способ производства этилового спирта

Формула изобретения

1. Способ производства этилового спирта, включающий измельчение крахмалосодержащего сырья, приготовление его водной суспензии, тепловую обработку суспензии, осахаривание полученной массы ферментным препаратом, охлаждение полученного сусла, сбраживание сусла и перегонку образующейся бражки, отличающийся тем, что водную суспензию измельченного крахмалосодержащего сырья подвергают диспергированию при 60 - 65^oC в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и вращающимся ротором при значениях градиента скорости от 3,5 10⁵ м/см до 4,5 10⁵ м/с м, после чего водно-тепловую обработку образовавшейся массы проводят при 80 - 90^oC в течение 20 - 30 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диспергирование водной суспензии в роторно-пульсационном аппарате осуществляют в условиях воздействия на нее резонансных колебаний ротора и статора, которые определяют по значению максимальной амплитуды звуковых колебаний.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к способам производства этилового спирта из крахмалосодержащего сырья.

Известен способ производства этилового спирта, предусматривающий измельчение крахмалосодержащего сырья, смешивание его с водой, подваривание, разваривание водно-зерновой суспензии при 140-150^oC, охлаждение полученной массы с последующим ее осахариванием ферментами солода [1].

Недостатками известного способа являются высокая температура стадии разваривания сырья, а также неполнота осахаривания крахмала при использовании солода, что приводит к потерям сбраживаемых сахаров, а вследствие этого - к уменьшению выхода спирта.

Наиболее близким к предложенному является способ производства этилового спирта, включающий измельчение крахмалосодержащего сырья, смешивание с водой и приготовление его водной суспензии, тепловую обработку суспензии, а именно предварительный нагрев

суспензии при 40-45^oC и ее высокотемпературное разваривание при 135-150^oC и давлении 0,6 МПа в течение 40-60 минут, охлаждение и осахаривание полученной массы ферментными препаратами, охлаждение и сбраживание сусла, перегонку образующейся бражки [2].

В соответствии с известным способом достигается полное осахаривание крахмала ферментными препаратами, при этом выход этилового спирта не превышает 65,5 дал с 1 тонны условного крахмала сырья.

К недостаткам известного способа относится низкий выход спирта, потери которого обусловлены потерями сбраживаемых сахаров за счет протекания с их участием на стадии разваривания высокотемпературных процессов с образованием карамелей и меланоидинов [3] . Кроме этого, этиловый спирт, полученный по известной технологии, характеризуется низким качеством из-за наличия больших количеств примесей (сивушных масел, альдегидов и др.),

образующихся в результате химических превращений веществ сырья под влиянием высокой температуры [3].

Целью изобретения является увеличение выхода спирта и улучшение его качества.

Поставленная цель достигается тем, что в способе производства этилового спирта, включающем измельчение крахмалосодержащего сырья, приготовление его водной суспензии, тепловую обработку суспензии, осахаривание полученной массы ферментными препаратами,

охлаждение сусла, сбраживание сусла и перегонку образующейся бражки, водную суспензию измельченного крахмалосодержашего сырья подвергают диспергированию при температуре 60-65^oC в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и вращающимся ротором при значениях градиентов скорости от 3,5 10⁵ м/см до 4,110⁵ м/см в условиях воздействия на нее резонансных колебаний ротора и статора, после чего тепловую обработку образующейся массы проводят при температуре 80-90^oC в течение 20-30 минут.

На чертеже изображен элемент зазора между статором и ротором, где 1 - ротор, 2 - статор, - зазор между ротором и статором, - угловая скорость вращения ротора, при этом P-W_p-O - эпюра скоростей движения жидкотекучей среды между ротором и статором.

Градиент скорости (W) определяется по расчетной формуле:



где W_p - линейная скорость вращения ротора,

W_с = 0 - скорость вращения статора (неподвижен),

- величина зазора между ротором и статором.

При постановке в приведенную выше расчетную формулу величины скорости вращения ротора, величины зазора и диаметра ротора и статора получают значение минимального и максимального градиентов скорости. При этом по предлагаемому способу обработку водной суспензии сырья проводят, например, при следующих значениях величин (см. табл.1).

Осуществление процесса производства спирта по предложенному способу с указанными величинами градиента скорости от 3,510⁵м/см до 4,110⁵ м/см позволяет снизить тепловой режим обработки крахмалосодержащего сырья с 135-150^oC до 80-90^oC. При этом практически исключаются потери сбраживаемых сахаров, что приводит к увеличению выхода спирта. Кроме того, снижение температуры тепловой обработки сырья приводит к улучшению качества получаемого спирта.

Реализация предложенного способа с наибольшей эффективностью достигается, если диспергирование водной суспензии крахмалосодержащего сырья при 60-65^oC проводят при указанных выше величинах градиента скорости между статором и ротором роторно-пульсационного аппарата в условиях воздействия на нее резонансных колебаний ротора и статора, которые определяют, например, по значению максимальной амплитуды звуковых колебаний (максимального уровня звука по вибродатчику).

Согласно предложенному способу процесс диспергирования водной суспензии крахмалосодержащего сырья осуществляли в роторно-пульсационном аппарате, который содержит корпус, выполненный в виде улитки с входным, расположенным по оси, патрубком, и выходным, расположенным тангенциально, патрубком. В корпусе на валу установлен ротор, выполненный в виде диска, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры с прорезями. Ротор с двух сторон охватывает статор, при этом ротор и статор установлены с возможностью совершать резонансные колебания различной частоты и амплитуды. На торцах статора, обращенных к ротору, установлены коаксиальные цилиндры с проточными каналами.

Устройство работает следующим способом.

Обрабатываемая водная суспензия сырья через входной патрубок поступает в корпус. Вращающийся вместе с валом ротор прокачивает суспензию через ступени ротор-статор. Протекая в каналах ротора и статора, в зазорах между ротором и статором, водная суспензия подвергается процессам диспергирования, гомогенизации. При этом наибольшая эффективность этих процессов достигается при осуществлении ротором и статором резонансных колебаний, что обеспечивается подбором скорости вращения ротора, его диаметра и зазора между ротором и статором.

Такой роторно-пульсационный аппарат раскрыт в международной заявке [4].

Пример 1.

Процесс получения этилового спирта по примерам 1-4 осуществляли на Усадском спиртовом заводе Республики Татарстан по непрерывной схеме производства с производительностью 2000 дал в сутки.

В качестве исходного крахмалосодержащего сырья использовали зерно ржи с крахмалистостью 53,76%.

Измельченное на молотковой дробилке зерно ржи - мучку в количестве 35,6 т непрерывно смешивали с водой в соотношении 1: 3,5-4 в чанке замеса (смеситель-предразварник) при температуре 40-45^oC с внесением 0,25 кг/ч фермента амилосубтилина ГЗх для предварительного разжижения. Из смесителя предразварника водно-зерновую суспензию подавали насосом с производительностью 10 м³/ч в накопительную емкость, где она подогревалась до 60-65^oC. Из накопительной емкости суспензия поступала в роторно-пульсационный аппарат, в котором диспергировалась в зазорах между вращающимся ротором и статором при значении градиента скорости 3,510⁵ м/см при скорости вращения ротора 750 об/мин, диаметре ротора 178 мм, величине зазора 210^-5 м. Указанные рабочие параметры роторно-пульсационного аппарата обеспечивали протекание процесса диспергирования водной суспензии сырья в условиях воздействия на нее резонансных колебаний ротора и статора, которые определяли по значению максимальной амплитуды звуковых колебаний, а именно по максимальному значению уровня звука по вибродатчику (измеритель шума и вибраций ВШВ 003 М2), равному 101 децибелу (ДБа).

Обработанная в роторно-пульсационном аппарате суспензия с производительностью 10-11 м³/ч поступала в приемную емкость, из которой ее передавали насосом на тепловую контактную головку варочной станции, в которой полученная масса нагревалась, а затем выдерживалась 20 минут при 90^oC для пастеризации. Прошедшую тепловую обработку массу подавали в вакуум-испаритель-осахариватель, где проходило ферментативное разложение крахмала ферментами амилосубтилин ГЗх (скорость подачи 1,5 кг/ч). Далее осахаренное и охлажденное сусло общим объемом 200 м³ перекачивали в бродильные чаны, в которые в соответствии с принятой технологией непрерывного сбраживания подавали засевные дрожжи (производственный штамм Y 1986). По завершении процесса брожения (72 часа), на брагоректификационной установке (БРУ) производили отгонку образовавшегося спирта, скорость которой составляла 80 дал/ч, что соответствовало отгонке спирта качества (по ГОСТ 5964-93) "Спирт высшей очистки".

Выход этилового спирта составил 1377 дал или 71,6 дал с 1 т крахмала сырья. Результаты испытаний спирта на соответствие показателям ГОСТ приведены в табл. 2 в конце описания.

Пример 2.

Использовали зерно ржи с крахмалистостью 54,86 %.

Процесс получения этилового спирта из 40,0 т ржи вели по технологии примера 1, однако диспергирование водной суспензии сырья в роторно-пульсационном аппарате осуществляли в зазоре между статором и ротором при значении градиента скорости 4,110⁵ м/см в условиях акустического воздействия на нее резонансных колебаний ротора и статора при скорости вращения ротора 1750 об/мин, диаметре ротора 90 мм, величине зазора между ротором и статором 210^-5 м, при максимальном значении уровня звука 98 Дба, при этом тепловую обработку полученной массы проводили в течение 30 минут при температуре 80^oC.

Выход этилового спирта составил 1527 дал или 69,6 дал с 1 т крахмала сырья.

Результаты испытаний спирта на соответствие показателям ГОСТ приведены в табл. 2.

Пример 3.

Использовали зерно ржи с крахмалистостью 55,55%.

Процесс получения этилового спирта из 38.14 т зерна ржи вели по технологии примера 2, однако, диспергирование водной суспензии зерна в роторно-пульсационном аппарате осуществляли в зазоре между ротором и статором при значении градиента скорости 3,010⁵ м/см (скорость вращения ротора - 1280 об/мин, диаметр ротора - 90 мм, величина зазора - 210^-5 м) путем двухкратной рециркуляции суспензии по контуру "приемная емкость - роторно-пульсационный аппарат", при этом максимальное значение уровня звука составило 96 ДБа, а тепловую обработку образовавшейся массы проводили при температуре 90^oC в течение 25 минут.

Выход этилового спирта составил 1510 дал или 71,3 дал с 1 т крахмала сырья.

Результаты испытаний спирта на соответствие показателям ГОСТ приведены в таблице.

Пример 4.

Данный пример воспроизводит способ - прототип [2]. Использовали зерно ржи с крахмалистостью 53,76%. 34,4 т зерна ржи измельчали на молотковой дробилке, полученную мучку непрерывно смешивали с водой в соотношении 1:3,5-4 в смесителе-предразварнике при температуре 40-45^oC в присутствии 0,25 кг/ч фермента амилосубтилина ГЗх. Далее водно-зерновую суспензию подавали в варочную станцию, где она подвергалась тепловой обработке (разваривалась) при 140^oC и давлении 0,6 МПА в течение 40 минут. Разваренную массу охлаждали до температуры 58^oC в вакуум-испарителе-осахаривателе, после чего проводили ее осахаривание ферментными препаратами амилосубтилин ГЗх (скорость подачи 1,5 кг/ч) и Сан-Супер (скорость подачи 1,5 л/ч). Далее осахаренное сусло перекачивали в бродильные чаны, куда подавали засевные дрожжи (штамм Y 1986). После сбраживания сусла на брагоректификационной установке (скорость отгонки 80 дал/ч) получено 1236 дал спирта или 65.5 дал с 1 т крахмала сырья.

Результаты испытаний спирта на соответствие показателям ГОСТ приведены в таблице.

Как следует из приведенных в примерах 1-4 данных выхода спирта и данных таблицы, предложенный способ позволяет увеличить выход этилового спирта на 4-6 дал с 1 т крахмала сырья по сравнению со способом-прототипом. При этом значительно улучшается качество спирта, полученного по предлагаемому способу, который практически по всем показателям превосходит спирт марки "Экстра" и по большинству параметров соответствует спирту марки "Люкс", в то время как спирт, полученный по известной технологии способа-прототипа, по своим показателям соответствует качеству спирта "Высшей очистки".

Литература

1. Авторское свидетельство СССР N 242834, кл. C 12 P 7/04, 1979.

2. Регламент производства спирта из крахмалистого сырья. М., 1979, ч.1, с. 27-51.

3. А. Г. Забродский. Водно-тепловая обработка сырья в спиртовом производстве. ЦНТБ, Киев, 1959.

4. Международная заявка N PCT /RU 96/00297, кл. B 01 F 7/00.