Основные экологические проблемы при утилизации отходов спиртового производства и пути их решения

ОХРАНА

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

УДК 663.5

Основные экологические проблемы при утилизации отходов спиртового производства и пути их решения

А.Н. Долгов,

соискатель

ОАО «Новопесчанское», Белгородская обл.

Г.В. Агафонов,

д-р техн. наук; Н.В. Зуева,

канд. техн. наук Воронежский государственный университет инженерных технологий

Анализ состояния отечественных спиртовой и пивоваренной отраслей показывает, что на данном этапе основным сдерживающим фактором существенного повышения рентабельности производства является проблема утилизации отходов. Для ее решения актуальна разработка технологий, основанных на комплексных экологичных, энерго- и ресурсосберегающих схемах переработки зернового сырья [1].

Поэтому переработка основных отходов спиртового производства,

Зерно

Отруби

Зародыш

Мука

Зародышевое масло

Получение витаминов E, PP, группы B

t 1

Крахмальное молоко Глютен

Дрожжи

Зрелая Жидкая

бражка углекислота

Белковая добавка

Барда

Этанол

Концентрат

Фугат

Поля фильтрации

Голо фра вная кция Сиву фра шная ция

4 > Г

Производство клеев, стеклоочистителей, моющих средств

Рис. 1. Блок-схема производства этанола

основанная на глубокой биоконверсии основных нутриентов зернового сырья, с получением белковых добавок является важной задачей для предотвращения загрязнения окружающей среды и обеспечения кормовой базы сельскохозяйственного комплекса. Создание ресурсосберегающей технологии для утилизации отходов спиртовой отрасли станет значительным вкладом в обеспечение экологической безопасности и охраны окружающей среды.

Твердые и жидкие отходы бродильных производств могут рассматриваться как вторичные материальные ресурсы (BMP), так как в них содержатся белковые и минеральные вещества, углеводы и витамины. До настоящего времени объемы утилизации этих отходов в нашей стране были невелики, несмотря на то что в них содержится до 25% питательных веществ исходного сырья.

Целью работы является разработка безотходной ресурсосберегающей экологически безопасной технологии, предусматривающей глубокую переработку зернового сырья с дальнейшей утилизацией отходов бродильных производств в пищевые и кормовые добавки с получением ценных в пищевом отношении компонентов: пищевых волокон, белков, аминокислот и витаминов.

На рис. 1 представлена блок-схема спиртового производства с отходами, образующимися на различных стадиях технологического процесса.

Все продукты, получаемые в результате внедрения предложенной технологии, являются конкурентоспособными на внешнем рынке и обеспечат снижение импорта таких продуктов,

60 ПИВО и НАПИТКИ

4 • 2014

как клеиковина, мальтозная и глюкоз-ная патока, фруктоза, пищевые и кормовые добавки на основе аминокислот и витаминов.

Работа представляет энергосберегающую и безотходную технологию производства высокобелковых кормовых продуктов в сухом виде при ком-плекснои переработке зернового сырья. Реализация такоИ технологии позволит обеспечить экологичность спиртового производства и дополнительно получить кормопродукты с заданным белковым и углеводным составом, которые можно использовать на корм крупного рогатого скота, а также при производстве сухих кормов домашним животным (собакам, кошкам и др.).

Общее количество отходов и вторичного сырья пищевых производств России ежегодно составляет более 20 млн т, около половины этого количества приходится на ресурсы зерно-перерабатывающеи промышленности. Принимая выход целевых продуктов биоконверсии в среднем 70% массы исходного сырья, получим среднегодо-воИ ресурс около 15 млн т (по сухому веществу) кормовых добавок, обогащенных биологически активными веществами — белками, витаминами, ферментами, а также легкоусвояемыми формами углеводов [2].

Утилизация отходов бродильных производств требует решения комплекса экологических, экономических и технологических проблем.

В настоящее время предприятия пивоваренноИ, спиртовой, винодельческой и безалкогольной промышленности являются источниками значительного количества отходов органического происхождения. Эти отходы представляют собой ценный кормовой продукт, однако, быстро разлагаясь, становятся непригодными для дальнейшего использования и утилизируются с нарушением санитарно-эпидемиологических требований.

В настоящее время острой экологической и, следовательно, экономической проблемой в спиртовой промышленности России является утилизация образующихся отходов и побочных продуктов при производстве этилового спирта из зернового сырья. К ним главным образом относятся послеспиртовая зерновая барда, углекислота, эфироальдегидная фракция и сивушные масла. Основным видом отхода в спиртовом производстве является послеспиртовая барда, образующаяся после перегонки бражки

и отделения спирта и представляющая собой взвесь, состоящую из 72% растворимой и 28% нерастворимой (дробина) фракций. В производстве спирта на 1 л спирта приходится в зависимости от технологии 10-15 л барды. В России послеспиртовая барда ежегодно образуется в значительных количествах (около 10 млн т). Для спиртового завода мощностью 3000 дал спирта в сутки количество барды составляет порядка 300-350 м3/ сут. Такое количество сложно переработать, не имея комплексной технологии [1, 5].

Традиционно спиртовая барда используется в сыром виде (жидкая и твердая фракции) на корм скоту, поскольку благодаря высокому содержанию белков, клетчатки, углеводов и микроэлементов является ценным сырьем для производства кормов.

Вследствие низкого содержания сухих веществ (4,7%) применение ее в натуральном виде малоэффективно. Кроме того, транспортировка жидкой барды экономически невыгодна, а малый срок ее хранения (1-2 сут) и неравномерность потребления в течение года вызывают необходимость либо направлять барду на очистные сооружения, либо сливать на поля орошения и в водоемы, что приводит к загрязнению воздушного и водного бассейнов. Общее количество объема таких стоков по стране составляет более 100000 м3/сут. Общее количество отходов при получении спирта из крахмалистого сырья — 30-35% массы сырья.

Исходя из процентного выхода основных отходов в бродильной промышленности, а также степени их тех-ногенности, в массовом производстве наиболее значимыми с точки зрения экологической безопасности являются пивная дробина и послеспиртовая барда.

Производство этилового спирта и количество основных отходов спиртового производства в 2013 г. представлены ниже [3]:

• объем производимого спирта — 47 млн дал;

• количество послеспиртовой барды — 705 млн дал;

• количество барды в пересчете на сухое вещество — 105,8 млн кг;

• количество дрожжей после сепарации (75%-ная влажность) — 94 млн кг. Таким образом, проблема рационального использования отходов спиртовой отрасли, в частности спиртовой барды, имеет два взаимосвязанных аспекта — экономический и экологический.

Блок-схема комплексной безотходной технологии, предусматривающей глубокую переработку зернового сырья с получением нескольких конечных продуктов, представлена на рис. 2.

Освобожденное от примесей увлажненное зерновое сырье дробят и просеивают на трехпозиционном рассеве, отделяя отруби. При этом проход через сита диаметром 0,16-0,25 мм должен составлять 85-100%. Полученную муку смешивают с подогретой до 50 °С водой в определенном соотношении, в суспензию вносят целлюлолитический ферментный препарат, содержащий в своем составе в-глюканазу, ксилана-зу и целлюлазу, обеспечивающие эффективный гидролиз некрахмальных полисахаридов: целлюлозы и гемицел-люлозы, а также оболочек и клеточных стенок сырья.

Внесение ферментного препарата обеспечивает более глубокое протекание и ускорение процесса гидролиза крахмала амилолитическими ферментами, а также дополнительное образование сбраживаемых сахаров массой более 0,2% в результате гидролиза некрахмальных углеводов. Полученный замес подвергают гомогенизации, после чего полученную суспензию в гидроциклонах разделяют на два потока. Первый поток содержит А-крахмал и пищевые волокна, второй поток содержит глютен, В-крахмал, пентозаны и растворимые белки.

А-крахмал промывают, глютен и В-крахмал разделяют с одновременной промывкой на барабанных ситах, выделенный глютен направляют на сушку, А-крахмал соединяют с В-крахмалом, полученный замес с содержанием сухих веществ 24 мас.% разваривают и осахаривают, сусло сбраживают, из зрелой бражки сепе-рацией выделяют дрожжи, смешивают их с отрубями, сушат, гранулируют и используют в качестве белковой добавки к кормам, обездрожженную бражку направляют на получение этилового спирта, барду используют в качестве удобрения, выливая на поля фильтрации. При необходимости (при повышенных показателях ХПК и БПК в барде) предусмотрено мембранное разделение барды на фильтрат и концентрат. Использование мембранного разделения послеспиртовой барды позволяет сконцентрировать белковые вещества в концентрате, а также получить пермеат с ХПК и БПК, удовлетворяющий требованиям для слива в канализацию [4-6].

4 • 2014

ПИВО и НАПИТКИ 61

Зерно пшеницы

1 Г

Многост очи адийная стка

1 г

Увлаж острым нение паром

> г

Вальцевы е станки

1 г

3-позиционный рассев

Вода

ФП

Мука ^ < 13,5 %; глютен >12,6 % Кр >68 %)

Отлежка муки

Тестосмеситель '

Вода

Вода

Гидроциклон

Гомогенезатор

Промывка и концентрация А-крахмала

Вода

А-крахмальное молоко

Резервуар для крахмального молока А+В

Барабанные сита

Промывка и концентрация В-крахмала

Промежуточный сборник

Дробление, просеивание, взвешивание, упаковка

Сушка глютена

Мокрый глютен

Барда

Разваривание,

осахаривание

Сбраживание

Зрелая бражка

Перегонка и ректификация

Этанол

Сепарация

ФП

Дрожжи

Отруби

Рис. 2. Блок-схема получения этанола, глютена и обогащенной белковой добавки

Смешивание, сушка и грануляция дрожжей и отрубей

Обогащенная белковая добавка

Высушенный глютен представляет собой сыпучий продукт с влажностью не более 7%, содержанием белка не менее 75%, зольностью менее 1 % и содержанием жира менее 1,25%.

Суспензия, полученная после смешивания А-крахмала и В-крахмала, содержит 24% сухих веществ. Крахмал в смеси частично деструктурирован, что повышает его ферментативную атакуемость и, как следствие, приводит к экономии ферментных препаратов в технологии получения этилового спирта на стадиях замеса и осахарива-ния.

Кроме того, крахмальное сусло содержит водорастворимые фракции белка, в том числе аминокислоты, витамины, макро- и микроэлементы, что интенсифицирует процесс брожения сусла, так как дрожжи получают дополнительное азотное питание.

Гранулированная белковая добавка с влажностью 8-10%, полученная при смешивании отрубей с дрожжами, обогащена легкоусвояемым белком (содержание протеина не менее 25%).

В результате реализации предложенной технологии сельскохозяйственные предприятия региона будут обеспечены высококачественным белковым кормо-продуктом (в 1 т которого содержится 70-80 кормовых единиц. При этом содержание протеина — 20-25%, легко-переваримых углеводов — 25-30%), а мембранное разделение барды позволит практически полностью исключить выбросы и возвратить часть очищенной воды в технологический рецикл. Также будет обеспечена полная экологическая безопасность производства за счет снижения выбросов диоксида углерода, обеспечения цикла полного оборотного водоснабжения и глубокой переработки отходов в целевые продукты. Технология изначально направлена на максимальную глубину переработки зернового сырья, снижение энергоемкости производства и высокий уровень автоматизации.

На сегодняшний момент есть два основных показателя, которые делают привлекательной глубокую комплексную переработку зерна пшеницы с выделением глютена и крахмала для даль-

нейшей переработки, в том числе и выработки этанола из В-крахмала. С одной стороны, масштабная промышленная переработка зерна создает новые рабочие места в сельских областях, с другой — комплексная и глубокая переработка зерна с использованием всех его составляющих частей может резко повысить экономическую эффективность производства и выручку от нескольких продуктов. К ним относятся отруби, нативный крахмал, глюкозно-фруктозный сироп или маль-тозная патока, глютен (клейковина) и, наконец, спирт питьевой или топливный этанол, технический спирт — как сырье для производства автомобильных шин, а также биодизель в виде ЕЕНV (этиловый эфир растительного масла), бутиловый спирт, изобутилен для антидетонационной добавки в бензин этил-трет-бутилового эфира ЭТ-БЭ / ЕТВЕ, сухая барда DDGS и углекислый газ, сухой лед или витамин роста В12. Выручка от их продажи может во много раз превысить доход от продажи лишь одного целевого продукта — спирта.

62 ПИВО и НАПИТКИ 4 • 2014

Эффективность производства пищевого спирта можно значительно повысить установкой линии по извлечению клейковины на существующих спирт-заводах. Преимущества очевидны: во-первых, будет получен ценнейший продукт — нативная пшеничная клейковина; во-вторых, после извлечения белковой составляющей пшеницы появляется возможность увеличить производительность спиртового производства на 8-12% (по массе извлеченной клейковины) [7].

Таким образом, установлено, что внедрение глубокой переработки зернового сырья при получении этилового спирта позволит:

• получить дополнительно сухой глю-тен с содержанием белка не менее 75%, используемый в ряде пищевых производств в качестве улучшителя или компонента при производстве хлебобулочных, кондитерских, мясных и других изделий;

• получить обогащенную легкоусвояемым протеином белковую добавку, применяемую для кормовых целей;

• интенсифицировать процесс сбраживания сусла, так как в составе сырья используют крахмальную суспензию, обогащенную сбраживаемыми сахарами, аминокислота-

ми, витаминами, макро- и микроэлементами;

• сохранить нормативные показатели по выходу спирта из 1 т условного крахмала за счет вывода из технологического процесса фракций зерна, препятствующих доступности крахмала, что приводит к возможности снижения температурных параметров на стадии подготовки сырья;

• снизить себестоимость этилового спирта за счет рационального использования всех компонентов основного сырья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зуева, Н.В. Разработка комплексных ресурсосберегающих технологий утилизации отходов бродильных производств/Н. В. Зуева, А. Н. Долгов, Г. В. Агафонов // Материалы Международной науч.-техн. конф. «Инновационные технологии в пищевой промышленности: наука, образование и производство». — 3—4 декабря 2013 г. — С. 565—570.

2. Зуева, Н.В. Сравнительный анализ технологий по утилизации отходов на спиртовых и пивоваренных заводах/Н. В. Зуева, А. Н. Долгов, Е В. Агафонов // Материалы Международной науч.-практ. конф. «Перспективы развития науки и образования». — 29 ноября 2013 г. — в 7 частях, ч. 4. — М., 2013. — С. 46-47.

3. Рынок этилового спирта 2013. Размер рынка этилового спирта, его структура и темпы роста // Вестник USF. — 2014. — № 1. — С. 3-5.

4. Зуева, Н.В. Изучение изменения состава белковых фракций послеспиртовой барды в процессе ультрафильтрации/ Н. В. Зуева, Г. В. Агафонов, Е. А. Кровопускова // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. «Вузовская наука Северо-Кавказскому федеральному округу»: сб. статей. Т. 3. — Пятигорск, 2013. — С. 34-38.

5. Долгов, А.Н. Разработка технологии утилизации жидкой фазы послеспиртовой барды с использованием мембранных методов/А. Н. Долгов, Н. В. Зуева // Материалы IV Международной науч.-практ. конф. «Сельскохозяйственные науки и агропромышленный комплекс на рубеже веков». — 20 декабря 2013 г. — Новосибирск, 2013. — С. 51-54.

6. Зуева, Н.В. Изучение количественного и качественного белкового состава послеспиртовой зерновой барды/Н. В. Зуева, Г. В. Агафонов, Л. В. Клинова, А. Н. Долгов // Производство спирта и лекероводочных изделий. — 2013. — № 4. — С. 30-33.

7. Долгов, А. Н. Особенности глубокой переработки зернового сырья в спиртовой промышленности/А. Н. Долгов, Н. В. Зуева // Материалы XIX Всероссийской науч.-практ. конф. «Стратегия устойчивого развития регионов России». — 21 февраля 2014 г. — Новосибирск, 2014. — С. 96-98. <ST

Основные экологические проблемы при утилизации отходов спиртового производства и пути их решения

Ключевые слова

барда; глютен; кормовая добавка; отходы; утилизация. Реферат

Целью работы является разработка безотходной ресурсосберегающей экологически безопасной технологии, предусматривающей глубокую переработку зернового сырья с дальнейшей утилизацией отходов бродильных производств в пищевые и кормовые добавки с получением ценных в пищевом отношении компонентов: пищевых волокон, белков, аминокислот и витаминов. В результате реализации предложенной технологии сельскохозяйственные предприятия региона будут обеспечены высококачественным белковым кор-мопродуктом (в 1 т которого содержится 70-80 кормовых единиц. При этом содержание протеина — 20-25 %, легкопереваримых углеводов — 25-30 %), а мембранное разделение барды позволит практически полностью исключить выбросы и возвратить часть очищенной воды в технологический рецикл. Также будет обеспечена полная экологическая безопасность производства за счет снижения выбросов диоксида углерода, обеспечения цикла полного оборотного водоснабжения и глубокой переработки отходов в целевые продукты.

Авторы

Долгов Александр Николаевич, технический директор ОАО «Новопесчанское»

Белгородская обл., Старооскольский р-н, с. Песчанка, ул. Заводская, д. 10 Агафонов Геннадий Вячеславович, д-р техн. наук, профессор; Зуева Наталья Владимировна, канд. техн. наук, доцент Воронежский государственный университет инженерных технологий 394036, г. Воронеж, пр. Революции, 19

Main Environmental Problems and Solusions in Recycling Alcohol Production Waste

Key words

distillery dregs; gluten; supplement; waste; utilization. Abstract

The aim is to develop a resource-saving environmentally friendly waste-free technology, which provides deep processing of grain material with the further utilization of waste fermentation industries in the food and feed additives to obtain a nutritionally valuable components: dietary fiber, protein, amino acids and vitamins.

As a result of the proposed technology, agricultural enterprises in the region will be provided with high-quality protein feedstuff (OPF per ton of feed which contains 70-80 units. This protein content of 20-25%, easily digestible carbohydrates 25-30%), and membrane separation bards allow almost completely eliminate emissions and recover some of the treated water is recycled into the process. Will also be provided full environmental safety of production by reducing carbon dioxide emissions, providing full cycle of water recycling and waste deep into the target products.

Authors

Dolgov Alexandr Nikolaevich, Technical Director Novopeschanskoye

10 Zavodskaya st., Peschanka, Starooskolskiy district, Belgorod region, Russia Agafonov Gennadiy Viacheslavovich, Doctor of Technical Science, Professor; Zueva Natalia Vladimirovna, Candidate of Technical Science, Associate Professor Voronezh State University of Engineering Technologies 19 Revolutsii pr., Voronezh, 394036, Russia

4 • 2014 ПИВО и НАПИТКИ 63