1 На правах рукописи ЛЕВАШОВА Лариса Михайловна

1
На правах рукописи
ЛЕВАШОВА Лариса Михайловна
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СОВМЕЩЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВОГО СПИРТА И КОРМОВОЙ СУХОЙ
БАРДЫ ИЗ ЗЕРНА КУКУРУЗЫ
05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки
злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов,
плодоовощной продукции и виноградарства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар - 2012
2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Майкопский государственный
технологический университет» (ФГБОУ ВПО «МГТУ»)
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Короткова Татьяна Германовна
Официальные оппоненты:
Агеева Наталья Михайловна
доктор технических наук, профессор
ГНУ «Северо-Кавказский зональный
научно-исследовательский институт
садоводства и виноградарства»
Россельхозакадемии, заведующая
лабораторией стабилизации, химии и
микробиологии вина
Шевцов Александр Анатольевич
доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», заведующий кафедрой технологии хранения и переработки зерна
ГНУ «Краснодарский научноисследовательский институт хранения
и переработки сельскохозяйственной
продукции» Россельхозакадемии
Ведущая организация:
Защита диссертации состоится 27 декабря 2012 года в 13.00 час.
на заседании диссертационного совета Д 212.100.05 в ФГБОУ ВПО
«Кубанский государственный технологический университет» по адресу:
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-248.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета.
Автореферат разослан 27 ноября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
канд. техн. наук, доцент
В.В. Гончар
3
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1 Актуальность работы. Получение высококачественного пищевого
спирта и сухой барды высокой кормовой ценности с минимальными энергетическими затратами важная экологическая и экономическая задача. Традиционная технология брагоректификации характеризуется высокими энергетическими затратами. Эти затраты существенно возрастают при получении сухой барды. Правительство РФ, учитывая загрязнения окружающей
среды за счет сброса больших количеств жидкой барды на поля фильтрации
и в открытые водоемы, внесло поправку в Федеральный закон № 171-ФЗ «О
государственном регулировании производства и оборота этилового спирта,
алкогольной и спиртосодержащей продукции и об ограничении потребления (распития) алкогольной продукции» (ст.8, п.5), согласно которой производство этилового спирта допускается только при условии полной переработки и (или) утилизации на очистных сооружениях барды. Однако данная
проблема пока не решена. По ряду причин при интенсификации технологических операций, предшествующих брагоректификации, и при переходе на
выпуск спирта марок «Экстра» и «Люкс» стало невозможным прямое использование барды в качестве корма для животных, в том числе, из-за высокого содержания в ней летучих примесей спирта. Реальным решением этой
проблемы могло бы быть совмещенное производство высококачественного
спирта и кормовой сухой зерновой барды, позволяющее существенно сократить затраты энергии на производство этих продуктов.
В связи с этим разработка энергосберегающей совмещенной технологии получения высококачественного пищевого спирта и кормовой сухой
барды из зерна кукурузы является актуальной.
Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и региональных инвесторов в рамках грантов РФФИ «Обоснование термодинамических основ и
разработка новых технологических способов переработки водно-спиртовых
и углеводородных смесей с оптимальными параметрами получения биотоплива» (проект № 08.08.99134) и «Обоснование и теоретическое обеспечение энергосберегающего, экологически безопасного производства из зернового сырья пищевого спирта глубокой очистки путём совмещения стадий
4
разваривания и брагоректификации с выпариванием барды, использования
инновационного квазистационарного процесса ректификации, совмещённого с тепловым насосом, и переработки сивушных масел с выделением многокомпонентного гетероазеотропа» (проект № 11-08-96507-р_юг_ц).
1.2 Цель исследований. Целью настоящей работы явилось научное
обоснование и разработка энергосберегающей совмещенной технологии
получения высококачественного пищевого спирта и кормовой сухой барды
из зерна кукурузы.
1.3 Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
‒ экспериментально исследовать физико-химические показатели зерна
кукурузы как сырья для производства высококачественного пищевого этилового спирта и кормовой сухой барды;
‒ экспериментально исследовать содержание летучих примесей в высококонцентрированной кукурузной бражке, разработать технологический
режим и структуру технологической схемы брагоректификации, обеспечивающих получение ректификованного спирта марки «Люкс»;
‒ экспериментально исследовать физико-химические показатели кукурузной барды, полученной по совмещенной технологии;
– экспериментально исследовать процесс выпаривания кукурузной
барды с оценкой ее консистенции и содержания в ней сухих веществ, в том
числе протеинов, жиров, углеводов, а также определить кормовую и энергетическую ценность упаренной барды;
– экспериментально исследовать процесс сушки упаренной барды,
разработать методику его расчета на основе численного решения уравнения нестационарной диффузии сеточным методом и оценить кормовую и
энергетическую ценность полученной кормовой сухой барды;
‒ разработать энергосберегающую совмещенную технологию получения высококачественного пищевого спирта и кормовой сухой барды из
зерна кукурузы;
‒ провести апробацию предлагаемых технологических решений;
– выполнить технико-экономическое обоснование разработанной совмещенной технологии и разработать технологическую инструкцию по
5
производству этилового ректификованного спирта марки «Люкс» и кормовой сухой барды.
1.4 Научная новизна. Научно обоснована энергосберегающая совмещенная технология получения высококачественного пищевого спирта и
кормовой сухой барды из зерна кукурузы. Впервые разработана сложная
химико-технологическая система (ХТС) совмещенных и взаимосвязанных
установок разваривания, брагоректификации, выпаривания и сушки барды.
Разработана математическая модель ХТС, обеспечившая параметрическую
и структурную оптимизацию совмещенной технологии. Решена задача
энергосбережения за счет комплекса мероприятий: использование теплоты
вторичных паров выпаривания на брагоректификации и разваривании, рециркуляция фильтрата барды на стадию разваривания зернового замеса,
увеличение содержания сухих веществ в осахаренном сусле и, как следствие, повышение крепости бражки и процента сухих веществ в барде.
Разработана модель кинетики сушки упаренной барды для периодов: прогрева, удаления свободной и связанной влаги. Доказано, что удаление связанной влаги из упаренной барды протекает по диффузионному механизму. Новизна предлагаемых технических решений подтверждена патентами
РФ на полезные модели № 85357 «Ресурсосберегающая установка непрерывного действия для получения из бражки этилового ректификованного
спирта, дробины и сгущенной барды» (2009 г.) и № 106554 Ресурсосберегающая установка непрерывного действия для получения из бражки этилового ректификованного спирта, дробины и сгущенной барды (2011 г.).
1.5 Практическая значимость. Разработана энергосберегающая совмещенная технология получения из зерна кукурузы высококачественного
пищевого спирта марки «Люкс» по ГОСТ Р 51652-2000 и кормовой сухой
барды высокой кормовой ценности по ГОСТ Р 53098-2008. Совмещенная
технология получения пищевого спирта и кормовой сухой барды с использованием теплоты вторичных паров выпаривания для обогрева колонн брагоректификационной установки (БРУ) и при разваривании зернового замеса
обеспечивает снижение расхода греющего пара с 643 до 539 ГДж/сут. и расхода электроэнергии с 31 до 29 ГДж/сут. при производительности 3000
дал/сут. ректификованного спирта и 17,58 т/сут. кормовой сухой барды. Из
6
кукурузной бражки, крепостью 10,6 % об. на спиртзаводе ООО «КХ Восход» (г. Майкоп) по разработанной технологии выработан пищевой ректификованный спирт марки «Люкс» крепостью 96,9 % об. с содержанием
альдегидов 1,32 мг/дм3, сивушного масла 1,82 мг/дм3 и метанола 0,0078 %
об., что меньше, чем предусматривает ГОСТ Р 51652-2000 для каждой из
этих примесей. Определено, что полученная при выпаривании и сушке сухая барда обладает высокой кормовой ценностью. При содержании сухих
веществ 95 % она содержит: сырого протеина 30,6 %, жира 11,5 %, водорастворимых углеводов 19,5 %. Кормовая ценность сухой барды составляет
91,16 кормовых единиц в 100 кг продукта, энергетическая ценность ‒ 1168
кДж/100 г. Целесообразность использования полученной кормовой сухой
барды
подтверждена
исследовательский
актами
институт
ГНУ
«Северо-Кавказский
животноводства»
научно-
Россельхозакадемии
(г. Краснодар) и ЗАО «Киево-Жураки Агропромышленный комплекс»
(г. Майкоп). Выполнено технико-экономическое обоснование и разработана
технологическая инструкция по производству этилового ректификованного
спирта марки «Люкс» и кормовой сухой барды. Ожидаемый экономический
эффект от использования совмещенной технологии составляет за счет энергосбережения и реализации кормовой сухой барды ‒ 29,641 млн руб./год,
что на 3,749 млн руб./год выше, чем при использовании технологии раздельного производства в расчете на установку производительностью 3000
дал/сут. пищевого ректификованного спирта. При этом срок окупаемости
дополнительных капитальных вложений сокращается с 1,7 до 1,05 года.
1.6 Апробация работы. Основные положения диссертации доложены,
обсуждены и одобрены на II Всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (г. Челябинск, 2008 г.); на одиннадцатой международной научно-практической конференции «Современные
проблемы техники и технологии пищевых производств» (г. Барнаул,
2008 г.); на II Всероссийской научно-практической конференции молодых
ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2008 г.); на XXXVI научной конференции студентов и молодых ученых
вузов Южного федерального округа (г. Краснодар, 2009 г.); на I Всероссий-
7
ской студенческой научной конференции «Молодежная наука ‒ пищевой
промышленности России» (г. Ставрополь, 2009 г.); на X Международной
конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии»
(г. Казань, 2009 г.); на Международной научно-практической конференции
«Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии»
(г. Краснодар, 2010 г.); на XI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2010 г.).
1.7 Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получено 2 патента РФ на полезные модели.
1.8 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, обзора научно-технической и патентной отечественной и зарубежной литературы, объектов и методов исследований, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложения. Основной
текст диссертации изложен на 153 страницах компьютерного текста, содержит 40 рисунков и 33 таблицы. Список использованных литературных источников включает 157 наименований, из которых 16  зарубежных авторов.
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Объекты исследований. В соответствии с поставленными целью и
задачами в качестве объектов исследований использовали зерно кукурузы
группы «крахмалистая» урожая 2008 г., 2011 г., спирт этиловый ректификованный, выработанный из зерна кукурузы на ООО «КХ Восход» (г. Майкоп), высококонцентрированную кукурузную бражку, барду кукурузную,
полученную из высококонцентрированной бражки, выработанные по совмещенной технологии на ООО «КХ Восход» (г. Майкоп), упаренную кукурузную барду и кормовую сухую барду, которые получены на лабораторных установках Майкопского государственного технологического университета. При разваривании и осахаривании сусла использовались следующие
ферменты: альфамил 2500 L (L-амилаза) − 25 л/сут.; глюкогам (глюкоамилаза) − 30 л/сут. для качественнго осахаривания крахмала, а также пролайв
РАС 30L − 3 л/сут., вискостар − 4 л/сут. для расщепления белков и питания
дрожжей аминокислотами.
8
2.2 Методы исследований. При проведении экспериментальных исследований использовали общепринятые методы анализа: влажность зерна
определяли по ГОСТ 13586.5-93 Зерно. Метод определения влажности; содержание жира в зерне – по ГОСТ 10857-64 Семена масличные. Методы
определения масличности; золы – по ГОСТ 13586.5-93 Зерно и продукты
его переработки. Определение зольности (общей золы); белка – по ГОСТ
19846-91 Зерно и продукты его переработки. Метод определения белка;
крахмала – по ГОСТ 10845-98 Зерно и продукты его переработки. Метод
определения крахмала; клетчатки ‒ по методу Кюршнера. В спиртовой
барде, упаренной барде и кормовой сухой барде: массовую долю влаги и
сухого вещества определяли по ГОСТ Р 52838-2007 Корма. Методы определения содержания сухого вещества; массовую долю сырого протеина ‒
по ГОСТ 51417-99 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Определение массовой доли азота и вычисление массовой доли сырого протеина.
Метод Къельдаля; суммарную массовую долю растворимых протеинов и
суммарную массовую долю растворимого протеина к общему содержанию
сырого протеина – по ГОСТ 13979.3-68 Жмыхи и шроты. Метод определения суммарной массовой доли растворимых протеинов; массовую долю
жира – по ГОСТ 13496.15-97 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье.
Методы определения содержания сырого жира; массовую долю сырой
клетчатки – по ГОСТ Р 52839-2007 Корма. Методы определения содержания сырой клетчатки с применением промежуточной фильтрации; массовую долю сырой золы – по ГОСТ 26226-95 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения сырой золы; массовую долю водорастворимых углеводов – по ГОСТ Р 51636-2000 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Фотометрический с применением 2,4-динитрофенола и
перманганатный методы определения массовой доли водорастворимых углеводов.
При выполнении работы использовали современные хроматографические методы анализа покомпонентного состава спиртовых смесей на хроматографе «Кристалл 2000М» и методы моделирования сложных химикотехнологических систем.
9
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3.1 Экспериментальное исследование физико-химических показателей зерна кукурузы как сырья для производства высококачественного пищевого этилового спирта и кормовой сухой барды. При исследовании процессов брагоректификации, выпаривания и сушки барды использовали зерно кукурузы группы «крахмалистая» урожая 2008 г. и 2011 г. Его
качественные показатели (таблица 1) характерны для кукурузы, культивируемой в Краснодарском крае. Использование такого сырья позволило получить высококонцентрированную бражку и, как следствие, уменьшить
количество барды при совмещенной технологии получения пищевого
спирта и кормовой сухой барды.
Таблица 1 – Качественные показатели зерна кукурузы урожая 2008 г.
Показатели
Влажность
Жир
Зола
Белок
Крахмал
Клетчатка
Значение, %
10,28
1,9
4,0
3,5
74,4
4,37
Внешний вид кукурузной бражки и полученной из неё кукурузной
барды, выработанных из зерна кукурузы на ООО «КХ Восход» (г. Майкоп), представлены на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 – Кукурузная бражка
Рисунок 2 – Кукурузная барда
Кукурузная барда имеет более темный цвет, чем бражка, в связи с тем,
что она подверглась дополнительной тепловой обработке в бражной колонне и имеет меньшую влажность.
3.2 Экспериментальное исследование содержания летучих примесей в высококонцентрированной кукурузной бражке, разработка технологического режима и структуры технологической схемы брагоректификации, обеспечивающих получение ректификованного спирта
10
марки «Люкс». С целью уменьшения количества барды было увеличено содержание сухих веществ в приготовленном сусле до 22 % по сахариметру.
Полученная с применением ферментных препаратов в производственных
условиях кукурузная бражка имела крепость 10,6 % об. (таблица 2). Эта величина принята при моделировании.
Установлено, что в высококонцентрированной кукурузной бражке повышено содержание метанола (40,44 мг/дм3) (таблица 2) по сравнению с
бражками, выработанными из зерна пшеницы (20 мг/дм3).
Таблица 2 – Покомпонентный состав летучих примесей в высококонцентрированной бражке, выработанной из зерна кукурузы группы
«крахмалистая» урожая 2008 г.
Наименование
компонента
Ацетальдегид
Диацетил
Ацетоин
Фурфурол
2,3-бутиленгликоль
Этилформиат
Метилацетат
Этилацетат
Этилвалериат
Этиллактат
Этилацеталь
Метанол
2-пропанол
Массовая
концентрация,
мг/дм3
35,39
0,615
6,365
2,009
81,89
0,823
0,199
10,24
0,102
0,557
0,241
40,44
0,265
Наименование
компонента
1-пропанол
Изобутанол
1-бутанол
Изоамиловый
1-гексанол
Этанол, % об.
Уксусная кислота
Пропионовая кислота
Изомасляная кислота
Масляная кислота
Валериановая кислота
Каприновый альдегид
Фенилэтанол
Массовая
концентрация,
мг/дм3
52,45
119,8
1,234
463,4
0,809
10,6
42,74
0,210
0,768
0,149
0,570
6,530
160,7
Таблица 3 – Покомпонентный состав летучих примесей ректификованного
спирта, выработанного из зерна кукурузы группы «крахмалистая» на ООО «КХ Восход» (г. Майкоп)
Наименование компонента
Ацетальдегид
Этилацетат
2-пропанол
Метанол, % об.
Крепость, % об.
Массовая концентрация, мг/дм3
Анализ 1
Анализ 2
ГОСТ Р 51652-2000
1,32
1,44
2
0,65
0,25
5
1,82
1,03
6
0,0078
0,0056
0,03
96,89
96,85
96,3
Для удаления метанола разработаны предложения по величине гидроселекции и крепости эпюрата, которые внедрены на промышленной установке ООО «КХ Восход» (г. Майкоп). Выработан ректификованный спирт
крепостью 96,9 % об. Анализы, выполненные в процессе работы, показали,
11
что содержание метанола в нем значительно меньше 0,01 % об., а 2пропанола меньше 2 мг/дм3, т.е. показатели выработанного спирта лучше,
чем спирта марки «Люкс». Состав летучих примесей ректификованного
спирта, выработанного в производственных условиях, приведен в таблице 3.
3.3 Экспериментальное исследование физико-химических показателей кукурузной барды, полученной по совмещенной технологии.
Предварительно для оценки барды в качестве ценного источника кормовых продуктов были определены сухие вещества и влажность осадка. Анализ содержания сухих веществ в образцах барды, отобранных в разные периоды переработки кукурузы на спирт на ООО «КХ Восход», показал, что
содержание сухих веществ в ней колеблется от 4,5 до 6 % мас. Содержание
сухих веществ в отфильтрованной через бельтинг барде было на уровне
3 % мас. Влажность осадка барды, полученного при фильтровании и последующем отжиме, на уровне 70 %.
Таблица 4 ‒ Покомпонентный состав летучих примесей, содержащихся в
отгонах послеспиртовой кукурузной барды
Наименование
компонента
Ацетальдегид
Диацетил
Ацетоин
Фурфурол
2,3-бутиленгликоль
Этилформиат
Этилацетат
Этилбутират
Метилкаприлат
Этилкаприлат
Этиллактат
Метанол
Этанол, % об.
Изоамиловый
1-амилол
1-гексанол
Кислоты:
пропионовая
изомасляная
масляная
валериановая
Каприновый альдегид
Фенилэтанол
Массовая концентрация компонента в отгонах барды, мг/дм3
1-й отгон
2-й отгон
3-й отгон
4,2043
2,2301
2,7847
1,0667
0,3847
2,089
3,0898
2,0714
3,9526
3,1186
12,972
0,2999
0,4992
0,5099
0,9304
0,2187
0,3517
0,1119
0,0697
0,2578
5,6687
2,2827
1,9177
0,0278
0,0095
0,0054
0,3663
0,7796
0,4564
0,4308
0,6961
0,6201
0,3214
0,1669
0,5797
0,6175
0,7843
6,0895
54,039
0,1912
0,5057
0,5237
0,2702
5,3887
-
1,3754
0,1788
0,1651
0,4939
1,4877
26,204
12
Для оценки пригодности барды в качестве добавки к кормам животных был определен покомпонентный состав вредных летучих примесей
трех отгонов (таблица 4). Из 1 л барды отогнано последовательно три отгона по 250 мл каждый. Данные таблицы 4 свидетельствуют о значительном
содержании в отгонах барды вредных летучих веществ, которые необходимо удалить в процессе переработки барды.
3.4 Экспериментальное исследование процесса выпаривания кукурузной барды с оценкой ее консистенции и содержания в ней сухих веществ, в том числе протеинов, жиров, углеводов, а также определение
кормовой и энергетической ценности упаренной барды. Проведено выпаривание кукурузной барды с содержанием сухих веществ 4,85 % мас.
Выпаривание проводили при атмосферном давлении с обогревом на песчаной бане. Из 500 мл барды отогнано 420 мл воды. Получена упаренная
барда с содержанием сухих веществ 30,8 % мас.
Сгусток
пастообразного
типа
При взятии пробы в бюксы после
охлаждения
упаренная
барда разделилась на сгусток
пастообразного типа и жидкую
массу (рисунок 3). Из-за ограниченных
Жидкая масса
сроков
хранения
упаренной барды необходима
вторая стадия ее переработки.
Рисунок 3 – Упаренная кукурузная барда
Физико-химические показатели упаренной барды представлены в таблице 5.
Таблица 5 – Физико-химические показатели упаренной кукурузной барды
Наименование показателя
Сухие вещества
Сырой протеин
Растворимые протеины
Жир
Клетчатка
Водорастворимые углеводы
Зола
Суммарное ожидаемое жироотложение
от 100 кг продукта, кг
Кормовая ценность, к.е. в 100 кг продукта
Энергетическая ценность, кДж/100 г
Содержание в
На абсолютно
продукте, % мас. сухое вещество, %
30,8
9,27
30,1
3,60
11,7
3,51
11,4
1,88
6,1
6,84
22,2
2,65
8,6
5,41
‒
29,56
403,7
‒
‒
13
3.5 Экспериментальное исследование процесса сушки упаренной
барды, разработка методики его расчета на основе численного решения уравнения нестационарной диффузии сеточным методом и оценка
кормовой и энергетической ценности полученной кормовой сухой
барды. Для сушки взяты две навески, и исследована кинетика сушки барды.
Сушили слой упаренной барды толщиной 5 мм. На рисунке 4 приведены
экспериментальные кривые сушки (опыт 1 и 2). Сушка проводилась в мягком
режиме при 60 ºС, чтобы исключить денатурацию белков. Математичекое
описание
процесса
осуществлялось
с
использованием
уравнения
нестационарной диффузии в частных производных (1).
C
 2C
 D С  2 ,

x
(1)
где С – влажность материала, изменяющаяся во времени и в пространстве,
м3 влаги/м3 влажного материала;  – время сушки, с; x – координата в
направлении, перпендикулярном к высушиваемому слою барды, м; DC 
– коэффициент диффузии воды в высушиваемом материале, м2/с.
Уравнение (1) решалось численно сеточным методом по неявной схеме. Оно представлено в конечных разностях
Ci , j 1  Ci , j

 DС 
Сi 1, j 1  Сi,, j 1   Сi, j 1  Сi 1, j 1  .
x 2
(2)
После преобразований получим
 Fo  Ci 1, j 1  1  2FoCi , j 1  Fo  Ci 1, j 1  Ci , j ,
(3)
где
Fo 
D С 
.
x 2
Через i обозначены слои по координате, через j – по времени. В узлах
сетки располагаются значения влажности барды. Значения влажности с нижнего временного слоя известны, на верхнем слое – подлежат определению.
Начальные условия:
  0 Сi ,1  C0 ,
где С 0 равна влажности барды в начале периода падающей скорости сушки.
14
Граничные
условия
(на границе соприкосновения с воздухом)
x  0 ( i  0 ) С0, j  C * ,
С * ‒ равновесная концен-
трация влаги в твердом теле на границе раздела фаз.
(опыт № 1)
На границе раздела
между стенкой бюкса и
высушиваемым
слоем
массообмен не происходит
C
 0 , т.е. Cn 1, j  Cn, j .
x
Система линейных уравнений с трехдиагональной
матрицей (3) решалась при
использовании
(опыт № 2)
Рисунок 4 – Зависимость влажности кукурузной
барды от продолжительности сушки при 60 ºС
неявной
схемы на каждом временном слое.
Для начального временного слоя ( j  1 ) и второго слоя ( j  2 ) при пяти шагах интегрирования по координате уравнение (3) принимает вид
 Fo  C0,2  1  2FoC1,2  Fo  C2,2  C1,1
(4)
 Fo  C1,2  1  2FoC2,2  FoC3,2  C2,1
(5)
 FoC2,2  1  2FoC3,2  FoC4,2  C3,1
(6)
 Fo  C3,2  1  2FoC4,2  FoC5,2  C4,1
(7)
C4,1  C5,1 (8)
Разработана программа на языке Borland Pascal, позволяющая проследить изменение влажности барды при сушке во времени и пространстве.
Попытка описания экспериментальных данных только с использованием
уравнения нестационарной диффузии (1) окончилась неудачей (рисунок 5).
15
1 – D = 1ˑ10-10;
2 – D = 4ˑ10-10;
3 – D = 7ˑ10-10;
4 – D = 1ˑ10-9
4
3
2
Рисунок 5 – Зависимость
влажности кукурузной барды
от продолжительности
сушки при различных
коэффициентах диффузии
D, м2/с
1
Ни при одном из коэффициентов диффузии не достигается согласие
между экспериментом и теорией. Это объясняется тем, что на кривых сушки
в координатах «влажность – время» (рисунок 4) ясно выражены три
периода: период прогрева материала в течение 70 мин. от влажности 0,7 до
0,6 мас. дол., период постоянной скорости сушки, длительностью 410 мин
от влажности 0,6 до 0,22 мас. дол., и период падающей скорости сушки.
Период падающей скорости сушки описывается уравнением нестационарной диффузии (1). В качестве параметров идентификации для описания периода падающей скорости сушки приняты коэффициент диффузии D и равновесная влажность C * , которые не поддаются непосредственному экспериментальному определению. Минимум квадратов отклонений расчетных
значений от экспериментальных достигнут при D  6  10 10 м2/с и равновесной влажности C *  3 % мас., что иллюстрируется рисунком 6. Равновесная влажность согласно расчету практически достигается за 15 часов
(рисунок 5). Полученный результат свидетельствует о том, что сушка в периоде падающей скорости протекает в диффузионном режиме, а падение
скорости сушки в этом периоде связано с уменьшением движущей силы
процесса диффузии.
Период прогрева материала (уравнение 9) и период постоянной скорости сушки (уравнение 10) описаны эмпирическими зависимостями.
w  2  10 4  2  0,08  69,15 ,
(9)
w  0,12  71,26 ,
(10)
где w – влажность барды, % мас.; τ – продолжительность сушки, мин.
16
D = 6ˑ10-10 м/с2;
в % мас.:
1
2
3
4
1 – 2 %; 2 – 3 %; 3 – 4 %;
4 – 5 %; 5 – 6 %
5
Рисунок 6 – Зависимость
влажности кукурузной
барды от пролжительности
сушки при различных
значениях равновесной
влажности материала
Уравнения (9), (10) совместно с моделью описания периода падающей
скорости сушки использовались при моделировании процесса сушки барды.
Экспериментальные и расчетные данные по кинетике сушки с достаточной степенью точности согласуются между собой.
Физико-химические показатели сухой барды определены экспериментально и представлены в таблице 6.
Таблица 6 – Физико-химические показатели сухой кукурузной барды
Наименование показателя
Сухие вещества
Сырой протеин
Растворимые протеины
Жир
Клетчатка
Водорастворимые углеводы
Зола
Суммарное ожидаемое жироотложение
от 100 кг продукта, кг
Кормовая ценность, к.е. в 100 кг продукта
Энергетическая ценность, кДж/100 г
Содержание
На абсолютно
в продукте, % мас. сухое вещество, %
95,0
27,65
29,1
10,83
11,4
10,35
10,9
5,81
6,12
18,53
19,5
8,65
9,1
16,68
‒
91,16
1168,0
‒
‒
Полученная сухая барда (рисунок 7)
соответствует ГОСТ Р 53098-2008. Как
корм для животных, сухая барда имеет высокую энергетическую и кормовую ценность. Процент сухих увеличен с 30,8 до
95 % мас. Из 217,7 м3/сут., полученной на
БРУ барды, выработано 17,58 т/сут. сухой
барды.
Рисунок 7 – Сухая кукурузная барда
17
3.6 Разработка энергосберегающей совмещенной технологии получения высококачественного пищевого спирта и кормовой сухой барды из
зерна кукурузы. Большое количество вторичных паров выпаривания всегда ставит задачу использования их теплоты. В отличие от известной схемы многокорпусного выпаривания эта проблема решена более эффективно
путем использования совмещенной технологии с учетом того, что спиртовый завод имеет энергопотребляющие установки брагоректификации и
разваривания зернового замеса. Технология получения сухой барды по
предложениям отечественных инженерных фирм и за рубежом является
самостоятельной. В этом случае на спиртзаводе имеется три независимых
энергопотребляющих установки: разваривание, брагоректификация и
установка получения сухой барды. В совмещенной технологии все эти
установки взаимосвязаны и при решении задач энергосбережения используется теплота вторичных паров выпаривания для обогрева колонн БРУ и
на стадии разваривания зернового замеса, рециркулируется фильтрат барды на стадию разваривания зернового замеса, одновременно увеличивается
содержание сухих веществ в осахаренном сусле, и в итоге увеличиваются
крепость бражки и процент сухих веществ в барде, существенно уменьшается количество барды, подаваемой на выпаривание. При разваривании и
осахаривании использован следующий расход ферментов (в расчете на
производство 3000 дал спирта в сутки): альфамил 2500 L (L-амилаза) − 25
л/сут.; глюкогам (глюкоамилаз) − 30 л/сут.; пролайв РАС 30L − 3 л/сут.;
вискостар − 4 л/сут. Это обеспечило качественное осахаривание крахмала
и расщепление белков для питания дрожжей аминокислотами.
Современное ферментативное низкотемпературное разваривание замеса является стадией, потребляющей тепловую энергию в количестве порядка 130 ГДж/сут. (60 т/сут. в пересчете на водяной пар). Брагоректификационная установка потребляет 292 ГДж/сут. теплоты (130 т/сут.). На выпаривание барды в многокорпусной установке требуется порядка 120
ГДж/сут. (53 т/сут.). В сумме основные затраты теплоты без учета сушки
составляют 542 ГДж/сут. (243 т/сут.). При однокорпусном выпаривании
теплоты конденсации вторичного пара достаточно для обогрева всех ко-
18
лонн БРУ и частично для нагрева зернового замеса. Это обеспечивает существенную экономию энергии при совмещенной технологии.
Таблица 7 – Технологический режим установки для получения высококачественного пищевого спирта и кормовой сухой барды по совмещенной технологии
Наименование показателя
Бражная колонна (под вакуумом)
Число тарелок / тарелка питания
Расход бражки, м3/сут. / Крепость бражки, % об.
Давление низа, МПа / Давление верха, МПа
Температура низа, ºС / Температура верха, ºС
Расход фильтрованной барды, м3/сут.
в том числе на приготовление зернового замеса, м3/сут.
Процент сухих в барде, % мас.
Расход вторичных паров выпаривания на обогрев, т/сут.
Эпюрационная колонна
Число тарелок / тарелка питания
Расход бражного дистиллята, м3/сут.
Расход воды на гидроселекцию, м3/сут.
Крепость бражного дистиллята, % об.
Отбор эфиро-альдегидной фракции, м3/сут.
Расход эпюрата, м3/сут. / Крепость эпюрата, % об.
Давление низа, МПа / Давление верха, МПа
Температура низа, ºС / Температура верха, ºС
Расход вторичных паров выпаривания на обогрев, т/сут.
Ректификационная колонна
Число тарелок / тарелка питания
Тарелка отбора ректификованного спирта
Тарелка отбора сивушного спирта
Тарелка отбора фракции сивушных масел
Отбор непастеризованного спирта, м3/сут.
Выход ректификованного спирта, м3/сут.
Крепость ректификованного спирта, % об.
Отбор сивушного спирта, м3/сут.
Крепость сивушного спирта, % об.
Отбор фракции сивушных масел (ФСМ), м3/сут.
Концентрация этанола в ФСМ, % об.
Давление низа, МПа / Давление верха, МПа
Температура низа, ºС / Температура верха, ºС
Расход вторичных паров выпаривания на обогрев, т/сут.
Выпарная установка
Фильтрат барды на выпаривание, м3/сут.
Упаренная барда, м3/сут.
Процент сухих в упаренной барде, % мас.
Расход первичного пара, т/сут.
Расход вторичного пара на брагоректификацию, т/сут.
Давление втор пара, МПа / Температура, ºС
Расход вторичного пара на разваривание, т/сут.
Сушка
Показатель
24 / 24
283,8 / 10,6
0,05 / 0,03
81,5 / 71,6
215,7
53,9
4,83
34,15
39 / 20
68,8
10
43,7
2
76,92 / 37,0
0,118 / 0,103
87,8 / 80,2
12,57
80 / 16
74
20
4
0,1
29,55
96,54
0,11
74,4
1
4,8
0,128 / 0,105
106 / 79
77,58
161,8
28,75
30,8
143,5
130
2,5/125
9,6
19
Кормовая сухая барда, т/сут.
Процент сухих в кормовой сухой барде, % мас.
СО2
9
17,58
95
13
Гидроселекционная
вода
12
10
Бражка
11
8
ЭАФ
5
4
ГФ в ЭК
6
7
ЭК
РК
Бражной
дистиллят
БК
Ректификованный
спирт
3
2
1
14
Сивушный спирт
Эпюрат
Сивушное масло
17
16
Вторичный пар
18
Фильтрат
барды на
разваривание
Лютер
19
Вторичный пар
25
Фильтрат барды
на выпаривание
Дробина на сушку
24
21
23
Вторичный пар
Барда
15
26 Вторичный пар
на разваривание
27
22
20
Упаренная барда
на сушку
28
Кормовая
сухая барда
Греющий
пар
1 – бражная колонна; 2 – эпюрационная колонна; 3 – ректификационная колонна;
4 – нагреватель бражки; 5, 6 – дефлегматоры; 7, 8 – конденсаторы; 9 – сепаратор;
10, 11, 12, 13 – штуцера; 14 – насос; 15, 16, 17 – термосифонные кипятильники;
1 –18
бражная
колонна;
– эпюрационная
колонна;
– декантер;
19 –2насос;
20 – выпарной
аппарат; 21 – ротационный компрессор;
22 – коллектор; 23, 24, 25, 26, 27 – штуцера; 28 – сушилка
Рисунок 8 – Технологическая схема установки получения высококачественного
пищевого спирта и кормовой сухой барды по совмещенной технологии
Бражка через нагреватель бражки 4 подается на верхнюю тарелку
бражной колонны 1, работающей под вакуумом (рисунок 8). Пары конден-
20
сируются в конденсаторе бражной колонны 4. Полученный бражной дистиллят направляется на питательную тарелку эпюрационной колонны 2.
Эфиро-альдегидная фракции (ЭАФ) выводится из установки. Эпюрат
направляется на питательную тарелку ректификационной колонны 3. Непастеризованный спирт из конденсатора 8 ректификационной колонны 3
рециркулируется в эпюрационную колонну 2. Сивушный спирт и сивушное масло выводятся из установки. Ректификованный спирт отбирается с
верхних тарелок ректификационной колонны 3. Принудительная циркуляция барды через кипятильник 15 осуществляется насосом 19. Ее балансовый избыток подается в декантер 18, где от нее отделяется дробина. Фильтрат отводится в выпарной аппарат 20 и частично подается на приготовление зернового замеса. Вторичный пар выпаривания компримируется в ротационном компрессоре 21 и через коллектор 22 распределяется на обогрев
бражной, эпюрационной и ректификационной колонн. Упаренная барда и
дробина подаются в сушилку 28, откуда выводится кормовая сухая барда.
Технологический режим установки получения высококачественного
пищевого спирта и кормовой сухой барды по совмещенной технологии
приведен в таблице 7.
Разработана математическая модель совмещённого теплопотребления
брагоректификации, выпаривания и разваривания. Показана экономическая целесообразность рекуперации теплоты вторичных паров выпаривания на брагоректификации и разваривании, рециркуляции фильтрата барды на стадию разваривания зернового замеса, увеличения содержания сухих веществ в осахаренном сусле и, как следствие, крепости бражки, крепости эпюрата и процента сухих веществ в барде.
3.7 Апробация предлагаемых технологических решений. Апробация
предлагаемых решений по совмещенной технологии выполнена путем переработки на промышленной установке ООО «КХ Восход» (г. Майкоп) высококонцентрированной кукурузной бражки с получением пищевого ректификованного спирта марки «Люкс» в количестве 2400 дал/сут., с последующим исследованием процесса выпаривания полученной при производственных испытаниях кукурузной барды до концентрации сухих веществ
30,8 % мас. и сушки упаренной барды до концентрации 95 % мас. сухих ве-
21
ществ. Математическое моделирование в среде сложных ХТС совмещенной
технологии выполнено в расчете на 3000 дал/сут. спирта и 17,58 т/сут. кормовой сухой барды.
3.8 Технико-экономическое обоснование разработанной совмещенной технологии и разработка технологической инструкции по
производству этилового ректификованного спирта марки «Люкс» и
кормовой сухой барды. Целесообразность использования полученной
кормовой сухой барды подтверждена актами ГНУ «Северо-Кавказский
научно-исследовательский институт животноводства» Россельхозакадемии
(г. Краснодар) и ЗАО «Киево-Жураки Агропромышленный комплекс»
(г. Майкоп). Внедрены на ООО «КХ Восход» (г. Майкоп) рекомендации по
технологическому режиму работы брагоректификационной установки косвенного действия при переработке высококонцентрированной кукурузной
бражки с целью получения этилового ректификованного спирта высокого
качества по ГОСТ Р 51652-2000.
Выполнено технико-экономическое обоснование и разработана технологическая инструкция по производству этилового ректификованного
спирта марки «Люкс» и кормовой сухой барды. Ожидаемый экономический
эффект от использования совмещенной технологии составляет за счет энергосбережения и реализации кормовой сухой барды ‒ 29,641 млн руб./год,
что на 3,749 млн руб./год выше, чем в технологии раздельного производства, при этом капитальные вложения на основное оборудование снижаются с 44 до 31 млн руб., а срок окупаемости дополнительных капитальных
вложений сокращается с 1,7 до 1,05 года в расчете на установку производительностью 3000 дал/сут. пищевого ректификованного спирта (таблица 8).
Таблица 8 ‒ Основные технико-экономические показатели технологий
переработки послеспиртовой барды
Показатели
Производительность завода по спирту, дал/сут.
Объем перерабатываемой барды, м3/сут.
Выход сухой барды, т/сут.
Расход греющего пара, ГДж/сут. (т/сут.)
Расход электроэнергии, ГДж/сут.
Стоимость оборудования, руб.
Разработанная
совмещенная
технология
3000
215,7
17,58
539 (235)
29,00
31064786
Технология
раздельного
производства
3000
215,7
17,58
643 (280)
30,94
44000000
22
Условный доход млн. руб./год
Срок окупаемости дополнительных
капитальных вложений, год
29,641
25,892
1,05
1,7
ВЫВОДЫ
1. Научно обоснована и разработана энергосберегающая совмещенная технология получения высококачественного пищевого спирта и кормовой
сухой барды из зерна кукурузы. Показана экономическая целесообразность рекуперации теплоты вторичных паров выпаривания для обогрева
колонн БРУ и разваривания, использование части фильтрата барды на
стадии приготовления зернового замеса и увеличения крепости бражки.
2. Разработана сложная химико-технологическая система (ХТС) совмещенных и взаимосвязанных установок разваривания, брагоректификации, выпаривания и сушки барды. Разработана математическая модель
ХТС, обеспечившая параметрическую и структурную оптимизацию
совмещенной технологии. Решена задача энергосбережения за счет
комплекса мероприятий: использование теплоты вторичных паров выпаривания на брагоректификации и разваривании, рециркуляция фильтрата барды на стадию разваривания зернового замеса, увеличение содержания сухих веществ в осахаренном сусле и, как следствие, повышение крепости бражки и процента сухих веществ в барде.
3. Разработана модель кинетики сушки упаренной барды для периодов:
прогрева, удаления свободной и связанной влаги. Разработана программа расчета нестационарной диффузии сеточным методом по неявной схеме. Доказано, что удаление связанной влаги из упаренной барды
протекает по диффузионному механизму.
4. В производственном эксперименте при переработке зерна кукурузы выработана бражка крепостью 10,6 % об. на ООО «КХ Восход» (г. Майкоп) и
произведен пищевой ректификованный спирт марки «Люкс» крепостью
96,9 % об. с низким содержанием примесей, определяющих его качество:
альдегидов 1,32 мг/дм3, сивушного масла 1,82 мг/дм3, метанола 0,0078 % об.
5. Исследование физико-химических показателей упаренной и сухой кукурузной барды показывает, что в процессе переработки кормовая ценность в основном сохраняется на прежнем уровне.
23
6. Экспериментально установлено, что при упаривании барды до содержания сухих веществ 30,8 % мас. в ней содержится в расчете на сухое
вещество протеина 30,1 %, жира 11,4 %, водорастворимых углеводов
22,2 % и она может быть использована при производстве комбикормов.
7. Экспериментально полученная по совмещенной технологии кормовая сухая барда содержит сухих веществ 95 % мас. и характеризуется высоким
содержанием в расчете на сухое вещество ценных компонентов: сырой
протеин 29,1 %, водорастворимые углеводы 19,5 %, жир 10,9 %, клетчатка
6,12 %, зола 9,1 %, энергетическая ценность 1168 кДж/100 г продукта,
кормовая ценность 91,16 кормовых единиц в 100 кг продукта и соответствует ГОСТ Р 53098-2008. Суммарное ожидаемое жироотложение составило 16,68 кг от 100 кг продукта. Целесообразность использования полученной кормовой сухой барды подтверждена актами ГНУ «СевероКавказский научно-исследовательский институт животноводства» Россельхозакадемии (г. Краснодар) и ЗАО «Киево-Жураки Агропромышленный комплекс» (г. Майкоп).
8. Рекомендации по технологическому режиму работы брагоректификационной установки косвенного действия при переработке высококонцентрированной кукурузной бражки, характерной для совмещенной
технологии, внедрены на ООО «КХ Восход» (г. Майкоп).
9. Выполнено технико-экономическое обоснование и разработана технологическая инструкция по производству этилового ректификованного спирта марки «Люкс» и кормовой сухой барды. Ожидаемый экономический
эффект от использования совмещенной технологии составляет за счет
энергосбережения и реализации кормовой сухой барды ‒ 29,641 млн
руб./год, что на 3,749 млн руб./год выше, чем в технологии раздельного
производства, при этом капитальные вложения на основное оборудование
снижаются с 44 до 31 млн руб, а срок окупаемости дополнительных капитальных вложений сокращается с 1,7 до 1,05 года в расчете на установку
производительностью 3000 дал/сут. пищевого ректификованного спирта.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
1. Левашова Л.М. Совмещение брагоректификации с упариванием барды / Л.М. Левашова, А.В. Кикнадзе, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Матер. II Всерос. науч.-
24
практич. конф. «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания». ‒ Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. ‒ С. 7-8.
2. Левашова Л.М. Совмещение процессов брагоректификации и выпаривания /
Л.М. Левашова, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Матер. 11-й межд. науч.практич. конф. «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств». ‒ Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2008. ‒ С. 162-163.
3. Кикнадзе А.В. Использование вторичного пара утилизации барды при переработке
зерна в производстве пищевого спирта / А.В. Кикнадзе, Л.М. Левашова, Е.Н. Константинов // Матер. II Всерос. науч.-практич. конф. молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса». ‒ Краснодар: КубГАУ, 2008. ‒ С. 227-228.
4. Ачегу З.А. Биоэтанол / З.А. Ачегу, Л.М. Левашова, Е.Н. Константинов // Тез. докл.
XXXVI науч. конф. студентов и молодых ученых вузов Южного федерального
округа. ‒ Краснодар, 2009. − Ч.2. – С. 10.
5. Короткова Т.Г. Совмещение брагоректификации с противоточным экстрагированием и выпариванием / Т.Г. Короткова, Л.М. Левашова, А.В. Кикнадзе, Е.Н. Константинов // Тез. докл. XXXVI науч. конф. студентов и молодых ученых вузов Южного
федерального округа. ‒ Краснодар, 2009. − Ч.2. – С. 67.
6. Демин Р.А. Ресурсосберегающая технология переработки бражки на ректификованный спирт и сгущенную барду / Р.А. Демин, Л.М. Левашова // Матер. I Всерос. студ.
научной конф. «Молодежная наука ‒ пищевой промышленности России». ‒ Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. ‒ С. 54-55.
7. Левашова Л.М. Определение возможности рекуперации теплоты вторичных паров
выпаривания бражки в системе брагоректификации / Л.М. Левашова, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Матер. X Межд. конф. молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». ‒ Казань: Изд-во «Отечество», 2009. ‒ С. 215.
8. Константинов Е.Н. Перспективность технологии производства бензанола на базе
достижений спиртовой промышленности / Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова,
Л.М. Левашова, З.А. Ачегу, С.К. Чич, А.А. Кикнадзе // Известия вузов. Пищевая
технология, 2009. ‒ № 2-3. ‒ С. 57-59.
9. Патент РФ на полезную модель № 85357 Ресурсосберегающая установка непрерывного действия для получения из бражки этилового ректификованного спирта, дробины и сгущенной барды / Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова, Л.М. Левашова, А.В.
Кикнадзе по заявке № 2009109426; Зарег. 16.03.2009 г. Опубл. 10.08.2009 Бюл. № 24.
10. Левашова Л.М. Использование теплоты вторичных паров выпаривания барды в
схеме брагоректификации / Л.М. Левашова, Х.Р. Сиюхов, Х.Р. Блягоз // Матер.
Межд. науч.-практич. конф. «Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии». – Рос. акад. с.-х. наук, Гос. науч. учр. Краснодар. НИИХиП с.-х.
продукции. – Краснодар: Издательский Дом – Юг, 2010. – С. 133-135.
11. Черепов Е.В. Ресурсосбережение при производстве этанола для биотоплива /
Е.В. Черепов, Л.М. Левашова, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Матер. XI
Межд. конф. молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». – Казань:
Отечество, 2010. – С. 170.
12. Левашова Л.М. Энергосбережение при производстве этанола / Л.М. Левашова,
Т.А. Устюжанинова, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Известия вузов. Пищевая
технология, 2011. ‒ № 1. ‒ С. 68-71.
13. Короткова Т.Г. Стоимостная и эксергетическая оценка использования тепловых
насосов при брагоректификации с выпариванием барды / Т.Г. Короткова, Л.М. Левашова, С.С. Мариненко, Е.Н. Константинов // Известия вузов. Пищевая технология, 2011. – № 4. – С. 86-88.
14. Патент РФ на полезную модель № 106554 Ресурсосберегающая установка непрерывного действия для получения из бражки этилового ректификованного спирта,
дробины и сгущенной барды / Л.М. Левашова, Х.Р. Сиюхов, Т.Г. Короткова,
25
Е.Н. Константинов по заявке № 2011101343/05 от 13.01.2011. Зарег. 20.07.2011 г.
Опубл. 20.07.2011 Бюл. № 20.
15.Короткова Т.Г. Использование неявной схемы и метода исключения Гаусса при моделировании насыщения зерновой крупки водой и сушки упаренной барды / Т.Г. Короткова, Л.М. Левашова, С.В. Черепов // Новые технологии, 2012. – № 2. – С. 19-26.