47. Короткова Т.Г., Константинов Е.Н. Технология абсолютированного этилового спирта, безводного спирта и биоэтанола азеотропной. МОНОГРАФИЯ Абсолютированный спирт (Короткова, Константинов). Т. Г. Короткова Е. Н. Константинов технология абсолютированного этилового спирта, безводного спирта и биоэтанола азеотропной ректификацией краснодар
 Скачать 4.03 Mb.
|
|
1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный технологический университет Т.Г. Короткова Е.Н. Константинов ТЕХНОЛОГИЯ АБСОЛЮТИРОВАННОГО ЭТИЛОВОГО СПИРТА, БЕЗВОДНОГО СПИРТА И БИОЭТАНОЛА АЗЕОТРОПНОЙ РЕКТИФИКАЦИЕЙ Краснодар 2013 2 УДК 663.52:661.722 ББК 36.87 К 68 Короткова Т.Г., Константинов Е.Н. Технология абсолютированного этилового спирта, безводного спирта и биоэтанола азеотропной ректификацией : монография / Кубан. гос. технол. унт. ‒ Краснодар : Изд. ФГБОУ ВПО «Куб- ГТУ», 2013. – 196 с. Представлены разработки по технологии абсолютированного этилового спирта, безводного спирта и биоэтанола азеотропной ректификацией. Обоснована целесообразность использования в качестве разделяющего агента смеси предельных углеводородов парафинового ряда С 6 -С 7 . Доказано, что для описания фазового равновесия в смесях этанол – вода ‒ углеводороды в системах пар – жидкость и жидкость – жидкость должен использоваться метод NRTL. Разработана методика прогнозирования параметров бинарного взаимодействия методов UNIQUAC и NRTL по известным параметрам межгруппового взаимодействия модели UNIFAC. Методами структурно-параметрической оптимизации определены оптимальные технологические схемы и технологические режимы получения абсолютированного спирта повышенного качества и биоэтанола, а также безводного спирта и биоэтанола. На фазовой диаграмме этанол – вода ‒ углеводород выделена область, в которой должна находиться точка исходной смеси для получения безводного этилового спирта. Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников спиртовой промышленности. Ил. 78. Табл. 46. Библиогр.: 146 назв. Рецензенты др техн. наук, профессор кафедры технологии виноделия и пивоварения ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет Э.М. Соболев; др техн. наук, профессор кафедры технологии, машин и оборудования пищевых производств ФГБОУ ВПО Майкопский государственный технологический университет З.К. Емтыль © Короткова Т.Г., Константинов Е.Н., 2013 ISBN 978-5-8333-0453-2 © ФГБОУ ВПО «КубГТУ», 2013 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………..……… 6 ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОИЗВОДСТВА АБСОЛЮТИРОВАННОГО СПИРТА И БИОЭТАНОЛА ………………………………………………...................... 8 1.1 Сырьевая база абсолютированного спирта и биоэтанола ...... 8 1.2 Применение абсолютированного спирта ……………..………... 18 1.3 Методы получения абсолютированного спирта ……….……… 21 1.3.1 Получение абсолютированного спирта с помощью связывания воды твердыми водосвязывающими материалами …….. 22 1.3.2 Получение абсолютированного спирта с применением жидких водосвязывающих веществ (экстрактивная ректификация) … 23 1.3.3 Абсолютирование спирта растворами солей (солевое обезвоживание) ……………………………………...................................... 27 1.3.4 Обезвоживание этанола путем испарения воды через мембрану ……………………………………………….................................. 30 1.3.5 Другие способы абсолютирования этанола ………....…….... 37 1.3.6 Обезвоживание ректификованного спирта в паровой фазе на цеолитах …………………….....................………………….…….. 40 1.3.7 Азеотропный метод обезвоживания этилового спирта …..... 43 1.3.8 Сравнение основных методов и технологий получения абсолютированного спирта повышенного качества .….…..................... 46 1.4 Перспективы использования биоэтанола ………………….…... 51 1.4.1 Производство биоэтанола в России и за рубежом ....……… 51 1.4.2 Экономические и экологические проблемы использования биоэтанола ............................................................................................... 53 ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА ПУТЕМ СОВМЕСТНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СПИРТОВЫХ И УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ .................................... 55 2.1 Стабильность бензин-этанольных смесей ............................... 2.2 Исследование фазового равновесия в спиртово- углеводородных смесях ............................................................................ 55 59 2.2.1 Прогнозирование энергетических параметров бинарного взаимодействия модели UNIQUAC по параметрам межгруппового взаимодействия модели UNIFAC ............................................................ 60 2.2.2 Прогнозирование энергетических параметров бинарного взаимодействия модели NRTL по параметрам межгруппового взаимодействия модели UNIFAC ............................................................ 67 2.2.3 Вывод формул для диагностики расслаивания жидкости на тарелках ректификационной колонны ............................................... 71 2.2.4 Анализ применимости методов UNIQUAC и NRTL для описания равновесия смесей, содержащих этанол, воду и углеводородные компоненты .................................................................. 80 4 2.2.5 Экспериментальное исследование равновесия жидкость – жидкость в трехкомпонентной смеси гексан – этанол – вода .......................................................................................... 82 2.2.6 Математическая модель расслаивания жидкой смеси ........ 87 2.3 Разработка новой безотходной технологии и технологического режима совместной переработки спиртосодержащего сырья и углеводородных компонентов бензина ..................................................................................................... 107 2.3.1 Проверка возможности смешения ректификованного спирта и углеводородных компонентов для производства биоэтанола ............................................................................................... 2.3.2 Разработка технологической схемы установки непрерывного действия получения биоэтанола .................................... 2.3.3 Технологический режим и технико-экономическое обоснование установки производительностью 2000 дал в сутки по абсолютному алкоголю ....................................................................... 2.3.4 Параметры технологического режима двухколонной установки производительностью 4470 дал в сутки по абсолютному алкоголю ............................................................................ 107 111 118 124 2.4 Критический анализ влияния на экологическую ситуацию замены бензина на бензанол, исследование содержания углеводородных компонентов в лютерной и подсивушной воде и его соответствие безопасности жизнедеятельности ................ 126 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АБСОЛЮТИРОВАННОГО СПИРТА ПУТЕМ СОВМЕСТНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СПИРТОВЫХ И УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ ........ 128 3.1 Разработка математической модели постепенной перегонки расслаивающихся жидких систем ………..............…………. 128 3.2 Теоретическое и экспериментальное исследования закономерностей изменения температур кипения смеси этанол ‒ вода ‒ н-гексан» и состава фаз, полученных расслаиванием дистиллята при постепенной перегонке …..............… 131 3.3 Разработка методики расчета состава азеотропов и обобщение экспериментальных данных по бинарными тройным азеотропам …………………………...........................…………………....... 137 3.4 Разработка математической модели идеальной ректификации и определение концентрационных областей разделения гетероазеотропной смеси этанол ‒ вода ‒ н-гексан» ..... 143 3.5 Разработка ректификационной установки периодического действия, обеспечивающей непрерывное получение сверху колонны гетероазеотропа для осуществления эффективной дегидратации и получения в кубе абсолютированного спирта ………. 147 5 3.6 Экспериментальное исследование технологических операций дегидратации ректификованного спирта, отгонки от него разделяющего агента, расслаивания в системе жидкость ‒ жидкость ………………………………................................. 152 3.6.1 Исследование дегидратации ректификованного спирта с использованием в качестве разделяющего агента н-гексана на стендовой экспериментальной установке ….......................................... 152 3.6.2 Исследование дегидратации ректификованного спирта с использованием в качестве разделяющего агента бензола методами математического моделирования …..................................... 155 3.6.3 Исследование дегидратации ректификованного спирта с использованием в качестве разделяющего агента н-гексана методами математического моделирования …..................................… 162 3.7 Разработка инновационной технологии совмещенного производства абсолютированного спирта и биоэтанола из бражки, выработанной из зерна злаковых культур ……….................................. 167 ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗВОДНОГО ЭТИЛОВОГО СПИРТА ПУТЕМ СОВМЕСТНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СПИРТОВЫХ И УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ ........ 173 Библиографический список …………………………................................. 183 6 ВВЕДЕНИЕ Перед спиртовой промышленностью в последнее время остро встала задача получения абсолютированного спирта и снижения затратна его производство. В мировой экономике резкий рост потребления спирта этилового абсолютированного связан сего использованием в биоэтаноле, который применяется для производства биотоплива. В нашей стране называют это топливо бензанолом. Бензанол по сравнению с бензином характеризуется повышенным октановым числом, а также обеспечивает более полное сгорание топлива, что ведет к снижению концентрации таких вредных веществ в выхлопном газе, как монооксид углерода и углеводороды. Содержание в бензаноле этилового спирта составляет 5-10 об. %. Дальнейшее его увеличение сдерживается конструкцией автомобильных двигателей, которые требуют модернизации. В Америке и Бразилии используется газохол, содержащий от 10 до 20 об. % этанола. В странах ЕС предусмотрено обязательное использование этанола как компонента моторного топлива. В России основной причиной низкой конкурентоспособности бензанола по отношению к бензину является его высокая стоимость. Себестоимость этилового спирта высока из-за больших затратна сырье и энергозатрат на его производство. Стоимость бензанола существенно повышается и из-за акцизных налогов на спирт и бензин, так как бензин является продуктом нефтеперерабатывающих, а этанол – спиртовых заводов. Абсолютированный спирт получали и получают в настоящее время путем азеотропной ректификацией с использованием в качестве азеотропообразующего компонента бензола, канцерогенные свойства которого широко известны. Затраты энергии в этом способе велики в основном из-за огромных флегмовых чисел в дегидратационной колонне. При производстве обезвоженного спирта в больших объемах для биоэтанола его осушают в паровой фазе на молекулярных ситах. Этот спирт не используют в медицине для прямых инъекций. Энергозатраты на его получение ниже, чем по азеотропному способу, но также достаточно высоки. К спирту этиловому абсолютированному предъявляются требования по крепости – не менее 99,7 об. % Наряду с абсолютированным спиртом для производства бензано- ла находит все более широкое применение абсолютированный спирт 7 высшего качества. В связи с последними достижениями медицины он применяется для лечения методом инъекции желудочно-кишечных, проктологических, склеротических заболеваний, поликистоза почек, простатита и заболеваний вен. Можно отметить применение абсолютированного спирта для производства парфюмерно-косметической продукции, продукции бытовой химии, для приготовления растворителей, в производстве материалов для солнечных батарей, полупроводниковой электроники, для флексографии. Абсолютированный спирт высшего качества должен вырабатываться из зерна злаковых культур и не содержать бензола, так как это делает недопустимым его использование для прямых инъекций при лечении различных, в том числе раковых заболеваний. В настоящей монографии проанализированы способы получения абсолютированного спирта. Основное внимание уделено способу, основанному на совмещении процессов получения абсолютированного спирта высшего качества с производством биоэтанола. Обоснованы преимущества этого способа и разработаны рекомендации по новой технологии получения абсолютированного спирта с применением в качестве разделяющего агента смеси предельных углеводородов С 6 -С 7 . Методами математического моделирования и структурно- параметрической оптимизации в несколько раз снижены энергозатраты. Приведены исследования, основанные на совместном использовании экспериментальных результатов и математического моделирования. На первом этапе исследования процесса разделения смесей, содержащих спирт и углеводородные компоненты, использован метод постепенной перегонки в сочетании с известной методикой построения остаточных кривых. Это позволило проверить точность применяемого термодинамического базиса выбрать модель описания парожидкостного равновесия как для случая гомогенной, таки гетерогенной жидкости выявить особенности, характерные для конкретной технологической смеси, наличие гетероазеотропов и определить концентрационные области разделения. Теоретические выводы подтверждены при получении на ректификационной установке периодического действия абсолютированного спирта в кубе колонны с использованием гексана в качестве разделяющего агента. В итоге разработаны технологические схемы и оптимальные режимы совмещенного производства биоэтанола и абсолютированного спирта высшего качества, в том числе безводного спирта. 8 ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОИЗВОДСТВА АБСОЛЮТИРОВАННОГО СПИРТА И БИОЭТАНОЛА 1.1 Сырьевая база абсолютированного спирта и биоэтанола Производство всех видов этилового спирта ректификованного, абсолютированного и биоэтанола имеет практически единую сырьевую базу. Абсолютированный спирт в большинстве случаев получают из ректификованного спирта, используя детально разработанную технологию его получения. В свою очередь, при производстве био- этанола используется абсолютированный спирт. В странах, производящих большие объемы зерна, для производства абсолютированного спирта широко используется технология переработки злаковых культур. Ожидается, что этанол составит самую большую долю возобновляемого топлива. В качестве исходного сырья в производстве этанола выступают зерно кукурузы, ржи, пшеницы, ячменя, сорго, свекольная меласса [1-5]. В Польше большое внимание уделяется такому сырью, как рожь, что выгодно экономически, так как получаемое на ее основе биотопливо в два раза дешевле, чем из пшеницы. В Казахстане сырьем для биоспиртов служат мягкие сорта пшеницы (твердые идут на пищевые цели. Несмотря на то, что в Бразилии в настоящее время производится очень дешевый биоэтанол из сахарного тростника, на очереди проект использования для этого кукурузы. В США основным сырьем служит кукуруза, в меньшей степени соя, так как она является культурой с высоким содержанием белка и имеет повышенный спрос в животноводстве [5]. Достаточно широко используются просо и маниок. Так, производство топливного этанола из маниока помогает использовать неликвидное топливо. Топливный этанол из маниока заменяет бензин, сокращает импорт нефти и является более эффективным, чем бензин, дизельное топливо и топливный этанол из кукурузы [6]. В России основной зерновой культурой для производства спирта является пшеница [1]. Достаточно широко используются ячмень, рожь и овес [4]. Минимальная потребность в биоэтаноле для топливных целей в России оценивается в объеме 200-230 млн дал в год, что более чем в 9 три раза превышает нынешнее его производство. Это потребует развития всего аграрного сектора вовлечение в оборот земельных угодий для получения и выращивания сельскохозяйственного сырья, организации новых производств, рабочих мести улучшения социальных условий в агропромышленном секторе [7, 8]. В случае применения спирта для топливных целей существенно снижаются требования по составу примесей в спирте, его органолеп- тике. Это позволяет использовать сырье более низкого качества и соответственно с меньшей стоимостью, непригодное для использования на пищевые цели, в том числе и скоропортящееся, к которому относится топинамбур. Спирт, произведенный из топинамбура, имеет сравнительно низкую себестоимость, а его качество соответствует действующим стандартам [9]. Топливный этанол получают также по гидролизным технологиям [10]. В нашей стране имеется большая сырьевая база ‒ отходы производства древесины, например, опилки. Также можно перерабатывать на спирт солому или травы. Для этого предложено использовать современные ферменты, которые расщепляют растительную продукцию до сахаров. Представляет интерес биомасса топинамбура, стеблей кукурузы, быстрорастущих деревьев, таких, как ива или тополь, а также водоросли [11-14]. Учитывая наличие значительных мощностей по переработке зерна на спирт и большой опыт, накопленный в этом направлении, несомненный интерес представляет вовлечение в сырьевую базу спиртового производства новых дешевых и высокоурожайных зерновых культур. В этом направлении выполнен значительный объем исследовательских работ, в том числе и авторами монографии. В настоящее время за рубежом широкое применение в спиртовой промышленности получило зерно сорго, характеризующееся высокой крахмалистостью и засухоустойчивостью [15-17]. В России в Краснодарском крае на ООО «КХ Восход (г. Майкоп) проведены испытания по использованию смеси пшеницы, ржи и сорго, подтвердившие целесообразность использования сорго для производства пищевого ректификованного спирта и биоэтанола [18]. Сорго (Sorghum) принадлежит к семейству злаковых. Родиной сорго считаются Индия и Китай. По внешнему виду своей метелкой оно напоминает просо, нов отличие от проса, в каждой веточке своего соцветия сорго несет по два колоска. Стебель сорго имеет крупные, гладкие, заполненные сердцевиной стебли, которые достигают 10 3-3,5 м высоты и придают ему сходство с кукурузой, а благодаря селекции выведены низкорослые (75-130 см) зерновые сорта. Сорго − яровая культура. Отличается теплолюбивостью, очень высокой засухоустойчивостью, солестойкостью [19]. Благодаря исключительной своей жаростойкости, солевыносли- вости, теплолюбивости и засухоустойчивости сорго − весьма перспективная культура для южных засушливых районов РФ, вплоть до полупустынь. Растение хорошо произрастает при температуре от 32 до 36 Си выносит жару до 42 С. Листья сорго продолжают ассимилировать при высокой температуре, тогда как у других культур они свертываются и теряют тургор. Листья сорго способны расходовать воду более экономно по сравнению с другими растениями. Мощная корневая система и способность отражать большое количество света делает растение очень засухоустойчивым. Преимуществом сорго является возможность его непрерывного возделывания при регенерации почвы после летней эксплуатации [20]. Отмечено, что при переработке зерна сорго могут быть получены пищевые волокна, которые регулируют процессы в органах пищеварения, обеспечивают профилактику многих заболеваний человека, прежде всего болезней цивилизации (сахарного диабета, атеросклероза, ишемической болезни сердца и др) [21]. Зерно сорго содержит 7,8-16,7 % белка, 61-84 % крахмала, 1,7-6,5 % жира и 11-12 % протеина. Это ценный корм для всех сельскохозяйственных животных. В 1 кг зерна содержится 1,2 кормовых единиц (к.е.). Зеленая масса сорго идет на приготовление силоса и хорошо скармливается скоту. Сорго после скашивания быстро отрастает, и его посевы неоднократно используют как пастбище для животных. В зерне сорго содержится кальций ‒ 0,8 г калий ‒ 4,47 г фосфор ‒ 2,6 г магний ‒ 1,34 г натрий ‒ 0,89 г железо ‒ 89,4 г медь ‒ 4,65 мг цинк ‒ 85,82 мг марганец ‒ 44,7 мг кобальт ‒ 0,4 мг йод ‒ 0,07 мг каротин ‒ 1,2 мг витамин e (токоферол) ‒ 25,7 мг витамин В тиамин мг витамин В (рибофлавин) ‒ 1,2 мг витамин В (пантотеновая кислота) ‒ 10,5 мг витамин В (холин) ‒ 767,9 мг витамин В (никотиновая кислота) ‒ 28,6 мг [22]. По своему химико-биологическому составу зерно сорго идентично зерну кукурузы, а по некоторым показателям превосходит его. В силу этих и других качеств сорго во многих сферах может заменить кукурузу. 11 По показателям состава зерна сорго можно сделать следующие выводы [19]: По основным показателям питательности (сырой протеин − 9,3 %, жир − 4,5 %, клетчатка − 2,8 %, зола − 1,4 %) зерно сорго идентично кукурузе белок зерна сорго содержит абсолютно все незаменимые аминокислоты, имеет одну лимитирующую аминокислоту − лизин. По содержанию аминокислот зерно сорго равно кукурузе и превосходит просо зерно сорго идентично кукурузе и превосходит просо по кормовым единицами всем энергетическим показателям (чистой энергии лактации зерно сорго как любой злак богато витаминами группы В. Среди витаминов присутствуют тиамин, В, В, их количество близко к зерну сои. К почвам сорго нетребовательно. Произрастает на легких песчаных и тяжелых глинистых почвах, в том числе дает хорошие урожаи на бедных почвах, истощенных многолетним использованием и даже на солончаках. Лучшие почвы для производства сорго − плодороди- стые суглинистые и легкие черноземы. Урожайность зернового сорго достигает до 70 ц/га, а травянистого и сахарного до 500 ц/га. Не всегда требуется внесение удобрений. В зависимости от предшественников возможно достижение стабильно высоких урожаев как по весно- вспашке, таки приповерхностной обработке почвы по специальной технологии. Вегетационный период созревания в зависимости от сорта дней. Убирают зерновое сорго прямым комбайнированием, сахарное и травянистое – силосоуборочными комбайнами [23]. Экономика возделывания зернового сорго показывает, что это самая высокорентабельная культура (в несколько раз превышает рентабельность возделывания подсолнечника, кукурузы и др. Доказательство тому − самая низкая стоимость семян и самая малая норма высева 12 кг/га по сравнению с другими зерновыми и пропашными культурами. В силу неприхотливости к почвами засухоустойчивости сорго даже в этих условиях ‒ самая высокоурожайная культура (до 70 ц/га) [19]. Это подтверждает опыт возделывания сорго в Краснодарском крае. В работе [24] рассматривается вопрос по использованию не только зерна сорго, но и выжимки сорго после специальной биохимической обработки. О высоких органолептических качествах бражки, получаемой при разваривании и брожении сорго, свидетельствует его использование для производства пива [25]. Культуру сорго выращивают в 85 странах мира. К основным сорго-производящим странам относятся США, Аргентина, Мексика, Индия, КНР, Пакистан и т.д. Сорго способно давать 80-100 ц/га. По химическому составу оно не уступает другим зерновым культурами содержит белка 9-14 %, крахмала 70-85 %, жира 3-6 %, минеральных веществ 1,8-2,5 %, клетчатки. Сорго, освобожденное от оболочек, по усвояемости приближается к пшенице и кукурузе. Белки сорго более полноценны, чем белки проса и кукурузы. В основном сорго используют на кормовые цели, для переработки на комбикорма, для крахмало-паточной и спиртовой промышленности. Крупа из сорго обладает хорошими потребительскими свойствами и по питательной ценности не уступает широко распространенным видам круп, таким как кукурузная и пшено, превосходит по питательной ценности рисовую крупу [26]. Изучена динамика накопления сахара от начала появления всходов до сбора урожая. Анализ полученных данных показал, что накопление сахара в растении, приходящееся нага площади, изменяется от 23,6 доц. Наибольшее накопление характерно для сорта Сахарное сорго ВИР 16 [27]. На диаграммах (рисунки 1.1-1.3) приведены основные показатели зернового сырья урожайность сырья (рисунок 1.1), содержание крахмала в сырье (рисунок 1.2) и выход спирта с тонны сырья рисунок 70 Пшеница Кукуруза Сорго Рожь Ячмень У рож айно с ть , ц /г а Рисунок 1.1 – Урожайность зерновых культур 13 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Пшеница Кукуруза Сорго Рожь Ячмень К ра х ма л, Рисунок 1.2 – Содержание крахмала в зерновых культурах 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Пшеница Кукуруза Сорго Рожь Ячмень В ых од спирта из тонны сырья, л Рисунок 1.3 – Выход спирта из тонны сырья Как видно из приведенных диаграмм по всем показателям, сорго превосходит приведенные культуры. Например, урожайность сорго в два раза выше, чему пшеницы, больше содержание крахмала, в 1,3 больше выход спирта с тонны, а значит и с гектара. Нами не рассматривается содержание примесей в спирте- ректификате в зависимости от типа зернового сырья, хотя в соответствии с приведенным в таблице 1.3 составом бражки по сравнению с бражкой из пшеницы или ржи пропанола в полтора-два раза больше. Это очень существенный фактор при получении спирта высших сортов. При получении же биоэтанола примеси не имеют существенного значения. Поэтому можно утверждать, что сорго является предпочтительной культурой при производстве биоэтанола. Сравнение химических показателей зерна сорго с другими зерновыми культурами, используемыми для производства спирта, приведено в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Химические показатели зерна Культура Белок Влага Крахмал Клетчатка Жиры Зольность Пшеница 10,0-20,0 15 60-75 2,0-3,0 2,0-2,5 1,5-2,2 Кукуруза 10-11 13 61-70 2-3 4-5 1,2-1,8 Рожь 10-12 14 46-63 2,5 2,5 2 Ячмень 12-14.5 15,5 55-65 5-8 2-2,5 3 Овёс 12 16,0 34-50 13,2 5-6 5 Просо 10-13 15,0 54,7 10,3 3,5-5 2,9 Сорго 7,8-16,7 20 61-84 2,8 1,7-6,5 1,4 В Краснодарском крае зерно сорго целесообразно возделывать и использовать в качестве сырья для производства спирта, в том числе для биоэтанола. Внешний вид зерна сорго, выращенного в Краснодарском крае, используемого на ООО «КХ Восход (г. Майкоп, приведен на рисунке 1.4. Рисунок 1.4 – Зерно сорго 15 В качестве сырья для производства пищевого этилового спирта высших сортов на ООО «КХ Восход Майкопского спиртзавода используется зерновая масса, включающая наряду с пшеницей и рожью 30 % зерна сорго. Для определения возможности использования зерна сорго в качестве добавки в зерновое сырье для получения пищевого этилового спирта высших сортов нами было проведено экспериментальное исследование зерна сорго в целях определения его качественных показателей. Экспериментальные испытания осуществлялись на технологическом оборудовании лаборатории при ОАО «Краснодарзернопро- дукт». Показатели качества зерна сорго, использующегося в процессе проведения испытаний, приведены в таблице 1.2 [18, 28]. Таблица 1.2 – Физико-химические показатели зерна сорго Показатели (НД) Значение Влажность (ГОСТ 28561-90) Жир (ГОСТ 8756.21-89) Зола (ГОСТ 25.555.4-91) Белок (фотометрический метод) Крахмал (поляриметрический метод) Клетчатка (метод Кюршнера) 14,59 3,6 2,5 8,8 66,62 3,8 Сравнивая химические показатели зерна сорго с химическими показателями основного зернового сырья, можно отметить, что в зерне сорго содержится крахмала примерно столько же, сколько в пшенице и кукурузе. Влажность и жир находятся примерно на том же уровне, азола и клетчатка несколько выше, белка же содержится немного меньше, чем во всех приведенных культурах. Высокий показатель крахмала, высокая засухоустойчивость и низкая стоимость зерна сорго говорят о целесообразности возделывания и использования его в качестве добавки в зерновое сырье для производства пищевого спирта и биоэтанола. На «КХ Восход г. Майкопа для получения пробной партии пищевого спирта использовано зерно сорго в качестве добавки в сырье, состоящее из пшеницы и ржи. Несмотря на то, что показатели зерна сорго по содержанию целевого компонента (крахмала) и сопутствующих сточки зрения производства спирта белков, жиров и клетчатки очень близки к показателям зерна пшеницы, при его добавлении в общую зерновую смесь в количестве 30 % и традиционной переработке с использованием БРУ косвенного действия возникли проблемы глубокой очистки пищевого 16 спирта, направленной на выработку спирта высших сортов с одновременным получением стандартного сивушного масла. Решение этих проблем потребовало определения причин ухудшения качества продуктов брагоректификации, анализа технологического режима работы брагоректификационной установки и совершенствования технологии водной экстракции спирта из сивушной фракции. Как показывает опыт, органолептические показатели спирта зачастую очень сильно зависят от содержания неопределяемых хроматографически малых доз компонентов, чей состав не регламентирован ГОСТ. Для определения или исключения этой причины, например наличия кротонового альдегида, эффективно использование фракционирования сивушной фракции методом четкой ректификации на колонне периодического действия с получением ректификованного спирта и последующим его хроматографическими органолептическим анализом. Полученные данные стали основой для обоснования возможности использования зерна сорго в качестве добавки в зерновое сырье для получения пищевого этилового спирта высших сортов. Проблемы технологических режимов брожения при производстве биоэтанола из сорго находятся на стадии исследования [16, 17]. Несмотря на то, что зерно сорго имеет высокие показатели, позволяющие рекомендовать его для производства биоэтанола, опыт разваривания, осахаривания и сбраживания сусла из этого зерна отсутствует. В этой связи была переработана пробная партия смеси зерна пшеницы, ржи с добавкой 30 % зерна сорго на ООО «КХ Восход [18]. Дробленое зерно смешивалось с водой в смесителе. Нагревание смеси и выдержка замеса осуществлялись в предразварнике вторичным паром, поступающим из выдерживателя. Нагретый в предраз- варнике замес поступал в разварник, а затем в выдерживатель, в который для разжижения подавалась часть ферментов. После выдержи- вателя смесь охлаждалась в сепараторе за счет самоиспарения при пониженном давлении. Охлажденная смесь поступала в осахарива- тель, куда подавалась оставшаяся часть ферментов. На ООО «КХ Восход (г. Майкоп) для осахаривания использовался солод. В настоящее время применяются ферментные препараты. Для разжижения замеса и его осахаривания применяли следующие ферменты альфамил 2500 L (амилаза, глюкогам (глюкоамилаза), пролайв РАС 30L и вискостар. Конечными продуктами действия бактериальной амилазы на крахмал являются растворимые декстрины, олигосахариды и мальтоза. Действие фермента способствует снижению 17 вязкости клейстеризованного крахмала. Глюкоамилаза предназначена для осахаривания частично расщепленных полимеров крахмала с образованием глюкозы. Пролайв и вискостар применены для расщепления белков и питания дрожжей аминокислотами. Расход ферментов был рассчитан в соответствии с нормами на 1 т условного крахмала, приведенными в каталоге поставщика (г. Рязань. Осахаренная смесь охлаждалась и подавалась на брожение. Размол обеспечивал й проход через сито с отверстиями диаметром 1 мм. Разваривание проводилось в течение 45 минут при 138-140 С, осахаривание – в течение минут при 58 С, брожение – в течение 72 часов при 35 С. Добавление сорго позволило перейти от раздельного на совместное дробление зерновой смеси пшеницы, ржи и сорго. Вовремя брожения не наблюдалось пенообразование, которое отсутствовало также в бражной колонне. В результате получена бражка, состав летучих компонентов которой приведен в таблице 1.3. Она в большей степени, чем обычная зерновая бражка, содержит сивушные пропиловые спирты (пропанол, пропанол) ив меньшей степени основные компоненты сивушного масла (изобутиловый и изопропиловый спирты. Суммарное содержание в мг/дм 3 составляет сложных эфиров 22,14, высших спиртов 336,63, кислот 39,74. Большое содержание пропанола в биоэтаноле является положительным моментом и способствует сохранению агрегатной стабильности спиртово- углеводородных смесей при повышении содержания воды и снижении температуры [18]. Таблица 1.3 – Покомпонентный состав летучих примесей бражки, выработанной из зерновой смеси пшеницы, ржи и 30 % сорго Наименование компонента мг/дм 3 Наименование компонента мг/дм 3 Ацетальдегид Фурфурол 2,3- бутиленгликоль Этилформиат Этилацетат Метилкаприлат Этилкаприлат Этиллактат Этилацеталь Метанол 2- пропанол 1- пропанол Изобутанол 8,6908 1,4304 39,352 0,4635 20,600 0,2932 0,2372 0,5447 0,4104 25,118 1,2363 65,759 64,016 1- бутанол Изоамиловый 1- амилол 1- гексанол Этанол, об. % Уксусная кислота Пропионовая кислота Изомасляная кислота Масляная кислота Изовалериановая кислота Валериановая кислота Фенилэтанол 1,0137 203,34 0,3572 0,9072 7,1926 35,982 0,3610 0,3772 2,0470 0,5644 0,4100 72,478 18 Согласно органолептической оценке ГНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт садоводства и виноградарства Россельхозакадемии (г. Краснодар) бражка − жидкость с характерным спиртовым запахом и специфическими оттенками сырья сорго и, особенно, ржи в аромате. Вкус чистый, жгучий, спиртовый, слегка сла- димый с характерными оттенками зернового сырья [18]. |