Комплексная линия переработки вторичного сырья пивзаводов на основе мембранных процессов

Комплексная линия переработки вторичного сырья пивзаводов

на основе мембранных процессов

В. Л. Кудряшов

ГНУ ВНИИПБТ Россельхозакадемии

А. С. Кислов

ОАО «Группа «Росалко»

О.П. Преснякова

МГУТУ

Пивоварение относится к материало-емким отраслям, так как доля сырья в себестоимости пива составляет значительную часть, достигая 75 % и более [1].

При производстве солода и пива значительная доля сухих веществ (СВ), содержащих биологически ценные (активные) вещества (БАВ), переходит в отходы (солодовые ростки, сплав зерна, зерновые отходы, солодовую и хмелевую дробину, остаточные дрожжи, белковый отстой, лагерные осадки, замочные и промывочные воды, а также диоксид углевода), которые являются высококачественными вторичными сырьевыми ресурсами (ВСР) и могут использоваться и частично используются в России в настоящее время даже в нативном виде в качестве кормовых добавок. Так, пивная дробина содержит до 75 % белковых веществ и более 80 % жира, содержащихся в затираемых зер-нопродуктах [1, 2].

Так как степень использования этого ВСР собственно в пивоварении не может быть существенно повышена без нарушения традиционного состава и вкуса пива, то основное направление повышения экономической эффективности их использования — переработка в востребованные на рынке продукты.

Количество и качественный состав ВСР, а также его влажность колеблются в зависимости от качества солода, количества применяемого несоложеного сырья, существующих на пивзаводе технологии и выпускаемых сортов пива.

Наиболее крупнотоннажный из ВСР (составляет 84-86 % из общего его количества) — пивная солодовая дробина, содержащая в пересчете на абсолютно сухое вещество (абс. С. В.) следующее количество БАВ: белков 25,5-29,6 %; жира 7,5-8,1 %; сырой клетчатки 16,518,1 %; безазотистых экстрактивных веществ (БЭВ) 43,5-48,5 % и минеральных веществ 5,0-5,3 % [1].

Видно, что дробина отличается высоким содержанием белка. Причем его аминокислотный состав более полноце-

нен, чем белков пшеничной муки. Скор белков дробины по лизину составляет 60 %, тогда как муки — только 53 %.

Кормовая ценность сухой дробины составляет порядка 0,8 корм. ед/кг.

Из-за высокого содержания балластных неусвояемых веществ (сырой клетчатки и БЭВ) дробина имеет низкую калорийность (порядка 800 кДж/100 г) и служит перспективным сырьем для выпуска низкокалорийных диетических (лечебно-профилактических) сортов хлебобулочных, кондитерских и макаронных изделий [3; 4].

Основная проблема при использовании дробины в нативном (сыром) виде — ее высокая влажность (75 %), обусловливающая быструю микробиологическую порчу при хранении без консервантов в течение 24 ч.

Еще большим содержанием БАВ и их высокой усвояемостью отличаются остаточные пивные дрожжи (табл. 1).

Таблица 1

Состав сухих дрожжей Содержание, % Усвояемость, %

Влага 8-12 —

Белковые вещества 43-55 88-95

Жир 2-3 81

БЭВ 25-30 75

Клетчатка 0,4-0,7 95

Зола 6-8 —

Белок дрожжей содержит значительное количество следующих незаменимых (основных) аминокислот: аргинина, гистидина, лизина, триптофана и тирозина.

Дрожжи содержат витамины (группы В, витамин Е, никотиновую кислоту, пантотеновую кислоту, биотин, инозин), минеральные вещества (кальций — 0,32 %, фосфор — 0,28 %), микроэлементы (медь, кобальт, цинк), нефалин, лецитин, холин и глютатион, которые играют важную роль в обмене веществ и функционировании нервной системы человека.

В пивных дрожжах также содержится 1,2-1,4 % эргостирола (который при ультрафиолетовом облучении превращается в витамин D2), в то время как в хлебопекарных — только 0,3-0,8 %.

В витамине D2 — регуляторе фосфор-но-кальциевого обмена — остро нуждаются животные, особенно молодняк, так как он способствует образованию костной ткани и снижает влияние недостатка солнечных лучей при содержании животных в малоосвещенных помещениях.

Жиры дрожжей в среднем на 76 % состоят из полезных ненасыщенных жирных кислот — олеиновой, линоле-вой и линоленовой.

Сухие дрожжи обладают высокой калорийностью — 4520 ккал/ кг, в то время как мясо средней жирности только 1720 ккал/ кг.

Кормовая ценность нативных дрожжей при содержании СВ порядка 15 %— 0,14 корм. ед./ кг.

К ценным ВСР относят и лагерные осадки, состав которых близок к остаточным дрожжам.

Белковый отстой также содержит значительное количество БАВ. При содержании СВ 20,9 % в нем имеются 7 % белков, 7,7 % БЭВ, 1,2 % клетчатки, 3,3 % хмелевых смол, 1,7 % небелкового азота и витамины (тиамин, рибофлавин, никотиновая кислота). При этом 47,6 % белков отстоя составляют их высокоценные формы — альбумины и глобулины.

В свежем виде дрожжи и отстой представляют собой нестойкие продукты, и их разложение при комнатной температуре начинается через несколько часов, а при температуре 30 °С — через 30 мин.

К настоящему времени в РФ все эти ценные ВСР на крупных пивзаводах практически не перерабатываются, а сбрасываются на свалки, принося значительный экологический ущерб и экономические убытки. В натив-ном же виде реализуется близлежащим сельскохозяйственным предприятиям на корм скоту (в радиусе не более 20-30 км) преимущественно только одна дробина, причем в основном зимой. В то же время из-за значительных сезонных колебаний спроса на пиво пик образующихся ВСР приходится наоборот именно на летний период.

Хотя дробина и является эффективной молокогонной добавкой, но из-за низкого содержания в ней водорастворимых витаминов и минеральных веществ скармливать ее целесообразно совместно с белковым отстоем и дрожжами.

В целом эффективность совместной комплексной переработки и использования в животноводстве ВСР пивзаводов,

а также целесообразность их высушивания показана в источниках [1, 2].

Для совместной переработки всех видов ВСР пивзаводов в отделе мембранных технологий (ОМТ) ВНИИПБТ разработана экологически чистая гибкая бессточная линия, основанная на оптимальном сочетании различных мембранных процессов (МП), решающее преимущество которых обусловлено возможностью создания оборудования с низкими энергозатратами, что подтверждается данными, приведенными в табл. 2.

Таблица 2

Тип процесса разделения (удаления влаги) Энергозатраты на разделение, МДж/м3

Продавливание через мембрану:

теоретическое значение при давлении 5 МПа 4,9

достигаемое на современных ОО- и НФ-установках 15-25

Концентрирование на современных УФ- и МФ- установках 100-150

Выпарка под вакуумом в четырехкорпусной установке 566

Сушка 2270

Вымораживание 336

Для всех мембранных процессов — обратного осмоса (ОО, reverse osmosis), на-нофильтрации (НФ, nanofiltration), ультрафильтрации (УФ, ultrafiltration) и микрофильтрации (МФ, microfiltration) — энергозатраты ниже (от 3 до 10 и более раз), чем при вакуум-выпарке и сушке. При этом существующие МП постоянно совершенствуются в направлении снижения энергозатрат до теоретического предела (4,9 МДж/ м3), в то время как в других приведенных здесь процессах они близки к предельно возможным. Кроме того, в МП используется только один тип энергии — электрическая.

Обобщенная блок-схема такой линии, предназначенной для пивзаводов

и основанной на применении полупроницаемых мембран, производимых в России с помощью нанотехнологий, представлена на рис. 1.

Линия рассчитана на производство кормовой или/ и пищевой добавки «Ви-тасорб» (ТУ 9182-011-0033-4586-04), отличающейся повышенным содержанием белка за счет обогащения дробины протеинами дрожжей и белкового отстоя. Содержание белка можно регулировать от 25 до 35 % и более, изменяя соотношение между количеством дробины, дрожжей и белкового отстоя.

Исходная дробина с влажностью 75-80 % предварительно обезвоживается (поз. 1, см. рис. 1) до влажности 55-65 %, а затем высушивается в сушилке 2. Ценные БАВ, содержащиеся в фильтрате, выделяются и концентрируются в мембранной установке 6, а затем высушиваются совместно с дробиной. Аналогично выделяются, концентрируются и высушиваются ценные БАВ из белкового отстоя, остаточных дрожжей, лагерных осадков и промывных вод. Пермеаты с установок 4, 5, 6 добавляются в сусло или/и возвращаются на стадию затирания.

Технология по требованию заказчика предусматривает: объединение трех установок 4, 5 и 6 в единый агрегат, что позволяет не только уменьшить инвестиции, но и исключить простои мембранных установок из-за цикличности подачи этих видов ВСР; совместное высушивание образующихся на аэробных и анаэробных биологических очистных сооружениях пивзаводов предварительно сконцентрированных избыточных активного ила и/или метанобразующих бактерий, что решает не только проблему утилизации последних, но и обогащает кормовую добавку «Витасорб» витамином В12 и повышает ее количество.

Мембранная установка 3 предназначена для концентрирования остаточных дрожжей с одновременным восстановлением (выделением) из них пива, которое по качеству соответству-

Исходная пивная дробина

Ф > 75 %

Белковый отстой

С -

, г Фильтрат

Ф = 55-66 %

В сусло

7

Добавка «Витасорб»

Ф < 10 %

"^Концентрат активного ила Концентрат дрожжей ф = 65-70 %

Промывные воды

СВ < 1,0 %

П_

5 ^^

Остаточные дрожжи (лагерные осадки) Ф=85-90 %

В пиво

На затирание

Рис. 1. Обобщенная блок-схема комплексной безсточной линии переработки ВСР

пивзаводов: 1 — предварительный обезвоживатель

ет целевому продукту, а следовательно может подмешиваться в готовое пиво перед стадией сатурации. За счет возврата пермеатов с установок 3, 4, 5 и 6 на 3-5 % суммарно повышается выход пива и значительно сокращается срок окупаемости инвестиций на создание такой линии.

Для перевода содержащегося в дрожжах эргостерола в витамин D2, технология предусматривает их дополнительную ультрафиолетовую обработку непосредственно в мембранной установке 3, что повышает их кормовую и пищевую ценность.

Перспективно также перед сушкой проводить автолиз (ферментолиз или гидролиз) концентрата дрожжей, так как усвояемость содержащегося в них азота увеличивается в 5-10 раз. При этом автолизаты пивных дрожжей по составу аминокислот равноценны яичному белку и их можно добавлять в тонизирующие напитки, колбасы и мучные изделия.

С целью научного обоснования для каждой из установок 3, 4, 5, 6 оптимальных типа и марок используемых мембран, а также режимов их эксплуатации в ОМТ проведен комплекс НИР, часть которых представлена в табл. 3 и 4, а также на рис. 2 и 3.

Результаты исследования селективности (задерживающей способности) различных мембран при концентрировании остаточных дрожжей Бадаевского пивзавода с одновременным извлечени-

Таблица 3

Используемые типы и марка мембран Содержание СВ в пермеате, %

Нативные дрожжи (контроль) 9,3

Нанометаллокерамическая Trumem™ — 0,05 мкм 9,3

Полимерная:

УПМ-200 9,2

УПМ-100 8,0

УПМ-50 7,8

УПМ-20 7,7

УПМ-10 6,9

ем (восстановлением) из них пива представлены в табл. 3.

Концентрация растворимых СВ (по рефрактометру) в нативных остаточных дрожжах и пермеатах, полученных при их концентрировании на отечественных крупнопористых мембранах из нанометаллокерамики Тгитет™ и полимерных марки УПМ-200, практически одинакова, а следовательно, восстановленное на них пиво по качеству практически не отличается от стандартного. Этот же вывод был подтвержден органолептикой и сравнительными физико-химическими анализами содер-

2 • 2008

2

6

4

23

жащихся в восстановленном пиве БАВ, что показывает возможность его смешивания с основным потоком, подаваемым на сатурацию.

Более же мелкопористые мембраны типа УПМ-100 (50, 20 и 10) частично осветляют и обедняют органолептику восстановленного пива, а следовательно, его можно направлять только на затирание или подмешивать в сусло.

Данные по изменению удельной производительности различных мембран в зависимости от времени работы мембранной установки приведены на рис. 2.

Уменьшение удельной производительности мембран объясняется не загрязнением их, а уменьшением тангенциальной скорости в межмембранном канале с 3,5 до 2,5 м/с (при применении насоса с постоянным напором) по причине значительного увеличения вязкости дрожжей при их концентрировании СВ от 14 до 22 %.

Данные этого рисунка из-за высокой удельной производительности также убедительно подтверждают целесообразность использования для концентрирования дрожжей именно мембран марки УПМ-200 и особенно отечественной, превышающей мировой уровень мембраны Тштет™ из нано-металлокерамики, производимой по на-нотехнологии, запатентовонной в РФ, США и странах ЕС [5].

Известно, что вязкость жидких систем, а следовательно, потери напора при их перекачивании можно существенно уменьшить за счет повышения температуры (это должно приводить к увеличению удельной производительности мембран, что и подтверждается данными рис. 3).

Для снижения энергозатрат на сушку в схеме предусмотрено дополнительное обезвоживание дробины (поз. 1), причем в зависимости от ее исходной влажности на следующем различном оборудовании: шнековых центрифугах (деканторах), рефайнере или двухшне-ковых и вибрационных прессах, фильтрующих центрифугах или фильтр-прессах. При этом, как показали наши исследования, содержание СВ в фильтратах не зависит от типа этого оборудования, а только от влажности исходной дробины.

Так, общее содержание СВ в фильтрате дробины Очаковского пивзавода, полученном в ОМТ в условиях, моделирующих работу фильтр-пресса, составляет 2,4 % (в том числе растворенных — СВ 2,1 %). Так как ХПК этого фильтрата очень высокое (24 000 мгО2/ л), то его нельзя сбрасывать на городские очистные сооружения.

Приведенные в табл. 4 данные показывают, что достигаемая на НФ-мем-

ц, л/(м2-ч) 120

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

1

2

3.........

ч 4

Рис. 2. Удельная производительность при

концентрировании пивных дрожжей (температура 35 °С; тангенциальная скорость 3,5-2,5 м/с; концентрация СВ от 14 до 22%) для мембран: 1 — нанометаллокерамических Тштет™ — 0,5 мкм; 2,3 и 4 — соответственно полимерных марок УПМ-200; УПМ-50М и УПМ-20

Таблица 4

Характеристика

Используемые параметров

тип и марка мембран Содержание СВ по рефрактометру, % ХПК, мгО2/л

Исходный фильтрат дробины (контроль) 2,1 24000

УФ-мембраны:

УПМ-200 1,25 15 000

УПМ-50 1,0 12 000

УПМ-20 0,8 4000

НФ-мембрана — ОПМН-П 0,1 1000

ОО-мембрана (низконапорная) 0,06 600

ОО-мембрана (высокоселективная) 0,01 80

бранах степень очистки фугата приближается, а на ОО-мембранах соответствует требованиям, предъявляемым к стокам, сбрасываемым в горкол-лектор.

С экономической же точки зрения фильтрат дробины после очистки на мембране УПМ-200 целесообразнее возвращать на стадию затирания.

В качестве сушилок в зависимости от требуемой производительности и используемого сушильного агента могут использоваться пневматические, ротор-но-трубчатые, роторно-дисковые и барабанные сушилки, а также сушилки с виброкипящим и псевдоожиженным слоями.

ц, л/(м2-ч) 300

250

200

150

100

50

„ 1

- 2

^ 3

0 1 2 3 4

Рис. 3. Удельная производительность нанометаллокерамических мембран Тштет™ — 0,5 мкм при концентрировании пивных дрожжей (концентрация СВ от 10 до 18 %, тангенциальная скорость 5,0-4,0 м/с): 1, 2 и 3 — соответственно при температуре 60, 40 и 20 °С

ОАО «Группа Росалко» провело углубленные маркетинговые исследования и подобрало из выпускаемых в России, Китае и странах ЕС оптимальные типы оборудования для каждой из позиций в линии на рис. 1. Так же отработана и методология поэтапного (поблочного) ее освоения (в 2-4 этапа в зависимости от финансовых возможностей) с полной самоокупаемостью каждого из них не более 1,5 лет. При этом цена комплекта оборудования для линии в целом в 2 и более раза ниже как зарубежных, так и отечественных аналогов.

На основе системного подхода нами созданы способ выбора того или иного МП, методология оптимизации как собственно мембранных установок, так и всей технологической линии как единой системы, включая центрифуги, фильтры, прессы, сушилки и другое вспомогательное оборудование. При оптимизации учитываются: региональные особенности, наличие рынков сбыта и их расстояние, финансовые возможности, наличие и тип очистных сооружений, а также структура и мощность теплоэнергетического хозяйства. В расчетах применяются метод динамического программирования и другие математические методы технологической и экономической оптимизации.

В целом линия обеспечивает низкую себестоимость производства сухой добавки «Витасорб» — от 2,0 до

0

0

1

2

3

4

5

т. ч

т,ч

2,5 руб/кг при рыночной цене порядка 5-7 руб/ кг.

Решая экологическую проблему, линия переработки ВСР для пивзаводов фактически является высокорентабельным проектом. В связи с развитием животноводства такая добавка в ближайшие годы практически не будет иметь факторов, ограничивающих ее сбыт.

Технология предусматривает также возможность использования без высушивания смеси из части отжатой (поз. 1) дробины и сконцентрированных (поз. 3 и 4) дрожжей и белкового отстоя (с введением или без введения подобранных нами консервантов) на близлежащих фермах и комбикормовых заводах (см. рис. 1).

Сухую добавку «Витасорб» можно применять и как пищевую с повышенным содержанием белка и пищевых волокон [4]. Дополнительное введение последних в хлебобулочные изделия получило положительную оценку в Институте питания РАМН [3]. Это же доказано и нами совместно со специалистами Московского хлебозавода «Золоторожский хлеб» при выпечке ржано-пшеничных сортов хлеба [4].

При этом низкая себестоимость добавки позволит сдерживать рост розничной цены хлеба, обусловленный положительным трендом цен на зерновые.

Такие линии целесообразно создавать как непосредственно на пивзаводах, так и в специализированных цехах на незначительном (до 30-50 км) расстоянии от них, предпочтительно при: ТЭЦ, имеющих избыток пара, особенно летом, когда количество образующейся дробины максимально; крупных пищекомбинатах и откормочных комплексах, в которых часть дробины можно использовать в нативном виде и только часть высушивать; комбикормовых заводах.

При этом мембранные установки все же целесообразнее устанавливать непосредственно на пивзаводе, а оборудование для сушки можно и на перечисленных предприятиях.

В целях развития кормовой базы для сельскохозяйственных животных и птиц целесообразно создавать единые межотраслевые региональные комплексы (для совместной переработки в бел-ково-витаминные корма ВСР), расположенные близко от пивоваренных, спиртовых, молочных, крахмало-паточных и сахарных заводов, обеспечивая финансирование в рамках национального проекта развития агропромышленного комплекса.

В ОМТ ВНИИПБТ совместно с ОАО «Группа Росалко» для таких комплексов также создана универсальная гиб-

кая линия с полным комплектом соответствующего мембранного и вспомогательного оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колпакчи Л. П. и др. Рациональное использование вторичных материальных ресурсов пивоваренного производства//Обз. инф. ЦНИИТЭИпищепром. Сер. 10. Вып. 6. 1983.

2. Драганов И. Ф. Откорм сельскохозяйственных животных на барде и пивной дробине//Обз. инф. ВНИИТЭИАПК. 1988.

3. Беркетова Л. В. Содержание пищевых волокон в некоторых видах хлебобулочных изде-

лий//Хранение и переработка сельхозсырья. 2002. № 7. С. 50-51.

4. Кудряшов В. Л., Наумов К. В., Гаевский Н. В. Высококачественные добавки с повышенным содержанием нерастворимых пищевых волокон//Сб. науч. тр. 6-й Межрегиональной науч.-прак. конф. «Современное хлебопекарное производство, перспективы его развития». — Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. эконом. ун-та, 2005. С. 6-12.

5. Кузьминов В. М., Трусов Л. И., Кудряшов В. Л. Эффективность и перспективы использования металлокерамических мембран Trumem™ для очистки стоков//Тез. докл. Всерос. науч. конф. «Мембраны-98». — М., 1998. <£?

Ответственность за оборудование и за продукт

В качестве комплексного поставщика мы, фирма «КРОНЕС», предлагаем вам не только отдельные машины. Мы постоянно держим в поле зрения всю цепь технологических процессов вашего производства.

Технология производства напитков

Технология розлива и упаковки

Внутренняя логистика

www.krones.com

/krone s