Использование гидродинамической мельницы на стадии подготовки сырья при производстве спирта

УДК 664.73

М. Г. Кузнецов, В. В. Харьков, И. С. Докучаева

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ МЕЛЬНИЦЫ НА СТАДИИ ПОДГОТОВКИ СЫРЬЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СПИРТА

Ключевые слова: этанол, подготовка сырья, рожь, мокрое измельчение, гидродинамическая мельница.

Исследована возможность использования зерна ржи в спиртовом производстве с использованием гидродинамической мельницы при условии соблюдения таких основных параметров при ведении технологического процесса как температура и рН. Предложена технологическая схема переработки ржи, где на стадии подготовки сырья вводится стадия мойки зерна с одновременным разделением зерна на три фракции и сухое измельчение зерна в молотковых дробилках заменяется на мокрое предварительное измельчение.

Keywords: ethanol, raw material treatment, rye, wet grinding, hydrodynamic mills.

Possibility of using rye in the ethanol production has been investigated using the hydrodynamic mills where they met such technological conditions as temperature and pH. The authors present the flow sheet for the rye processing which makes use of the grain washing with the simultaneous grain separation to three fractions and dry grinding in the hammermills substituted by wet grinding.

В спиртовом производстве основным видом сырья служит пшеница. Важным фактором в проблеме расширения сырьевых ресурсов выступает разработка технологии использования ржи, так как это наиболее распространенное и доступное зерновое сырье. Согласно литературным данным, из существующих видов крахмалсодержащего сырья, используемого в производстве этилового спирта, рожь имеет самую низкую рыночную цену. В структуре себестоимости спирта 60-70% затрат приходится на сырье [1]. Поэтому при использовании ржи в качестве сырья себестоимость спирта снижается на 2030%. Но использование ржи имеет и свои минусы. Традиционно на Российских спиртзаводах рожь стараются не перерабатывать отдельно вследствие ее специфического строения и химического состава, приводящего к образованию сред с повышенной вязкостью и затруднению дальнейшей переработки. Анализ химического состава ржи показывает наличие в ней слизей (2-3% к массе сухих веществ зерна), 94% из которых составляют пентозаны. При переработке ржи, т.е. зерна, содержащего большое количество растворимых, но несбраживаемых веществ, качественные показатели зрелой бражки снижаются. При этом обнаруживается повышенное содержание несброженных углеводов (сахаров) в зрелой бражке за счет накопления несбраживаемых дрожжами р-глюканов и других продуктов гидролиза гемицеллюлоз.

В связи с развитием тенденции перехода технологии спирта на низкотемпературные режимы гидроферментативной обработки сырья особенно актуальным становится вопрос переработки зерна ржи в мягких условиях [2]. Нами исследована возможность использования ржи в спиртовом производстве с использованием гидродинамической мельницы при условии соблюдения таких основных параметров при ведении технологического процесса как температура и рН и предложена технологическая схема переработки зерна ржи в спиртовом производстве. В классической технологии производства спирта не создаются оптимальные условия для действия ржаной амилазы (температура 50-55 °С,

рН 4,7-5,0), так как температура замеса быстро поднимается до 80-85 °С. Вследствие этого при переработке зерна ржи требуется несколько увеличенный расход ферментов. Зерно ржи содержит все необходимые энзимы для ферментативного гидролиза крахмала. Как технологический показатель очень важна температура клейстеризации крахмала ржи, так как если она оказывается ниже температуры инактивации собственных амилаз зерна, то создается возможность быстрого самоосахаривания (собственные гидролазы зерна показывают оптимум температуры в пределах 40-60 °С).

Технология предусматривает измельчение зерна на молотковой дробилке, смешивание с водой и ферментными препаратами в смесителе-дозаторе шнеко-вого типа. Доброкачественный замес обеспечивает получение однородной консистенции без образования комков, так как эти включения не провариваются, являются причиной потерь сбраживаемых веществ и служат источниками инфекции. Далее масса равномерно подается в гидродинамическую мельницу для сверхтонкого диспергирования, где происходит гомогенизация с эффективным экстрагированием и растворением крахмала зерна [3]. Благодаря тонкому помолу твердых частиц (95-97% проходит через сито № 1) готового замеса, подвергшегося гидродинамическому воздействию и невысокой температуре 68-70 °С образуются благоприятные условия для активного функционирования, как собственных ферментов зерна, так и дополнительно введенных бактериальных, вследствие чего происходит начальное (частичное) осахаривание уже на стадии подработки зернового замеса и крахмал расщепляется до сбраживаемых сахаров. На осахаривание требуется значительно уменьшенный расход осахаривающих материалов (ферментов), так как происходит активированный гидролиз механоакустическими воздействиями. Измельчение, разваривание и частично осахари-вание происходят в одном аппарате. При внесении разжижающих ферментов и химических эмульгаторов в воду, подаваемую на замес и пропускании водно-зерновой смеси через гидродинамическую мельницу, снижается вязкость замеса [4].

Благодаря этому появляется возможность повысить концентрацию сухих веществ в сусле до 1920% у пшеницы (против обычной 14-15%). При такой концентрации крепость бражки возрастает до 10-11% (против обычной 7,0), что позволяет снизить энергозатраты на брагоректификацию (до 30%). Тонкий помол (95-97%) готового замеса, прошедшего гидродинамическую мельницу, предотвращает развитие инфекции, несмотря на то, что температура варки не превышает 70 °С. Происходит снижение уровня инфицированности сусла, что также снижает потери спирта. По данным завода предложенная

схема обеспечила увеличение выхода спирта с 1 т условного крахмала на 0,5 %.

Для спиртзаводов разрабатывается модернизированная технологическая схема (рис. 1) целью которой является снижение содержания минеральных примесей в поступающем зерне. Для этого в существующие схемы вводится стадия мойки зерна с одновременным разделением зерна на три фракции:

- собственно само зерно;

- тяжелые минеральные примеси;

- легкие, всплывающие примеси (шелуха зерна и соломистые включения).

Рис. 1 - Схема модернизации стадии подготовки зерна к развариванию при производстве спирта: 1 — сепаратор; 2 — вентилятор; 3 — циклон; 4 — бункер мелких примесей; 5 — бункер крупных примесей; 6 — элеватор; 7 — конвейер винтовой; 8 — бункер зерновой; 9 — машина для мойки и очистки; 10 — смеситель-дозатор; 11 — гидродинамическая мельница; 12 — чан замеса; 13 — мельница окончательного измельчения; 14 — пароконтактная головка; 15 — аппарат гидродинамической обработки; 16 — аппарат разваривания; 17 — коллектор острого пара; 18 — паросепаратор; 19 — насос плунжерный

Уменьшение засоренности зерна примесями повышает общую долю крахмала в замесе. По новой схеме заменяется сухое измельчение зерна в молотковых дробилках на мокрое предварительное измельчение. Такая замена позволяет исключить опасную стадию, сопровождающуюся образованием пы-левоздушной смеси, что снижает категорию опасности производства. Дублированное мокрое измельчение увеличивает как степень измельчения зерна, так

и время самой стадии разваривания, при остающейся не измененной общей продолжительности процесса.

Применение модернизированной схемы подготовки зерна позволит значительно снизить как материальные затраты на производство спирта по стадии подготовки сырья, так и повысить качество получаемой продукции.

Литература

1. Д. В. Тунцев, И. Н. Ковернинский, Ф. М. Филиппова, Р. Г. Хисматов, М. Р. Хайруллина, И. Ф. Гараева, Вестник Казанского технологического университета, 17, 15, 192194 (2014).

2. М. Г. Кузнецов, П. К. Кириллов. Подготовка сельскохозяйственного сырья для спиртового производства с

использованием конической мельницы, Фэн, Казань, 2004, С. 701-703.

3. М. Р. Вахитов, Е. Г. Хакимова, А. В. Толмачева, М. Г. Кузнецов, А. Н. Николаев, Вестник Казанского технологического университета, 18, 20, 57-60 (2015).

4. М. Г. Кузнецов, И. А. Шарапов, А. О. Панков, А. Н. Николаев, Механизация и электрификация сельского хозяйства, 11, 34-36 (2007).

© М. Г. Кузнецов, к.т.н., доцент кафедры оборудования пищевых производств ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», opp-max@yandex.ru; В. В. Харьков, ассистент каф. ОПП КНИТУ, v.v.kharkov@gmail.com; И. С. Докучаева, к.т.н., доцент каф. ОПП КНИТУ, 183561@mail.ru.

© M. G. Kuznetsov, Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, Kazan National Research Technological University, opp-max@yandex.ru; V. V. Kharkov, Assistant Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU, v.v.kharkov@gmail.com; I S. Dokuchaeva, Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU, 183561@mail.ru.