УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к области спиртовой и фармацевтической промышленности, а именно, к комплексным без послеспиртовой барды способам получения этанола, а также кормового и пищевого зернового продукта для приготовления лечебных хлебобулочных изделий (зернолайт).

В настоящее время для фармацевтической промышленности производится этанол, МНН (международное непатентованное название) - субстанция медицинского антисептического раствора 95%, применяется в качестве антисептического и дезинфицирующего средства (ФСП 42-0252-5892-04). Технологическая схема процесса соответствует способу получения этанола из крахмалосодержащего сырья.

Известны различные технические решения в области получения этанола. Так, известен способ производства этилового спирта из зернового сырья [патент РФ на изобретение JN° 2192469, МПК С12Р7/06, опуб. 10.1 1.2002 г.]. Способ осуществляют следующим образом: приготовление замеса при гидромодуле 1 : 1 ,8 - 2,5 и 60-70°С с одновременным диспергированием, затем массу подвергают водно-тепловой и ферментативной обработке при активном перемешивании при 85-90°С в течение 25-30 мин. После этого 20-30% массы возвращают на стадию приготовления замеса. Оставшуюся часть подвергают глубокому ферментативному гидролизу крахмала до концентрации сухих веществ в сусле 24-28% при 55-58°С в течение 2-4 ч. После этого осуществляют сбраживание осахаренного сусла в течение 36-40 ч с последующим получением этилового спирта и послеспиртовой барды, которую разделяют на дисперсную фазу, направляемую для получения кормопродуктов, и жидкую фазу, часть из которой в количестве 30-40% от общего объема производственной воды возвращают на стадию приготовления замеса, а оставшуюся часть - на стадию сбраживания осахаренного сусла для его разбавления.

Известен также способ комплексной переработки зернового сырья на спирт и кормовой продукт [патент РФ на ИЗ JY°2396007, МПК А23К1/165, опуб. 10.08.2010 г.]. Изобретение относится к биотехнологии спиртовой и кормовой промышленности. Способ заключается в комплексной переработке зернового сырья на спирт и кормовые продукты, обогащенные лизином, на основе биоконверсии полимеров зернового сырья. Комплексная обработка зернового сырья осуществляется экзогенными ферментами, катализирующими гидролиз крахмала, некрахмальных полисахаридов и белковых веществ. Обработанное ферментами зерновое сусло используется для получения этанола. Отгоняют спирт, разделяют послеспиртовую зерновую барду на дисперсную и жидкую части. Дисперсную часть барды высушивают. Жидкую часть барды используют для разведения отъема зернового сусла из спиртового производства в соотношении 1 :2-1 :10 для приготовления питательной среды для получения кормового продукта. Добавляют к питательной среде минеральные соли и факторы роста, например кукурузный экстракт или гидролизат дрожжей, засевают среду культурой-продуцентом, проводят процесс биосинтеза в аэробных условиях при 30°С до максимального накопления в культуральной жидкости целевого продукта, содержащего аминокислоты и белок.

Известна также заявка на изобретение РФ N° 93035904 «Способ производства этилового спирта из зернового сырья». Сущность способа заключается в следующем. Зерно измельчают, фракционируют на шелуху и эндосперм, каждую фракцию смешивают с водой и подвергают водно-тепловой обработке. Фракцию, содержащую шелуху, нагревают при 150-160°С в течение 1-1,5 ч, а затем охлаждают до 60°С и вводят целлюлолитические ферменты в виде культуры гриба или культуральной жидкости и амилолитические ферменты, осуществляя гидролиз крахмала, целлюлозы и других некрахмальных углеводов в течение 3-4 ч. Эндосперм также смешивают с водой, подвергают водно-тепловой обработке при 65-75°С в течение 1-2,5 ч, вводят амилолитические ферменты, осуществляя гидролиз крахмала, затем стерилизуют при 85-95°С и выдерживают при этой температуре 35-45 мин. После гидролиза эндосперм смешивают с шелухой и направляют на дополнительный гидролиз (осахаривание) амилолитическими ферментами. На дополнительный гидролиз направляют либо смесь эндосперма с шелухой, либо раздельно гидролизуют эндосперм и шелуху, а затем их смешивают. После основного ферментативного гидролиза шелухи полученное сусло можно разделить на две части: твердую и жидкую, последнюю возвращают на стадию водно-тепловой обработки и ферментативного гидролиза эндосперма, а твердую добавляют к послеспиртовой барде и используют в качестве кормового продукта.

Недостатком всех вышеописанных способов является то, что в процессе производства этанола из зернового сырья образуется значительное количество отходов производства - послеспиртовая жидкая барда, которая содержит токсичные компоненты (фурфурол, метанол, сивушные альдегиды), при сбросе ее в стоки происходит загрязнение окружающей среды. Во всех описанных способах твердая фракция, которая состоит из остатков зерна проходит через все стадии получения этанола и является балластом. На стадии брожения осадок сорбирует дрожжи, что вызывает увеличение продолжи-тельности процесса на 8-12 часов, кроме того, в процессе брожения происходит образование токсичных веществ из компонентов зерна; на стадии ректификации твердая фаза забивает тарелки, что приводит к остановке процесса ректификации и проведению чистки колонны от осадка.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу является способ производства этилового спирта из зернового сырья по патенту РФ i\° 2127760, МПК С12Р7/06, опуб. 20.03.1999 г., который выбран в качестве прототипа. Известный способ предусматривает отделение от шелухи зерна, измельчение отделенного от шелухи зерна, смешивание его с жидкой фракцией, тепловую обработку смеси с ферментативным гидролизом амилолитическими ферментами, стерилизацию массы, охлаждение ее, дополнительный ферментативный гидролиз-осахаривание, охлаждение до температуры брожения, сбраживание полученного сусла непрерывно-поточным способом в батарее ферментаторов с последующим получением спирта и послеспиртовой барды, добавление к последней отделенной шелухи для использования в качестве кормопродукта, отличающийся тем, что от общего количества полученной послеспиртовой барды перед добавлением к ней шелухи отделяют часть, разделяют ее на два потока, один из которых рециркулируют на стадию тепловой обработки, смешивая его с водой и отделенным от шелухи измельченным зерном, а другой - на стадию брожения, разделяя его на потоки по количеству ферментаторов в батарее и осуществляя долив в бродящую среду каждого ферментатора в количестве 15-20% от объема сбраживаемого сусла по истечении 15-16 ч от начала процесса брожения.

В качестве прототипа также принято устройство для получения этилового спирта, описанное на стр. 1 14 (Кухаренко А.А., Винаров А.Ю., Безотходная биотехнология этилового спирта - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 272 с).

Недостатками прототипов является то, что в процессе производства образуется послеспиртовая барда, которая содержит токсичные компоненты фурфурол, метанол, сивушные альдегиды и меланины, которые медленно гидролизуются с выделением альдегидов в воздух. Происходит заболачивание, что значительно ухудшает экологию окружающей среды. Токсичность послеспиртовой барды составляет 10%, т.е. ее использование, возможно, в качестве только кормовой добавки. Использование не крахмалосодержащих полисахаридов

(целлюлозы, гемицеллюлозы) приводит к увеличению пропанола в этаноле, что не разрешено по стандарту на этанол. Кроме того, наличие стоков сопровождается резким ухудшением экологии окружающей среды.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является разработка способа и установки для безотходного получения этанола, обеспечивающих создание экологически чистого и эффективного его производства.

Технический результат состоит в повышении экологичности и производительности способа и установки для получения этанола, а также в получении дополнительного зернового продукта питания (зернолайт) для людей и животных.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения этанола, включающем измельчение зерна, смешивание с водой, тепловую обработку смеси с ферментативным гидролизом амилолитическими ферментами, стерилизацию массы, последующее охлаждение, окончательный ферментативный гидролиз (осахаривание), охлаждение до температуры брожения и последующее сбраживание полученного сусла с получением этанола, предлагается

- охлажденное до температуры брожения сусло перед подачей на сбраживание разделять на жидкую и твердую фазы на предварительном сгустителе,

- причем твердую фазу с влажностью 85-90% подавать на сепаратор, где происходит получение твердой фазы с влажностью 55-60%;

- твердую фазу затем предлагается высушивать с получением зернового продукта кормового и пищевого назначения «зернолайт»;

- жидкую фазу предлагается стерилизовать и далее использовать как питательную среду для брожения с получением этанола на ректификационных установках;

- часть водной фазы после отгонки этанола предлагается возвращать на стадию смешивания измельченного зерна с водой, тогда как другая часть может использоваться в качестве минеральной подкормки для сельскохозяйственных растений.

Дополнительными отличиями предлагаемого способа является то, что в качестве нового продукта получают кормовой продукт «зернолайт» с уровнем токсичности 50%. Этот кормовой продукт предлагается использовать как основу для хлебобулочных изделий лечебного назначения или в качестве корма для крупного рогатого скота и домашней птицьь

Также технический результат достигается за счет того, что в установку для безотходного получения этанола, включающую приемный бункер, зерновой сепаратор, молотковую дробилку, вибросито, смеситель, аппарат механико-ферментативной обработки первой ступени, аппарат механико-ферментативной обработки второй ступени, стерилизатор, вакуум-осахариватель и ректификационные установки, согласно изобретению, предлагается дополнительно ввести, по меньшей мере, один предварительный сгуститель для разделения жидкой и твердой фазы, второй сепаратор, сушильный аппарат и ультрафильтрационную установку.

Дополнительными отличиями установки являются:

- в качестве предварительного сгустителя используется гидроциклон с конусностью 10-38° , или нутч-фильтр с металлической фильтрующей сеткой 30-50 мкм, или друк-фильтр, или вакуум-барабанный фильтр, или декантерная центрифуга;

- в качестве второго сепаратора используют ФАН-сепаратор, или декантерную центрифугу, или сепаратор-а-Лаваль,

- в качестве сушильного аппарата используют сушильный аппарат «кипящего слоя» или сушильный аппарат «кипящего слоя» с инертньм наполнителем.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1 , на которой изображен первый пример выполнения установки для безотходного способа получения этанола, где:

1 - приемный бункер;

2 - зерновой сепаратор;

3 - молотковая дробилка;

4 - вибросито;

5 - смеситель;

6 - аппарат механико-ферментативной обработки первой ступени;

7 - аппарат механико-ферментативной обработки второй ступени;

8 - стерилизатор;

9 - вакуум - осахариватель;

10 - гидроциклон;

11 - второй сепаратор;

12 - сушильный аппарат; 13 - ультрафильтрационная установка.

и фиг. 2, на которой изображен второй пример выполнения установки для безотходного способа получения этанола, где:

14 - декантерная центрифуга.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что:

Зерно из приемного бункера 1 подают на зерновой сепаратор 2, зерно поступает на молотковую дробилку 3 и вибросито 4, отсев с вибросита 4 снова направляется в молотковую дробилку 3. Измельченное сырье должно проходить через вибросито 4 диаметром 1 мм, остаток на вибросите 4 должен быть не более 15 %, остаток на вибросите диаметром 3 мм - отсутствует. Далее измельченное зерно поступает в смеситель 5, где оно смешивается с жидкой фракцией (водой) при температуре 50-55°С. Далее в смесь вводят амилолитические ферменты и нагревают до температуры 85° - 90°С, нагретая масса поступает на аппарат механико- ферментативной обработки 6 первой ступени, где при температуре 68° - 75°С, в течение 2-2,5 часов происходит гидролиз углеводов. По окончании выдержки, масса нагревается острым паром до температуры 75° - 80°С и поступает на аппарат механико-ферментативной обработки 7 второй ступени, где происходит более глубокое расщепление углеводов при температуре 69° - 70°С, в течение 4-4,5 часов. Таким образом, осуществляют предварительный ферментативный гидролиз в процессе водно-тепловой обработки. Далее разваренная и гидролизованная масса нагревается острым паром до температуры 100° - 1 10° С и поступает в стерилизатор 8, где масса выдерживается для стерилизации при температуре 98° - 100° С в течение 30 минут. Из стерилизатора 8 масса поступает в вакуум - осахариватель 9, где происходит мгновенное охлаждение массы от температуры 100° С до температуры 56° - 58° С при разряжении 0,080 - 0,081 Мпа, и осахаривание при помощи подачи ферментного препарата глюкоамилазы. Выдерживают охлажденную массу в течение 1-2 ч, далее происходит охлаждение до температуры брожения. Затем полученное сусло с твердым осадком (остаток зерна после тепловой и ферментативной обработки) поступает на гидроциклон 10 или декантерную центрифугу 14, где происходит частичное разделение жидкой и твердой фазы. Твердая фаза с влажностью 85-90% подается на второй сепаратор 11 (Фан-сепаратор), где происходит получение твердой фазы с влажностью 55-60%, которая подается на сушильный аппарат 12. После прохождения сушильного аппарата 12, получается сухой зернолайт, представляющий из себя готовый зерновой продукт, который можно хранить гораздо дольше, чем необработанное зерно. Жидкая фаза после сепарационного разделения подается на ультрафильтрационную установку 13, в дальнейшем используется, как питательная среда для стадии брожения при получении этанола (или для культивирования других микроорганизмов). После брожения, жидкая фаза подается на ректификационные установки для отгонки этанола, а водная фаза, содержащая минеральные компоненты, может возвращаться на стадию затирания, а остальная часть - для полива сельскохозяйственных угодий.

При разделении на гидроциклоне 10 разделяемая суспензия подается насосом под давлением 0,2 МПа и выше по трубе, присоединенной тангенциально к цилиндрической части. При винтообразном движении суспензии твердые частицы под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам конической части гидроциклона 10, опускаются вниз и отводятся в приемник. Внутренний поток осветленной жидкой фазы направлен по спирали вблизи оси гидроциклона 10 встречно внешнему потоку и выводится в приемник. Эффект разделения суспензии значительно зависит от отношения диаметра патрубка нижнего отвода к диаметру трубы для слива осветленной жидкой фазы.

Возможно на этой стадии использование декантерной центрифуги 14, которая обеспечивает эффективное решение проблемы обезвоживания осадка, образующегося, например, в линиях окраски. Декантерная центрифуга 14 позволяет сократить до минимума количество отходов и использовать воду для рециркуляции. Декантерная центрифуга 14 также применяется для удаления осадка из жидкостей, например, отработанных масел, перед очисткой в центробежном сепараторе, а также для различных целей при обработке поверхностей.

В качестве второго сепаратора 1 1 предлагается использовать ФАН-сепаратор PSS 3.2-1040 или декантерную центрифугу 14, или сепаратор α-Лаваль, который наполняется насосом или самотеком из накопительной емкости, подача в сепаратор 1 1 может осуществляться через загрузочную воронку. Оптимальный вариант загрузки зависит от консистенции сырого материала и местных условий.

Сущность процесса тепловой обработки в сушильном аппарате 12 "кипящего слоя" состоит в том, что при продувании размещенного на газораспределительной решетке слоя сьшучего зернистого продукта сушильным агентом (горячим воздухом) продукт переходит в полувзвешенное состояние и приобретает свойства текучести. В этом состоянии слой разрыхляется и интенсивно перемешивается, благодаря чему все частицы материала равномерно омываются сушильным агентом. Вследствие этого перемешивания, а также взаимного контакта отдельных частиц происходит выравнивание температуры в объеме слоя, что особо важно при сушке термолабильных продуктов. Можно отметить, что благодаря указанным особенностям процесса, эффективность сушки, а также достигаемые качественные показатели обрабатываемых продуктов в аппаратах псевдоожиженного слоя значительно выше, чем в традиционно используемых барабанных, шнековых, туннельных и ленточных сушильных аппаратах. Сушильный аппарат 12 функционирует в условиях разрежения и имеет соответствующие уплотнения. Воздух фильтруется перед подачей в сушильный аппарат 12. Сушка происходит при равномерной температуре с высокой скоростью. Нормальное время высыхания 20-30 минут. Возможно использование сушильного аппарата 12 «кипящего слоя» с инертным наполнителем, на которой получается сухой зерновой продукт в виде гранул.

Примеры предлагаемого безотходного способа получения этанола с помощью предлагаемой установки.

Пример 1.

Кукурузное зерно (начальные параметры: белок~12%; крахмал~67%; предварительно измельчают, смешивают с жидкой фракцией при температуре 50-55°С. В замес вводят амилолитические ферменты, нагревают до 85-90°С и осуществляют предварительный ферментативный гидролиз в процессе водно-тепловой обработки. Затем массу стерилизуют при 100-1 10°С, охлаждают до 56-58°С и выдерживают в течение 1-2 ч с использованием ферментного комплекса, то есть осуществляют окончательный гидролиз (осахаривание). Полученное сусло с твердым осадком (остаток зерна после тепловой и ферментативной обработки) поступает на гидроциклон, где происходит частичное разделение жидкой и твердой фазы. Твердая фаза с влажностью 85-90% подается на сепаратор, где происходит получение твердой фазы с влажностью 55-60%, которая подается на сушильный аппарат. После чего получается сухой зернолайт.

Жидкие фазы после гидроциклона и сепаратора объединяются и подаются на ультрафильтрационную установку и дальше используются, как питательная среда для стадии брожения при получении этанола (или для культивирования других микроорганизмов). После брожения жидкая фаза подается на ректификационные установки для отгонки этанола, а водная фаза, содержащая минеральные компоненты, может возвращаться на стадию затирания, а остальная часть - для полива сельскохозяйственных угодий.

Крепость бражки составляет 8%.

Сухой остаток - с 11 л получено 317 г зернового продукта.

Пример 2.

Смесь ржаного и пшеничного зерна предварительно измельчают, смешивают с жидкой фракцией при температуре 50-55°С. В замес вводят амилолитические ферменты, нагревают до 85-90°С и осуществляют предварительный ферментативный гидролиз в процессе водно-тепловой обработки. Затем массу стерилизуют при 100- 110°С, охлаждают до 56-58°С и выдерживают в течение 1-2 ч с использованием ферментного комплекса, то есть осуществляют окончательный гидролиз (осахаривание). Полученное сусло с твердым осадком (остаток зерна после тепловой и ферментативной обработки) поступает на декантерную центрифугу (нутч-фильтр, друк-фильтр), где происходит частичное разделение жидкой и твердой фазы. Твердая фаза с влажностью 85-90% подается на сепаратор, где происходит получение твердой фазы с влажностью 55-60%, которая подается на сушильный аппарат. После чего получается сухой кормовой и пищевой продукт «зернолайт».

Жидкие фазы после декантерной центрифуги и сепаратора объединяются и подаются на ультрафильтрационную установку и дальше используются, как питательная среда для стадии брожения при получении этанола (или для культивирования других микроорганизмов). После брожения жидкая фаза подается на ректификационные установки для отгонки этанола, а водная фаза, содержащая минеральные компоненты, может возвращаться на стадию затирания, а остальная часть - для полива сельскохозяйственных угодий.

Крепость бражки составляет 8%.

Сухой остаток - с 1 1 л получено 384 г зернового продукта.

Пример 3 (проведение процесса по производственной технологии .

Кукурузное зерно (начальные параметры: белок~12%; крахмал~67%) измельчают, смешивают с жидкой фракцией при температуре 50-55°С. В замес вводят амилолитические ферменты, нагревают до 85-90°С и осуществляют предварительный ферментативный гидролиз в процессе водно-тепловой обработки. Затем массу стерилизуют при 100-1 10°С, охлаждают до 56-58°С и выдерживают в течение 1-2 ч с использованием ферментного комплекса, то есть осуществляют окончательный гидролиз (осахаривание), далее охлаждают до температуры брожения. Полученное сусло с твердым осадком (остаток зерна после тепловой и ферментативной обработки) поступает на этап ферментации (брожение). После брожения полученную бражку подают на ректификационные установки, где идет разделение культуральной жидкости на этанол и тяжелую фракцию (послеспиртовую барду). После промывки, тяжелую фракцию направляют в сборник тяжелой фракции, а из него на склад. Затем барда идет на удобрение сельскохозяйственных угодий и корм скоту.

Крепость бражки составляет 8,7%.

Сухой остаток барды - 4,7%.

Пример 4.

Смесь ржаного и пшеничного зерна измельчают, смешивают с водой (объем -

30%) и водной фазой (объем 70%), содержащей минеральные компоненты (получаемой после стадии ректификации) при температуре 50-55°С. В замес вводят амилолитические ферменты, нагревают до 85-90°С и осуществляют предварительный ферментативный гидролиз в процессе водно-тепловой обработки. Затем массу стерилизуют при 100-1 10°С, охлаждают до 56-58°С и выдерживают в течение 1-2 ч, с использованием ферментного комплекса, то есть осуществляют окончательный гидролиз (осахаривание), далее охлаждают до температуры брожения. Полученное сусло с твердым осадком (остаток зерна после тепловой и ферментативной обработки) поступает на гидроциклон, где происходит частичное разделение жидкой и твердой фазы. Твердая фаза с влажностью 85-90% подается на сепаратор, где происходит получение твердой фазы с влажностью 55-60%, которая подается на сушильный аппарат. После чего получается сухой зернолайт.

Жидкие фазы после гидроциклона и сепаратора объединяются и подаются на ультрафильтрационную установку, и дальше используются, как питательная среда для стадии брожения при получении этанола (или для культивирования других микроорганизмов). После брожения жидкая фаза подается на ректификационные установки для отгонки этанола. Оставшаяся водная фаза, содержащая минеральные компоненты, возвращается на стадию затирания, остальная часть идет на полив сельскохозяйственных угодий.

Крепость бражки составляет 8%.

Сухой остаток - с 11 л получено 390 г зернового продукта.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества перед известными технологиями:

- высокий выход этанола при сбраживании жидкого сусла; полное отсутствие послеспиртовой барды;

- получение дополнительных кормового и пищевого продуктов;

- создание экологически чистого производства;

-отделение твердой фракции до стадии брожения позволяет подать на ректификационные установки жидкую фракцию после брожения, при этом не происходит обрастания тарелок белками и полисахаридами. Ректификационные установки могут работать 2-3 мес. без остановки. В применяемой в настоящее время технологии ректификационные установки останавливают на 2-3 дня и очищают тарелки от налипших компонентов;

- после отгонки этанола на ректификационных установках - кубовый остаток представляет собой водный раствор минеральных компонентов, который может использоваться вновь для стадии приготовления взвеси с измельченным зерном и для орошения сельскохозяйственных полей;

- возвращение воды в цикл позволяет снизить ее расход для технологического процесса и уменьшить количество жидких отходов производства в 2-3 раза.