Содержание к диссертации
Введение
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 14
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 85
2.1. Микроорганизмы, используемые в ферментационных процессах 85
2.2. Стандартные методы анализа 97
2.3. Нестандартные методы анализа 100
2.4. Методы исследований 102 Экспериментальная часть 105
3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ ГИДРОЛИЗНЫХ СУБСТРАТОВ ДЛЯ СПИРТОВОГО БРОЖЕНИЯ 106
3.1. Интенсификация перколяционного гидролиза древесного сырья 108
3.1.1. Реконструкция гидролизаппарата периодического действия 109
3.1.1.1. Реконструкция центрально-подающей трубы 109
3.1.1.2. Реконструкция фильтрующего устойства 121
3.1.2. Оптимизация режима перколяционного гидролиза древесных отходов 132
3.2. Оптимизация процесса двухфазного гидролиза пентозансодержащего сырья 144
3.3. Исследование химического состава гидролизатов древесины 162
3.4. Разработка процессов переработки некондиционного зерна на этиловый спирт в гидролизном производстве 168
3.4.1. Исследование процесса сернокислотного гидролиза некондиционного зерна 168
3.4.2. Освоение процесса сернокислолтного гидролиза некондиционого зерна в промышленных условиях 177
3.4.3. Отработка режимов нейтрализации гидролизата зерна, смеси его с гидролизатом древесины и режимов осветления в лабораторных условиях 181
3.4.4. Освоение процессов нейтрализавдіи смеси гидролизатов зерна и древесины и их осветления в промышленных условиях 186
3.4.5. Технологическая схема получения нейтрализованного гидролизата некондиционного зерна 187
3.5. Исследование химического состава гидролизного сусла, полученного при переработке различных видов растительного сырья 191
3.6. Выводы и рекомендации 192
4. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СПИРТОВОГО БРОЖЕНИЯ СМЕСИ ГИДРОЛИЗАТОВ ДРЕВЕСИНЫ И ЗЕРНА 194
5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЫРАЩИВАНИЯ ДРОЖЖЕЙ НА ПОСЛЕСПИРТОВОЙ БАРДЕ 202
5.1. Использование штаммов дрожжей монокультуры Candida scottii
на гидролизных субстратах 203
5.2. Изучение динамики роста монокультур дрожжей Candida scottii и Hansenula anomala и их ассоциаций на синтетических средах 206
5.3. Изучение динамики роста дрожжей на нейтрализованном забуференном гидролизате 214
5.4. Изучение эффективности роста культур Candida scottii, Hansenula anomala, Trichosporon cutaneum на производственном нейтрализованном гидролизате древесины, разбавленном отработанной
культуральной жидкостью 216
5.5. Сравнительное выращивание моно- и смешанных культур на 220 камеральной установке
5.6. Испытания культур микрооорганизмов в производстве 222
5.7. Выводы 228
6. БИОКОНВЕРСИЯ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ГИДРОЛИЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА 231
6.1. Химический состав отрубей 232
6.2. Прямая биоконверсия водной пульпы отрубей с использованием послеспиртовой барды 235
6.2.1. Прямая биоконверсия пульпы отрубей штаммом дрожжей Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ Y-1218 236
6.2.2. Подготовка водной пульпы отрубей к процессу выращивания микроорганизмов путём термообработки 245
6.2.3. Проверка возможности прямой биоконверсии смешанных субстратов в промышленных условиях 249
6.3. Прямая биоконверсия зерносырья с ферментными препаратами 265
6.3.1. Ферментативный гидролиз зерносырья 266
6.3.1.1. Ферментативный гидролиз пшеничных отрубей 266
6.3.1.2. Ферментативный гидролиз зерна 281
6.3.2. Отработка оптимальных параметров биоконверсии ферменто-
тивных гидролизатов зерносырья 286
6.3.2.1. Исследование культур дрожжей, сопутствующих основному
продуценту белка, штамму дрожжей Saccharomyces cerevisiae
(diastaticus) ВКПМ Y-1218 286
6.3.2.2. Оптимизация режима биоконверсии ферментолизата отрубей
на промышленном эрлифтном биореакторе 295
6.4. Технологическая схема производства кормовой белковой добавки 308
6.5. Выводы 310
7. ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ГИДРОЛИЗНОГО СПИРТА И ПУТИ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ 314
7.1. Баланс жидкостных потоков производства спирта по объёму и загрязнённости 315
7.2. Анализ эффективности аэробной очистки сточных вод
гидролизного производста 330
7.3. Утилизация осадков очистных сооружений 333
7.3.1. Химический состав осадков очистных сооружений 333
7.3.2. Использование активного ила в технологических процессах и
создание замкнутых циклов водопользования 338
7.3.3. Сернокислотный гидролиз активного ила и способы
использования гидролизата активного ила 341
7.3.4. Утилизация сгущённых осадков очистных сооружений 352
7.4. Повышение эффективности водопотребления и водораспреде-
ления на гидролизных заводах 359
7.5. Выводы и рекомендации 362
8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА БЕЗОТХОДНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛОВОГО СПИРТА И КОРМОВЫХ БЕЛКОВЫХ ПРОДУКТОВ В ГИДРОЛИЗНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 365
9. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ 370
10. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 373
11. ВЫВОДЫ 380 ЛИТЕРАТУРА 383 ПРИЛОЖЕНИЯ 419
- Микроорганизмы, используемые в ферментационных процессах
- Интенсификация перколяционного гидролиза древесного сырья
- ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СПИРТОВОГО БРОЖЕНИЯ СМЕСИ ГИДРОЛИЗАТОВ ДРЕВЕСИНЫ И ЗЕРНА
Введение к работе
В России и за рубежом в 20-ом столетии широкое развитие получили биотехнологические процессы. Наиболее распространёнными продуктами . биотехнологии являются этиловый спирт и кормовые белковые добавки. Данные виды продукции хорошо вписываются в общие технологические схемы. В России производится в достаточном количестве этиловый спирт микробиологическим путём на основе зерносырья, мелассы и древесных отходов. Характерной особенностью спиртовых производств на основе зерносырья является то, что из легкогидролизуемого крахмалсодержащего сырья производятся только спирто-водочные изделия на основе спирта, имеющего низкую себестоимость. Гидролизные заводы в России во вторую половину 20-го столетия специализировались на комплексной переработке растительного сырья. Комплексная переработка древесных отходов (щепа и опил) в производстве этилового спирта позволяет производить сопутствующие виды продукции: кормовые дрожжи, фурфурол, лигнин (в качестве топлива); при этом более глубоко перерабатывать сырьё, снижать себестоимость получаемых продуктов, а также сокращать количество отходов.
В условиях рыночной экономики комплексная переработка растительного сырья приобретает особое значение и целесообразность. Разработка и реализация гибкой технологической схемы с получением нескольких видов продукции (кормовые дрожжи, фурфурол, кормовая белковая добавка, белково-минеральная добавка, биологически активные вещества, удобрения, топливо) позволят не только более глубоко перерабатывать сырьё, утилизировать жидкие и твёрдые отходы, но и производить конкурентоспособную продукцию в соответствии со спросом на рынке.
Для комплексной переработки древесных отходов существует два способа гидролиза: перколяционный гидролиз и двухфазный гидролиз. По перколяционному гидролизу на основе нейтрализованного гидролизата хвойной древесины получают этиловый спирт и на послеспиртовой барде кормовые дрожжи; из паров самоиспарения гидролизата древесины -фурфурол и лигнин (используют в качестве топлива). При увеличении спроса на фурфурол возможна реализация другой схемы с использованием двухфазного гидролиза лиственной древесины. При двухфазном гидролизе на первой фазе получают фурфурол, на второй фазе из гидролизата ыеллолигнина - этиловый спирт и из послеспиртовой барды - кормовые дрожжи; при этом лигнин используют также в качестве топлива.
Но ни та, ни другая схемы не решают проблемы создания рентабельного производства спирта с утилизацией отходов этого производства: послеспиртовой барды, осадков очистных сооружений, -сокращения их количества, сокращения жидкостного потока и количества загрязнений, сбрасываемых на очистные сооружения. Решение этих проблем возможно при перколяционном гидролизе сырья только созданием замкнутых систем водопользования и организацией производств дополнительных видов продукции.
Процессы гидролиза древесных отходов в периодически действующих гидролизаппаратах не отвечают современным требованиям ни в решении вопросов ресурсе— и энергосбережения, ни в решении экологических проблем. Но в настоящее время отсутствует оборудование, на котором можно осуществить непрерывные процессы гидролиза древесного сырья до моносахаридов. Поэтому периодически действующие гидролизаппараты ещё длительное время будут эксплуатироваться в гидролизной промышленности.
Процесс перколяционного гидролиза разработан в 40-е годы 20-го столетия, развитие его шло в направлении совершенствования конструкции гндролизаппарата. С целью увеличения производительности гидролиз-аппарата увеличивали его объём с 20 до 160 м3. На Кировском биохимическом заводе объём гндролизаппарата равен 80м3, рабочий объём равен 63 м3. С увеличением объёма гндролизаппарата возникли проблемы увеличения остатков лигнина, забивания им фильтрующих лучей и снижения скорости подачи варочной кислоты. Одним из путей устранения этих трудностей является реализация совмещённой перколяции в аппарате, т.е. создание одновременных движений потоков фильтруемой жидкости через слой сырья в горизонтальном и вертикальном направлениях. Внедрение этого процесса позволяет снизить уплотнение гидролизуемого материала и наращивание остатков лигнина. Для этого целесообразно провести реконструкцию гидролизаппарата: подающей трубы и фильтрующих лучей. Эта реконструкция позволяет существенно увеличить скорость подачи варочной кислоты, сократить время пребывания моносахаридов в реакционном пространстве и уменьшить их распад, что должно способствовать повышению качества гидролизата, увеличению выхода редуцирующих веществ (РВ) с варки и снижению оборота гидролизаппарата.
Чтобы получить максимальный выход РВ с варки необходимо поддерживать высокий гидромодуль (ГМ) — соотношение общего объёма жидкости к весу сырья. Для гидролизаапарата объёмом 80 м оптимальным является гидромодуль в пределах 14-17. При таком пщромодуле гидролизат хвойных и смешанных пород древесного сырья имеет концентрацию РВ = 2,5-3,0%. После процесса спиртового брожения и отгонки спирта получается послеспиртовая барда, содержащая РВ в количестве 0,5-0,9%.
Очистка жидких отходов производства гидролизного этилового спирта состоит из нескольких стадий:
ЦВыращивание дрожжей вида Candida scottii на послеспиртовой барде с целью более глубокой очистки барды и получения товарных кормовых дрожжей.
2.0чистка последрожжевой бражки грибом Trichosporon cutaneum и получение дополнительной белковой биомассы.
З.Аэробная очистка сточных вод на очистных сооружениях активным илом.
Для повышения выхода дрожжей от РВ и снижения загрязнённости сточных вод, поступающих на очистные сооружения, необходимо проведение селекционных работ с микроорганизмами - продуцентами белка. Селекционная работа с микроорганизмами является одним из эффективных направлений совершенствования производства спирта, позволяющее создать безотходное производство спирта с замкнутой системой водопользования.
С целью сокращения количества сточных вод и расхода технической воды делались попытки использовать в составе варочной смеси в процессах гидролиза древесного сырья последрожжевую бражку (ПДБ) и избыточный активный ил (ИАИ). Однако были получены отрицательные результаты: снижался выход РВ от гидролизуемого сырья и выход дрожжей от РВ. Кроме того, при использовании ПДБ в составе варочной смеси наблюдалось сильное образование накипи на теплопередающих поверхностях теплообменной аппаратуры, предназначенной для конденсации фурфуролсодержащих паров и нагрева варочной смеси. Поэтому в составе варочной смеси в настоящее время используется оборотная вода и лютеры Фурфурольного и спиртового производств (жидкие отходы ректификации Фурфурола и спирта).
В процессе аэробной очистки сточных вод активным илом на очистных сооружениях образуются отходы - избыточный активный ил и осадок первичных отстойников (осадки очистных сооружений). Эти осадки в настоящее время сгущают путём сепарирования и центрифугирования. Сгущённые осадки с влажностью 85% сбрасывают на шламоотвал. С целью создания безотходного производства этилового спирта необходима разработка способов их утилизации и обезвреживания.
В процессе ректификации этилового спирта получаются жидкие отходы - укреплённая эфиро-альдегидная фракция и сивушные масла, которые ещё не нашли своего применения и пока сжигаются.
В производстве фурфурола при его ректификации образуются Фурфурольний лютер, метанольная и скипидарная фракции, кубовый остаток (содержащий 50-60% фурфурола) в количестве 20% от фурфурола-сырца. В
настоящее время лютер используют в составе варочной смеси, а другие отходы производства фурфурола пока сжигаются.
На основе фурфурола, выделенного из фурфуролсодержашего конденсата, возможно получение не только товарного фурфурола, но и биологически активных веществ (янтарной кислоты, фурацилина и др.). Янтарную кислоту можно получать из фурфурола-сырца и из кубового остатка производства фурфурола, содержащего 50-60% фурфурола.
Процессы гидролиза древесного сырья, определяющие технологию производства этилового спирта и сопутствующих ему продуктов, связаны с большим расходом теплоэнергоресурсов. Поэтому весьма актуальным является изучение альтернативных путей получения моносахаридов, позволяющих снизить теплоэнергозатраты в гидролизном производстве, улучшить экологическую обстановку вокруг завода и СНІІЗИТЬ себестоимость получаемых продуктов и прежде всего спирта, обеспечив этим конкурентоспособность на рынке.
В условиях рыночной экономики представляет большой интерес переработка на этиловый спирт различных видов растительного сырья.
Весьма переспективной является переработка наиболее легкогидро-лизуемого крахмалсодержащего сырья. Возможны два пути переработки этого сырья в гидролизном производстве:
1. В действующем производстве спирта в качестве гидролизуемого сырья в процессе сернокислотного гидролиза.
2. Для процесса биоконверсии зерносырья с использованием послеспиртовой барды в качестве водно-минеральной основы.
Сернокислотный способ гидролиза некондиционного зерна стал использоваться на гадролизных заводах в существующих технологических схемах. Увеличение доли перерабатываемого зерна в составе гидролизуемого сырья позволит получить его субстрат с большей концентрацией моносахаридов и уменьшить объём послеспиртовой барды.
Биоконверсия зерносырья с использованием послеспиртовой барды в качестве водно-минеральной основы и получение кормовой белковой добавки обеспечивает создание безотходного производства этилового спирта.
Анализ существующей схемы производства этилового спирта на гидролизных заводах показал, что помимо основного продукта - этилового спирта, образуется целый ряд жидких и твёрдых отходов этого производства, которые представляют определённый интерес для народного хозяйства.
Поэтому целью данной работы является разработка безотходной технологии производства этилового спирта на основе комплексной переработки различных видов растительного сырья с утилизацией жидких и твёрдых отходов в кормовые белковые продукты, кормовые смеси, биологически активные вещества, удобрения, компоста, топливо.
Для осуществления поставленной цели в условиях рыночной экономики решались следующие задачи:
1. Интенсификация процессов гидролиза растительного сырья и оптимизация их режимов.
2. Исследование химического состава гидролизатов, получаемых при переработке различных видов растительного сырья.
3. Расширение сырьевой базы для процесса гидролиза за счёт использования некондиционного зернового сырья.
4. Исследование возможности реализации жидкостных потоков в гидролизном производстве и, прежде всего, послеспиртовой барды как субстрата для получения кормовых дрожжей и как водно-минеральной основы для получения кормовых белковых продуктов (кормовых добавок) при прямой биоконверсии зерноотходов.
5. Оптимизация процессов выращивания дрожжей в реконструированных эрлифтных биореакторах путём подбора ассоциаций микроорганизмов, ферментных препаратов для переработки зерносырья и режимов ферментации с целью улучшения технико-экономических показателей процесса биосинтеза белка и повышения качества биосуспензии.
6. Рассмотрение возможных путей использования очищенных сточных вод в гидролизном производстве на технологические и производственные нужды, а также в системе оборотного водоснабжения.
В результате проведённых исследований и промышленных испытаний на Кировском биохимическом заводе впервые в России создана отдельная технологическая линия получения кормового белкового продукта из послеспиртовой барды и зерносырья.
Выбрана и рекомендована наиболее переспективная схема для безотходного производства этилового спирта с реализацией жидких и твёрдых отходов гидролизного спиртового производства.
Наработаны промышленные партии кормовых белковых продуктов и проведены их испытания на животных и птице. Установлена высокая питательная ценность и биопротекторные свойства полученных продуктов.
Разработаны и реализованы на Кировском биохимическом заводе способы утилизации сгущённых осадков очистных сооружений совместно с другими твёрдыми отходами гидролизного производства: лигнином, гидролизным шламом, шламом мелового молока в качестве удобрения или компоста; а также с целью переработки на биологически активные вещества (аминокислоты).
Микроорганизмы, используемые в ферментационных процессах
В гидролизном производстве имеется ряд ферментационных процессов: спиртовое брожение и выращивание дрожжей. Поэтому в качестве объектов исследований выступают микроорганизмы, которые используются в данных процессах.
Штамм дрожжей Shizosaccliaromyces species OH-l-C-94
Так в процессе спиртового брожения используется штамм дрожжей Shizosaccharorayces species OH-l-C-94.
Данный штамм дрожжей, в отличие от вида дрожжей Saccharomyces cerevisiae, имеет палочковидную форму клеток. Клетки и колонии штамма дрожжей Shizosaccharomyces species OH-l-C-94 представлены на рис. 2Л и 2.2.
Штамм активно сбраживает сахара нейтрализованного гидролизата древесины, отличается высокой спиргообразующей способностью и бродильной активностью 0,47-0,535 ч"1. Кроме глюкозы, содержащейся в нейтрализрванном гидролизате древесины, данный штамм сбраживает другие углеводы: сахарозу, мальтозу, раффинозу (1/3), декстрины. Это делает возможным использование в гидролизном производстве других видов сырья: мелассы, некондиционного зерна и др.
Шизосахаромицеты хорошо ассимилируют следующие сахара: сахарозу, мальтозу, раффинозу; не усваивает спирт и органические кислоты. Из азотного питания потребляет аммонийный азот. Данный штамм растёт при t=32-34 С при рН 4,5-5,0 на средах: разбавленное водой пивное сусло до плотности 8-14 Б, меласса и гидролизат с РВ= 1,5-6,0 %, содержание азота 200-300 мг/л, фосфора 200-300 мг/л.
Процесс брожения углеводов шизосахаромицетами осуществляется на средах следующего состава: пивное сусло, разбавленное водой до 8-14 Б или меласса с гидролизатом с РВ=2,0-6,0% при содержании азота 150-200 мг/л,
фосфора 100-150 мг/л и при технологических параметрах: температура 32-34 С, рН 4,1-5,0, время брожения 8-10 ч. Выход спирта составляет 55-56 л со 100 кг сбраживаемых РВ.
Но дрожжевые клетки данного вида медленно размножаются на нейтрализованных гидролизатах древесины, так как не накапливают запасного энергетического вещества - гликогена и не синтезируют витамины (биотин, инозит и др.). Поэтому они плохо переносят консервацию при остановках завода на капитальный ремонт.
Штамм непатогенен.
Для выращивания дрожжей не нейтрализованном гидролизате древесины и послеспиртовой барде в гидролизном производстве используются дрожжи вида Candida scottii, штаммы Тул-1, Тул-6, КС-2 и др. На Кировском биохимическом заводе наибольшую устойчивость к субстрату показал штамм Тул-1, который прошёл длительную и многократную селекцию. Были выделены варианты: Кир-78, Кир-1.
С целью увеличения белка в кормовых дрожжах были проведены селекционные работы с высокобелковистым штаммом дрожжей Candida scottii 2508, полученным из ВНИИГидролиза. При этом был получен штамм дрожжей Candida scottii ВКПМ V- 1340 (Кир-87).
Штамм дрожжей Candida scottii Кир-87
Штамм выделен из лабораторного биореактора при селекции высокобелкового штамма Candida scottii 2508. Штамм Кир-87 прошёл депонирование, его номер в Российской коллекции промышленных штаммов микроорганизмов ВКПМ Y-1340.
Штамм имеет вытянутые клетки, собранные в цепочки, веточки и пучки. Данные дрожжи не сбраживают ни один из Сахаров, ассимилирует глюкозу, галактозу, ксилозу, арабинозу, рамнозу, маннит, сорбит, дульцит, янтарную и молочную кислоты. Используют источники азота: сернокислый аммоний, мочевину, пептон, не ассимилирует нитраты. Условиями роста являются: t=32-40C, рН 4,4-5,0.
Интенсификация перколяционного гидролиза древесного сырья
Перколяционный гидролиз растительного сырья является сложным физико-химическим процессом. Сложность его заключается в том, что это гетерогенный процесс. Отходы деревообработки, как и любое другое растительное сырье, имеют непостоянный гранулометрический состав и состоят из компонентов различной гидролизуемости. При организации гетерогенного процесса должны быть учтены кинетические, диффузионные процессы, изменение фильтрующей способности материала в процессе деструкции сырья. Кроме того, в процессе гидролиза древесных отходов параллельно идут две реакции: гидролиз полисахаридов (ПС) и распад образующихся моносахаридов (МС).
Выход моносахаридов в процессе перколяционного гидролиза отходов древесного сырья (опил и щепа) определяется вышеуказанными процессами. Для увеличения выхода МС с 1 т сырья и экономии теплоэнергоресурсов необходимо интенсифицировать процесс гидролиза растительного сырья. Увеличение выхода МС при постоянной глубине гидролиза сырья и постоянном гидромодуле возможно за счет снижения распада МС путем увеличения скорости подачи варочной смеси, что сократит время пребывания МС в зоне реакции, и увеличения градиента скорости повышения температуры реакции. От изменения соотношения этих двух параметров будет зависеть выход МС с 1 т сырья.
На гидролизаппарате рабочим объемом 63 м3 удалось достигнуть скорости подачи варочной кислоты 45 м3/ч, но и при этом не было стабильной работы гидролизаппарата: наращивались остатки лигнина, забивалась центрально подающая труба (ЦПТ). Поэтому с целью повышения скорости подачи варочной кислоты и увеличения выхода МС с 1 т абсолютно сухого сырья было принято решение интенсифицировать перколяционный гидролиз путем реконструкции гидролизаппарата, изменением перфорации ЦПТ и конструкции фильтрующего устройства.
ЗЛА. Реконструкция гидролизаппаратов периодического действия
Реконструкция центрально-подающей трубы
На Кировском биохимическом заводе гидролиз древесного сырья проводится по методу совмещенной перколяции в периодически действующих гидролизаппаратах общим объемом 80 м3. Гидролизаппараты оборудованы ЦПТ диаметром 100 мм, которые были равномерно перфорированы по всей высоте — 5600 мм и снизу заглушены. Диаметр отверстий на ЦПТ равен 3,5 мм. Площадь живого сечения всех отверстий составляла примерно 0,41% от сечения трубы. Замер уровня сырья после прогрева гидролизаппарата показал, что несколько рядов отверстий на ЦПТ находятся над слоем сырья на расстоянии І м. В этом случае варочная кислота, поступающая га верхних отверстий, движется по отношению к слою сырья в вертикальном и наклонных направлениях, а из отверстий, расположенных в слое сырья - в горизонтальном и частично наклонном направлениях.
Такое направление потоков жидкости должно обеспечивать хорошее вымывание веществ из гидролизуемого материала. Но в то же время, неравномерное распределение линейной скорости течения жидкости по высоте гидролизаппарата увеличивало время пребывания Сахаров в реакционном пространстве и их распад.
Кроме того, при такой конструкции подающая труба быстро забивалась лигнином и изнашивалась, особенно верхняя ее часть. Это говорит о том, что основной поток варочной кислоты проходит через отверстия, находящиеся над слоем сырья, так как сопротивление в нижнем слое сырья выше. Кроме того, варочная кислота, поступающая через верхние отверстия, била в футеровку гидролизаппарата и разрушала её.
Повышение эффективности процесса спиртового брожения смеси гидролизатов древесины и зерна
В предыдущих разделах экспериментальной части работы мы акцентировали внимание на процессах гидролиза древесины, их интенсификации и оптимизации режимов с целью увеличения выхода РВ и повышения качества гидролизатов, а также разработке режимов сернокислотного ощролиза некондиционного зерна ржи, способствующих повышению концентрации углеводов в гидролизном сусле, обеспечивающем максимальный выход спирта.
Согласно литературным и паспортным данным, оптимальными условиями брожения смеси гидролизата древесины и меласса с РВ=2-6%, являются следующие: t=32-34C, рН 4,1-4,5; время брожения 8-10 часов. Для штамма дрожжей Schizosaccharomyces species ОН-С-1-94, который используется в производстве гидролизного этилового спирта, выход этилового спирта со 100 кг сбраживаемых РВ при этом составляет 55-56 дм (паспортные данные).
С целью решения проблемы создания безотходного производства этилового спирта необходимо было выяснить эффективность сбраживания гидролизных и зерновых субстратов с более высокой концентрацией моносахаридов.
В лабораторных условиях мы исследовали скорость сбраживания следующих субстратов: нейтрализованного гидролизата зерна с РВ=3-8%, нейтрализованного гидролизата древесины с РВ=2,3% и их смеси с РВ=3,3; 4,0; 5,56; 8,0%. В качестве основной культуры для спиртового брожения был использован штамм дрожжей Schizosaccharomyces species ОН-С-1-94. Результаты исследований по сбраживанию сернокислотных гидролизатов растительного сырья представлены в табл. 4.1.
Из данных таблицы следует, что при сбраживании нейтрализата древесины с РВИ=2,3% и концентращш дрожжей 30 г/дм3, выход спирта составляет 60,7%, несброженные сахара - 25,2%, а скорость брожения (бродильная активность) — 0,198 ч"1.
При сбраживании нейтрализованных гидролизатов зерна с РВИ=3-8% при концентращш дрожжей 30 г/дм3, выход спирта от РВИ составляет 62,6-63,8%, количество же несброженных Сахаров от РВИ находится в пределах -19,4-24%. Скорость брожения нейтрализованного гидролизата зерна с концентрацией РВИ=6,38 % составляет 0,091 ч"1.
Следовательно, при сбраживании нейтрализата зерна с более высокой концешрацией РВИ выход спирта выше на 2-3%, однако скорость брожения ниже за счёт более высоких концентраций РВИ.
При сбраживании смеси нейтрализованных гидролизатов древесины и зерна с концентрацией РВ=3,29% (соотношение 10:1) и концентращш дрожжей 30 г/дм3 выход спирта составил 60,8%, концентрация несброженных РВИ через 9ч— 19,4%, а скорость брожения — 0,181 ч"1. При увеличении доли зернового гидролизага в смеси нейтрализованных гидролизатов древесины и зерна (концентрация РВИ=4-8%) выход спирта увеличивается на 2% в сравнении с выходом спирта при сбраживании одного нейтрализованного гидролизата древесины. Скорость брожения нейтрализованной смеси гидролизатов древесины и зерна с концентрацией 5,56% составляет 0,09 ч" , что равноценно скорости сбраживания нейтрализованного гидролизата зерна с РВИ=6,38%.
