ОТХВ (курс лекцій)2012

через 48...60 годин. За цей період дріжджі переробляють всі доступні цукри сусла на спирт і вуглекислий газ.

Бродіння може бути періодичним і безперервним.

В безперервному бродінні бродильні апарати (чани) сполучені один з одним послідовно (рис. 34). У кожній подальшій місткості проходить окрема фаза бродіння. Таким чином, у відділення дистиляції безперервно подається зброжене сусло (бражка).

Рис. 34. Безперервне зброжування:

1 –дріжджогенератор; 2 – збражник; 3 – головні бродильні чани; 4 – бродильні чани для доброжування; 5, 6 – насоси; 7 – спиртовловлювач

В періодичному бродінні в кожному бродильному апараті відбувається повний процес бродіння. Бродильні апарати один з одним не сполучені, тому легше керуються і стійкіші до зараження інфекцією в порівнянні з безперервним бродінням.

Бульбашки СО2, проходячи крізь шар бражки, насичуються парою спирту, якого виноситься тим більше, чим вищі міцність бражки та її температура. В. Б. Френелем і А. П. Рухлядевою дослідно встановлено середнє значення винесення спирту – 0,8% від його загальної кількості. Втрачати цей спирт недоцілльно, тому на заводах спирт вловлюють абсорбцією водою у спеціальних спиртовловлювачах

– ковпачкових чи з наповнювачами, інколи з металевими ситами і кільцями Рашига. Всі спиртовловлювачі працюють за принципом протитоку: СО2 надходить знизу, вода – згори. Подавання води регулюють, щоб вміст спирту в водно-спиртовій суміші на виході не перевищував 1,7 об.%. Із зростанням міцності спиртові пари абсорбуються не повністю.

Ефективніший спиртовловлювач плівково-конденсаційного типу. Він працює за принципом абсорбування спиртової пари тонкою плівкою води з

111

охолодженого газу (СО2), що турбулентно рухається ій назустріч, і остаточного абсорбування спиртової пари водою на ситчастих тарілках. Водно-спиртова суміш зі вмістом спирту 5 об.% виводиться знизу і зазвичай змішується з бражкою, що йде на брагоректифікацію.

Зріла бражка (залежно від сировини та способу бродіння) складається з води (82...90 % мас.), етилового спирту з леткими домішками (5,0...11,5 % мас.), а також сухих речовин – завислих часток (дріжджі, дробина), незброжених цукрів, декстринів, білків, мінеральних солей та ін. Її подають з бродильного відділення на перегонку в брагоректіфікаційне відділення.

11.3. Особливості вироблення бражки з меляси

Мелясно-спиртові заводи працюють за безперервною схемою, що містить підготовку меляси, дріжджогенерування і зброжування. На заводах застосовують комплексну переробку меляси – з неї отримують спирт, діоксид вуглецю, рідкий чи твердий (сухий лід). Крім того, зі зрілої бражки виділяють дріжджі і використовують їх як хлібопекарні. З мелясної барди отримують гліцерин, вітаміни і глютамінову кислоту.

Меляса містить мікроорганізми (бактерії, дріжджі і цвілеві гриби), що погіршують процес спиртового бродіння сусла. Найбільш шкідливі для спиртового виробництва спороутворюючі, молочнокислі, оцтовокислі та маслянокислі бактерії, які перетворюють цукри сусла у органічні кислоти, знижуючи вихід спирту та погіршуючи якість хлібопекарських дріжджів. Тому першою технологічною операцією є знезаражування меляси.

Способи знезаражування:

-термічне (витримування 1 хв при температурі 120…130ºС);

-кислотою (сірчаною або соляною);

-антисептиками (хлорне вапно, формалін та ін.).

Меляса містить малу кількість фосфорота азотовмісних сполук, що необхідні для нормальної життєдіяльності дріжджів. Тому її слід збагатити поживними речовинами. Для цього до меляси додають ортофосфорну кислоту H3PO4 (джерело фосфору) а також та сульфат амонію NH4NO3 і сечовину CO(NH2)2 (джерело азоту). Також використовують комбіноване джерело азоту та фосфору диамонійфосфат (NH4)2HPO4. Ці сполуки додають до сусла у вигляді розчинів концентрацією близько 15%

Меляса різних цукрозаводів має різний склад. Для отримання меляси однакового складу проводять її гомогенізацію у збірниках знезараженої меляси. Знезаражену і збагачену поживними речовинами мелясу витримують 8...12 годин у спеціальних збірниках. При цьому її перемішують за допомогою циркуляційних насосів, відбираючи з нижньої частини збірника та подаючи до верхньої частини.

Наступним етапом є приготування мелясного сусла. Висока концентрація сухих речовин у мелясі (75...80%) не дає змоги зброжувати її у натуральному

112

вигляді. Тому мелясу розбавляють водою у збірниках-змішувачах, до яких підведені трубопроводи для меляси, холодної та гарячої води. Температуру мелясного сусла (24...26ºС) регулюють подаванням до змішувача холодної або гарячої води.

Оцукрення мелясного сусла проходить інакше ніж зернового чи картопляного. Адже меляса не містить крохмалю, проте містить сахаристі речовини, насамперед сахарозу С12Н22О11, яку слід розкласти на глюкозу. Для цього використовують реакцію гідролізу сахарози – її взаємодію з водою у присутності ферментів:

С12Н22О11 + H2O → 2С6Н12О6

(24)

Зброжування мелясного сусла схематично наведене на рис. 35.

Рис. 35. Зброжування мелясного сусла 1 – дріжджогенератори; 2, 7, 11, 15– насоси; 3 – збірник піногасника;

4 – піновловлювач; 5 – спиртовловлювач; 6 – бродильні чани; 8 – фільтр; 9– дріжджовий сепаратор; 10– збірник бражки; 12– спиртовловлювач; 13– епруветки; 14– мішалка.

Мелясне сусло зі вмістом сухих речовин 22% безперервно надходить до дріжджогенераторів 1. На початку виробництва до них насосом 2 подають чисту культуру дріжджів, далі дріжджі там розмножуються у оптимальних умовах для життєдіяльності. Масу, що бродить, безперервно аерують (2,5 м3 /год повітря на 1 м3 маси. Температуру підтримують у межах 28...29ºС. У дріжджогенераторах

113

зброжується до 30% цукрів і накопичується 100...120 млн дріжджових клітин у 1 см3. Піну, що утворюється гасять емульсією олеїнової кислоти чи соапстоку, зі збірника 3. Піна, виносена з газом вловлюється у піновловлювачі 4, спирт – у спиртовловлювачі 5. Газ скидається у атмосферу.

Маса, що бродить, безперервно надходить у батарею з 9...10 бродильних чанів 6 з мішалками 14, які проходить послідовно. Зріла бражка насосом 7 через фільтр 8 подається на дріжджовий сепаратор 9. Дріжджі переходять до цеху хлібопекарських дріжджів, а бражка збирається у збірнику 10 і насосом 11 подається у брагоректифікаційне відділення

Гази бродіння проходять спиртовловлювач 12 і йдуть до цеху вуглекислоти. Водно-спиртова суміш з обох спиртовловлювачів, через прозорі епруветки 13, стікає до збірника бражки 10 і подається на ректифікацію. Для миття та стерилізації бродильні чани вивільнюють насосом 15. У бродильних чанах підтримують температуру 32...34°С. Загальна тривалість бродіння 24 год.

У цеху вуглекислоти проходить очищення отриманого вуглекислого газу, його стискання та заповнення у балони. Далі цей газ використовують як у харчовій промисловості, так і для інших потреб (хімічна промисловість, зварювання).

Якщо стискати вуглекислий газ до тиску близько 300 бар, то відбудеться процес його десублімації – переходу з газоподібного у твердий стан. Так отримують “сухий лід” – низькотемпературний продукт, що за атмосферного тиску під час сублімації при температурі –78,5°С поглинає близько 590 кДж/кг. Його використовують для охолодження, зберігання та транспортування заморожених харчових продуктів (зокрема морозива), у машинобудуванні та наукових дослідженнях.

Крім класичної схеми зброжування використовують інші, зокрема схему з ферментерами, розроблену у NPK Enhanol. У ферментерах йде безперервний процес бродіння з одночасною дистиляцією під вакуумом. Етанол і СО2, безперервно відводять з ферментерів, конденсуючи пару етанолу. Впродовж всього процесу бродіння-дистиляції вміст етанолу у бражці зберігається на рівні 2,5...3,5 %. Висока концентрація сухих речовин і вакуум сприяють збереженню життєздатності дріжджів і їх високій активності протягом всього процесу бродіння. Видалення етанолу і СО2 супроводжується процесом часткового випаровування води з браги. Це дає змогу отримати після закінчення процесу бродіння концентровану барду (СР=26…30%). Завдяки такій високій концентрації, барду подають безпосередньо на сушарку. Поєднання процесів бродіння і дистиляції під вакуумом також дає змогу виключити з технологічної схеми ректифікації бражну колону.

Отриманий спиртовий дистилят подають на ректифікацію для отримання біоетанолу, питного або технічного спирту.

114

Запитання для самоперевірки

1.Які дріжджі використовують для зброжування сусла?

2.Наведіть реакцію спиртового бродіння глюкози?

3.Як проводять розмноження культурних дріжджів? У яких випадках це необхідно?

4.Чим відрізняються безперервне та періодичне бродіння?

5.Навіщо встановлюють спиртовловлювачі на бродильних чанах? Опишіть принципи дії спиртовловлювачів.

6.Які особливості має виробництво спирту з меляси порівняно із зерновим? Які підготовчі операції має пройти меляса перед приготуванням мелясного сусла? Чим відрізняється оцукрення мелясного сусла від крохмального?

7.Як використовують вуглекислий газ, що виділяється під час зброжування?

115

12. ТЕХНОЛОГІЯ СПИРТУ. РЕКТИФІКАЦІЯ СПИРТУ. 12.1. Склад бражки

Як уже зазначалося, бражка містить 82...90 % мас. води, 5,0...11,5 % мас. етилового спирту з леткими домішками, а також 4,0...10,0 % мас сухих речовин – завислих часток (дріжджі, дробина), незброжених цукрів, декстринів, білків, мінеральних солей та ін.

Леткі домішки (загалом до 0,5% мас.): спирти (метиловий, пропіловий, ізобутиловий та ін.), альдегіди (оцтовий та ін.), кислоти (оцтова, масляна та ін), ефіри (оцтовокислий, мурашинокислий та ін). Вони погіршують якість спирту, але водночас є цінною хімічною сировиною, тому доцільно їх відділити. Леткі домішки поділяють на головні (ефіри, альдегіди, метиловий спирт), що мають нижчу температуру кипіння, ніж етиловий спирт, тому під час кипіння випаровуються першими, та хвостові (складні ефіри, вищі спирти), що мають вищу температуру кипіння, ніж етиловий спирт, тому википають останніми

Таким чином, подальші дії з бражкою можна розділити на два етапи: спочатку виділити спирт з бражки (отримати спирт-сирець), а потім очистити його від домішок (спирт-ректифікат).

12.2. Теорія розділення сумішей

Суміші можуть бути азеотропними – кипіти, як одна речовина (наприклад деякі холодоагенти) або зеотропними – коли кожен компонент кипить окремо (наприклад суміш води та етанолу). Зеотропні суміші можна розділяти шляхом кипіння-конденсації. У таких сумішах висококиплячий компонент має вищу температуру кипіння, а низькокиплячий – нижчу. Так у суміші “вода + етанол” висококиплячим компонентом є вода, для якої нормальна температура кипіння становить 100 ºС, а низькокиплячим – етанол, для якого нормальна температура кипіння становить 78 ºС.

Рушійною силою процесів розділення сумішей є різниця концентрацій (парціальних тисків) компонентів суміші. Якщо під час кипіння зеотропної суміші двох рідких компонентів (рис. 36) випарену фракцію у міру утворення видаляти і конденсувати в холодильнику, то можна отримати у залишку практично чистий висококиплячий компонент, але у малій кількості. Водночас у холодильнику накопичується низькокиплячий компонент. Цей процес зветься періодичною простою дистиляцією або перегонкою.

116

Рис. 36. Періодична проста дистиляція 1 – нагрівник; 2– колба із сумішшю; 3 – краплевловлювач; 4 – термометр; 5 –

охолодна оболонка; 6, 7– вхід та вихід холодоносія; 8– колба з низькокиплячим компонентом (НК); 9– відведення пари НК; 10– трубка з рідким НК; 11, 12– регулятори; 13– плитка; 14– посудина з теплою рідиною, 15 – висококиплячий компонент; 16– посудина з холодною рідиною

Після одноразової дистиляції водно-спиртового розчину міцністю 8,00 % мас. (9,98 % об.) отримують дистилят зі вмістом етанолу 47,6 % мас. (55,4 % об.). Для отримання дистиляту вищої міцності проводять повторну перегонку. Так, для отримання спирту міцністю 95,5% об. з бражки, міцністю 10% об. слід провести більш як п’ять перегонок. Недоліками цього способу є велика витрата теплової енергії та низька продуктивність перегонного апарата.

Інший тип перегінної установки – багатокубова (рис. 37)

117

Рис. 37. Багатокубова перегонна установка 1,2,3 – куби на різній висоті; 4 – дефлегматор; 5 – холодильник.

Водно-спиртова суміш надходить до куба 3 і послідовно проходить через куби 2 та 1. Нижній куб нагрівають парою.

Водно-спиртова пара з нижнього куба 1 надходить до куба 2 і доводить рідину в ньому до кипіння. Утворена у кубі 2 пара з уже вищим вмістом спирту надходить до куба 3 і т.д. Пара спирту охолоджується у дефлегматорі 4, очищуючись від залишків водяної пари, і конденсується у холодильнику 5.

Процеси дистиляції та ректифікації зручно розглядати у діаграмі Т-х, тобто залежність температури суміші Т від вмісту у ній висококиплячого компонента х (рис. 38). Через зміну вмісту компонентів конденсація та кипіння азеотропної суміші проходять при різних температурах, що зображують лінії кипіння та конденсації.

Рис. 38. Періодична проста дистиляція

118

Нехай суміш у стані пари спочатку має стан, що відповідає точці 1. Якщо охолоджувати пару (процес 1 – 2g), то у точці 2g, що відповідає температурі конденсації висококиплячого компонента почнеться конденсація суміші. Рідина матиме склад, що відповідає точці 2f, а склад газу на початку конденсації у точці 2g буде близьким до початкової суміші. Зі зниженням температури склад як рідини, так і пари буде змінюватися (точки 3f і 3g) – у них зростатиме вміст низькокиплячого компонента. Коли вся суміш сконденсується, то рідина матиме такий самий склад, як і початкова суміш (точка 4f) а остання порція пари – склад, що відповідає точці 4g. Конденсація відбуватиметься за змінної температури. Далі рідина охолоджується до кінцевої температури (точка 5) без зміни складу.

У точках 3f і 3g парова та рідинна фази мають значно відмінний склад: пара збагачена низькокиплячим компонентом, а рідина – висококиплячим. Якщо розділити пару і рідину та повторити процес фазового переходу (кипіння суміші йтиме у зворотному порядку), то отримаємо ще чистіші компоненти суміші. На багаторазовому кипінні та конденсації ґрунтується ректифікація – основний метод розділення сумішей рідин.

Ректифікація – процес розділення рідких летких сумішей на компоненти чи групи компонентів (фракції) шляхом багаторазового двобічного масо- і теплообміну між потоками нерівноважних пари та рідини, що складаються з однакових компонентів і рухаються у протитоці. Необхідна умова процесу ректифікації – різна температура кипіння компонентів.

Зазвичай ректифікацію здійснюють у вертикальних ректифікаційних колонах різних типів (рис. 39) у протитечійному русі (рідина стікає вниз, пара рухається вгору) в адіабатичних умовах за сталого тиску, забезпечивши при цьому якомога більшу площу контакту пари та рідини. Площу контакту збільшують за допомогою різних насадок (ними заповнюють колону) чи тарілок (ковпачкові, ситчасті та ін.). Чим більша площа контакту рідкої та парової фаз (визначається кількістю тарілок у колоні чи сумарною площею насадки) та вища ефективність масообміну, тим вищою буде чистота кінцевих продуктів.

Рідина, що бере участь у ректифікації, зветься флегмою, а відношення витрат рідини та пари, що проходять через поперечний переріз колони – флегмовим відношенням, (gj/Gj).

Флегма, стікаючи донизу, звільняється від низькокиплячого компонента і збагачується висококиплячим. Випарена пара – навпаки, рухаючись вгору, збагачується низькокиплячим компонентом, потім її конденсують

119

а	б	в
	Рис. 39. Схеми ректифікаційних колон:

а – вичерпна; б – зміцнювальна; в – для добування рідкого висококиплячого компонента

До вичерпної колони (рис. 39, а) суміш М надходить у рідкому стані згори. Теплота QR підводиться у нижній частині – кубі колони, при цьому википає частина рідини, насамперед низькокиплячий компонент. Пара рухається вгору, збагачується низькокиплячим компонентом, випаровуючи його з флегми, і відводиться з верхньої частини колони (Da). Висококиплячий компонент R у рідкому та газовому стані відводиться з куба колони. Ця схема порівняно проста, але не дає змоги отримати чистий низькокиплячий компонент (у водно-спиртовій суміші – спирт).

До зміцнювальної колони (рис. 39, б) суміш подається знизу у вигляді пари. Пара проходить по колоні вгору, при цьому з неї конденсується висококиплячий компонент, переходячи до флегми. У кубі колони у її верхній частині розташований конденсатор, у якому конденсуються залишки висококиплячого компонента з газу. Решта газу – збагачена низькокиплячим компонентом – відводиться з колони (Da). Ця схема також є простою, проте не дає змоги отримати рідкий низькокиплячий компонент.

120