Введение к работе
1.1 Актуальность работы. Получение высококачественного пищевого спирта и сухой барды высокой кормовой ценности с минимальными энергетическими затратами важная экологическая и экономическая задача. Традиционная технология брагоректификации характеризуется высокими энергетическими затратами. Эти затраты существенно возрастают при получении сухой барды. Правительство РФ, учитывая загрязнения окружающей среды за счет сброса больших количеств жидкой барды на поля фильтрации и в открытые водоемы, внесло поправку в Федеральный закон № 171-ФЗ «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции и об ограничении потребления (распития) алкогольной продукции» (ст.8, п.5), согласно которой производство этилового спирта допускается только при условии полной переработки и (или) утилизации на очистных сооружениях барды. Однако данная проблема пока не решена. По ряду причин при интенсификации технологических операций, предшествующих брагоректификации, и при переходе на выпуск спирта марок «Экстра» и «Люкс» стало невозможным прямое использование барды в качестве корма для животных, в том числе, из-за высокого содержания в ней летучих примесей спирта. Реальным решением этой проблемы могло бы быть совмещенное производство высококачественного спирта и кормовой сухой зерновой барды, позволяющее существенно сократить затраты энергии на производство этих продуктов.
В связи с этим разработка энергосберегающей совмещенной технологии получения высококачественного пищевого спирта и кормовой сухой барды из зерна кукурузы является актуальной.
Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и региональных инвесторов в рамках грантов РФФИ «Обоснование термодинамических основ и разработка новых технологических способов переработки водно-спиртовых и углеводородных смесей с оптимальными параметрами получения биотоплива» (проект № 08.08.99134) и «Обоснование и теоретическое обеспечение энергосберегающего, экологически безопасного производства из зернового сырья пищевого спирта глубокой очистки путём совмещения стадий разваривания и брагоректификации с выпариванием барды, использования инновационного квазистационарного процесса ректификации, совмещённого с тепловым насосом, и переработки сивушных масел с выделением многокомпонентного гетероазеотропа» (проект № 11-08-96507-р_юг_ц).
1.2 Цель исследований. Целью настоящей работы явилось научное обоснование и разработка энергосберегающей совмещенной технологии получения высококачественного пищевого спирта и кормовой сухой барды из зерна кукурузы.
1.3 Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
экспериментально исследовать физико-химические показатели зерна кукурузы как сырья для производства высококачественного пищевого этилового спирта и кормовой сухой барды;
экспериментально исследовать содержание летучих примесей в высококонцентрированной кукурузной бражке, разработать технологический режим и структуру технологической схемы брагоректификации, обеспечивающих получение ректификованного спирта марки «Люкс»;
экспериментально исследовать физико-химические показатели кукурузной барды, полученной по совмещенной технологии;
– экспериментально исследовать процесс выпаривания кукурузной барды с оценкой ее консистенции и содержания в ней сухих веществ, в том числе протеинов, жиров, углеводов, а также определить кормовую и энергетическую ценность упаренной барды;
– экспериментально исследовать процесс сушки упаренной барды, разработать методику его расчета на основе численного решения уравнения нестационарной диффузии сеточным методом и оценить кормовую и энергетическую ценность полученной кормовой сухой барды;
разработать энергосберегающую совмещенную технологию получения высококачественного пищевого спирта и кормовой сухой барды из зерна кукурузы;
провести апробацию предлагаемых технологических решений;
– выполнить технико-экономическое обоснование разработанной совмещенной технологии и разработать технологическую инструкцию по производству этилового ректификованного спирта марки «Люкс» и кормовой сухой барды.
1.4 Научная новизна. Научно обоснована энергосберегающая совмещенная технология получения высококачественного пищевого спирта и кормовой сухой барды из зерна кукурузы. Впервые разработана сложная химико-технологическая система (ХТС) совмещенных и взаимосвязанных установок разваривания, брагоректификации, выпаривания и сушки барды. Разработана математическая модель ХТС, обеспечившая параметрическую и структурную оптимизацию совмещенной технологии. Решена задача энергосбережения за счет комплекса мероприятий: использование теплоты вторичных паров выпаривания на брагоректификации и разваривании, рециркуляция фильтрата барды на стадию разваривания зернового замеса, увеличение содержания сухих веществ в осахаренном сусле и, как следствие, повышение крепости бражки и процента сухих веществ в барде. Разработана модель кинетики сушки упаренной барды для периодов: прогрева, удаления свободной и связанной влаги. Доказано, что удаление связанной влаги из упаренной барды протекает по диффузионному механизму. Новизна предлагаемых технических решений подтверждена патентами РФ на полезные модели № 85357 «Ресурсосберегающая установка непрерывного действия для получения из бражки этилового ректификованного спирта, дробины и сгущенной барды» (2009 г.) и № 106554 Ресурсосберегающая установка непрерывного действия для получения из бражки этилового ректификованного спирта, дробины и сгущенной барды (2011 г.).
1.5 Практическая значимость. Разработана энергосберегающая совмещенная технология получения из зерна кукурузы высококачественного пищевого спирта марки «Люкс» по ГОСТ Р 51652-2000 и кормовой сухой барды высокой кормовой ценности по ГОСТ Р 53098-2008. Совмещенная технология получения пищевого спирта и кормовой сухой барды с использованием теплоты вторичных паров выпаривания для обогрева колонн брагоректификационной установки (БРУ) и при разваривании зернового замеса обеспечивает снижение расхода греющего пара с 643 до 539 ГДж/сут. и расхода электроэнергии с 31 до 29 ГДж/сут. при производительности 3000 дал/сут. ректификованного спирта и 17,58 т/сут. кормовой сухой барды. Из кукурузной бражки, крепостью 10,6 % об. на спиртзаводе ООО «КХ Восход» (г. Майкоп) по разработанной технологии выработан пищевой ректификованный спирт марки «Люкс» крепостью 96,9 % об. с содержанием альдегидов 1,32 мг/дм3, сивушного масла 1,82 мг/дм3 и метанола 0,0078 % об., что меньше, чем предусматривает ГОСТ Р 51652-2000 для каждой из этих примесей. Определено, что полученная при выпаривании и сушке сухая барда обладает высокой кормовой ценностью. При содержании сухих веществ 95 % она содержит: сырого протеина 30,6 %, жира 11,5 %, водорастворимых углеводов 19,5 %. Кормовая ценность сухой барды составляет 91,16 кормовых единиц в 100 кг продукта, энергетическая ценность 1168 кДж/100 г. Целесообразность использования полученной кормовой сухой барды подтверждена актами ГНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт животноводства» Россельхозакадемии (г. Краснодар) и ЗАО «Киево-Жураки Агропромышленный комплекс» (г. Майкоп). Выполнено технико-экономическое обоснование и разработана технологическая инструкция по производству этилового ректификованного спирта марки «Люкс» и кормовой сухой барды. Ожидаемый экономический эффект от использования совмещенной технологии составляет за счет энергосбережения и реализации кормовой сухой барды 29,641 млн руб./год, что на 3,749 млн руб./год выше, чем при использовании технологии раздельного производства в расчете на установку производительностью 3000 дал/сут. пищевого ректификованного спирта. При этом срок окупаемости дополнительных капитальных вложений сокращается с 1,7 до 1,05 года.
1.6 Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на II Всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (г. Челябинск, 2008 г.); на одиннадцатой международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (г. Барнаул, 2008 г.); на II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2008 г.); на XXXVI научной конференции студентов и молодых ученых вузов Южного федерального округа (г. Краснодар, 2009 г.); на I Всероссийской студенческой научной конференции «Молодежная наука пищевой промышленности России» (г. Ставрополь, 2009 г.); на X Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2009 г.); на Международной научно-практической конференции «Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии» (г. Краснодар, 2010 г.); на XI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2010 г.).
1.7 Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получено 2 патента РФ на полезные модели.
1.8 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора научно-технической и патентной отечественной и зарубежной литературы, объектов и методов исследований, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 153 страницах компьютерного текста, содержит 40 рисунков и 33 таблицы. Список использованных литературных источников включает 157 наименований, из которых 16 - зарубежных авторов.
