УСТАНОВКА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОИЗВОДСТВА СПИРТОСОДЕРЖАЩЕЙ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к области биотехнологии, а точнее к реализации анаэробных процессов, используемых в производстве спирта и сопутствующих продуктов и может быть использовано в пищевой, медицинской и исследовательской практике.
Производство спирта из сахаросодержащих субстратов, является одной из самых древних и консервативных биотехнологий, в связи с чем, известные бродильные аппараты не содержат существенных конструктивных отличий.
К основным стадиям технологии производства спирта, широко распространенным на спиртовых заводах, относятся процессы: «взбраживания», «главного брожения», «дображивания».
«Взбраживание» продолжается 12-22 часа и зависит от заданного количества дрожжевых клеток. При норме дрожжей, принятой при периодическом методе брожения (5-8% от объема бродильного чана), в течение этого времени происходит размножение дрожжей, и только к концу указанного процесса появляются заметные признаки брожения, выраженные через газообразование. Количество дрожжевых клеток в 1 мл жидкости к концу этого периода достигает 100-140 млн.
«Главное брожение» характеризуется быстрым превращением содержащегося в бражке сахара в спирт и углекислоту, выделение которой приводит всю жидкость в движение. При хорошем качестве дрожжей главное брожение протекает довольно быстро, за 12-16 часов.
«Дображивание» не зависит от количества дрожжей и определяется наличием в бражке активных ферментов, от которых зависит скорость ферментации оставшихся веществ, например, декстринов.
Как и в любом биохимическом процессе, конечный результат брожения, определяемый по выходу спирта из единицы сахара, зависит от строгого соблюдения режима всех без исключения процессов и технологических качеств перерабатываемого сырья. При переработке недоброкачественного сырья или плохом качестве сахара и дрожжей наблюдаются значительные отклонения в протекании брожения, что неизбежно отражается и на выходе спирта.
Наиболее близким техническим решением является устройство для производства спирта, (патент RU 2304619 С2, публ. 2006.07.20), выбранное за прототип. Устройство,
содержит бродильный чан с внешним циркуляционным контуром по суслу, встроенный в контур испаритель, снабженный вакуумной линией, по крайней мере, одним вакуум-насосом, связанный с испарителем конденсатор паров и сборник образованного конденсата. Конденсатор встроен в вакуумную камеру, включенную в циркуляционный контур по суслу, а образующийся в результате брожения углекислый газ отводится из бродильного чана по технологическому назначению или в атмосферу.
Недостатком указанного технического решения является использование вакуум-насоса, являющегося побудителем протока сусла по внешнему контуру. Использование вакуум-насоса приводит к существенному падению давления в бродильном чане, что ухудшает условия сбраживания сахара, активизирует вскипание бражки, сопровождающееся ценообразованием и засорением поверхностей бродильного чана, в связи с чем создаются благоприятные условия для заражения бражки посторонней микрофлорой.
Другим недостатком является накопление в бродильном чане побочных токсичных продуктов метаболизма дрожжей, что существенно снижает ферментативную активность дрожжей и, как следствие, синтез спирта.
Кроме того, дрожжи в бродильном чане, в процессе ферментации, испытывают постоянное снижение и разбалансированность компонентов питания, что приводит к существенному увеличению времени синтеза спирта.
Технический результат изобретения заключается в интенсификации бродильного процесса посредством стабилизации заданных условий сбраживания сахара и обеспечения автоматического управления установкой.
Технический результат достигается тем, что установка для непрерывного производства спиртосодержащей жидкости, содержащая аппарат для сбраживания, устройство перемешивания бражки, камеру нагрева бражки, камеру дистилляции спирта из парогазовой смеси и трубопровод отвода газа из аппарата в атмосферу, снабжена внешним контуром рециркуляции парогазовой смеси, включающим последовательно соединенные трубопроводом аппарат для сбраживания, управляемый клапан, камеру нагрева бражки, вентилятор и камеру дистилляции спирта из парогазовой смеси, а также датчиком интенсивности брожения, встроенным в трубопровод отвода газа из аппарата в атмосферу, дозаторами питательного раствора и чистых маточных дрожжей, подаваемых в аппарат, устройством слива бражки из аппарата по заданному уровню, включающим перегородку, установленную в аппарате с зазорами к его торцевой стенке и дну и трубопровод, сообщающий аппарат с камерой нагрева бражки, и устройством управления, причем устройство перемешивания
бражки содержит мембранный насос, соединенный с донной частью аппарата и с распределительным коллектором с встроенными управляемыми клапанами и соплами, размещенными в аппарате и направленными в сторону дна.
На фиг.1 схематично изображена предложенная установка для непрерывного производства спиртосодержащей жидкости, включающая:
Аппарат 1 для сбраживания, камеру 2 нагрева бражки с нагревателем 3, вентилятор 4, камеру 5 дистилляции спирта из парогазовой смеси с холодильником 6, датчик интенсивности брожения 7, бактериальный фильтр 8, устройство перемешивания 9 бражки с мембранным насосом 10, распределительным коллектором с управляемыми клапанами 11, трубопроводом 12 и соплами 13, устройство слива бражки из аппарата по заданному уровню содержащее, перегородку 14, установленную в аппарате 1 с зазорами к его торцевой стенке и дну и трубопровод 15, сообщающий аппарат с камерой 2 нагрева бражки, управляемый клапан 16, трубопроводы 17, дозаторы 18 - питательного раствора и 19 - чистых маточных дрожжей, насосы 20 и 21, штуцера 22, 23, 24 и устройство 25 управления, шины управления 26.
Установка снабжена внешним контуром рециркуляции парогазовой смеси, который образован аппаратом 1 для сбраживания, управляемым клапаном 16, камерой 2 нагрева бражки, вентилятором 4 и камерой 5 дистилляции спирта из парогазовой смеси последовательно соединенных трубопроводом 17.
Датчик интенсивности брожения 7 встроен в трубопровод 27 отвода газа из аппарата 1 через бактериальный фильтр 8 в атмосферу.
Дозаторы 18 и 19 соединены с аппаратом 1 трубопроводами 28 и 29 соответственно.
Насос 10, например мембранный, устройства перемешивания 9 бражки, соединен трубопроводом с донной частью аппарата 1 и трубопроводом 12 с распределительным коллектором с управляемыми клапанами 11 и соплами 13. Сопла 13 размещены в аппарате 1 и направлены в сторону дна.
Насос 20, обеспечивающий слив спиртосодержащей жидкости из камеры 5, соединен с патрубком слива 30.
Насоса 21, обеспечивающий периодический слив отработанной бражки из камеры 2, соединен с патрубком слива 31.
Устройство управления 25 соединено управляющими шинами 26 с датчиком 7, дозаторами 18, 19, устройствами 2, 5, 9, вентилятором 4, управляемым клапаном 16 и насосами 20 и 21.
Перед реализацией бродильных процессов, выращивают заданное количество посевных дрожжей и проводят стерилизацию оборудования и питательного раствора.
Источник маточных дрожжей (на фиг.1 не показан) подключают к дозатору 19, а источник питательного раствора (на фиг.1 не показан) - к дозатору 18.
После выполнения подготовительных процедур в аппарат 1, через штуцер 22, посредством дозатора 18 вносят питательный раствор, содержащий сахар, а через штуцер 24, посредством дозатора 19 - маточные дрожжи в заданной пропорции. Полученную дрожжевую суспензию инкубируют при заданной температуре в течение времени, необходимом для достижения заданных значений дыхательной активности дрожжей, измеряемой по расходу газов через датчик интенсивности брожения 7.
На устройстве управления 25 задают:
- алгоритм работы дозатора 19 подачи маточных дрожжей в аппарат 1;
- алгоритм работы устройства перемешивания 9 бражки (осадочных дрожжей);
- алгоритм работы насоса 20, обеспечивающего периодический слив из камеры 5 спиртосодержащей жидкости;
- алгоритм работы насоса 21, обеспечивающего периодический слив отработанной бражки;
- температуру нагревателя 3 в камере 2 для испарения бражки;
- температуру холодильника 6 в камере 5 для дистилляции спирта из парогазовой смеси;
- частоту вращения вентилятора 4 для создания направленного потока парогазовой смеси по замкнутому контуру, образованному аппаратом 1, открытым клапаном 16, трубопроводом 17, камерой 2, вентилятором 4 и камерой 5;
- уставку нижнего значения расхода газа выходящего из аппарата 1 через фильтр 8 и датчик интенсивности брожения 7 в атмосферу.
При исполнении заданных условий, дрожжи активно размножаются в анаэробных условиях и синтезируют спирт и углекислый газ. Углекислый газ и пары спирта выходят из бражки в газовую полость аппарата 1, который включен в контур циркуляции парогазовой смеси. Парогазовая смесь нагнетается вентилятором 4 в камеру 5, где под действием холодильника 6 происходит дистилляция паров спирта.
Согласно алгоритму работы дозатора 19, в аппарате 1 повышается уровень бражки, которая по трубопроводу 15 уровня, сливается в камеру 2 и нагревается посредством нагревателя 3 до температуры инактивации дрожжей. Указанная процедура позволяет поддерживать в аппарате 1 рабочий уровень бражки, активизировать процесс осаждения биомассы дрожжей в камере 2 и интенсифицировать выброс паров спирта в контур циркуляции парогазовой смеси.
Далее, бражка из камеры 2 периодически отводится насосом 21, работа которого задана временным алгоритмом и контролируется устройством 25 управления.
Парогазовая смесь, образованная в результате нагрева локализованного объема бражки в камере 2, забирается вентилятором 4 и нагнетается в камеру 5, в которой указанная смесь подвергается охлаждению посредством холодильника 6, что приводит к ее дистилляции с образованием спиртосодержащей жидкости. Образованная в камере 5 жидкость периодически отводится насосом 20, работа которого задана временным алгоритмом и контролируется устройством 25 управления.
Сбраживание сахара под влиянием быстрого увеличения биомассы дрожжей за короткий промежуток времени стремительно нарастает, достигает максимума и быстро падает до очень незначительной величины, на которой держится долгое время, медленно сползая к минимуму. Причины резкого спада брожения, заключаются в прекращении размножения дрожжей в условиях снижения концентрации сахара в бродящей жидкости и накоплении в ней продуктов брожения, задерживающих и ослабляющих работу дрожжей. Такие дрожжи имеют пониженную дыхательную активность, подъемная сила выделяющихся пузырьков углекислоты снижается и дрожжи оседают на дно аппарата, что ускоряет негативные процессы автолиза дрожжей и способствует росту токсичной микрофлоры на продуктах распада дрожжевых клеток.
Для предотвращения оседания дрожжей в аппарате 1 осуществляют перемешивание донного осадка, посредством устройства 9, что интенсифицирует сбраживание сахара дрожжами. Перемешивание донного осадка осуществляется посредством протока бражки, которая забирается насосом 10 из аппарата 1 и нагнетается в трубопровод 12 и далее, при поочередном открытии и закрытии клапанов 11, вытекает в направлении дна аппарата 1 в виде упругих струй сформированных соплами 13. Время работы устройства 9 и продолжительность паузы между циклами срабатывания задаются устройством 25 управления.
Дыхательная активность дрожжей, в процессе сбраживания сахара, зависит от физиологического и морфологического состояния дрожжей, доступности сбалансированного питания и концентрации в рабочей среде продуктов метаболизма. По указанной причине, расход отходящих газов протекающих через датчик интенсивности брожения 7, достигнув своего максимума, начинает падать и достигает заданного значения. При достижении заданного значения расхода газа, устройством 25 управления включается дозатор 18 и в аппарат 1 вносится добавочная порция раствора сахара, что интенсифицирует ферментативную и дыхательную активности дрожжей и повышение расхода газа протекающего через датчик интенсивности брожения 7. Повышение расхода газа выше заданного значения, выключает работу дозатора 18 и выдерживается пауза до очередного снижения расхода газа, что позволяет реализовать автоматическое
управление процессом брожения по обратной электронной связи через датчик интенсивности брожения 7 и дозатор 18.
Для предотвращения накопления оседающей биомассы и продуктов распада стареющих дрожжевых клеток в бражке, периодически, по заданному алгоритму закрывается и открывается клапан 16. При закрытом клапане 16 в аппарате 1 повышается давление парогазовой смеси, что интенсифицирует слив осевшей биомассы из аппарата 1 в камеру 2 через отверстие, образованное дном аппарата 1 и перегородкой 14. При открытом клапане 16 проток парогазовой смеси по трубопроводу 17 восстанавливается.
Установка для непрерывного производства спиртосодержащей жидкости обладает существенными преимуществами перед известными аналогами:
- производство спиртосодержащей жидкости проводят в условиях непрерывного отвода из бражки токсичных продуктов синтеза спирта, что позволяет существенно повысить асептическую надежность установки;
- отработанные дрожжи периодически замещают маточными дрожжами, что позволяет стабилизировать заданные условия сбраживания сахара и повысить производительность установки;
- сливаемую бродильную среду предварительно освобождают от спирта, что позволяет существенно сократить содержание спирта в отходах производства;
- дистилляцию проводят непрерывно в замкнутом контуре принудительного перемещения парогазовой смеси через все стадии бродильного процесса, что позволяет исключить локализацию токсичных продуктов и тем самым, интенсифицировать условия ферментативного синтеза спирта;
- отработанные, осевшие дрожжи выводят из бражки в виде концентрированной суспензии, образованной в придонном слое бродильного аппарата, что предотвращает накопление в бражке токсичных продуктов распада дрожжей утративших ферментативную активность;
- применение датчика интенсивности брожения расхода газа, например по измерениям дыхательной активности дрожжей, и внесения в бродильную среду питательных добавок по обратной электронной связи, позволило стабилизировать бродильный процесс на высокопроизводительном уровне и реализовать управление установкой.