисление мелассы

Внесение питательных солей