Разработка инновационных ресурсосберегающих технологий для спиртовой промышленности

РАЗРАБОТКА ИННОВАЦИОННЫХ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СПИРТОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В.А. Поляков — академик РАСХН, доктор технических наук, профессор, директор ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии РАСХН

Спиртовая промышленность - одна из пищевых отраслей, перерабатывающая сельскохозяйственное сырье методами

биотехнологии на спирт и кормо-продукты. Помимо ликеро-водочного производства, где основным сырьем является спирт, он также используется в винодельческой, кондитерской, уксусной, парфюмерной промышленности, в медицине для получения ряда лекарственных препаратов и асептики, а в сельском хозяйстве вторичные сырьевые ресурсы идут на корм скоту.

Производство этилового спирта всегда основывалось на использовании трех видов сырья: зерна, картофеля и мелассы. За последние десятилетия произошли существенные изменения в сторону вытеснения из спиртового производства картофеля и мелассы: доля зерновых от общего объема применяемого сырья увеличилась до 92,5 %. Применение зернового сырья дает более высокий выход спирта с лучшими физико-химическими и органолептическими показателями. В среднем из 1 тонны мелассы получают 30,1 дал спирта, из картофеля - 8 дал, тогда как из 1 тонны зерна -свыше 33,6 дал спирта.

Важной особенностью спиртового производства является тесная зависимость от сырьевой базы, а также его большая науко- и материалоемкость. Доля расходов на зерно в себестоимости спирта составляет 65-75 %.

Технология пищевого спирта из зернового сырья основана на ферментативном катализе высокомолекулярных полисахаридов перерабатываемого субстрата с образованием сбраживаемых углеводов, которые превращаются дрожжами в этиловый спирт. Наиболее распространенными культурами, перерабатываемыми на спиртовых заводах России, являются пшеница, рожь и ячмень.

В настоящее время к качеству зерна предъявляют все более высокие требования, так как оно напрямую связан качеством конечного продукта -спирта. Повышение качества перерабатываемого сырья и обеспечение спиртовой отрасли зерном с требуемыми показателями является залогом

успешного проведения технологического процесса и получения конечных продуктов с хорошими биохимическими и органолептическими свойствами.

адекватности зернового сырья современной передовой технологии минимальными технологическими получением спирта-ректификата

Концепция технологической предусматривает его переработку по с максимальным выходом спирта, и производственными потерями, с отличными органолептическими показателями и на его основе выпуск высококачественной ликеро-водочной продукции, реализуемых в виде сквозных технологий (рис. 1).

Основные направления шинмоденствня аграрного и

Рис. 1. Схема взаимодействия аграрного и перерабатывающих комплексов АПК

при реализации сквозных технологий

Особенно высокие требования предъявляют к сырью, перерабатываемому в спиртовом производстве по механико-ферментативному способу, в основе которого лежат гидродинамические и ферментативные процессы, проводимые при температуре, не превышающей 95 - 100 °С. Основные санитарно-гигиенические требования к качеству зерна обусловлены необходимостью обеспечения стабильного технологического процесса брожения и для получения спирта высокого качества, особенно «Люкс» и «Экстра», с хорошими органолептическими показателями.

Качество используемого сырья должно, прежде всего, обеспечивать: исключение возможности проникновения в производство микроорганизмов -источников инфекции; отсутствие токсичных соединений, негативно влияющих на жизнедеятельность дрожжевых клеток и показатели готовой продукции - спиртаректификата.

Анализ теоретических и экспериментальных данных показывает, что одним из перспективных направлений в совершенствовании технологии спирта становится эффективное использование всех высокомолекулярных

полимеров зернового сырья с целью его экономии и повышения выхода и качества конечного продукта - спирта.

В настоящее время на предприятиях спиртовой отрасли перерабатывается порядка 2,5 млн. т. зерна, при этом вырабатывается 80 млн. дал спирта и образуется более 10 млн. т. зерновой барды, из которой утилизируется не более 25 %.

Рациональное использование побочных ресурсов на основе глубокой переработки - одна из актуальных задач отрасли.

Побочным продуктом при производстве спирта-ректификата из пищевого сырья на спиртовых заводах и переработке спирта-сырца на ликеро-водочных заводах является фракция головная этилового спирта (ФГЭС), составляющая от 3,0 до 5,0 % от объема выпуска конечного продукта. Во фракции головной этилового спирта (ОСТ 10-217-98) содержится более 90 % этилового спирта. В ВНИИПБТ разработан «Способ получения пищевого этилового спирта из ФГЭС» в системе браго-ректификации, который защищен патентом РФ № 2166541.

Концентрат головных примесей этилового спирта является отходом спиртового производства и соответствует ТУ 9182-478-00008064-2002. Этот вид ВСР направляется на дальнейшую переработку для использования в химической и лакокрасочной промышленности и на другие технические цели.

К побочным продуктам производства относится также и сивушное масло (ГОСТ 17071-91).

Зерновая послеспиртовая барда - отход в технологии основного производства. Высокая кормовая ценность барды хорошо известна. Она характеризуется как белково-углеводный кормо-продукт, в 1 т св. которого содержится 70 - 80 кормовых единиц. При этом содержание протеина составляет 26 - 35 %, легкопереваримых углеводов - 25 - 30 %.

Практический опыт использования нативной барды хорошо известен и в нашей стране, и за рубежом, но ее реализация из-за резкого снижения поголовья животных очень ограничена. Поэтому барда в настоящее время вывозится на поля фильтрации или сбрасывается в водоемы, загрязняя окружающую среду. При этом с позиции природоохранных органов барда является экологически вредным отходом с показателями (ВПК, ХПК), в 1000 раз превышающими предельно допустимые нормативы. Во ВНИИПБТ разработаны альтернативные технологии переработки барды, часть из которых внедрена в промышленность (рис. 2).

75-11» тыс г “ тыс. т 30 тыс. т

Рис. 2. Продукты комплексной переработки зерна на спирт и кормовые добавки

Продукты переработки послеспиртовой барды:

- барда сухая по ТУ 9296-249-0008064-98;

- сухие кормовые дрожжи по ГОСТ 20083-74;

- кормовая белковая добавка «Биобардин» по ТУ.

Перспективным направлением в совершенствовании технологии спирта

становится создание и внедрение научно обоснованных ресурсосберегающих технологий, базирующихся на современных физико-химических и биотехнологических методах, обеспечивающих комплексную подготовку и переработку сырья, сокращение расхода сырьевых и теплоэнергетических ресурсов, повышение выхода, качества и конкурентоспособности готовой продукции, снижение техногенного воздействия спиртового производства на окружающую среду.

Разработанная научно обоснованная технология включает технически реализуемые и патентозащищенные процессы (рис. 3) и принципиально отличается от основных процессов, осуществляемых ранее в спиртовом производстве.

Рис. 3. Основные элементы ресурсосберегающей технологии

В существующих технологиях спиртового производства все методы перевода крахмапсодержащего сырья в растворимое состояние основаны на смешении измельченного зерна с водой и последующей многооперационной водно-тепловой обработке замеса под избыточным давлением пара в агрегатах непрерывного разваривания при температурных режимах 125 °С и выше. Такая технология позволяла достичь высоких концентраций зернового сусла (18 - 20 %), но не обеспечивала ресурсосбережения и необходимого качества конечных продуктов. Водно-тепловая обработка зернового замеса при «жестком» разваривании способствует накоплению большого количества метанола и других вредных примесей, трудно отделяющихся при ректификации, кроме того, в процессе разваривания сырья под давлением происходят потери сбраживаемых углеводов сырья.

Созданная позднее технология «мягкого» режима с использованием механико-ферментативной обработки зернового сырья не обеспечивала возможность получения сусла с концентрацией сухих веществ более 16 - 18 %. Кроме того, с внедрением этой технологии повысился риск развития посторонней микрофлоры, инфицирующей процесс спиртового брожения, что вызвало необходимость введения в технологию последующей стадии стерилизации. Используемые в спиртовой промышленности микробные ФП обладали преимущественно амилолитической активностью и в отличие от ранее используемого солода практически не содержали ферментативные системы, эффективно гидролизующие белковые вещества и некрахмальные полисахариды зернового сырья.

Применение высокоактивных по амилолитическому комплексу препаратов способствует интенсивному гидролизу крахмала, но не обеспечивает дрожжи азотистым питанием, которое необходимо для их нормального развития и жизнедеятельности, и не позволяет рационально использовать все биополимеры зернового сырья, что приводит к его повышенным тратам.

Современная ресурсосберегающая технология основана на новых методах обработки и подготовки зерна, новых способах приготовления зернового замеса и сусла с использованием биокатапизаторов мультиэнзимного действия, осуществляющих глубокую деструкцию высокомолекулярных полимеров зернового сырья и повышение степени сбраживания сусла. Использование новых селекционированных рас дрожжей с осмофильными свойствами и новых способов брагоректификации позволяет эффективно сбраживать высококонцентрированное сусло и способствует снижению потерь сырья и образования основного отхода спиртового производства - послеспиртовой барды.

Во ВНИИПБТ создана новая технология приготовления разжиженного зернового замеса, которая полностью исключает известные

23

многооперационные процессы водно-тепловой обработки зернового сырья, постадийное перекачивание жидких полупродуктов и охлаждение получаемой крахмапосодержащей массы до 60 °С и обеспечивает замену крупногабаритной емкостной аппаратуры и другого оборудования на специальную одностадийную установку экструдер - гидролизатор.

Применение такой схемы приготовления замеса позволит осуществлять дальнейшую его тепловую обработку при температуре не выше 60 °С, не уменьшая при этом выход спирта и улучшая его качество. При этом достигается значительная экономия энерго-и теплоресурсов.

Экспериментальные работы по получению зернового сусла на пилотной установке экструдоре-гидролизаторе производительностью 30 - 100 л/ч подтвердили возможность использования разработанного способа для обработки зернового сырья и приготовления сусла (рис. 4).

Разработанная технология и аппаратурно-технологическая схема обеспечивает получение сусла практически любой концентрации. Так, регулированием подачи воды в зону «гидролиза» установки при постоянном дозировании сырья (измельченное зерно пшеницы с 70 %-ным проходом через сито 1 мм) и разжижающего фермента а-амилазы происходит одностадийное непрерывное получение сусла с концентрацией растворимых сухих веществ от 17 до 36 %. Для достижения качественных показателей концентрированного зернового сусла требуются не только повышенные содержания дозировок амилолитических ферментов (а- и глюкоамилаза), дополнительная кислая протеаза и гемицеллюлазы, но и увеличенный расход осмофильных дрожжей.

Полученное зерновое сусло после осахаривания обладает высокой подвижностью и текучестью даже с содержанием растворимых сухих веществ свыше 25 %. Динамическая вязкость в этом случае соответственно составляла от 0,1 до 0,8 Па-с, что обеспечивает хорошие реологические условия для перекачивания таких гидролизатов зернового сырья центробежным насосом.

Результаты проведенных научно-исследовательских работ показывают, что новый способ, существенно упрощая аппаратурно-технологическую схему получения сусла спиртового производства, значительно снижает

24

Сырье

Вода

(х - амилаза

Рис. 4. Схема непрерывного одностадийного получения зернового сусла экструзионно-гидролитическим методом

энергозатраты и полностью исключает водопотребление на охлаждение разваренной массы.

Промышленное производство этилового спирта построено на принципах отходной технологии, что отрицательно сказывается на состоянии окружающей среды. Инструментом для исключения этого воздействия является экологическое совершенствование производства, которое предполагает экономию потребляемых ресурсов и сокращение массы образующихся отходов, что достигается созданием и внедрением безотходных технологий и бессточных производств.

Разработанная ресурсосберегающая технология предусматривает комплексную переработку сырья и ВСР производства на спирт, кормовые и пищевые добавки, обеспечивает сокращение расхода сырьевых и теплоэнергетических ресурсов, повышение качества и конкурентоспособности продукции, снижение техногенного воздействия на окружающую среду.

Современные требования обязывают предприятия выпускать продукцию высокого качества, но при этом и обеспечивать безопасность производства на всех уровнях, в том числе и экологическую. Такое отношение к этому вопросу не случайно. Во-первых, барда является высококачественным кормопродуктом, полученным в процессе биоконверсии сырья в спирт. Во-вторых, указанное требование реализовано практически во всех цивилизованных странах, а в-третьих, несанкционированный сброс барды в окружающую среду в ряде мест уже имеет характер экологической катастрофы.

По данным зарубежных исследователей, органическое загрязнение из-за сброса барды спиртзаводом средней мощности сопоставимо с загрязнением от города населением 100 тысяч человек.

При производстве 1000 дал спирта образуется от 120 до 140 м ’ зерновой барды, являющейся высококачественным белково-углеводным кормопродуктом и содержащей около 10 000 кормовых единиц.

Из-за отсутствия вблизи спиртзаводов большого поголовья с/х животных и существенных затрат на ее транспортировку реализация барды в натуральном виде очень ограничена. В сложившейся ситуации наиболее рациональный путь - переработка барды в обогащенные, концентрированные и сухие кормопродукты. Это подтверждается зарубежным опытом разных стран: США, Канада, Китай и т. д.

Сухая барда широко используется в различных рационах с/х животных и птицы. Она содержит: легкопереваримые углеводы 30 - 35 %, сырой протеин 25 - 32 % и, кроме того, широкий комплекс аминокислот, витаминов, микроэлементов. Последние исследования показывают, что этот кормопродукт относится к экологически чистым, и его целесообразно использовать в первую очередь при производстве мясо-молочной продукции для детского и диетического питания.

В результате успешного сотрудничества ВНИИПБТ, фирм «Этна», «Инер-тон», Спецмашмонтаж, «РТСофт» и ряда других организаций разработаны технология и комплекс оборудования, обеспечивающие практически безотходную переработку зерна на спирт высокого качества с сокращенным выходом барды и последующей ее переработкой в сухой кормопродукт.

Таким образом, глубокая переработка сырьевых биоресурсов позволяет решить проблемы эффективности производства путем выпуска высококачественных полезных продуктов с 1 т. перерабатываемого сырья.