Глибока переробка — це виробництво продукції з доданою вартістю.
Переведем біоетаноловий завод із мелясною на зернову схему сировини.
Ми допоможемо зрозуміти – що саме буде найкращим рішенням щодо переробки.
Розрахуємо та спроєктуємо, побудуємо та запустимо технологічні лінії для отримання додаткового прибутку.
Продукти, виготовлені з кукурудзи та пшениці, є основою для 90% харчових продуктів.
Завантажити презентацію [PDF]
Можна отримувати:
- Глюкозно-фруктозний сироп
- Пшеничний крохмаль
- Моногідрат глюкози
- Пшеничний та кукурудзяний глютен
- Кукурдзяну олію
Суха дежермінація (фракціонування) кукурудзи
У промисловості дежермінація (відділення кукурудзяних зародків від зерна, з англ. germ – зародок) здійснюється двома способами: сухим, що застосовується на млиново-круп’яних підприємствах та заводах харчових концентратів, і мокрим, поширеним на крохмале-патокових заводах.
Технологія сухої дежермінації включає такі основні стадії:
- Очищення зерна;
- Контрольоване зволоження до 18…20 %;
- Грубе подрібнення;
- Відокремлення зародка, частинок ендосперму та лушпиння.
За контрольованого зволоження зародок вбирає воду в першу чергу, а після того досить легко відокремлюється від ендосперму при грубому дробленні на спеціальному млині – дежермінаторі. Важливо витримувати задану вологість зерна, щоб з одного боку уникнути перезволоження ендосперму, з іншого – забезпечити чистоту зародка від крохмалю. Залишки ендосперму, що не відокремилися від зародка, знижують його технологічні якості для подальшого пресування та отримання олії і призводять до втрат крохмалю для виробництва етанолу.
Які переваги має дежермінація кукурудзи над переробкою на біоетанол?
По-перше, на приготування сусла надходить більш крохмалиста сировина, а це дозволяє знизити витрати розріджувальних ферментів, підвищити концентрацію бражки, зменшити утворення білкових забруднень поверхонь теплообміну і тарілок бражної колони. Зменшується кількість завислих речовин у барді, знижується витрата теплової енергії на сушіння осаду барди та випарювання освітленої барди (майже 80 % освітленої барди спрямовується на приготування замісу).
По-друге, одержаний осад барди є ціннішим кормовим продуктом. Його називають HP DDG – High Protein DDG, високопротеїновий DDG. Основна його перевага — високий вміст протеїну — близько 50 % (DDGS – до 30 %). Для годування ВРХ він більш цінний через низький вміст фосфору (0,32 % у НР DDG і 0,9 % у DDGS). Він також більш придатний для годування лактуючих корів, свиней та птиці через знижений вміст жиру (6 % у НР DDG і 10 % у DDGS).
По-третє ,з’являється можливість при переробці зародка отримати кукурудзяну олію, дорожчу, за соняшникову та соєву.
Для заводу потужністю 100 тис. тонн біоетанолу на рік можливий обсяг виробництва олії становить 4000 тонн. Макуха зародка і лушпиння також є цінними кормовими продуктами.
Оскільки кукурудзяного лушпиння утворюється до 10 % від обсягу переробленого зерна, воно може слугувати сировиною для різних високорентабельних продуктів, наприклад харчового ксиліту.
Зернова схема виробництва біоетанолу
Підготовка та дроблення зернової сировини
Розглянемо процес підготовки зернової сировини та подальшої її переробки в біоетанол методом сухого помолу зерна кукурудзи. Кукурудза надходить на виробництво із проміжних силосів, розрахованих на добовий обсяг переробки.
Зазвичай розробники технології висувають такі вимоги до якості кукурудзи (вміст у масі зерна, %), що подається на виробництво:
- Вміст крохмалю (min) 62
- Вологість 14
- Суха речовина (min) 86
- Жир 4,6
- Протеїн 10
- Волокна 2,2
- Зола 1,3
- Домішки (органічні,
неорганічні, інше
насіння та залишки) < 1 - Інші компоненти 4,9
Головним завданням підготовки зернової сировини до дроблення є її очищення від домішок. Зрозуміло, що можна переробляти і менш якісну сировину, проте в такому разі розробник не гарантує досягнення технологічних показників, що заявляються.
Для забезпечення нормальної роботи зернових дробарок та необхідної якості помелу, зерно піддається контрольному очищенню від немагнітних та магнітних домішок. Вимога до помелу – прохід 100 % крупи через сито 0,8 мм. Деякі фірми розробники технології вимагають, щоб розмір частинок не перевищував 0,6 мм. Тільки за цієї умови можна досягти достатньої глибини зброджування та забезпечити нормальну роботу теплообмінників без засмічення.
Зерно зі сховища подається у проміжний силос. Транспортером зерно із силосу передається на зерноочисну машину; відходи видаляються в збірник, а очищене зерно норією подається в проміжний бункер. Через магнітні сепаратори зерно надходить у дробарки, звідки помел через бункер подається на приготування замісу. На ділянці дроблення зерно зважується перед подачею на дробарки, зважується також і помел, що надходить на приготування замісу. Усі ділянки забезпечені системами аспірації, що виключають запилення.
Для розмелювання зерна зазвичай застосовують молоткові дробарки як найбільш прості та надійні в експлуатації. Іноді для запобігання попаданню в помел надмірно великих частинок після дробарок встановлюють сита різних конструкцій, вихід з яких повертають на дроблення.
Ретельне очищення зерна на заводі біоетанолу запобігатиме контамінації небажаною мікрофлорою та засміченню трубопроводів й теплообмінників, ділянок приготування сусла, дріжджегенерації і ферментації.
Приготування сусла.
Помел із ділянки очищення та дроблення сировини безперервно зважується і надходить у проміжний бункер ділянки приготування сусла. На цій ділянці помел змішується з теплою водою (приготування замісу), в заміс додаються розріджуючі, потім оцукрюючі ферменти, сусло охолоджується до температури бродіння і передається на ділянки дріжджегенерування та ферментації (бродіння).
Помел норією та транспортером подається в чан замісу, куди надходить підігріта технологічна вода, конденсати, лютерна вода та освітлена барда. Пропорції, в яких змішуються ці рідини перед подачею до чана замісу, визначаються розробниками технології. Іноді для приготування замісу використовують усі кислі конденсати від випарювання освітленої барди і лютерну воду, попередньо нейтралізуючи їх аміачною водою до рН 4,5…5. Такий підхід дозволяє повністю виключити скидання кислих конденсатів та лютерної води в стічні води та забезпечити азотне харчування дріжджів. На приготування замісу використовують також до 40 % (іноді більше) освітленої барди після виділення осаду. У рідину для приготування замісу в цьому випадку додають нейтралізуючий агент (луг) через дозатори.
Приготування замісу супроводжується підвищенням його в’язкості, тому потрібна низка технологічних операцій, які називаються розрідженням.
Збільшення в’язкості відбувається головним чином за рахунок набухання та клейстеризації (gelatinization) крохмалю та інших полісахаридів (пентозанів). Певний внесок вносять також білки зерна, що набухають. Для запобігання цьому явищу застосовують ферментні препарати, що розріджують заміс.
У загальному випадку для забезпечення розрідження в заміс додають такі ферментні препарати:
- α-амілазу для руйнування структури крохмалю та його декстринізації;
- ß-глюканазу для гідролізу ß-глюкану, присутнього в ячмені;
- ксиланазу для гідролізу пентозанів пшениці та жита;
- протеазу для гідролізу білків;
Амілазу використовують для розрідження замісів із усіх видів зерна. Препарати зниження в’язкості, викликаної пентозанами, застосовують лише під час переробки пшениці, жита, вівса, тритикале чи ячменю, але не кукурудзи.
Пропорції змішування помелу та рідини розраховуються в залежності від можливої міцності бражки та вмісту крохмалю в помелі.Нині за використання нових рас дріжджів може бути отримана концентрація спирту в зрілій бражці до 18 % об. Розробники зазвичай гарантують нижчі концентрації – 12…15 %. Для досягнення високих концентрацій етанолу у зрілій бражці вміст сухих речовин у замісі має бути близько 28…34 %.
З чана заміс може подаватися на розварювання в контактний підігрівач (jet cooker) і далі у витримувач, охолоджувач та оцукрювач.
Оцукрювання розрідженого замісу проводиться за допомогою препаратів глюкоамілази, що гідролізують декстринидо мальтози і глюкози, які зброджуються дріжджами.
Зазвичай заміс нагрівається до температури 40-50 °С за рахунок змішування помелу з гарячою водою. При приготуванні замісу до нього додають амілазу, а потім догрівають гострою парою в пароконтактному підігрівачі до температури 80 … 90 °С, а іноді і більше 100 °С. Заміс витримують при високій температурі деякий час (залежить від виду сировини, температури, ступеня помелу та марки ферментного препарату, що застосовується). Для подальшого оцукрювання, аби уникнути інактивації глюкоамілази заміс здебільшого необхідно охолодити до 55 … 60 °С. Після оцукрювання протягом 20-30 хвилин солодке сусло ще раз охолоджують до так званої температури складки – температури, з якої сусло передають на бродіння (26-28 °С). Цей процес на графіці зображено суцільною лінією.
Сусло не нагрівають вище 55 … 56 °С для уникнення клейстеризації, не витрачають пару на його нагрівання та воду на охолодження до 60 °С. Такий процес суттєво, до 15 %, скорочує енерговитрати виробництва біоетанолу.
Виникає питання, яким чином вдається уникнути розвитку контамінуючої мікрофлори в суслі та бражці, оскільки сировина навіть не нагрівається до температури пастеризації? Розробник технології, компанія Агротехнолоджі, застосовує кислотостійкі амілазиі проводить процес розрідження та оцукрювання за знижених значень рН, що дозволяє надійно антисептувати сусло.
Після витримування замісу в чані сусло підкислюється, подається в теплообмінник-охолоджувач і надходить в оцукрювач для подальшого оцукрювання за температури 55…60 °С. Перед подачею в оцукювач в сусло необхідно додавати глюкоамілази, рекомендується додавати целюлази і, якщо потрібно, протеази та інші препарати залежно від виду сировини.
Оцукрювання.
Ділянка оцукрювання технологічно вирішується по-різному. Повне оцукрювання крохмалю перед ферментацією застосовує у своїх проектах компанія Агротехнолоджі. Іноді обсяг оцукрювача’ передбачає мінімальний час перебування рідини (проекти компанії Агротехнолоджі), в розрахунку на те, що основний процес оцукрювання відбуватиметься в бродильних чанах (ферментаторах). Деякі розробники взагалі не виділяють стадію оцукрювання, подаючи глюкоамілази безпосередньо в ферментатори.
Сусло з оцукрювача поділяється на два потоки. Приблизно 10…15 % його використовується для дріжджегенерування, решта подається до ферментаторів. Призначене для дріжджегенерування сусло витримують близько 20 хвилин для більш глибокого оцукрювання.
На стадії оцукрювання та/або ферментації застосовуються препарати целюлази та протеази.
Целюлази додають для підвищення виходу спирту за рахунок використання легкодоступної частини целюлози, що міститься у сировині. Протеази дозволяють звільнити амінокислоти для азотного живлення дріжджів, прискорення бродіння і внаслідок гідролізу білків зменшити піноутворення.
Кальцій-магнієва сіль фітинової кислоти, яка називається фітином, є складовою міжклітинних структур рослин. За рахунок утворення комплексу з крохмалем, фітин пригнічує активність амілаз. Через це втрачається майже 20 % активності α-амілази у процесі приготування сусла.
Деякі зернові мають ендогенну фітазу – фермент, який у процесі розрідження та оцукрювання звільняє фосфати разом з макро- та мікроелементами (кальцієм, цинком, залізом, селеном та ін.)
Але при переробці кукурудзи, сорго чи ячменю дуже доцільно використовувати разом із амілазами препарати фітази.
Звільнені з натурального джерела фосфати засвоюються дріжджами, стимулюють їх розвиток та процес бродіння. Вільний міоінозит є фактором зростання дріжджів. Введення в сусло препаратів фітази призводить до таких позитивних ефектів:
- підвищення активності бактеріальних амілаз завдяки стабілізуючій дії звільненого кальцію та усунення інгібування фітином;
- швидке зниження в’язкості сусла при розрідженні;
- посилення бродильної активності дріжджів при звільненні фосфатів, макро- та мікроелементів, метаболічно активного міоінозиту.
Розрідження.
Технологічний режим процесу розрідження та оцукрювання підбирається в залежності від виду та складу сировини, властивостей ферментних препаратів, що застосовуються. Кожен виробник препаратів рекомендує свої температурні режими, значення рН та час ферментативної обробки. Тому при проектуванні схеми та підборі обладнання для цієї технологічної ділянки намагаються передбачити найбільш широкий діапазон можливостей зміни перерахованих параметрів з урахуванням подальшого вдосконалення процесу.