Линия подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию

 

Изобретение относится к спиртовой промышленности. Линия для подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию при производстве этанола, включающая последовательно соединенные смеситель для смешения молотого зерна с водой с присоединенной к нему емкостью для приготовления и подачи разжижающих ферментов, аппарат для ферментативной обработки водно-зерновых масс, снабженный внешним циркуляционным контуром с насосом, вакуум-охладитель-осахариватель, а также систему насосов, технологических и вспомогательных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой. Линия снабжена емкостью для приготовления и подачи в смеситель раствора деструктуратора крахмала и установленным между смесителем и аппаратом ферментативной обработки устройством механоакустической обработки, образующим со смесителем циркуляционный контур. Изобретение позволит повысить выход этанола и его качество. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к линиям подготовки крахмалсодержашего сырья к сбраживанию при производстве этанола и может быть использовано в производстве этанола по непрерывному способу водно-тепловой подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию. Предшествующий уровень техники.

Линии подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию входят в состав общей технологической линии производства этанола и включают в себя общие технологические элементы, а именно смеситель для смешения молотого зерна с водой, аппараты для водно-тепловой обработки крахмалсодержащего сырья с устройством для нагрева водно-зерновой смеси, аппараты для ферментативной обработки (осахаривания сусла) и теплообменник для охлаждения сусла до температуры сбраживания. При этом линии подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию условно подразделяются на линии высокотемпературного разваривания водно-зернового сырья и линии низкотемпературного разваривания сырья.

Известна линия подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию по технологии высокотемпературного разваривания сырья, состоящая из последовательно установленных и сообщенных между собой смесителя для смешения молотого зерна с водой (смесителя-предразварника), варочных колонн, выдерживателя, паросепаратора, вакуум-испарителя-осахаривателя и теплообменника, при этом вышеупомянутые технологические элементы соединены между собой трубопроводами с запорной и регулирующей арматурой (Регламент производства спирта из крахмалистого сырья, часть 1. Министерство пищевой промышленности. ВНИИПрБ, М., 1979 г., с.3-78). Известная линия эксплуатируется в температурном интервале 135-175^oС.

Недостатком этой линии является трудность ее эксплуатации из-за наличия аппаратов (варочных колонн), работающих под давлением выше атмосферного (0,6-1,0 МПа). Кроме того, высокая температура способствует протеканию побочных реакций в варочных колоннах, содержащих водно-зерновую смесь, например реакций с участием полисахаридов и белков с образованием побочных продуктов, что приводит к ухудшению технологических (органолептических) показателей и уменьшению выхода этанола, а также к повышенному расходу тепловой и электрической энергии, охлаждающей воды и ферментных препаратов.

Также известна линия подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию по технологии низкотемпературного разваривания сырья, включающая смеситель-предразварник, контактную головку, паросепаратор, вакуум-камеру, осахариватель, а также систему насосов и трубопроводов, причем между смесителем-предразварником и контактной головкой установлены сборник-накопитель замеса, емкость с вращающейся турбиной для активации ферментов зерна и теплообменник, сообщенные между собой подводящими и отводящими трубопроводами, подключенными к сборнику-накопителю тангенциально с образованием замкнутого циркуляционного контура, причем теплообменник установлен на отводящем трубопроводе (Авторское свидетельство СССР 1629312 М. кл⁸ С 12 С 7/06). Эта линия эксплуатируется при температуре, близкой к 100^oС, при этом наличие в составе линии емкости с вращающейся турбиной способствует более полному протеканию процессов активации ферментов зерна, что приводит к некоторому снижению расхода ферментов и энергозатрат. К недостаткам линии относится ее сложность в сочетании с низкой эффективностью, заключающейся в наличии дополнительной емкости с турбиной и сборника-накопителя, которые не обеспечивают полной экстракции и растворения веществ зерна при низких (ниже 100^oС) температурах, что в сочетании с протеканием побочных высокотемпературных реакций приводит к пониженному выходу этанола и ухудшению его качества.

Наиболее близкой к изобретению является линия для подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию при производстве этанола, включающая последовательно соединенные смеситель для смешения молотого зерна с водой с присоединенной к нему емкостью для приготовления и подачи разжижающих ферментов, аппарат для ферментативной обработки водно-зерновых масс, снабженный внешним циркуляционным контуром с насосом, вакуум-охладитель-осахариватель, а также систему насосов, технологических и вспомогательных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой (см., например, Типовой технологический регламент производства спирта из крахмалистого сырья. Министерство сельского хозяйства и продовольствия РФ, М., 1998 г., с. 10-12). Насос, включенный в циркуляционный контур аппарата ферментативной обработки предназначен для перемешивания и гомогенизации ожиженной водно-зерновой смеси. Кроме того, известное устройство содержит также трубчатый стерилизатор, паросепаратор, выдерживатель и теплообменник, которые, как и основные элементы линии, соединены между собой системой трубопроводов, снабженных запорной и регулирующей арматурой, а также насосами для перемещения технологических сред. Указанная линия эксплуатируется при температуре 80-95^oС и обеспечивает получение этанола по технологии низкотемпературного разваривания крахмалсодержащего сырья.

К недостаткам известной линии относится то, что она не обеспечивает эффективное ведение технологического процесса подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию, результатом чего является низкий выход целевого продукта - этанола. Кроме того, линия не обеспечивает ведение процесса в асептических условиях, несмотря на наличие в ее составе такого элемента, как трубчатый стерилизатор, работающий при повышенной температуре 120-130^oС, следствием чего является значительное закисание технологических сред спиртового производства. Указанные выше недостатки в конечном итоге также приводят к снижению выхода этанола. Вместе с этими недостатками линия не обеспечивает получение этанола с низким содержанием примесей.

Раскрытие изобретения.

Технической задачей изобретения является создание линии подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию, обеспечивающей повышение выхода этанола и повышение его качества. Эта техническая задача решается за счет того, что линия для подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию при производстве этанола, включающая последовательно соединенные смеситель для смешения молотого зерна с водой с присоединенной к нему емкостью для приготовления и подачи разжижающих ферментов, аппарат для ферментативной обработки водно-зерновых масс, снабженный внешним циркуляционным контуром с насосом, вакуум-охладитель-осахариватель, а также систему насосов, технологических и вспомогательных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой, согласно изобретению снабжена емкостью для приготовления и подачи в смеситель раствора деструктуратора крахмала и установленным между смесителем и аппаратом ферментативной обработки устройством механоакустической обработки, образующим со смесителем циркуляционный контур.

Кроме того, что в циркуляционный контур аппарата для ферментативной обработки включено устройство для механоакустической обработки, что позволяет эффективно использовать линию для производства этанола из трудноперерабатываемого зернового сырья, например ржи.

Для дальнейшего улучшения работы целесообразно на выходе аппарата для ферментативной обработки установить, по крайней мере, один дополнительный аппарат ферментативной обработки.

Для дальнейшего улучшения работы линии и повышения качества продукции, по крайней мере, один дополнительный аппарат ферментативной обработки содержит циркуляционный контур.

Еще лучше работает линия, если в, по крайней мере, один циркуляционный контур дополнительных аппаратов ферментативной обработки включено устройство для механоакустической обработки.

Указанные выше линии с дополнительными устройствами для механоакустической обработки и дополнительными аппаратами ферментативной обработки могут использоваться для более эффективного ведения подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию, например при переработке слизеобразующих зерновых культур (ржи, овса, ячменя).

В качестве аппаратов механоакустической обработки может быть использован, например, роторно-пульсационный аппарат, описанный в патенте (Международная заявка PCT/RU/96/00297, WO 98/16304 от 23.04.98, В 01 F 7/00), который обеспечивает при обработке водно-зерновых смесей протекание процессов диспергирования, гомогенизации, экстракции веществ зерна в водную фазу за счет одновременного механического и акустического (высокочастотного) воздействия элементов конструкции аппарата на жидкотекучую среду. Например, описанное устройство содержит корпус, выполненный в виде улитки с входным и выходным патрубками. Ротор установлен на валу и представляет собой диск, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры с прорезями. Ротор и статоры установлены с возможностью совершать резонансные колебания различной частоты и амплитуды. Обрабатываемая водно-зерновая смесь поступает в корпус и прокачивается вращающимся ротором через ступени ротор-статор. Протекая в каналах ротора и статоров, в зазорах между ротором и статорами смесь подвергается эффективному измельчению, при этом одновременно происходит высокоэффективная экстракция водорастворимых веществ зерна в водную фазу с одновременной стерилизацией питательной среды. Оптимальный режим работы аппарата механо-акустической обработки обеспечивается подбором скорости вращения ротора, диаметра и зазора между ротором и статором. В качестве деструктуратора крахмала, который способствует гидратации молекул крахмала и активации собственных ферментов зерна и вводимых, может быть применено производное полифосфорной кислоты общей формулы НО-[РО₃Х]_n-РО₃Х₂, где X - щелочной металл, водород, ион аммония или алифатический органический радикал, а n больше или равно 1. При этом указанные выше процессы протекают наиболее эффективно в условиях механоакустической обработки водно-зерновых смесей, в связи с чем процессы "разваривания" зерна осуществляются при низких температурах, а именно при 68-72^oС.

На чертеже изображена линия подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Линия подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию, изображенная на чертеже, состоит из емкости 1 для приготовления и подачи разжижающих ферментов, емкости 2 для приготовления и подачи раствора деструктуратора крахмала, смесителя 3 для смешения в присутствии растворов ферментов и деструктуратора крахмала молотого зерна с водой, к которому присоединены емкости 1 и 2 и с которым последовательно соединены устройство 4 для ферментативной обработки водно-зерновых масс и вакуум-охладитель-осахариватель 5. Устройство 4 для ферментативной обработки содержит аппарат 6 ферментативной обработки, снабженый внешним циркуляционным контуром с насосом 7. Между смесителем 3 и аппаратом 6 ферментативной обработки установлено устройство 8 механоакустической обработки, которое образует со смесителем и насосом 9 циркуляционный контур. Линия для подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию содержит также систему насосов, технологических и вспомогательных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой, контактные головки 10 для нагрева.

Линия работает следующим образом. Дробленое и очищенное от посторонних примесей крахмалсодержащее сырье, например молотое зерно, подается в смеситель 3, куда одновременно подается вода и из емкостей 1 и 2 растворы соответственно (суспензии) ферментных препаратов и деструктуратора крахмала с такой скоростью, чтобы в смесителе 3 поддерживалась их необходимая концентрация. Температура с смесителе 3 поддерживается на уровне 68-72^oС путем подачи в него вторичного или острого пара или любым другим известным способом. Для перемешивания вводимых компонентов смеситель 3 снабжен перемешивающим устройством любого известного типа. Далее масса с помощью насоса 9, преимущественно насоса постоянной подачи, поступает на вход включенного в циркуляционный контур устройства 8 механоакустической обработки, в котором происходит механическая и акустическая обработка, сопровождающаяся эффективной гомогенизацией, диспергированием водно-зерновой смеси, экстракцией и растворением в водной фазе веществ зерна с одновременной активацией собственных ферментов зерна и вводимых ферментов с последующей деструкцией крахмала (хемоэнзимоакустическая обработка), при этом обрабатываемая жидкотекучая среда подвергается частичной стерилизации. Далее часть обрабатываемой среды подается на вход аппарата 6 ферментативной обработки, в котором происходит процесс дополнительной водно-тепловой, гидродинамической и ферментативной обработки, сопровождающийся окончательным растворением веществ зерна. Во время обработки масса перемешивается насосом 7, включенным во внешний циркуляционный контур аппарата 6 ферментативной обработки. При этом часть массы отбирается из циркуляционного контура и подается на вход вакуум-охладителя-осахаривателя 5, в который одновременно подается (на чертеже не показано) раствор (суспензия) осахаривающего ферментного препарата. В вакуум-охладителе-осахаривателе 5 происходит охлаждение массы, ее смешение с осахаривающим ферментным препаратом и частичное осахаривание. Далее масса подвергается обработке в известных элементах, используемых при производстве этанола (на чертеже не показаны), а именно охлаждается в теплообменнике и сбраживается в батарее бродильных чанов. Полученная бражка перегоняется и подвергается ректификации в известном брагоперегонном аппарате с получением этанола.

В случае использования для производства этанола трудноперерабатываемого зернового сырья (например, ржи) линия дополнительно может включать второе устройство (на чертеже не показано) механоакустической обработки, которое образует с аппаратом 6 ферментативной обработки внешний циркуляционный контур. Для наиболее эффективного ведения процесса с использованием трудноперерабатываемого сырья линия содержит дополнительные аппараты ферментативной обработки, установленные после первого аппарата 6 ферментативной обработки (на чертеже не показаны), и для дальнейшей интенсификации процесса, по крайней мере, один из которых содержит циркуляционный контур. Максимальная эффективность процесса, особенно при использовании трудноперерабатываемого сырья, достигается за счет включения дополнительных устройств для механоакусттической обработки в, по крайней мере, один циркуляционный контур дополнительных аппаратов ферментативной обработки.

Приведенные ниже примеры позволяют более полно дать представление о работе и промышленной применимости предлагаемого изобретения.

Пример 1.

На линии для подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию, являющейся частью общей линии для производства этанола производительностью по этанолу 2000 дал в сутки, перерабатывается кондиционная пшеница.

Предварительно очищенное от посторонних примесей и дробленное (до прохода через сито с размером ячейки 1 мм 75%) зерно смешивают с теплой дефлегматорной водой брагоректификационного аппарата в смесителе 3 вертикального типа, перемешивание массы в котором осуществляют путем тангенциального ввода воды и массы, поступающей из циркуляционного контура смесителя 3 в соотношении 1:3,5, с одновременной подачей из емкости 1 раствора (суспензии) разжижающего ферментного препарата (Амилосубтилин Г3х). Раствор (суспензию) ферментного препарата дозируют в смеситель 3 с такой скоростью, чтобы происходило достаточное сжижение замеса. Одновременно в смеситель 3 из емкости 2 подают раствор деструктуратора крахмала (соединения общей формулы НО-[РО₃Х] _n-РО₃Х₃, где, например, Х - натрий, а n равно 1) со скоростью, обеспечивающей поддержание в смесителе его количества, определенного из расчета 0,0005-0,003 кг деструктуратора на 1 кг вводимого в смеситель условного крахмала пшеницы. Среднее время пребывания замеса в смесителе 3 при температуре 68-72^oС, которая поддерживается подачей непосредственно в замес острого пара, составляет 50 мин.

Далее замес отбирают из смесителя 3 с помощью насоса 9 и подают его на вход устройства 8 для механо-акустической обработки, в котором замес подвергается глубокому измельчению (гидропомолу), эффективной гомогенизации, дополнительному сжижению за счет собственных ферментов (энзимов) зерна и вводимых амилолитических ферментов, частичной стерилизации и деструкции за счет комплексного воздействия на обрабатываемую среду механических, акустических (высокочастотных), гидродинамических и химических факторов (хемомеханоэнзимоакустическая обработка).

При этом используют аппарат механо-акустической обработки с диаметром ротора 0,176 м, частотой его вращения 3000 об/мин и зазором между статором и ротором 0,08 мм.

Далее часть обработанного замеса, соответствующая пропускной способности линии (около 12 куб.м в час), подается в верхнюю часть первого аппарата 6 ферментативной обработки, в котором в течение среднего времени пребывания массы, составляющем 5 часов, происходит дополнительная водно-тепловая и ферментативная обработка водно-зерновой массы при температуре 68-72^oС. В процессе обработки масса перемешивается и дополнительно гомогенизируется с помощью насоса 7 центробежного типа, образующего с аппаратом 6 ферментативной обработки циркуляционный контур, в который дополнительно включена контактная головка 10, служащая для поддержания указанной температуры в целях компенсации тепловых потерь. Далее масса из аппарата ферментативной обработки 6 поступает в вакуум-охладитель-осахариватель 5, куда из соответствующего сборника дозируется раствор (суспензия) осахаривающего ферментного препарата (Глюкаваморин Г3х) в количестве, необходимом для осахаривания сусла. В вакуум-охладителе-осахаривателе 5 происходит охлаждение водно-зерновой массы до температуры осахаривания (58-60^oС) и ее частичное осахаривание. Осахаренное сусло затем подается в известный теплообменник, в котором охлаждается до температуры сбраживания (30-32^oС) и передается на стадию брожения, где сбраживается обычным образом в бродильных чанах, а спирт из полученной бражки выделяется перегонкой и подвергается очистке и концентрированию на известном трехколонном брагоректификационном аппарате.

Расход энергии, ферментных препаратов, конечная кислотность зрелой бражки и выход и показатели спирта, полученного по примеру 1, приведены в табл. 1. Содержание примесей в бражном отгоне, полученном по данному примеру, приведено в табл. 2.

Пример 2.

Используется линия по примеру 1 для переработки ржи, в которой аппарат 6 ферментативной обработки содержит дополнительный циркуляционный контур с включенным в него устройством для механоакустической обработки. Выход полученного этанола, затраты энергии и ферментных препаратов и кислотность зрелой бражки приведены в табл. 1. Содержание микропримесей в бражном отгоне по примеру 2 приведены в табл. 2.

Пример 3.

На линии для подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию по примеру 2, снабженной дополнительным аппаратом ферментативной обработки, содержащим циркуляционный контур с устройством для механоакустической обработки, перерабатывается смесь ржи с ячменем в соотношении 1:1. В результате получается этанол с выходом и показателями, отраженными в табл.1. Там же приведены расходы энергии и ферментных препаратов и кислотность зрелой бражки по данному примеру. Количественный состав микропримесей в бражном дистилляте по данному примеру приведен в табл. 2.

Пример 4.

На линии для подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию (прототип) перерабатывается кондиционная пшеница. Очищенное и дробленное до прохода через сито с ячейкой 1 мм зерно смешивается в смесителе с теплой дефлегматорной водой в соотношении 1:3. В этот же смеситель одновременно подается раствор (суспензия) ферментного препарата Амилосубтилин Г3х. Температура в смесителе поддерживается на уровне 50-55^oС. Продолжительность пребывания замеса в смесителе составляет 15 мин. Из смесителя зерновой замес подается в первый аппарат ферментативной обработки (АФО-1), где подвергается гидроферментативной обработке при перемешивании мешалкой с вертикальным валом и частотой вращения 60 об/мин и температуре 70-75^oС и продолжительности выдержки массы в аппарате 2,5 ч. Дополнительное перемешивание и частичная гомогенизация массы осуществляются путем ее рециркуляции с помощью центробежного насоса. Затем масса подается в аппарат ферментативной обработки второй ступени (АФО-2), установленный после первого аппарата 6, где перемешивается мешалкой с частотой вращения 60 об/мин и выдерживается при температуре 80-95^oС в течение 0,6 ч. После этого масса подается в вакуум-охладитель-осахариватель, где охлаждается до 56-58^oС и осахаривается подаваемым туда в виде раствора осахаривающим ферментным препаратом Глюкаваморин Г3х. После осахаривания сусло охлаждается в теплообменнике известной конструкции до температуры брожения и сбраживается известным способом, а полученная в результате брожения бражка перегоняется и ректифицируется в известном брагоперегонном аппарате. При этом получают этанол, выход, а также расход тепловой энергии, ферментных препаратов и кислотность бражки приведены в табл. 1. Содержание микропримесей в бражном отгоне по примеру 4 приведено в табл. 2.

Таким образом, предлагаемая линия позволяет проводить процесс получения этанола при более низкой температуре по сравнению с прототипом, в связи с чем представляется возможным повысить выход спирта и улучшить его качество при общем снижении расхода ферментных препаратов.

Промышленная применимость.

Устройство по изобретению прошло проверку в промышленных условиях.

Формула изобретения

1. Линия для подготовки крахмалосодержащего сырья к сбраживанию при производстве этанола, включающая последовательно соединенные смеситель для смешения молотого зерна с водой с присоединенной к нему емкостью для приготовления и подачи разжижающих ферментов, аппарат для ферментативной обработки водно-зерновых масс, снабженный внешним циркуляционным контуром с насосом, вакуум-охладитель-осахариватель, а также систему насосов, технологических и вспомогательных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой, отличающаяся тем, что она снабжена емкостью для приготовления и подачи в смеситель раствора деструктуратора крахмала и установленным между смесителем и аппаратом ферментативной обработки устройством механоакустической обработки, образующим со смесителем циркуляционный контур.

2. Линия для подготовки крахмалосодержащего сырья к сбраживанию по п.1, отличающаяся тем, что в циркуляционный контур аппарата для ферментативной обработки включено устройство для механоакустической обработки.

3. Линия для подготовки крахмалосодержащего сырья к сбраживанию по п.2, отличающаяся тем, что на выходе аппарата для ферментативной обработки установлен, по крайней мере, один дополнительный аппарат ферментативной обработки.

4. Линия для подготовки крахмалосодержащего сырья к сбраживанию по п.3, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один дополнительный аппарат ферментативной обработки содержит циркуляционный контур.

5. Линия для подготовки крахмалосодержащего сырья к сбраживанию по п.4, отличающаяся тем, что в, по крайней мере, один циркуляционный контур дополнительных аппаратов ферментативной обработки включено устройство для механоакустической обработки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3