ПЕРИОДИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СПИРТА И  КОЖУХОТРУБНЫЙ СТРУЙНО-ИНЖЕКЦИОННЫЙ АППАРАТ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ПРИ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ СПОСОБА
PERIODIC METHOD OF PRODUCING ALCOHOL AND SHELL-AND-TUBE JET-INJECTION APPARATUS USED TO IMPLEMENT METHOD

Изобретение относится к спиртовой отрасли промышленности, а более конкретно к способам и устройствам для получения спирта из зернового сырья.
Известен способ получения спирта из зернового сырья, состоящий из последовательно проводимых технологических операций: приема и дробления зерна, смешивание его с водой, разваривания сырья при температуре 140÷142°C в течение 40÷45 минут, охлаждения до температуры 62÷63°C и осахаривания затора при этой температуре, сбраживания осахаренной массы при температуре 27÷30°C, перегонки бражки и ректификации спирта [1].
Недостатком данного способа являются высокие затраты топлива или электроэнергии на получение пара повышенных параметров.
Известен способ получения спирта методом холодного затирания, состоящий из последовательно проводимых технологических операций: приема и дробления зерна, смешивания его с водой при температуре 60÷65°C, нагрева паром до температуры 70÷72°C, гидродинамической и ферментной обработки ферментным препаратом разжижающего действия- и выдержки в течение 2÷2,5 часов при температуре 65÷70°C, осахаривания затора при этой температуре, охлаждения и сбраживания осахаренной массы при температуре 27÷30°C, перегонки бражки и ректификации спирта [2].
Недостатком этого способа являются значительные капитальные затраты на организацию периодического способа производства спирта и затраты в процессе эксплуатации производства спирта путем механико-ферментативной обработки зернового сырья.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение эксплуатационных затрат, а именно: при производстве периодического способа производства спирта по прототипу требуется установка технологического оборудования, реализующего каждую технологическую стадию в отдельности, при этом это оборудование связано между собой технологическими трубопроводами и насосами для перекачивания сырья из аппарата в аппарат. В предлагаемом изобретении в этом нет необходимости
Устранение высвободившихся трубопроводов, а также исключение из машинно-аппаратурной схемы насосов, установленных между аппаратами, позволяет снизить энергетические затраты на перекачивание сырья. Уменьшение суммарной длины коммуникаций приводит к снижению гидравлического сопротивления на трение при перемещении сырья. Кроме того, снижение общей протяженности коммуникации коммуникаций приводит к снижению энергозатрат на преодоление гидравлических сопротивлений.
В периодическом способе производства спирта путем механико-ферментативной обработки зернового сырья, включающем прием и дробление зерна, смешивание его с водой в определенном соотношении при температуре 60÷65°C, нагреве паром до температуры 70÷72°C, гидродинамической и ферментативной обработки ферментным препаратом разжижающего действия и выдержки в течение 2÷2,5 часов при температуре 65÷70°C, осахаривание затора ферментными препаратами глюколитического действия при этой температуре, охлаждение и сбраживание осахаренной массы при температуре 27÷30°C, перегонку бражки и ректификацию спирта, технологические операции смешивания, нагрева, гидродинамической и ферментативной обработки сырья, осахаривания и сбраживание сусла осуществляют в одном устройстве, представляющем собой кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат.
Известен кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат, содержащий теплообменник-аэратор, включающий корпус, опускную, подъемную и сливную вертикальные трубы, соединенные верхней и нижней трубными решетками, верхнюю и нижнюю крышки, которые образуют с корпусом верхнюю и нижнюю камеры. Также устройство содержит основное сопло, установленное в верхней камере соосно с опускной трубой, дополнительное сопло, установленное над сливной трубой и соосно с ней, патрубки для подвода культуральной жидкости, газа, хладоносителя и патрубки для отвода насыщенной газом жидкости и хладоносителя [3].
0
0
Известен также кожухотрубный струйно-инжекционный ферментатор повышенной производительности по газовой фазе (КСИФ), состоящий из теплообменника-аэратора, емкости-накопителя, расположенной под ним и циркуляционного насоса, соединяющего нижний патрубок емкости накопителя и патрубок теплообменника-аэратора, расположенный в верхней его крышке. Теплообменник-аэратор содержит корпус, вертикально расположенные опускную, подъемную и сливную трубы, соединенные верхней и нижней трубными решетками и размещенные соосно корпусу внутри него. Над верхней трубной решеткой расположена горизонтальная перегородка, образующая совместно с ней и корпусом верхнюю газовую камеру. Над перегородкой, параллельно ей, размещена верхняя крышка, образующая с корпусом верхнюю жидкостную камеру. Под нижней трубной решеткой расположена нижняя крышка, образующая, совместно с ней и корпусом, нижнюю жидкостную камеру. Верхняя газовая камера разделена вертикальной перегородкой на две камеры - основную и дополнительную, каждая из которых имеет патрубки для подвода газа. В горизонтальной перегородке, над опускной и сливной трубами, соосно им, размещены основное и дополнительное сопла. Сливная труба имеет продолжение, параллельно собой себе и проходит через нижнюю трубную решетку, нижнюю жидкостную камеру, нижнюю крышку до приемного патрубка, расположенного соосно с емкостью-накопителем в верхней его крышке. Нижний конец сливной трубы выступает за нижнюю крышку теплообменника-аэратора не менее чем на 0,5 длины подъемной трубы, и соединен с емкостью-накопителем соосно с ней в верхней ее части, диаметр дополнительного сопла меньше диаметра основного не менее чем в 1,2 и не более чем в 1,8 раза, а соотношение длины проходной части сопел L к их проходному диаметру d выполнено равным не менее 10, причем выходной срез основного сопла расположен не ниже оси патрубка для подвода газа теплообменника-аэратора [4].
Недостатком этого кожухотрубного струйно-инжекционного ферментатора является невозможность осуществления в одном устройстве технологических операций смешивания, нагрева, гидродинамической и ферментативной обработки зернового сырья, осахаривания и сбраживание осахаренного сусла при периодическом способе производства спирта путем механико-ферментативной обработки зернового сырья.
Отличие заявленного устройства состоит в том, что емкость-накопитель снабжена снаружи тепловой рубашкой с патрубками для подачи и отвода тепло- или хладоносителя и патрубками для подачи и отвода культуральной жидкости, и дополнительно содержит расположенный в верхней ее части патрубок для загрузки зернового сырья и патрубок для отвода газа, соединенный с патрубком подачи газовой фазы в теплообменник-аэратор.
На фиг.1 изображен предлагаемый кожухотрубный струйно-инжекционный бродильный аппарат (КСИБА) - устройство для реализации в нем операций смешивания, нагрева, гидродинамической и ферментативной обработки зернового сырья, его осахаривания и сбраживания осахаренного сусла.
0
0
Кожухотрубный струйно-инжекционный бродильный аппарат (КСИБА) состоит из теплообменника-аэратора 1 и емкости-накопителя 2 и циркуляционного насоса 3. Теплообменник-аэратор 1 содержит вертикально расположенную опускную 4, подъемную 5 и сливную 6 трубы, соединенные верхней 7 и нижней 8 трубными решетками, соответственно, и размещенные соосно корпусу 9 теплообменника-аэратора 1 внутри него. Над верхней трубной решеткой 7 расположена горизонтальная перегородка 10, образующая совместно с ней и корпусом 9 верхнюю газовую камеру 11. Над перегородкой 10, параллельно ей, размещена верхняя крышка 12 с расположенным на ней патрубком для подачи культуральной жидкости и образующая с корпусом 9 верхнюю жидкостную камеру 13. Под нижней трубной решеткой 8 расположена нижняя крышка 14, образующая, совместно с ней и корпусом 9, нижнюю жидкостную камеру 15. Верхняя газовая камера 11 разделена вертикальной перегородкой 16 на две камеры - основную 17 и дополнительную 18 и имеет патрубок для подвода газа 19, при этом патрубок 19 соединен с трубопроводом подачи газа и расположенным на нем краном 20. В горизонтальной перегородке 10, над опускной и сливной трубами, соосно им, размещены основное 21 и дополнительное 22 сопла, соответственно. Сливная труба 6 имеет продолжение, параллельно собой себе и проходит через нижнюю трубную решетку 8, нижнюю жидкостную камеру 15, нижнюю крышку 14 до приемного патрубка 23, расположенного соосно с емкостью-накопителем 2 в верхней его крышке 24. Нижний конец сливной трубы выступает за нижнюю крышку не менее чем на 0,5 длины подъемной трубы. Емкость-накопитель 2 представляет собой, снабженный тепловой рубашкой 25, цилиндроконический резервуар с патрубками для входа 23 культуральной жидкости и выхода 26 из нее, а также патрубком 27 для отвода газа, соединенного циркуляционным трубопроводом, с расположенным на нем вентилем 28, с патрубком для подвода воздуха 19 теплообменника-аэратора 1 и патрубком 29 для загрузки зернового сырья. При этом циркуляционный трубопровод имеет отвод с вентилем 30 для сброса давления при стадии сбраживания. Диаметр дополнительного сопла 22 меньше диаметра основного 21 не менее чем в 1,2 и не более чем в 1,8 раза, а соотношение длины проходной части сопел L к их проходному диаметру d выполнено равным не менее 10, причем выходной срез основного сопла расположен не ниже оси. Циркуляция сусла через весь аппарат и опорожнение аппарата осуществляется центробежным насосом (3) при помощи жидкостного циркуляционного трубопровода с установленными на нем вентилями 31 и 32.
КСИБА работает следующим образом: емкость-накопитель 2 заполняется водой в соответствии с предполагаемым гидромодулем (соотношением массы измельченного зернового сырья и водой, например 1:4). Включается циркуляционный насос 3 и осуществляется циркуляция воды через теплообменник-аэратор 1 и емкость-накопитель 2. Одновременно осуществляется подача в межтрубное пространство теплообменника-аэратора 1 теплоносителя с целью нагрева воды в КСИБА. Затем, через патрубок 29 вводится требуемое количество ферментного препарата разжижающего действия (например, α-амилаза) и начинается подача измельченного зернового сырья в требуемом количестве (через патрубок 29). При этом циркуляция образовавшейся суспензии, и ее нагрев происходят непрерывно. В процессе загрузки аппарата зерновым сырьем и выхода на требуемую температуру суспензии происходит водно-тепловая, ферментативная обработка крахмалосодержащего сырья (зернового крахмала). После окончания водно-тепловой обработки, и охлаждения суспензии до температуры 55-60°C, через патрубок 29 вводится требуемое количество ферментного препарата глюколитического действия (например, глюкоамилазы) и, в том же гидродинамическом и тепловом режиме, осуществляется процесс осахаривания растворенных сухих веществ. После окончания процесса осахаривания и понижения температуры образовавшегося сусла до температуры 25-30°C в емкости-накопителе, через патрубок 29 вносятся засевные дрожжи в требуемом количестве и аппарат переводится в режим брожения (т.е. отключается циркуляционный насос 3 и поддерживается требуемое значение температуры сусла). Кроме того, патрубок для отвода газа 27 из емкости-накопителя соединяется с камерой 16 путем открытия, имеющегося на циркуляционной линии вентиля 28. При этом вентили 20 и 30 закрываются. При повышении давления углекислого газа в аппарате, образующегося в процессе брожения, осуществляется его сброс по специальной линии через вентиль 30. В случае необходимости подращивания микроорганизмов (если это предусмотрено технологией брожения) вентиль 28 закрывается, и открываются вентиль 30 для сброса отработанного воздуха в атмосферу и вентиль 20 для подачи чистого атмосферного воздуха в теплообменник-аэратор 1. Для опорожнения аппарата после проведения процесса брожения закрывается вентиль 32 и открывается вентиль 31.
Для проверки работоспособности КСИБА представленной выше конструкции в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий были произведены испытания на лабораторной модели рабочим объемом 40 литров. Ход и результаты эксперимента приведены в таблице 1.
Таблица 1
Описание процесса
Время эксперимента
t°C суспензии (сусла)
Объемный расход суспензии Qc, м<sup>3</sup>/с
Объемный расход теплоносителя Q<sub>T</sub>, м<sup>3</sup>/с
СВ %
Внесение ФП в воду при 50°C
<maths num="1"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>45</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup><mo>*</mo></mrow></math><img file="00000001.tif" he="5" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
50
10<sup>-4</sup>
37,7·10<sup>-5</sup>
0
Начало внесения измельченного зерна
<maths num="2"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>13</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>15</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
51
10<sup>-4</sup>
37,7·10<sup>-5</sup>
10,4
Окончание загрузки зерна
<maths num="3"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>13</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>45</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup><mo>*</mo></mrow></math><img file="00000003.tif" he="6" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
51
8,5·10<sup>-5</sup>
11,4
Повышение температуры суспензии
<maths num="4"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>13</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>45</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>14</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>05</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="6" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
51-70
8,5·10<sup>-5</sup>÷10,3·10<sup>-5</sup>
12,4
Выдержка при постоянной
начало <maths num="5"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>45</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000005.tif" he="5" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
70÷72
10,3·10<sup>-5</sup>
17,4
температуре
окончание <maths num="6"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>15</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>45</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000006.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
÷4,4·10<sup>-5</sup>
21,4
Нагрев сусла
начало <maths num="7"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>15</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>45</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000006.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
72÷80
4,4·10<sup>-5</sup>
21,4
окончание <maths num="8"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>16</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>05</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000007.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
22,2
Выдержка
начало <sup></sup><maths num="9"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>16</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>05</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000007.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
80
17,8·10<sup>-5 </sup>
22,4
окончание <maths num="10"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>17</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>05</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000008.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
÷40·10<sup>-5</sup>
Охлаждение перед
начало  <maths num="11"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>17</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>05</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000009.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
82÷60,7
40·10<sup>-5</sup>
осахариванием
окончание <maths num="12"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>17</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>25</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000010.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
Внесение
глюколитического фермента и
начало <maths num="13"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>17</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>30</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000011.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
58
40·10<sup>-5</sup>
35·10<sup>-5</sup>
22,4
проведение процесса осахаривания
окончание <maths num="14"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>18</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>30</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000012.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
56,4
Охлаждение сусла
начало <maths num="15"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>18</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>32</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000013.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
56
40·10<sup>-5</sup>
35·10<sup>-5</sup>
22,4
для брожения
окончание <maths num="16"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>18</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>40</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000014.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
30
Внесение дрожжей
<maths num="17"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>18</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>50</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000015.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
27
40·10<sup>-5</sup>
35·10<sup>-5</sup>
Брожение:
<maths num="18"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>19</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>00</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000016.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
27
0
1 сутки
<maths num="19"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>19</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>00</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000017.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
27
Накопление спирта 7%
(1 сутки)
2 сутки
<maths num="20"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>19</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>00</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000017.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
27
Накопление спирта 10%
(2 сутки)
3 сутки
<maths num="21"><math display="block"><mrow><msup><mrow><mn>19</mn></mrow><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mn>00</mn></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow></math><img file="00000017.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
27
Накопление спирта 12%
(3 сутки)
Как видно из таблицы 1, проведение всех стадий технологического процесса в заявляемой конструкции вполне реально. Более того, процессы нагрева и охлаждения сусла проходят достаточно интенсивно. Накопление спирта в течение трех суток проходило в пределах, близких к расчетным. В дальнейшем будет проведена оптимизация рабочего и технологического режима с целью сокращения времени проведения процесса и снижения энергозатрат.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. Ильинич В.В., Устинников Б.А., Бурачевский И.И., Громов С.И. Технология спирта и спиртопродуктов. - М., В.О. Агропромиздат, 1987/ - 353 с.
2. Устинников Б.А., Пыхова СВ., Громов СИ. и др. Производство спирта с использованием механико-ферментативной обработки сырья. АгроНИИТЭИПП пищевая промышленность. Серия 24. Спиртовая, дрожжевая и ликеро-водочная промышленность. Вып.4, М., 1989, - 32 с.
3. А.с. СССР №1741873, опубл. 23.06.1992.
4. Патент RU №2305464, опубл. 10.09.2007.