Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристика спиртового производства на основе зерносырья и пути его совершенствования.
1.1. Основные стадии производства и структура себестоимости. 8
1.2.3ерно и его состав. 11
1.3.Прием, хранение и подготовка зерна к технологическому процессу. 15
1.4.Гидролиз крахмалсодержащего зерносырья амилолитическими ферментами. 16
1.5.Получение культуры дрожжей. 37
1.6.Сбраживание сусла. 46
1.7.Выделение спирта из бражки и его ректификация. 54
1.8.Обеспечение качества получаемого на производстве этилового спирта. 58
1.9.Характеристика отходов и загрязнений, образуемых при работе спиртовых заводов. 61
1.10. Пути утилизации и обезвреживания отходов и загрязнений. 77
1.11. Современные анаэробные методы очистки сточных вод и обезвреживания отходов. 89
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 107
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 116
3.1. Совершенствование спиртового брожения путем изменения режимов приготовления сусла. 116
3.2. Использование пероксида водорода для уменьшения инфицированности процесса брожения при сохранении высокой бродильной активности дрожжей. 119
3.3. Сбраживание зерновой барды в UASB-реакторе. 126
ВЫВОДЫ 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 161
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 166
- Основные стадии производства и структура себестоимости.
- МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
- Совершенствование спиртового брожения путем изменения режимов приготовления сусла.
Введение к работе
В России в настоящее время на 160 заводах производится свыше 60 млн. дал спирта в год.
Получение этилового спирта на основе микробиологической переработки крахмалсодержащего сырья, в частности, зернового сырья, различных сельскохозяйственных отходов, становится в последние годы наиболее развивающимся направлением в спиртовой промышленности, реальной альтернативой химическому методу, эффективность которого во многом определяется уровнем и ценообразованием в нефтедобывающей промышленности. Предприятия, на которых реализуется микробиологическое производство этилового спирта из зерно-сырья, существуют в настоящее время практически в каждом регионе и области Российской Федерации.
Этиловый спирт из растительного сырья отличается высокими качественными характеристиками и является основным для пищевой промышленности, где его используют при изготовлении ликероводочных изделий, плодово-ягодных вин, для крепления виноматериалов и купажирования виноградных вин, в производстве уксуса, пищевых ароматизаторов. Многие другие отрасли, такие как медицинская, парфюмерная, кондитерская и химическая также являются крупными потребителями этанола. Широкую перспективу этанол имеет для использования в качестве топлива и добавок к бензину (1).
Важным преимуществом биотехнологического метода получения этилового спирта из растительного сырья является его экологическая чистота, поскольку технология основана на природных процессах и механизмах конверсии веществ ферментами микробного происхождения. Кроме того, отходы производства этанола также могут служить сырьем для биотехнологической переработки, что позволяет максимально полезно утилизировать исходное сырье, снизить себестоимость этилового спирта и обеспечить малоотходную и экологически безопасную технологию (1,2).
Вместе с тем, в современных отечественных рыночных условиях, для которых характерно усиление конкуренции между производителями спирта, экономических и экологических ограничений, в биотехнологии этилового спирта возрастает актуальность решения таких научно-технических задач, как увеличение выхода этанола из исходного сырья, на долю которого приходится до 70 85% в себестоимости этилового спирта, интенсификация технологических процессов, снижение теплоэнергозатрат, а следовательно и себестоимости продукции, обеспечение и улучшение качества выпускаемого этанола, а также разработка эколого-эффективных и экономически рациональных способов утилизации отходов и методов очистки сточных вод с учетом современных требований к стандартам охраны окружающей среды и качества продукции, повышения ее конкурентоспособности на международных рынках. Решение этих задач предлагаемыми для спиртовой промышленности способами зачастую требует существенной модернизации действующих производств, немалых капиталовложений и как следствие повышения себестоимости продукции.
Мировой опыт и тенденции показывают, что целенаправленная работа по модернизации и совершенствованию технологий с целью обеспечения более экологически чистого производства без увеличения себестоимости и при одновременном сохранении качества продукции требует использования превентивных мер. Рост и высокая доходность спиртовой промышленности в России создают предпосылки для внедрения методологии экологически чистых производств и технологий на предприятиях этой отрасли. Необходимым этапом этого процесса является проведение комплекса исследований по выявлению таких превентивных решений и модернизации производства с учетом технологических возможностей. Применительно к биотехнологии получения этанола из зерносырья такими мерами, в частности, могут быть: совершенствование процессов подготовки зерносырья с уменьшением потери сбраживаемых Сахаров, получение чистой культуры дрожжей с высокой бродильной активностью и обеспечение доминирования культуры в условиях неасептической ферментации с целью уменьшения накопления побочных продуктов брожения и как следствие - уменьшения затрат на очистку этанола на стадии ректификации, ресурсо-и энергосберегающая переработка и обезвреживание зерновой барды - основного отхода спиртового производства (3).
Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы заключалась в совершенствовании биотехнологии этилового спирта и разработке новых подходов, не требующих существенной модернизации действующего производства и направленных на повышение конкурентоспособности производства этилового спирта из зерносырья, повышения его экономической и экологической эффективности путем решения следующих задач:
- совершенствование этанольного брожения в результате более эффективных режимов ферментативной обработки при приготовлении сусла;
- исследование и апробация применения химических агентов, в частности, пероксида водорода, для обеспечения доминирования производственной дрожжевой культуры и уменьшения содержания побочных продуктов без потери бродильной активности дрожжей при сбраживании зернового сусла в неасептических условиях;
- исследование процесса анаэробного сбраживания зерно-спиртовой барды с использованием современных высокопроизводительных анаэробных реакторов нового поколения, в частности, UASB-реактора, для удаления основной массы загрязнений из зерно-спиртовой барды ресурсо- и энергосберегающим анаэробным методом;
- получение исходных данных, необходимых для расчета опытно- промышленной установки для биоутилизации зерно-спиртовой барды в UASB- реакторе и создания экологически чистого производства этилового спирта.
Научная новизна. Проведенные исследования позволили применительно к промышленным условиям производства этилового спирта из зерна обосновать рациональные режимы ферментативной обработки при приготовлении сусла, что обеспечило улучшение технологических свойств готового сусла, повышение содержания спирта в готовой бражке на 0,15 % об. и выход спирта на 1,2-1,3 дал из 1 т усл. крахмала.
Впервые предложено и научно обоснована возможность использования пероксида водорода для улучшения характеристик спиртового брожения. Экспериментально установлено, что в условиях постоянного селективного давления на популяцию дрожжей-сахаромицетов, вызываемого пероксидом водорода, возможен отбор популяций, устойчивых к относительно большим дозам вносимого Н202 и сохраняющих высокую активность при сбраживании углеводов в этанол.
На основе проведенных исследований с производственной культурой предложены режимы внесения Н202, позволяющие снизить уровень инфицированное™ посторонней микрофлорой на стадии получения условно-чистой дрожжевой культуры (засевного материала) без последующего падения бродильной активности дрожжей-продуцентов. В частности, установлено, что для дрожжей, предварительно адаптированных к пероксиду водорода, оптимальные дозы внесения Н202 при выращивании посевного материала в аэробных периодических условиях составляют не более 1,0 г/л (по 100% Н202), при этом Н202 необходимо вносить на стадии активного роста при концентрации клеток дрожжей не менее 0,2-0,5 г асд/л.
Впервые исследованы процессы метаногенного сбраживания зерно-спиртовой барды в UASB-реакторе. Показана возможность достижения производительности UASB-реактора (по удаляемой ХПК) 9000-12000 мг/л.сут, а удельной активности анаэробного ила (по убыли ХПК) 40000-50000 мг/л ила в сут, что в 3-6 раз (по удельной производительности объема реактора) превышает производительность метантенков классического типа, при этом степень удаления органических загрязнений из барды составляет не менее 75-85%.
Найдены критические условия в отношении нагрузок и организации циркуляционных потоков в UASB-реакторе при переработке зерно-спиртовой барды. Впервые показана целесообразность использования режима с циклическим изменением скорости восходящего потока жидкости при нагрузках на реактор до 1500-2000 мг/л.ч.
Получены основные данные, необходимые для расчета опытно-промышленной установки для сбраживания зерно-спиртовой барды в UASB-реакторе.
Практическая значимость. Рассмотренные научно-технические задачи решались применительно к ФГУП "Биотехнологический завод" (пос. Серебряные Пруды, Московская обл.) производительностью 2000 дал/сутки по этиловому спирту. Проведенные исследования являются важной составляющей проекта технической модернизации и совершенствования спиртового производства с целью его интенсификации и решения эколого-биотехнологических задач.
Результаты, полученные в ходе исследований спиртового брожения с внесением пероксида водорода, создают предпосылки для получения условно-чистой культуры и уменьшения инфицированности бражки при проведении спиртового брожения вместо традиционных для спиртовой промышленности средств термической стерилизации и закислення культуры серной кислотой.
Промышленное внедрение сбраживания зерно-спиртовой барды в UASB-реакторе позволит не только обезвреживать избыток зерно-спиртовой барды наиболее совершенным энерго- и ресурсосберегающим способом, но и одновременно получать анаэробный гранулированный ил в качестве товарного про дукта для использования в качестве стартового материала при загрузке промышленных анаэробных реакторов нового поколения, внедряемых на предприятиях пищевой, пивоваренной, ликероводочнои отраслей промышленности для анаэробно-аэробной очистки сточных вод с высоким содержанием органических загрязнений.
Новый способ использования пероксида водорода для совершенствования спиртового брожения защищен патентом РФ. Положительные результаты проведенных исследований подтверждены актом производственных испытаний.
Основные стадии производства и структура себестоимости
Биотехнология получения этилового спирта из зерносырья используется людьми с давних времен для получения таких продуктов как пиво и др. Основана она на ферментативном гидролизе крахмала, содержащемся в растительном сырье, с образованием Сахаров и их последующем сбраживании микроорганизмами. Технология получения этилового спирта на ФГУП "Биотехнологический завод" типовая, состоящая из следующих основных стадий (рис.1.)1. разрушение клеточной структуры растительного сырья;
2. осахаривание полученной массы амилолитическими ферментами;
3. сбраживание Сахаров;
4. отгонка спирта и его ректификация;
5. утилизация отходов производства.
В процессе получения этилового спирта образуется сточная вода с загрязнениями, удаление которых проводят на заводских сооружениях биологической очистки.
Производительность ФГУП "Биотехнологический завод" составляет до 2000 дал в сутки. Предприятие вырабатывает спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья по ГОСТ Р 51652-2000 (5).
Согласно (6) основная доля затрат при получении этилового спирта из зерна приходится на сырье и основные материалы (в среднем по отрасли 60-70%, рис. 2). Затраты на зерно имеют большой диапазон по спиртовым заводам и зависят от разброса цен на зерно. На все остальное, включая ферменты, вспомогательные материалы, теплоэнергетику, заработную плату, условно-постоянные расходы, охрану окружающей среды и т.д. приходится 30-40% затрат.
Для отечественного производства расход энергоресурсов на единицу продукции в сравнении с зарубежными предприятиями в 2-2,5 раза выше (3). Это обусловлено отчасти использованием морально и технически устаревшего оборудования. Непроизводственные затраты, в первую очередь связанные с обслуживанием оборудования, выше на отечественных предприятиях в 5-10 раз, например, потери пара на российских предприятиях достигают 20% от общего потребления, на зарубежных - менее 1%..Затраты на управление и техническое обслуживание на российских предприятиях выше в 10 раз (6).
Сравнительный анализ удельных затрат отечественных и зарубежных технологий показывает, что для отечественных вполне реально, например, сокращение теплоэнергозатрат на 30-40%, водопотребления на 40-50 %. Однако даже в случае максимальной их реализации себестоимость в целом может быть снижена не более чем на 10-15%.
Другая важнейшая проблема спиртовых заводов - утилизация барды. Еже-годно спиртовыми заводами производится около 10 млн. м этого отхода (6). Такой объем невозможно полностью реализовать в натуральном виде как кор-мопродукта. Это приводит к его потерям и загрязнению окружающей среды.
В России затраты на утилизацию барды увеличивают себестоимость спирта, снижая рентабельность производства. Некоторые предприятия вынуждены сокращать объемы производства из-за невозможности утилизации отходов. Более того, согласно последним изменениям в законодательстве об охране окружающей среды, заводы, не утилизирующие отходы, не могут продолжать работу.
Таким образом, сравнительный анализ структуры себестоимости указывает на весьма ограниченные возможности в уменьшении себестоимости основной продукции - этилового спирта в рамках использования существующих технологий. В этой связи кратко остановимся на постадийном рассмотрении технологии получения этанола из зерносырья и предлагаемые варианты совершенствования производства на каждой стадии.
Материалы и методы
Основными исследуемыми процессами в работе являлись анаэробные: этанольное сбраживание углеводов промышленной расой дрожжей и метано-генное сбраживание зерно-спиртовой барды.
Объекты.
В опытах с ферментативной обработкой зерносырья использовался ячмень с крахмалистостью 52 % и ферментные препараты: протосубтилин ГЗХ с про-теолитической активностью 70 ед./г, амилолитической активностью 300 ед./г.э амилосубтилин ГЗХ (АС = 1300 ед./г) и глюкоамилаза жидкая (ГлС = 5800 ед./г).
Протосубтилин, амилосубтилин, глюкоамилаза вносились в количестве соответственно 0,08 ед.ПС, 1,5 ед., 7,2 ед. на 1 г усл. крахмала. Амилосубтилин ГЗХ и протосубтилин ГЗХ разводились в одной емкости из расчета на 4 часа работы. Видимая концентрация сусла после осахаривания составляла 15,5 -16,5% СВ.
В экспериментах с обработкой ультразвуком для оптимизации подготовки растительного субстрата и оценки возможностей применения ультразвука использовалась модельный субстрат - пшеничные отруби. Пшеничные отруби содержали 60% углеводов, в основном крахмал, 15% белка (по Къельдалю), 9% клетчатки, 12% воды, остальное — липиды и соли.
При изучении спиртового брожения использовалась производственная культура термотолерантных дрожжей Saccharomyces cerevisiae Meyen расы Т 985 с морфологическими признаками и физиологическими свойствами штамма по ТУ 9182-400-00008064-2000, сбраживающего глюкозу, сахарозу, мальтозу, галактозу и на 1/3 рафинозу.
Дрожжи жизнедеятельны в условиях накопления спирта в бражке до концентрации 12%о по объему, а также при температуре брожения до 38С. Оптимальная температура роста дрожжей от 30 до 36С, рН среды 3,6-4,2. Контроль за качеством чистой культуры дрожжей осуществляли в соответствии с технологическими инструкциями. Чистую культуру дрожжей хранят в пробирках на агаризованной питательной среде при температуре 4-6С в течение 2-3 мес. На производстве питательную среду для разведения чистой культуры термотолерантных дрожжей готовят в соответствии с (49). Контроль за качеством чистой культуры дрожжей осуществляют в соответствии с (50,51).
В лабораторных экспериментах в качестве питательной среды использовалось зерновое сусло, приготовленное в условиях производства, а также модельные среды с сахарозой или суслом в качестве органического субстрата и минеральными компонентами - источниками азота, фосфора, калия, магния.
Характеристика сусла: Концентрация сухих веществ, % Титруемая кислотность,
РН от 17,5 до 18,0 от 0,1 до 0,3 (до подкисления) от 0,6 до 0,8 (после подкисления) от 3,6 до 3,8 (после подкисления)
В опытах использовались также популяции дрожжей, полученные из производственной культуры Saccharomyces cerevisiae, с различной степенью адаптации к пероксиду водорода.
При изучении метаногенного брожения использовался главным образом фильтрат спиртовой барды с содержанием загрязнений по ХПК -30000 мг/л, рН 4,2-4,4, полученный фильтрацией через грубый фильтр производственной спиртовой барды. Состав исходной (нефильтрованной) зерновой барды
При необходимости барду подщелачивали 2н раствором NaOH. Хранилась она при температуре 0 - 4С.
При сбраживании барды использовался анаэробный гранулированный ил, отобранный с UASB-реактора очистных сооружений пивоваренного предприятия Балтика-Самара. Методы.
В опытах с обработкой сырья ультразвуком использовался преобразователь фирмы "Афалина". В отличие от других конструкций преобразователи серии "Афалина" исключают образование зон коллективных кавитационных явлений - кавитационных "облаков", "цепочек", "пауков", которые расходуют значительную часть излученной акустической энергии в малых зонах рабочей камеры и характеризуются коэффициентом преобразования электрической энергии в акустическую і = 60%, что примерно в 4 раза превышает соответствующий параметр преобразователей традиционной конструкции. Акустическая энергия распределена в цилиндрической рабочей камере, соосной с цилиндрическим излучателем (рис. 8). Установка обеспечивает, плавное изменение акустических и гидродинамических параметров во всем рабочем объеме. В экспериментах обработка велась при частоте ультразвука 22 кГц, средней плотности энергии 2 кВт/м3.
Совершенствование спиртового брожения путем изменения режимов приготовления сусла.
На первом этапе исследований рассматривалась возможность улучшения показателей брожения путем подбора более эффективных режимов предобработки зерносырья при приготовлении сусла с учетом специфики процесса на Серебряно-Прудском заводе (Мичуринская схема разваривания зерна, предварительно размолотого и смешанного с водой, непрерывное осахаривание, периодическое брожение в течение 3-х суток). Использовалась обработка ферментами и ультразвуком.
Недостатком общепринятых методов ферментативной обработки зерна в спиртовом производстве является накопление низкомолекулярных Сахаров, ин-гибирующих амилолитические ферменты, а также торможение растворения крахмала зерна растворенным крахмалом и продуктами гидролиза, присутствующими в сусле. В результате остается нерастворенным от 1 до 3,5% крахмала, введенного в производство с сырьем и солодом, и соответственно, снижается выход спирта. Поскольку при удалении углеводов, например при их сбраживании, скорость гидролиза оставшихся олигосахаридов может увеличиваться, то это может привести к уменьшению потерь углеводов. Однако в этом случае осахаривание должно идти при температуре брожения, что снижает скорость гидролиза используемыми в спиртовом производстве термостабильными ферментами, оптимум каталитической активности которых лежит выше 40С. В то же время в условиях Серебряно-Прудского завода брожение продолжается несравненно дольше, чем осахаривание, поэтому падение каталитической активности ферментов может оказаться несущественным для завершения процесса гидролиза. Кроме того, такому совмещенному процессу может благоприятствовать использование термофильных штаммов дрожжей, в частности S. cerevisiae Т985.
В условиях действующего производства апробировались различные режимы осахаривания разваренного ячменя ферментными препаратами: амилосуб-тилином ГЗХ, протосубтилином ГЗХ, глюкоамилазой (препаратом "Диазим X4"). Было предложено использовать доосахаривание непосредственно в режиме брожения. Производственные испытания проводились с 13.03.04 по 13.05.04.
В результате проведенных исследований было установлено, что наибольший эффект при использовании предложенного варианта обработки зерносырья и брожения наблюдается при применении Протосубтилина ГЗХ. При этом заметно улучшались технологические свойства готового сусла: в начальный период брожения снизилось пенообразование в бродильных чанах; сусло стало менее вязким. В ходе брожения особых отличительных моментов не наблюдалось, однако содержание спирта в готовой бражке повысилось в среднем на 0,15 % об. и по итогам 2-х месяцев испытаний увеличение в выходе спирта составило 1,2 - 1,3 дал из 1 т усл. крахмала.
Для более полного извлечения из дробленого зерна крахмала и белковой составляющей апробировалась обработка ультразвуком. В качестве модели для оптимизации подготовки растительного субстрата и оценки возможностей применения ультразвука использовались пшеничные отруби.
В опытах с применением ультразвука навеску отрубей без предварительного замачивания помещали в емкость, заливали при слабом перемешивании водой (рН 6,5) или раствором NaOH при комнатной температуре до рН 8,0 и подавали в ультразвуковой реактор. В ходе эксперимента значение рН суспензии с использованием NaOH снижалось до 7,5. При экстракции водой значение рН суспензии не менялось и оставалось равным 6,5. Во всех опытах соотношение отруби : вода составляло 1 : 16. Эффективное значение вязкости суспензии отрубей не препятствовало перемешиванию содержимого в ходе обработки.
Скорость извлечения крахмала оценивали по изменению оптической плотности экстрактов с использованием калибровочного графика, построенного по суспензии пшеничной муки. Эксперименты показали, что в случае использования воды в качестве экстрагента при обработке ультразвуком из отрубей извлекается 59,3% сухих веществ. Эта величина практически совпадает с содержимым в отрубях углеводов (60%). В случае использования раствора NaOH максимальное значение оптической плотности соответствовало 70,5% экстрагированных веществ. Анализ экстрактов показал, что увеличение оптической плотности жидкой фазы в опытах со слабощелочным экстрагентом связано с дополнительной экстракцией белков.
Из полученных экспериментальных данных были рассчитаны значения концентрации крахмала в экстрактах и приращение концентрации за единицу времени на основе рассмотрения частиц отрубей как двумерного источника высокомолекулярных труднорастворимых компонентов и пренебрежения изменениями условий диффузии в твердой фазе. Полагая, что разность конечной и текущей концентраций является движущей силой массопереноса, полученное значение потоков (приращение концентрации за единицу времени) и сил (разность конечной и текущей концентраций) обработали в линейном приближении по методу наименьших квадратов. Найденные значения коэффициентов корреляции при экстракции щелочью и водой при механическом перемешивании и обработке ультразвуком равны соответственно 0,999 и 0,95, а коэффициенты пропорциональности - 0,25 и 0,13 различаются между собой почти в 2 раза. Наблюдаемое увеличение скорости экстракции при обработке щелочью может быть объяснено тем, что на границе твердой и жидкой фаз существует вязкий подслой, образуемый макромолекулами белковой природы, препятствующий массопереносу в жидкую фазу. Поскольку его вязкость зависит от растворимости экстрагируемых молекул и их межмолекулярного взаимодействия, то это влияет на диффузионное сопротивление при экстракции. В ультразвуковом же поле наряду с крупномасштабными акустическими течениями возникают у границ раздела фаз мелкомасштабные вихревые потоки. Микропотоки характеризуются значительными градиентами скоростей, диссипацией энергии и локальным нагревом жидкости, что ускоряет процесс диффузии макромолекул за счет снижения диффзионных ограничений и вязкости раствора и увеличивает долю извлекаемых компонентов растительного сырья.
