Глубокая переработка

Глубокая переработка – это производство продукции с добавочной стоимостью.

Переведем биоэтанольный завод с мелассной на зерновую схему сырья.

Мы поможем сориентироваться – что именно будет лучшим решением по переработке.

Рассчитаем и спроектируем, построим и запустим технологические линии для получения дополнительной прибыли.

Продукты, произведенные из кукурузы и пшеницы, являются основой для 90 % продуктов питания.

Загрузить презентацию [PDF]

Можно получать:

• Глюкозно-фруктозный сироп
• Пшеничный крахмал
• Моногидрат глюкозы
• Пшеничный и кукурузный глютен
• Кукурузный зародыш

 

Сухая дежерминация (фракционирование) кукурузы

В промышленности дежерминация (отделение кукурузных зародышей от зерна, от англ. germ – зародыш) осуществляется двумя способами: сухим, применяемым на мельнично-крупяных и пищеконцентратных предприятиях, и мокрым, распространенным на крахмалопаточных заводах.

 

Технология сухой дежерминации включает следующие основные стадии:

• Очистка зерна;
• Контролируемое увлажнение до 18…20 %;
• Грубое дробление;
• Разделение зародыша, частиц эндосперма и шелухи.

При контролируемом увлажнении зародыш впитывает воду в первую очередь достаточно легко отделяется от эндосперма при грубом дроблении на специальной мельнице – дежерминаторе. Важно выдерживать заданную влажность зерна, чтобы с одной стороны избежать переувлажнения эндосперма, с другой – обеспечить чистоту зародыша от крахмала. Остатки энодосперма, не отделившиеся от зародыша, снижают его технологические качества для дальнейшего прессования и получения масла, и приводят к потерям крахмала для  производства этанола.

Какие преимущества имеет дежерминация кукурузы перед переработкой в биоэтанол?

Во-первых, на приготовление сусла поступает более крахмалистое сырье, позволяющее снизить расход разжижающих ферментов, повысить концентрацию бражки, уменьшить образование белковых загрязнений поверхностей теплообмена и тарелок бражной колонны. Уменьшается количество взвешенных веществ в барде,  снижается расход тепловой энергии на сушку осадка барды и выпаривание осветленной барды (почти 80 % осветленной барды направляется на приготовление замеса).

Во-вторых, получаемый осадок барды является более ценным кормовым продуктом. Его называют HP DDG – Нigh Protein DDG, высокопротеиновый DDG. Основное его преимущество – высокое содержание протеина – около 50 % (в DDGS – до 30 %). Для кормления КРС он более ценен из-за низкого содержания фосфора (0,32 % в  НР DDG и 0,9 % в DDGS). Он также более пригоден для кормления лактирующих коров, свиней и птицы из-за пониженного содержания жира (6 % в  НР DDG и 10 % в DDGS).

В-третьих – появляется возможность при переработке зародыша получить кукурузное масло, более дорогое, чем подсолнечное и соевое.

Для завода мощностью 100 тыс. биоэтанола тонн в год возможный объем производства масла составляет 4000 тонн. Жмых зародыша и шелуха также являются ценными кормовыми продуктами.

Поскольку кукрузной шелухи образуется до 10 % от объема переработанного зерна, она может служить сырьем для различных высокорентабельных продуктов, например пищевого ксилита.

 

Зерновая схема производства биоэтанола

Подготовка и дробление зернового сырья

Рассмотрим процесс подготовки зернового сырья и дальнейшей его переработки в биоэтанол методом сухого помола зерна кукурузы.

Кукуруза поступает на производство из промежуточных силосов, рассчитанных на суточный объем переработки.

Обычно разработчики технологии предъявляют следующие требования к качеству кукурузы (содержание в % массе зерна), подающейся на производство:

Содержание крахмала (min)          62

Влажность                                            14

Сухое вещество (min)                       86

Жир                                                       4,6

Протеин                                               10

Волокна                                               2,2

Зола                                                       1,3

Примеси (органические,

неорганические, другие семена

и остатки)                                               < 1

Иные компоненты                        4,9

Главной задачей подготовки зернового сырья к дроблению является его очистка от посторонних примесей. Понятно, что можно перерабатывать и  менее качественное сырье, однако в таком случае разработчик не гарантирует достижения  заявляемых технологических показателей.

Для обеспечения нормальной работы зерновых дробилок и требуемого качества помола, зерно подвергается контрольной очистке от немагнитных и магнитных примесей. Требование к помолу – 100 % проход сквозь сито 0,8 мм. Некоторые фирмы – разработчики технологии  требуют, чтобы размер частиц не превышал 0,6 мм. Только при этом условии будет достигнута достаточная глубина сбраживания и обеспечена нормальная работа теплообменников (исключение засорения).

Зерно из хранилища подается в промежуточный силос. Транспортером зерно из силоса передается на зерноочистительную машину; отходы удаляются в сборник, а очищенное зерно норией  подается в промежуточный бункер. Через магнитные сепараторы  зерно поступает в дробилки , откуда помол через бункер подается на приготовление замеса. На участке дробления зерно взвешивается перед подачей на дробилки, взвешивается также и поступающий на приготовление замеса помол. Все участки обеспечены системами аспирации, исключающими пыление.

Для размола зерна обычно применяют молотковые дробилки, как наиболее простые и надежные в эксплуатации. Иногда, для предотвращения попадания в помол чрезмерно крупных частиц, после дробилок устанавливают сита различных конструкций, сход с которых возвращают на дробление.

Тщательная очистка зерна на заводе биоэтанола призвана предотвратить возможность контаминации нежелательной микрофлорой и засорения трубопроводов и теплообменников участков приготовления сусла, дрожжегенерации и ферментации.

 

Приготовление сусла.

Помол из участка очистки и дробления сырья непрерывно взвешивается и поступает в промежуточный бункер участка приготовления сусла. На этом участке помол смешивается с теплой водой (приготовление замеса), в замес добавляются разжижающие, затем осахаривающие ферменты, сусло охлаждается до температуры брожения и передается на участки дрожжегенерирования и ферментации (брожения).

Помол норией  и транспортером  подается в чан замеса , куда поступает подогретая технологическая вода, конденсаты, лютерная вода и осветленная барда. Пропорции, в которых смешиваются эти жидкости перед подачей в чан замеса, определяются разработчиками технологии. Иногда на приготовление замеса используют все кислые конденсаты от выпаривания осветленной барды и лютерную воду, предварительно нейтрализуя их аммиачной водой до рН 4,5…5. Такой подход позволяет полностью исключить сброс кислых конденсатов и лютерной воды в сточные воды и обеспечить азотное питание дрожжей. На приготовление замеса используют также до 40 %  (иногда более) осветленной барды после выделения из нее осадка. В жидкость для приготовления замеса в этом случае добавляют  нейтрализующий агент (щелочь) через дозаторы.

Приготовление замеса сопровождается повышением его вязкости, поэтому необходим ряд технологических операций, которые называются разжижением.

Увеличение вязкости происходит главным образом за счет набухания и клейстеризации (gelatinization) крахмала и других полисахаридов (пентозанов). Определенный вклад вносят также набухающие белки зерна. Для предотвращения этого явления применяют ферментные препараты, разжижающие замес.

В самом общем случае для обеспечения разжижения в замес добавляют следующие ферментные препараты:

• α-амилазу для разрушения структуры крахмала и его декстринизации;
• β-глюканазу для гидролиза β-глюкана, присутствующего в ячмене;
• ксиланазу для гидролиза пентозанов пшеницы и ржи;
• протеазу для гидролиза белков;

А-амилазу используют для разжижения замесов из всех видов зерна. Препараты для снижения вязкости, вызыванной пентозанами, применяют только при переработке пшеницы, ржи, овса, тритикале или ячменя – но не кукурузы.

Пропорции смешения помола и жидкости рассчитываются в зависимости  от возможной крепости бражки и содержания крахмала в помоле. В настоящее время при использовании новых рас дрожжей может быть получена концентрация спирта в зрелой бражке до 18 % об. Разработчики обычно гарантируют более низкие концентрации – 12…15 %. Для достижения высоких концентраций этанола в зрелой бражке содержание сухих веществ в замесе должно быть  около 28…34 %.

Из чана замес может подаваться на разваривание в контактный подогреватель  (jet cooker)  и далее в выдерживатель , охладитель  и осахариватель .

Осахаривание разжиженного замеса производится с помощью препаратов глюкоамилазы, гидролизующей декстрины до мальтозы и глюкозы, которые сбраживаюся дрожжами.

Обычно замес нагревается до температуры 40…50 ^оС за счет смешения помола с горячей водой. При приготовлении замеса в него добавляют α-амилазу, а затем догревают острым паром  в пароконтактном подогревателе до температуры 80…90 ^оС, а иногда и более 100 ^оС. Замес выдерживают при высокой температуре некоторое время (зависит от вида сырья, температуры, степени помола и марки применяемого ферментного препарата). Для последующего осахаривания, как правило, замес необходимо охладить до 55…60 ^оС  во избежание инактивации глюкоамилазы. После осахаривания в течение 20…30 минут сладкое сусло еще раз охлаждают до так называемой температуры складки – температуры, с которой сусло передают на брожение (26…28 ^оС). Этот процесс на графике изображен сплошной линией.

Сусло не нагревают выше 55…56  ^оС для избегания клейстеризации, не тратят пар на его нагрев и воду на охлаждение до 60 ^оС. Такой процесс существенно, до 15 %, сокращает энергозатраты на производство биоэтанола.

Возникает вопрос, каким образом удается избежать развития контаминирующей микрофлоры в сусле и бражке, поскольку сырье даже не нагревается до температуры пастеризации? Разработчик технологии, компания Агротехнолоджи, применяет кислотоустойчивые амилазы и ведет процесс разжижения и осахаривания при пониженных значениях рН, что позволяет надежно антисептировать сусло.

После выдерживания замеса в чане сусло подкисляется, подается в теплообменник-охладитель , и поступает в осахариватель  для последующего осахаривания при температуре 55…60 ^оС.  Перед подачей в осахариватель  в сусло необходимо добавлять глюкоамилазы, рекомендуется  добавлять целлюлазы и, при необходимости, протеазы и другие препараты в зависимости от вида сырья.

 

Осахаривание.

Участок осахаривания технологически решается по-разному. Полное осахаривание крахмала перед ферментацией применяет в своих проектах компания Агротехнолоджи. Иногда объем осахаривателя предусматривает минимальное время пребывания жидкости (проекты компании Агротехнолоджи), в расчете на то, что  основной процесс осахаривания будет происходить в бродильных чанах (ферментаторах). Некоторые разработчики вообще не выделяют стадию осахаривания, подавая глюкоамилазы непосредственно в ферментаторы.

Сусло из осахаривателя разделяется на два потока. Приблизительно 10…15 % его используется для дрожжегенерирования, остальное – подается в ферментаторы. Предназначенное для дрожжегенерирования сусло выдерживают около 20 минут для более глубокого осахаривания.

На стадии осахаривания и/или ферментации применяются препараты целлюлазы и протеазы.

Целлюлазы задают для повышения выхода спирта за счет использования содержащейся в сырье легкодоступной части целлюлозы. Протеазы позволяют освободить аминокислоты для азотного питания дрожжей, ускорения брожения, и вследствие гидролиза белков уменьшить пенообразование.

Кальций-магниевая соль фитиновой кислоты, которая называется фитином, является составной частью межклеточных структур растений. За счет образования комплекса с крахмалом, фитин ингибирует активность амилаз. Из-за этого теряется почти 20 % активности ?-амилазы в процессе приготовления сусла.

Некоторые зерновые имеют эндогенную фитазу – фермент, который в процессе разжижения и осахаривания освобождает фосфаты вместе с макро- и микроэлементами (кальцием, цинком, железом, селеном и др.)

Но при переработке кукурузы, сорго или ячменя весьма целесообразно использовать вместе с амилазами препараты фитазы.

Освобожденные из натурального источника фосфаты усваиваются дрожжами, стимулируют их развитие и процесс брожения. Свободный миоинозит является фактором роста дрожжей. Введение в сусло препаратов фитазы приводит к следующим положительным эффектам:

• повышение активности бактериальных амилаз благодаря стабилизирующему действию освобожденного кальция и устранению ингибирования фитином;
• быстрое снижение вязкости сусла при разжижении;
• усиление бродильной активности дрожжей при  освобождении фосфатов, макро- и микроэлементов, метаболически активного миоинозита.

 

Разжижение.

Технологический режим процесса разжижения и осахаривания подбирается в зависимости от вида и состава сырья, свойств применяемых ферментных препаратов. Каждый производитель препаратов рекомендует свои температурные режимы, значения рН и время ферментативной обработки. Поэтому при проектировании схемы и подборе оборудования для этого технологического участка стараются предусмотреть наиболее широкий диапазон возможностей изменения перечисленных параметров с учетом дальнейшего совершенствования процесса.