Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1. Отходы производства - экологические проблемы пищевой и перерабатывающей отрасли 10
1.2. Использование отходов производства в качестве вторичного сырья - одно из направлений реализации
экологической политики на предприятиях 19
1.3. Виды и характеристика сырья, применяемого при производстве спирта 24
1.3.1. Растительное сырье 24
1.3.2. Муниципальные отходы 27
1.3.3. Переработка сельскохозяйственной продукции и отходов в этанол 30
1.3.4. Производство этанола из биологических отходов 32
1.3.5. Себестоимость спирта в зависимости от используемого сырья 33
1.4. Методы гидролиза сырья и различных субстратов, применяемых в спиртовом производстве 35
1.5.1. Ферментативный гидролиз 35
1.5.2. Метод электрохимического воздействия, его характеристика и применение 40
1.6. Молочная сыворотка, характеристика состава, методы переработки и утилизации 46
1.6.1. Характеристика и особенности состава молочной сыворотки 47
1.6.2. Методы переработки молочной сыворотки 51
1.6.2.1 .Кислотный метод гидролиза молочной сыворотки 51
1.6.2.2.Ферментативный метод гидролиза молочной сыворотки 52
1.6.3. Методы утилизации молочной сыворотки 55
1.6.3.1.Утилизация молочной сыворотки в различных отраслях и производствах 55
1.6.3.2.Утилизация молочной сыворотки с помощью микроорганизмов 58
2. Экспериментальная часть 66
2.1. Материалы и методы исследований 67
2.1.1. Материалы исследований 67
2.1.2. Методы исследований 69
2.2. Результаты и обсуждение 81
2.2.1. Исследование влияния электрохимического воздействия на степень гидролиза лактозы 81
2.2.1.1 .Исследование влияния длительности электрохимического воздействия на степень гидролиза лактозы 82
2.2.2. Исследование эффективности процесса ферментативного гидролиза лактозы 82
2.2.3. Исследование эффективности применения различных методов обработки молочной сыворотки - сырья для производства спирта 85
2.2.3.1. Исследование влияния электрохимического воздействия на степень гидролиза молочной сыворотки 85
2.2.3.1.1 .Исследование влияния величины рН молочной сыворотки на длительность гидролиза 85
2.2.3.1.2.Исследование влияния состава молочной сыворотки на степень гидролиза 87
2.2.3.1.3. Исследование влияния плотности тока при электрохимическом воздействии на степень гидролиза молочной сыворотки 87
5 2.2.3.1.4. Исследование влияния длительности процесса электрохимического воздействия на степень гидролиза молочной сыворотки 90
2.2.3.1.5.Исследование динамики процесса гидролиза молочной сыворотки при электрохимическом воздействии 92
2.2.3.1.6.Влияние термической обработки на степень гидролиза лактозы молочной сыворотки 94
2.3.3. Влияние ферментативной обработки на степень гидролиза молочной сыворотки 95
2.2.4. Сравнение эффективности применения методов электрохимического, термического и ферментативного воздействия на лактозу молочной сыворотки 97
2.2.5. Исследование влияния электрохимической обработки сырья - молочной сыворотки на выход спирта 98
2.2.5.1. Исследование зависимости бродильной активности посевного материала от длительности процесса 99
2.2.5.2. Исследование влияния электрохимической обработки молочной сыворотки на длительность
сбраживания ее дрожжами Kluyveromyces lactis шт. 1494 101
3. Технологическая часть 103
3.1. Описание аппаратурной схемы процесса 104
3.2. Расчет объемов основного оборудования для осуществления технологии спирта 107
3.3. Общая схема и системный подход к экологизации производства путем реализации мероприятий, направленных на осуществление экологической политики предприятия 109
4. Выводы 117
5. Список литературы
- Виды и характеристика сырья, применяемого при производстве спирта
- Исследование влияния электрохимического воздействия на степень гидролиза лактозы
- Исследование влияния плотности тока при электрохимическом воздействии на степень гидролиза молочной сыворотки
- Общая схема и системный подход к экологизации производства путем реализации мероприятий, направленных на осуществление экологической политики предприятия
Введение к работе
В связи с увеличением объемов и ассортимента производства молока и молочных продуктов его переработки в России и за рубежом, стоит проблема утилизации молочной сыворотки - отхода переработки молока.
Объемы получаемой молочной сыворотки теоретически достигает 90% объема перерабатываемого молока: практически они несколько меньше из-за неполного сбора и технологических потерь. В сыворотку переходит около 50% сухих веществ молока.
По данным Международной молочной федерации (составная часть ФАО - международная производственная организация) из 120 млн. тонн молочной сыворотки, получаемой в мире (в России - более 15 млн. тонн), до 15% сливается в канализацию (частично по возможности в водоем), что приводит к безвозвратной потере около 2000 тыс. тонн лактозы, около 400 тысяч тонн молочного белка и ряда других ценных компонентов молочного сырья (минеральных солей, молочного жира, макро- и микроэлементов, витаминов).
Очистка 1 м сточных вод с высоким содержанием молочной сыворотки приравнивается к очистке 400 м промышленных стоков. Возрастают проблемы охраны окружающей среды вследствие высокой биологической активности молочной сыворотки.
До недавнего времени молочную сыворотку считали отходом производства. В мировой печати, посвященной молочной промышленности, систематически публикуют материалы, из которых следует, что молочная сыворотка по своему составу, пищевой и биологической ценности, относится к ценнейшему сырью, из которого можно производить необычайно широкий ассортимент пищевых и кормовых продуктов, полученных в результате применения специфических методов ее переработки.
В последние годы, как в России, так и за рубежом, разрабатываются новые, более совершенные технологии переработки и утилизации молочной
8 сыворотки (кормовые добавки - премиксы, белковые продукты, сывороточные
пасты - пищевые добавки в кондитерской и хлебопекарной промышленности),
а также безотходные и малоотходные технологии. Их широкое внедрение в
производство даст должный экономический эффект при условии, если
предприятия молочной промышленности владеют особенностями сбора,
сохранения молочной сыворотки, организации ее рациональной переработки
Проблема утилизации молочной сыворотки стоит достаточно остро, т.к. руководители молочных предприятий считают, что вкладывать деньги в переработку отходов не рационально.
Но одним из условий вступления российских предприятий в ВТО являются: проведение экологической политики и осуществление мероприятий по экологизации производств в соответствии с Международной системой стандартов экологического управления ИСО 14000.
Для этой цели необходимо разрабатывать интенсивные экономически оправданные биотехнологии утилизации отходов пищевых предприятий, используя их в качестве вторичного сырья.
Одним из способов утилизации молочной сыворотки - является получение спирта на её основе, а одним из путей интенсификации биохимических процессов - электрохимическое воздействие на сырье.
Применение электрохимического воздействия перспективно не только для обработки молочной сыворотки с целью ее использования в качестве сырья при производстве спирта, безалкогольных напитков, в качестве кормовой добавки, но и на различные субстраты, в том числе для их обеззараживания (напитки, сточные воды).
В связи с вышеизложенным исследования в этом направлении являются актуальными и представляют большой практический интерес (сокращение длительности технологического процесса и увеличение выхода продукта).
Виды и характеристика сырья, применяемого при производстве спирта
Использование возобновляемого растительного сырья и постоянно образующихся углеводсодержащих отходов перерабатывающей промышленности позволяет считать, что сырьевая база для обеспечения существующего уровня и дальнейшего развития производства этанола достаточно надежна. В то же время задача снижения себестоимости получения этанола биотехнологическим методом требует анализа и выбора различных видов наиболее дешевого и доступного сырья. При этом в частности, важно, чтобы сырье ежегодно воспроизводилось в необходимых количествах, собиралось концентрированно без протяженных транспортных перевозок, имело высокое содержание углеводов и хорошо сохранялось. В качестве углеводсодержащего субстрата для производства этанола чаще всего используют зерно пшеницы, ржи и кукурузы, молочную сыворотку, томатную пасту, древесные отходы, сахарный тростник, багассу, газетную массу и т.п. [32,]. В табл. 1.4. приведено соотношение отдельных компонентов для различных видов природного возобновляемого сырья, которые могут быть превращены в этанол в биотехнологическом процессе.
Каждый из перечисленных выше субстратов в своем составе содержит полисахариды: целлюлозу (1,0-62 %), крахмал (1-81 %), гемицеллюлозу (9-27 %), из которых синтезируется этанол. От соотношения перечисленных выше полисахаридов в сырье зависят особенности технологической схемы, себестоимость продукта, количество образующихся отходов производства и их состав. Исторически производство этанола было ограничено использованием растворимых форм источников сахара типа сахарозы, патоки, полученной в результате переработки сахарного тростника, или фруктозы. Так как эти растворимые сахара съедобны, их относительная ценность выше остальных компонентов растений - зеленой массы: листьев, стеблей, и т.п., являющихся несъедобными и обычно имеющих намного меньшую стоимость. Во многих случаях несъедобные части растений являются отходами производств чистых Сахаров, их сжигают, отправляют на очистные сооружения. Однако появление технологий по переработке лигноцеллюлозных материалов в этанол позволяет рассматривать лигноцеллюлозу как дешевое сырье для производство этанола. Это очень существенно, например, с одного акра сахарного тростника производится приблизительно 10 т съедобного сахара и 3 т патоки, а также около 2,5 т зеленой массы - листьев и стеблей.
В соответствии с географическим положением и сложившейся структурой хозяйства в отдельных странах для производства спирта используют различные виды сельскохозяйственного сырья: во Франции сахарную свеклу и мелассу, в Германии картофель и зерно, В США зерно и фрукты, в странах Азии и Африки тростниковую мелассу. В России доля зерносырья, используемого для получения этанола, постоянно растет. Так, если в 1998 г. соотношение объемов спирта, полученного из зерна, и гидролизного спирта (в основном из древесной щепы) составило 2,8:1,0 при общем выпуске 500 тыс. т, то увеличение производства этанола до 600 тыс. т. в 1999 г. было обеспечено в основном увеличением доли зерна и соотношение достигло уже 3,8:1,0. Кроме зерна в России используют мелассу - отходы при производстве сахара и картофель.
На рис. 1.1. показано соотношение этих источников сырья. Однако в настоящее время в связи с резким ростом объема производства этанола сырьевая база расширяется, активнее используются целлюлозосодержащие отходы: багасса, газетная масса, твердые муниципальные отходы. С точки зрения использования наиболее дешевых отходов большой интерес, особенно в странах Европы и США, вызывают так называемые муниципальные отходы.
Состав муниципальных твердых отходов существенно зависит от местоположения мегаполиса, численности населения, что иллюстрирует таблица 1.2 . Бумага и отходы продовольствия, строительные отходы, листва и т.п. содержат значительное количество лигноцеллюлозного материала. В состав твердых муниципальных отходов входит до 65 % углеродсодержащих материалов, которые могут перерабатываться в этанол. Усредненный состав твердых муниципальных отходов представлен в таблице 1.5.
Исследование влияния электрохимического воздействия на степень гидролиза лактозы
Из имеющихся литературных данных известно, что применение электрохимически активированной воды в различных технологических процессах влияет на скорость и направление многих последующих химических реакций. Электрохимическая активация позволяет, без применения реагентов, интенсифицировать процесс гидролиза различных веществ.
Это свойство электрохимического воздействия на водные субстраты нами было исследовано на молочной сыворотке с целью её деструкции до моносахаров, а также относительно интенсификации процесса брожения с целью получения спирта.
В результате проведенных ранее исследований нами было определено влияние расстояния между электродами на интенсивность процесса гидролиза, при этом необходимое расстояние между электродами электролизера, которое составило 5,0мм. При этом расположении электродов наблюдалась максимальная интенсивность окислительного процесса (табл. 2.3.).
При расстоянии между электродами менее или более 5J0 мм происходило торможение процесса деструкции.
При проведении исследований электрохимическому воздействию при плотности тока 50 А/м подвергали раствор лактозы с концентрацией 4,7%, при рН = 5,2. Длительность процесса гидролиза направленно варьировали от 0 до 120 секунд.
В гидролизате определяли величину рН и прирост количества редуцирующих веществ, по которому рассчитывали степень гидролиза лактозы (рис. 2.1.).
В результате установлена возможность гидролиза лактозы при электрохимическом воздействии (рис.2.1.), при этом наибольшая степень гидролиза лактозы - 50,8% наблюдалась при длительности процесса 120 секунд. Одновременно в процессе гидролиза наблюдалось снижение величины рН.
Исследование эффективности процесса ферментативного гидролиза лактозы. С целью определения эффективности применения ферментативного воздействия на лактозу была проведена серия опытов и определена необходимая длительность процесса и степень гидролиза лактозы.
Исследования проводили с 4,7% -ным раствором лактозы, в который вносили в количестве 20% 3-галактозидазу. Процесс осуществляли при температуре 50 С и рН=4,6 при варьировании длительности процесса от 0 до 90 минут.
Из данных, представленных на рис.2.2. следует, что достаточной длительностью процесса ферментативного гидролиза 4,7% раствора лактозы является 90 минут, при которой наблюдалась степень гидролиза в среднем 85,3%.
Однако применение ферментного препарата р-галактозидазы проблематично в связи с отсутствием его промышленного производства в России и стоимостью препарата.
В процессе исследований с целью гидролиза молочной сыворотки применяли электрохимическое, термическое и ферментативное воздействие.
Сравнение эффективности применяемых методов проводили в соответствии с предварительно отработанными параметрами процесса гидролиза при электрохимичеком воздействии.
В связи с тем, что ход процесса гидролиза моносубстрата может отличаться от гидролиза более сложной системы, такой как молочная сыворотка, дальнейшие исследования проводились с использованием молочной сыворотки конкретного производства (подсырной, творожной и их смеси в соотношении 1:1).
Исследования проводили при электрохимическом воздействии при плотности тока 50 А/м на молочную сыворотку различного состава (подсырная, творожная и их смесь в соотношении 1:1) до одинаковой степени гидролиза в среднем - 50%. Результаты исследований представлены на рис. 2.3.
В процессе исследований установлено, что длительность процесса гидролиза при электрохимическом воздействии пропорциональна величине рН молочной сыворотки и соответствовала: при рН = 4,4 - 90 секунд, при рН = 5,2 - 120 секунд, при рН = 6,3 - 140 секунд. Таким образом, при меньших значениях рН молочной сыворотки процесс гидролиза идет интенсивнее, чем при более высоких.Исследования проводили при электрохимическом воздействии при плотности тока 50 А/м на молочную сыворотку различного состава (подсырная, творожная и их смесь в соотношении 1:1).
Результаты исследований представлены на рис. 2.4.
В результате проведенных исследований установлено, что процесс гидролиза молочной сыворотки протекает в среднем за: творожной - 90 секунд, под сырной - 140, смеси подсырной и творожной - 120 секунд. При этом степень гидролиза всех видов сыворотки составила около 51,5%. Одновременно наблюдалось образование и выпадение белкового осадка, который периодически удалялся из электролизера.
Исследование влияния плотности тока при электрохимическом воздействии на степень гидролиза молочной сыворотки (рН=5,2; концентрация лактозы - 4,7% ) проводили в электролизере при направленном варьировании плотности тока от 0 до 100 А/м в течение 120 секунд.
Данные, представленные на рис.2.5., указывают на то, что степень гидролиза молочной сыворотки (выход редуцирующих веществ) возрастает с увеличением плотности тока до 60 А/м и достигает максимума - 52,2%, а при дальнейшем увеличении плотности тока выход редуцирующих веществ уменьшался, очевидно, вследствие более глубокого их гидролиза. Степень гидролиза (выхода из реакционной среды) растворимых белковых веществ имела тенденцию постоянного увеличения и при условиях экспериментов составляла в среднем 38%.
Исследование влияния плотности тока при электрохимическом воздействии на степень гидролиза молочной сыворотки
При сравнительной оценке эффективности процесса гидролиза молочной сыворотки (табл.2.5.) с применением термической, ферментативной и электрохимической обработки установлено, что при электрохимической и ферментативной обработке степень гидролиза молочной сыворотки составляет соответственно 52,0% и 64%.
Но длительность процесса электрохимического воздействия составила 120 секунд, а длительность ферментативного процесса составила 90 минут. Кроме того, как уже указывалось ранее, применение этого фермента для гидролиза молочной сыворотки проблематично. При термической обработке молочной сыворотки степени гидролиза ее не наблюдалось. Таким образом, в результате проведенных исследований установлена возможность и определены основные параметры процесса гидролиза молочной сыворотки при электрохимическом воздействии. Проведенные исследования на наш взгляд открывают широкие перспективы применения электрохимического воздействия не только на молочную сыворотку с целью ее использования в качестве сырья в технологии спирта, безалкогольных напитков, в качестве кормовой добавки, но и на различные субстраты.
В процессе электрохимического воздействия при вышеуказанных параметрах также наблюдался эффект обеззараживания молочной сыворотки, который составил в среднем по КМАФАнМ - 99,5%.
На наш взгляд, электрохимическая обработка может быть применена для деструкции различных отходов с целью наилучшего усваивания их живыми организмами.
Из литературных данных известно интенсифицирующее воздействие активированных растворов на стадии культивирования дрожжей и на растительное сырье в спиртовом производстве.
Нами были проведены исследования по изучению влияния электрохимической обработки животного вторичного сырья - молочной сыворотки на бродильную способность посевного материала и накопление этилового спирта в бражке.
Для исследований по изучению влияния электрохимической обработки молочной сыворотки на накопление спирта в качестве сырья на стадии получения посевного материала и технологического процесса сбраживания использовали молочную сыворотку с содержанием лактозы 4,7%, которую подвергали электрохимическому воздействию при плотности тока 60 А/м в течение 120 секунд.
В процессе исследований использовалась культура дрожжей Kluyveromyces lactis шт. 1494, выращенная на среде - сусло-агар.
Посевную среду засевали дрожжами с исходной концентрацией клеток в среднем 50-106 ед./см3. Посевной материал выращивали глубинно при температуре 30±2С в течение 4-х суток.
Бродильную способность посевного материала определяли по потреблению дрожжами растворимых сухих и редуцирующих веществ. Исследования проводили не менее чем в трех повторностях.
В результате исследований было установлено (рис.2.9.), что наибольшая бродильная способность посевного материала дрожжей Kluyveromyces lactis шт. 1494 наблюдалась к 1,5 - 2 суткам процесса сбраживания молочной сыворотки.
Серию экспериментов по сбраживанию молочной сыворотки проводили дрожжами Kluyveromyces lactis шт. 1494 при температуре 30±2 С в течение 4 суток. Исследования в каждом эксперименте проводили не менее чем в трех повторностях.
В результате максимальная концентрация спирта в среде наблюдалась к 3-им суткам и составила в среднем 3,4 об. %. Выход этилового спирта на тонну сырья составил 35 дм /т по сравнению с 30 дм /т для процесса брожения без предобработки молочной сыворотки. Это на 25% больше, чем на среде, не подвергнутой электрохимическому воздействию.
Таким образом, применение электрохимической обработки сырья -молочной сыворотки способствует интенсификации процесса сбраживания в среднем на 25%, как по продолжительности процесса, так и по выходу этилового спирта.
Общая схема и системный подход к экологизации производства путем реализации мероприятий, направленных на осуществление экологической политики предприятия
Разработанная интенсивная технология является одним из направлений реализации экологической политики предприятия с целью достижения высокого безопасного уровня производства, соответствующего международным системам стандартов ИСО 9000 и ИСО 14000, что является результатом мероприятий, осуществляемых производителем и направленных на постоянное улучшение качества (по спирали вверх) [44].
Модель системы управления окружающей средой согласно стандарту ИСО 14001 представлена на рис 3.2.
Общая цель этого стандарта заключается в том, чтобы поддержать меры по охране окружающей среды и предотвращению ее загрязнения при сохранении баланса с социально-экономическими потребностями.
Следует заметить, что многие требования могут рассматриваться одновременно или пересматриваться в любое время.
На рис. 3.3. представлена схема мероприятий, проводимых предприятием по переработке молока «Уфамолзавод» с целью реализации экологической политики предприятия.
Эта схема содержит данные о мероприятиях (переработка вторичного сырья и очистка сточных вод), проводимых предприятием по переработке молока, направленных на реализацию экологической политики.
Управление окружающей средой охватывает весь диапазон проблем, включая проблемы, касающиеся стратегии и конкурентоспособности.
Демонстрация успешного внедрения этого стандарта может быть использована организацией для того, чтобы заинтересованные стороны удостоверились в наличии у нее надлежащей системы управления окружающей средой.
Экологические проблемы производств заключаются в отрицательном их воздействии на объекты окружающей среды и в конечном итоге организм человека. Причем это воздействие может быть как прямым, так и косвенным (опосредованным).
Источниками веществ, загрязняющих окружающую природную среду, являются промышленные выбросы, сбросы и твердые отходы, содержащие химические вещества (в т.ч. токсичные) и постороннюю микрофлору (возможно патогенную).
Поэтому очень важен и необходим системный подход к экологическому управлению на предприятиях (производством, качеством и безопасностью продукции, условиями производства и отходами) в целях успешного решения их экологических проблем.
Система экологического управления на предприятии - это сложный комплексный процесс, состоящий из последовательных действий, направленных на строгое соблюдение законодательных норм и правил по охране окружающей природной среды.
Экологическое управление на предприятии - экологический менеджмент предусматривает управление современным производством, обеспечивающее сочетание эффективности производства с рациональным использованием природных ресурсов, с охраной окружающей природной среды и здоровья людей.
Каждое предприятие должно разрабатывать соответствующую документацию, позволяющую осуществлять выбросы и сбросы загрязнений в соответствии с нормативами, а также экологически оправданное обращение с отходами (лимиты на размещение и утилизацию). Один из основных рычагов экологического управления на предприятии -это производственный экологический контроль (ПЭК). Производственный экологический контроль - это, с одной стороны, контроль за условиями производственного процесса , а с другой - контроль за нормированием, кодированием и стандартизацией всех отходов производства (твердых, жидких, газообразных). Разработанная схема основных стадий ПЭК дает общее представление о системе экологического управления (менеджмента) на промышленном предприятии (рис.3.4.). Производственный экологический контроль является составной частью системы экологического управления (экологического менеджмента) природными и производственными объектами, одна из составляющих которого - государственный экологический контроль (ГЭК).
Система государственного экологического контроля направлена не только на контроль внутренней экологии производства, но и на контроль воздействия данного производства на объекты окружающей природной среды.
По результатам ПЭК и ГЭК каждым предприятием должна осуществляться разработанная ранее экологическая политика, т.е. должны быть предусмотрены мероприятия по ликвидации отрицательного воздействия производства на окружающую природную среду.
Систематизированная схема государственного экологического контроля представлена на рис.3.5.
ГЭК И ПЭК являются основными составляющими системы экологического менеджмента объектов окружающей среды. В целом функции экологического менеджмента объектов окружающей среды сводятся к следующему: - управление процессами антропогенного давления на природу. - управление состоянием природных экосистем; - управление состоянием социоприродных систем; - управление состоянием и использованием природных ресурсов; - управление восстановлением запасов природных ресурсов;
