автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование машинно-аппаратурной схемы производства этилового спирта

На правах рукописи

Ибрагимов Тимур Сафарович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАШИННО-АППАРАТУРНОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛОВОГО СПИРТА

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (Институт холода и биотехнологий)

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

Новоселов Александр Геннадьевич доктор технических наук, профессор

Яблокова Марина Александровна доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» заведующая кафедрой инженерного проектирования

Прохорчик Игорь Петрович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ДПО «Санкт-Петербургский институт управления и пищевых технологий»

начальник лаборатории микробиологии, технологии и биохимии дрожжей

Воронежский государственный университет инженерных технологий

Защита диссертации состоится » <мси

2014 г. в / У часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.09 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (институте холода и биотехнологий) по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова д. 9, тел./факс 8(812)315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан <с'$~у> ¿МуЮЛ- 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Колодязная Валентина Степановна

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Радикальные изменения, произошедшие в структуре российской экономики за последние 20 лет, поставили перед отечественными производителями серьезные проблемы, связанные с конкурентной борьбой за рынки сбыта. Особенно эти изменения затронули спиртовую отрасль промышленности, что отразилось на уменьшении объемов производства этанола отечественными предприятиями.

Спиртовая отрасль промышленности в России традиционно является материалоемкой и энергоемкой. Для получения больших объемов этанола необходимо перерабатывать огромные количества растительного сырья, что требует больших энергозатрат на проведение технологического процесса, снижает рентабельность производства и увеличивает необходимость утилизации отходов спиртового производства. Основными причинами снижения объемов выпуска этанола в Российской Федерации являются высокие себестоимость производимой продукции и капиталовложения в создание новых производств.

Основными потребителями этилового спирта в промышленных объемах

В настоящее время уровень капитальных затрат на создание нового производства, направленных на выпуск запланированного объема продукции, делает ее практически невыгодной с точки зрения уровня цены и конкурентоспособности на отечественном рынке.

Решение этой проблемы становится возможным при внедрении современных технологий и оборудования, позволяющего их реализовывать. Важным условием, гарантирующим успешное достижение поставленной цели, является наличие на машиностроительном рынке несложного в изготовлении и надежного в эксплуатации малоэнергоемкого оборудования, позволяющего проводить в нем последовательно несколько стадий технологического процесса. Это позволит отказаться от ряда дорогостоящего технологического оборудования и вспомогательных машин (насосов, механических перемешивающих устройств), а также значительно снизить протяженность технологических коммуникаций с установленной на них запорной и регулирующей арматурой. В свою очередь упрощение системы обвязки технологических аппаратов трубопроводами в большой степени снижает опасность микробиологического заражения и удешевляет процесс мойки и дезинфекции.

Разработка такого универсального оборудования на основе теоретических и экспериментальных исследований является актуальной задачей, решение которой позволит в значительной мере упростить машинно-аппаратурную схему производства этанола, а следовательно, повысить рентабельность спиртовых заводов и снизить капитальные затраты на их создание.

Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка конструкции аппарата и технологических режимов, позволяющих последовательно* проводить в нем несколько технологических стадий процесса производства этанола из зерно-

являются следующие отрасли (рис. 1):

Рис. 1. Основные отрасли-потребители этанола в промышленном масштабе

крахмалистого сырья, их экспериментальная апробация и выдача практических рекомендаций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

> обобщить и проанализировать имеющиеся в научно-технической и патентной литературе данные по технологии производства этанола и его машинно-аппаратурному оформлению;

> научно обосновать возможность последовательного проведения нескольких технологических процессов в одном аппарате;

> разработать конструкцию аппарата, реализующую поставленную цель;

> провести комплексные экспериментальные исследования с целью подтверждения возможности проведения выбранных технологических процессов в предполагаемой конструкции аппарата;

> дать практические рекомендации по проведению выбранных технологических режимов в предложенной конструкции аппарата.

Научная новизна.

1. Предложена и экспериментально подтверждена возможность последовательного проведения трех технологических стадий процесса производства этанола в кожухотрубном струйно-инжекционном бродильном аппарате (КСИБА).

2. Выполнены комплексные исследования реологических характеристик водно-зерновых суспензий в процессе их водно-тепло-ферментной обработки (ВТФО) в лабораторных условиях и в КСИБА. Получены уравнения для расчета эффективной вязкости суспензий различных гидромодулей в зависимости от скорости вращения ротора реотеста и концентрации ферментов.

3. Опытным путем определены подходящие дозировки ферментных препаратов разжижающего действия для возможного проведения ВТФО и осахаривания в КСИБА.

4. Получены эмпирические зависимости изменения концентрации растворимых сухих веществ во времени при проведении ВТФО в КСИБА.

5. Получены экспериментальные данные по теплообмену при нагреве и охлаждении водно-зерновой суспензии в предложенной конструкции КСИБА, которые могут быть использованы при конструировании.

6. Впервые получены экспериментальные данные по проведению процесса брожения в КСИБА.

Практическая значимость работы.

1. Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс при изложении лекционного курса и проведении лабораторных занятий по дисциплине «Процессы и аппараты биотехнологических производств» для магистров, обучающихся по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» и профилю «Процессы и аппараты пищевых производств».

2. На основе результатов диссертационной работы разработаны исходные данные и техническое задание на проектирование КСИБА производительностью 100 литров этилового спирта (геометрический объем 1,2 м3) и переданы ОАО «НПО Приборы» для разработки рабочих чертежей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в г. Бийске (2010г.); 38-й научно-практической конференции по итогам НИР за 2010 год профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета, СПбГУНИПТ, Санкт-Петербург (2010г.); ХП1 научной и

учебно-методической конференции, СПбНИУИТМО (2013г.); VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием в г. Бийске (2013г.).

Научные положения выносимые на защиту.

1. Научное обоснование технико-технологических решений, выбор и возможность последовательного проведения трех технологических стадий производства этанола в одном аппарате и выбор конструкции аппарата.

2. Технологические и рабочие параметры проведения процессов ВТФО, осахаривания и брожения в КСИБА.

3. Результаты экспериментальных исследований на лабораторной стадии и пилотной установке, касающиеся изучения реологических характеристик водно-зерновых суспензий, эффективности проведения ВТФО, теплообменных характеристик КСИБА на стадиях нагрева и охлаждения, интенсивности процесса брожения и выхода этанола в широком диапазоне гидромодулей.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы, 4 приложений. Содержание работы изложено на 94 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 11 таблиц. В списке литературы 134 источника, в том числе 20 иностранных.

Основное содержание работы

Во введении отражена актуальность работы, определены цель и задачи научного исследования, изложена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В обзоре литературы рассмотрены проблемы выбора пути совершенствования промышленного производства этанола. Выполнен анализ современных направлений совершенствования промышленного производства этанола из растительного сырья, анализ традиционных технологических схем производства этанола, анализ работ, посвященных способам подготовки зернового сырья к проведению ВТФО. Проанализированы литературные данные, касающиеся режимов проведения водно-тепловой обработки, осахаривания и сбраживания сусла.

Рис. 2. Схема проведения исследований

Проведен анализ выбора подходящей конструкции аппарата для последовательного проведения в нем трех стадий технологического процесса производства этанола. Подробная схема проведения исследований представлена на рисунке 2.

Выбор пути совершенствования производства этанола

На спиртовых заводах России традиционной принято считать непрерывную технологическую схему получения биоэтанола из крахмалсодержащего сырья.

иг» «д * зг м я/

Рис.3. Технологическая схема получения биоэтанола из крахмалсодержащего сырья: 1 - прием сырья; 2 - элеватор; 3 - магнитный сепаратор; 4 - бункер; 5 - ленточный дозатор; 6 - молотковая дробилка; 7 - элеватор; 8 - весы; 9 - измельчитель; 10 - смеситель-предразварник; 11 - насос; 12 - пароконтактный смеситель; 13 - варочная колонна Т-ой ступени;14 - варочная колонна П-ой ступени; 15 - регулятор уровня; 1 б - паросепаратор; 17 - испарительная камера; 18 - вакуум-насос; 19 - осахариватель; 20 - ферментодозировочные баки; 21 - ловушка; 22 - насос; 23 - теплообменник; 24 - сборник посевных дрожжей; 25 - активатор посевных дрожжей; 26 - бродильные аппараты; 27 - сборник сусла; 28 - насос; 29 - спиртоловушка; 30 - насос; 31 - бражная колонна; 32 - эгаорационная часть; 33,38,39 - конденсаторы; 34,35,37 - дефлегматор; 36 - сепаратор; 40,41 - ректификационные колонны; 42 - эторационная колонна; 43 - пеноловушка; 44 - бардорегулятор; 45 - теплообменник; 46 - гидрозатвор.

Как видно из рисунка 3, машинно-аппаратурная схема производства этанола реализует в технологической последовательности все необходимые этапы переработки крахмалосодержащего исходного сырья в этанол. Даже в таком упрощенном варианте видно, что машинно-аппаратурное оформление производства этанола представляет собой сложную совокупность технологических и вспомогательных аппаратов, связанных между собой разветвленной сетью трубопроводов и насосов.

Широкое применение ферментных препаратов дало возможность существенно изменить режим подготовки сырья к сбраживанию, заменив высокотемпературную тепловую обработку, вынужденно проводившуюся под повышенным давлением, многостадийным ферментативным гидролизом при температуре не выше 95-4)8 °С.

К настоящему времени поиск путей совершенствования производства этанола ведется по нескольким направлениям. В общем случае эти направления можно сгруппировать следующим образом:

• направления, связанные с подготовкой и обработкой зернового материала к сбраживанию;

• направления, связанные с интенсификацией процесса брожения;

• направления, связанные с интенсификацией тепло-массообменных процессов в технологических аппаратах;

• направления, связанные с упрощением машинно-аппаратурной схемы производства этанола.

Выбор объекта исследования

Анализ известных конструкций технологических аппаратов, применяемых в пивоваренной, дрожжевой, спиртовой, химико-фармацевтической и других отраслях промышленности, позволил остановиться на наиболее перспективной для решения

поставленных в наших исследованиях задач конструкции кожухотрубного струйно-инжекционного ферментатора (КСИФ). Запатентованная конструкция аппарата создавалась на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств СПбГУНиПТ с целью проведения культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы (до 450 кг/м3). Конструкция КСИФ обладает высокими массообменными и теплообменными характеристиками, проста в эксплуатации.

Учитывая специфику процессов, которые предполагалось проводить в одном аппарате, конструкция КСИФ была несколько модернизирована и получила название кожухотрубный струйно-инжекционный бродильный аппарат (КСИБА), схематичное изображение которого показано на рисунке:

Рис. 4. Кожухотрубный струйно-инжекционный бродильный аппарат:

1 - кожухотрубный теплообменник; 2 - ёмкость-накопитель; 3 - насос; 4 - струйная камера; 5 - камера распределения; 6, 7, 8 - вертикальные, последовательно соединённые трубы, соответственно отпускные, подъёмные, сливные; 9 - перегородка; 10, II - сопла; 12 - патрубок; 13, 14 - патрубок для входа и выхода суспензии соответственно; 15 - патрубок.

Как видно из машинно-аппаратурной схемы, приведенной на рисунке 3, при условии последовательного проведения трех технологических стадий в КСИБА, существенно упростится её аппаратурное оформление, что позволяет существенно сократить следующее:

1. Капитальные затраты на создание производства, частично исключив крупногабаритную емкостную аппаратуру.

2. Затраты на обвязку технологического и вспомогательного оборудования технологическими трубопроводами, а также системами КИПиА.

3. Производственные площади под размещение оборудования.

4. Потребление энергоресурсов.

5. Затраты на ремонт и мойку оборудования.

Исследование реодинамических характеристик водно-зерновых суспензий в процессе их водно-тепловой обработки на лабораторной стадии

В результате экспериментов были определены значения коэффициентов эффективной вязкости для двухфазной системы «зерно-вода» при различных значениях скоростей вращения ротора реотеста в процессе нагрева от температуры окружающей среды до 85 °С.

При проведении нагрева водно-зерновых суспензий наблюдались три основные реологические фазы, характеризующиеся изменением значения эффективной вязкости, вследствие происходящих физико-химических преобразований.

проведении водно-тепловой обработки

На рисунке 5 представлены характеристики, отражающие изменение эффективной вязкости водно-зерновой суспензии на различных стадиях ее нагрева. Обобщенный анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что в процессе нагрева водно-зерновой суспензии из ячменя можно выделить несколько основных стадий:

• стадия нагрева водно-зерновой суспензии от температуры окружающей среды до 45+50 °С: на этом этапе происходит снижение вязкости воды, проникновение части жидкой фазы в структуру зерна и частичное растворение водорастворимых сухих веществ;

• стадия, при которой существенного изменения эффективной вязкости замеса не происходит, она остается практически на прежнем уровне в диапазоне температур от 45-50 °С до 55°С;

• стадия нагрева среды от 55°С до 85°С, которая показывает, что при температуре 50+55 °С начинается процесс клейстеризации крахмала, который сопровождается сначала незначительным, а затем резким повышением вязкости водно-зерновой суспензии.

Учитывая общность кривых, представленных на рисунке 5 для всех исследованных гидромодулей, можно констатировать, что в процессе ВТО целесообразно выделить три реперных значения цЭфф, позволяющих контролировать данный процесс. Это начальная эффективная вязкость затора /л3фф1 при температуре складки, минимальное значение вязкости МэФФ.2 во второй зоне кривой и максимальное значение ¡и,фф 3 в третьей зоне кривой.

Обработка экспериментальных данных по исследованию вязкости водно-зерновых суспензий в процессе их ВТО без применения ферментных препаратов разжижающего действия позволила получить эмпирические зависимости для определения цЭфф. в первой зоне кривой вязкости, представляющей нисходящую кривую:

Иэфф1~2 "" Г1,5П0,5 (*)

где цЭффл-2~ значение эффективной вязкости в диапазоне температур 25+50 °С; К - коэффициент, зависящий от концентрации измельченного зерна в заторе.

К = акь (2)

где а и Ь- эмпирические коэффициенты: а= 1,3'105 и Ь = 6,3.

Второй зоне кривых вязкости соответствует переходная фаза с незначительным изменением значений коэффициентов эффективной вязкости.

В третьей зоне кривых вязкости особую важность, с технологической точки зрения, представляет максимальная вязкость рЭфф.з на конечной стадии нагрева, когда температура замеса достигает отметки 8(Н-85 °С, значение которой зависит от исходной концентрации твердой фазы замеса и числа оборотов. Значение |хЭф.з можно определить по формуле 3 для всех исследуемых гидромодулей:

Рэфф.З" ^ (3)

где Цэфф.з - максимальное значение эффективной вязкости суспензии, мПа*с; К - коэффициент, зависящий от концентрации измельченного зерна в заторе:

К = акь (4)

где а и Ь ~ эмпирические коэффициенты: а= 1,7Т09иЬ = 10.

Исследования показали, что водно-тепловая обработка замесов, проводимая без применения разжижающих ферментов, была бы актуальна для низкоконцентрированных суспензий (ГМ 1:3.5 и выше), однако работа с ними на сегодняшний день не представляет интереса из экономических соображений. Работа с высококонцентрированными суспензиями (ГМ 1:3 и 1:2.5) осложнена ввиду значительного увеличения их вязкости, особенно на стадии клейстеризации, что негативным образом скажется на гидродинамике представленной конструкции аппарата, в котором установлен циркуляционный насос.

Резкое увеличение вязкости водно-зерновой суспензии обуславливается стадией клейстеризации крахмала, которой соответствует определенная температура. Температура клейстеризации крахмала у каждого вида крахмалсодержащего сырья различна. Однако полученные экспериментальные данные показывают, что начало клейстеризации крахмала ячменя и, как следствие, повышение вязкости замесов зависит еще и от величины гидромодуля.

Подбор дозировки ферментных препаратов и режимов ВТФО для КСИБА

Проанализировав работы, связанные с разработкой ресурсосберегающих технологий производства этанола, были приняты к применению следующие ферментные препараты и технологические режимы:

- внесение ферментных препаратов разжижающего действия Дистицим БА-Т и Дистицим XI, в воду с температурой 50+55 °С;

- внесение зерна в воду с температурой 50+55 °С и выдержка 30 мин в режиме перемешивания;

- повышение температуры с 50+55 °С до 70+75 °С;

- выдержка при температуре 70+75 °С 60 минут.

С целью определения необходимой дозировки ферментных препаратов разжижающего действия, которые позволили бы снизить вязкость суспензий, были проведены лабораторные исследования с наиболее сложными и в то же время экономически выгодными гидромодулями: 1:3 и 1:2.5.

Обработка экспериментальных данных позволила получить следующие математические зависимости для определения значений коэффициента эффективной вязкости на соответствующих стадиях ВТФО, приведенные в таблице 1 для гидромодуля 1:2.5:

Таблица 1

Фаза Формула V, Па*с

1. Снижение вязкости в диапазоне Т = 55 + 62 "С 7,3 х Ю6 ^ f0,B6 х т4

2. Повышение вязкости (фаза клейстеризации) в диапазоне Т = 62 + 70 "С 3,76 X 1(Г8 X T4 ^ ~ fO,56

3. Снижение вязкости (фаза разжижения замеса) в диапазоне Т = 70 ■+■ 75°С 2,16 х 107 V- - П0.75 х Т4

*- расчетная формула действительна при дозировке ферментных препаратов в диапазоне от 0.5 Ед./г*кр. до 2 Ед./г*кр в соотношении 1:1, при скорости вращения ротора реотеста 100 об/мин

Л Г" г г-у- qpppp rpppp „U.WU fl-tjf

^«¿iVi'!^ Ш mm

ВЩр "Vff- L5f Щ tm

■gpff! ¡flftl Ь ШШ iSp Ma gS'fS-:

1 ipSI

fflf 'T"T"

Рис. 6. Влияние концентрации ферментных препаратов на значение максимальной вязкости замеса цЭфф,з с ГМ 1:2.5 при 100 об/мин и температуре 85 °С

Дозировка ферментных препаратов, ед./гр. кр.

Применение ферментных препаратов разжижающего действия на стадии приготовления суспензии в значительной степени снижает её вязкость (рис. 6) и позволяет вести процесс водно-тепловой обработки при пониженных температурах.

Проведение ВТФО, осахаривания и брожения в КСИБА (пилотные испытания) Схема экспериментальной установки

Для изучения процессов водно-тепловой обработки зерновых замесов, осахаривания и брожения была разработана схема экспериментальной установки, представленная на рисунке:

Рис. 7. Схема экспериментальной установки для проведения ВТФО, осахаривания и брожения: / - трехтрубная модель кожухотрубного струйно-инжекционного бродильного аппарата (КСИБА); 2 - ёмкость-накопитель, (Е-Н);

3 - циркуляционный насос;

4 - водоподогреватель; 5 - емкость для измерения объемного расхода продукта; 6 - циркуляционный насос на линии подачи теплоносителя; 7 - объемный счетчик для измерения расхода тепло- шти хладоносителя; 8 - патрубок для загрузки измельчённого продукта и воды; (к 1г!, !„,, 1„2, - датчики температуры.

Оценка теплообменных характеристик

Задачей данной серии экспериментов являлась оценка эффективности теплообменных процессов, проходящих в предложенной конструкции КСИБА путем

определения значений коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи, а также по скорости нагрева или охлаждения среды в нем. Значения этих показателей зависят от теплофизических свойств обрабатываемой среды, в которой протекает процесс, и от гидродинамической обстановки в аппарате.

Расход

продукта (воды), м3/(с*10')

10

15

20

25

30

35

Скорость нагрева, °С/мин Коэффициент теплоотдачи при нагреве, Вт/(м2*К) Коэффициент теплопередачи при нагреве, Вт/(м2*К)

0,63 1632 1476

0,67 7139 4797

0,56 246 242

0,62 1302 1133

0,63 4110 3237

0,72 6462 3738

Расход продукта (воды), м3/(с*105) 10 ~ 15 20 25 30 35

Скорость охлаждения, "С/мин Коэффициент теплоотдачи при охлаждении, Вт/(м2*К) Коэффициент теплопередачи при охлаждении, Вт/(м2*К)

2,27 476 459

2,31 820 73

0,86 567 552

1,58 819 779

1,9 1112 1052

3,54 1652 1551

Результаты исследований теплообменных характеристик предложенной конструкции аппарата на воде позволяют сделать вывод о том, что в его работе наблюдаются несколько режимов, свойственных аппаратам подобной конструкции из-за особенности гидродинамических процессов, происходящих в трубах при движении по ним газожидкостной смеси. Они оказывают влияние на теплообменные характеристики, которые сильно зависят от значения критических скоростей соответствующих режимов работы аппарата.

Полученные значения скоростей нагрева соответствуют рекомендациям по ведению процессов водно-тепловой обработки.

Проведение ВТФО, осахаривания и брожения в КСИБА

На рисунке 8 представлен режим работы аппарата на стадиях водно-тепловой и ферментной обработки суспензии, осахаривания и подготовки сусла к сбраживанию.

*15 °гм1;"

Я 10 ._ . ........

ДГМ 1:3 ХГМ 1:2.5

0 20 40 60 80 100 120 Время ВТФО, мин

Рис. 9. Динамика изменения концентрации растворенных сухих веществ

2 3 4 5 Время, Ч

Рис. 8. Режим работы аппарата

Эффективность проведения стадий ВТФО и осахаривания оценивали по динамике изменения концентрации растворенных сухих веществ для каждого из исследуемых гидромодулей (рис. 9). Изменение во времени концентрации растворенных сухих веществ в суспензиях с гидромодулями от 1:4 до 1:2.5 описывается уравнением:

СВ = А * т0,55, где А = 4,35*к (5)

ш

зш

Рис. 10. Сравнительная характеристика изменения эффективной вязкости ячменных замесов при проведении их ВТФО на лабораторных моделях и в КСИБА (ГМ 1:2.5, 100 об/мин)

Как видно из рисунка 10, интенсивность процессов, проходящих в КСИБА, очень высока. «Пик клейстеризации» крахмала практически отсутствует даже для

высококонцентрированного замеса. Однако присутствие самой по себе фазы клейтеризации заметно отражается на гидродинамике (рис. 11, 12).

Время ВТФО, мин

Время ВТФО, мин

Рис.11. Изменение гидродинамики в аппарате при ВТФО в КСИБА (гм 1:2.5)

ОД 0,2 0,3 0,4

Концентрация твердой фазы, кг/кг б Охлаждение замеса □ Нагреб замеса

Рис.12. Изменение коэфф. эффективной вязкости суспензии при ВТФО в КСИБА (гм 1:2.5, юооб/мин)

Рис.13. Влияние концентрации твердой фазы в замесе с гиромодулем 1:2.5 на скорость его нагрева и охлаждения (при в,=0.35 кг/с)

При изменении концентрации твердой фазы в замесе происходит существенное изменение основных теплообменных показателей (рис. 13, 14, 15).

Концентрация твердой фазы, кг/кг

Концентрация твердой фазы, кг/кг

Рис.14. Изменение коэфф-та теплопередачи Рис. 15. Изменение коэфф-та теплоотдачи в зависимости от концентрации твердой фазы в зависимости от концентрации твердой в гидролизате при нагреве фазы в гидрализате при нагреве в

в КСИБА (а,=0.3 кг/с) КСИБА (О,=0,3 кг/с)

Перед постановкой сусла на брожение проводилась его аэрация в режиме циркуляции (открыта подача воздуха в струйную камеру (рис. 4 поз. 4). Процесс сбраживания сусла в КСИБА проводили 96 часов. При ежедневном отборе проб бражки осуществлялось ее кратковременное циркуляционное перемешивание. Интенсивность проведения процесса сбраживания сусла различной концентрации оценивали по динамике прироста концентрации спирта (рис.16)

»гмы Рис.16. Динамика изменения концентрации спирта в бражке

В результате исследований

□ ГМ 1:3 5 „

отмечено, что для

низкоконцентрированного сусла с аяи гидромодулями 1:4 и 1:3.5 процесс брожения заканчивается на третьи сутки. Для высококонцентрированного сусла с гидромодулями 1:3 и 1:2.5 процесс брожения длится до четырех суток.

Изменение во времени концентрации спирта для исходных суспензий с гидромодулями от 1:4 до 1:2.5 описывается уравнением:

х = В*т0,53, где В = 14*к (6)

Интенсификация процессов тепло- и массообмена при брожении обуславливается всплыванием пузырьков выделяющегося углекислого газа. Однако для высококонцентрированного сусла риск снижения эффективности указанных выше процессов увеличивается из-за повышенной вязкости и плотности субстрата.

Проведенный анализ состояния клеток дрожжей показал, что при одинаковом первоначальном засеве дрожжей в сусло, общее количество клеток дрожжей (живых, мертвых и почкующихся) в образце с перемешиванием многократно превышало количество, полученное в образце без перемешивания. Однако доля мертвых клеток в образце с перемешиванием преобладала. В таблице 2 представлены результаты сбраживания высококонцентрированного сусла без периодического перемешивания и с перемешиванием:

Время брожения, сут

___Таблица 2

Гидромодуль Условия проведения брожения Концентрация растворенных сухих веществ в сусле. % Концентрация спирта в бражке, %

24ч 48ч 72ч 96ч

1:2.5 Без перемешивания 22.4 7 9 10 12

Перемешивание 30 минут каждые 12 часов 22.6 6 8 8 10

г.- и- та .1.- » Л*

Прием я дробление зерна

Разваривание сырья, охлаждение и осахарквание. Сбраживание осахзренной массы

Перегонка бражки. Ректификация спирта

Рис. 17. Машинно-аппаратурная схема производства спирта с внедрением в неё КСИБА

1 - элеватор; 2 - приём зерна: 3 - магнитный сепаратор; 4 - бункер: 5 - ленточный дозатор; 6 - молотковая дробилка; 7 ~ элеватор; 8 ~ автоматические весы; 9 - дробилка; 10 - смеситель - предразварник; 11 - плунжерный насос; !2 - кожухотрубный теплообменник; 13 - ёмкость - накопитель: 14, 15- насосы; 16 - бражная колонна; / 7 - эпторационная часть бражной колонны: 18. 23. 24 ~ конденсатор; 19. 20. 22 - дефлегматоры; 21 ~ сепаратор: 25, 26 -ректификационные колонны 2 - ая и ] -ая соответственно; 27 - эторационная колонна; 28 - пеноловушка; 29 - бардорегулятор; 30 - Охладитель: 31 - смотровой фонарь.

Основные результаты работы

1. Предложена и экспериментально подтверждена возможность последовательного проведения трех технологических стадий процесса производства этанола в кожухотрубном струйно-инжекционном бродильном аппарате (КСИБА). Новизна технического решения подтверждена патентом РФ № 2499050 на периодический способ производства спирта и кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат, используемый при осуществлении способа.

2. Выполнены комплексные исследования реологических характеристик водно-зерновой суспензии в процессе водно-тепловой обработки на лабораторной стадии и в КСИБА. Выяснено, что водно-зерновая суспензия относится к группе псевдопластичных жидкостей. Получены эмпирические уравнения для расчета эффективной вязкости водно-зерновой суспензии от числа оборотов ротора реотеста, температуры и концентрации ферментов в широком диапазоне гидромодулей.

3. Определены дозировки ферментных препаратов разжижающего действия при проведении ВТФО в КСИБА. Рекомендуемая дозировка ферментных препаратов разжижающего действия Дистицим БА-Т и Дистицим ХЬ - 2 Ед./г*крахмала.

4. Получены экспериментальные данные по теплообмену при нагреве и охлаждении водно-зерновых суспензий в КСИБА, которые могут быть использованы при конструировании аппарата. Установлено, что с увеличением концентрации твердой фазы происходит снижение коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи

от стенки к суспензии. Скорости нагрева и охлаждения при этом также снижаются.

5. Впервые получены экспериментальные данные по процессу брожения в КСИБА. Получаемая концентрация спирта в бражке соответствует нормативам, установленным для спиртовой промышленности. Получена эмпирическая зависимость выхода спирта во времени и в зависимости от концентрации твердой фазы в исходной суспензии. Исследовано влияние периодического циркуляционного перемешивания высококонцентрированного субстрата на процесс брожения. Установлено, что периодическое циркуляционное перемешивание положительно влияет на размножение дрожжей, но негативно сказывается на процессе брожения в целом из-за возрастания доли мертвых клеток предположительно из-за их травмирования нерастворенными частицами, которые присутствуют в субстрате.

Список используемых в автореферате сокращений и условных обозначений

Сокращения: ГМ - гидромодуль водно-зерновой суспензии.

Условные обозначения: Т - температура, °С; к - величина, характеризующая концентрацию твердой фазы, фактически представленная как массовое отношение | количества воды к количеству зерна, кг/кг; ц - эффективная вязкость, Па*с; С -дозировка ферментных препаратов, Ед./г* кр.; п - скорость вращения ротора реотеста i в диапазоне от 2.5 до 100 включительно, об/мин.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Ибрагимов Т.С. Исследование влияния интенсивного перемешивания на работу ферментных препаратов при проведении водно-тепловой обработки замеса из ячменя с гидромодулем 1:2.5 / Ибрагимов Т.С., Скрипалыцикова О.С. // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 3-й Всероссийской научно-практической конф. студентов, аспирантов и молодых учёных с Международным участием. 28-30 апр. 2010 г./ БТИ АптГТУ - Бийск, 2010. - С. 335-336.

2. Ибрагимов Т.С, Баракова Н.В., Начетова М.А., Новоселов А.Г. Повышение эффективности производства спирта за счет проведения нескольких технологических стадий в одном аппарате 1. Кожухотрубный струйно-инжекционный бродильный аппарат (КСИБА). Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, - Электронный журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2010.-№2,- сентябрь 2010;

3. Ибрагимов Т.С., Чеботарь A.B., Баракова Н.В., Новоселов А.Г. Повышение эффективности производства спирта за счет проведения нескольких технологических стадий в одном аппарате. 2. Проведение механико-ферментативной обработки зернового сырья в КСИБА. Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий», - Электронный журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2011.-№1,- март 2011;

4. Ибрагимов Т.С., Чеботарь A.B., Новоселов А.Г. Повышение эффективности производства спирта за счет проведения нескольких технологических стадий в

одном аппарате. 3. Проведение водно-тепловой обработки, осахаривания и сбраживания высококонцентрированного сусла в КСИБА с применением низкотемпературной схемы разваривания // Новые Технологии. - Майкоп: Майкопский государственный технологический университет (МГТУ), 2011. -Вып. №4.-С. 24-27,-322 с.

5. Ибрагимов Т.С., Чеботарь A.B., Новоселов А.Г. Производство этилового спирта в кожухотрубном струйно-инжекционном аппарате по низкотемпературной схеме // Техника и технология пищевых производств. -Кемерово: КемТИПП, 2012. - Вып. №1 (24). - С. 112-115. -168 е.;

6. Ибрагимов Т.С., Чеботарь A.B., Новоселов А.Г, Исследование теплофизических свойств зерновых суспензий в процессе механико-ферментативной обработки. Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий», -Электронный журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2012.- №2.- сентябрь 2012.

7. Ибрагимов Т.С., Чеботарь A.B., Свинцов Д.В., Новоселов А.Г. Реологические характеристики зерновых суспензий в процессе механико-ферментативной обработки. Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий», - Электронный журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2012,- №2,- сентябрь 2012.

8. Ибрагимов Т.С., Чеботарь A.B., Новоселов А.Г. Характерные особенности изменения реологических свойств водно-зерновых суспензий в процессе водно-тепловой и ферментативной обработки (ВТФО) зернового сырья. Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий», - Электронный журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2013. - №1.- март 2013.

9. Ибрагимов Т.С., Баракова Н.В., Новоселов А.Г., Чеботарь A.B. Периодический способ производства спирта и кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат, используемый при осуществлении способа // Пат. N° 2499050 Российская Федерация, МПК С12Р 7/06; заявитель и патентообладатель НИУ ИТМО - заявка № 2011126872/10 от 29.06.2011, публикация 20.11.2013. Бюл. №32 - С. 10.

Подписано в печать ¿ОМ^, Формат 60x84 Ш б-Усл. печ. л. Печ. л. 1.0 . Тираж 50 экз. Заказ № 3 Ь. НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкским пр., 4У ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

м

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И

ОПТИКИ

(ИНСТИТУТ ХОЛОДА И БИОТЕХНОЛОГИЙ)

На правах рукописи

0420145 г 56^

УДК 673.1.02.001.5

ИБРАГИМОВ Тимур Сафарович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАШИННО-АППАРАТУРНОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛОВОГО СПИРТА

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор А.Г. Новоселов

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения............................................................................4

Введение..............................................................................................6

Глава 1. Литературный обзор по проблеме выбора направления

совершенствования промышленного производства этанола.....................11

1.1 Анализ современных направлений совершенствования промышленного производства этанола из растительного сырья...............................................11

1.2 Анализ традиционных технологических схем производства этанола..........12

1.2.1 Анализ работ, посвященных способам подготовки зернового сырья к проведению ВТФО.........................................................................................17

1.2.2 Анализ литературных данных по режимам проведения водно-тепловой обработки, осахаривания и сбраживания......................................................26

1.3 Выбор конструкции аппарата для последовательного.......................................

проведения в нем трех стадий технологического процесса производства

этанола..............................................................................................................31

1.3.1 Анализ научных работ, посвященных изучению процессов,......................

происходящих в рабочем объеме КСИА и подобных ему аппаратах.

Постановка задачь исследования..................................................................36

Глава 2. Исследование реологических характеристик водно-зерновых суспензий в процессе их водно-тепловой обработки......................................................39

2.1 Цели и задачи исследования реологических характеистик...........................39

2.2 Описание методики проведения лабораторных исследований реологических характеристик водно-зерновых суспензий в отсутствии амилолитических ферментов.........................................................................................................40

2.3 Результаты исследования реологических характеристик на лабораторной стадии................................................................................................................43

2.3.1 Обработка опытных данных экспериментов без применения ферментных препаратов разжижающего действия............................................................44

2.3.2 Обработка опытных данных экспериментов с применением ферментных препаратов разжижающего действия............................................................56

2.4 Выводы по Главе 2...........................................................................................62

Глава 3. Исследование теплообменных характеристик кожухотрубного струйно-

инжекционного бродильного аппарата.......................................................64

3.1 Исследование теплообменных характеристик КСИБА.................................66

3.2 Схема экспериментальной установки.............................................................66

3.3 Методика проведения эксперимента...............................................................68

3.4 Обработка экспериментальных данных..........................................................69

3.4.1 Определение скорости нагрева и охлаждения газожидкостной смеси в трубах КСИА..................................................................................................69

3.4.2 Определение коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи в процессах нагрева и охлаждения.....................................................................................70

3.5 Выводы по Главе 3...........................................................................................73

Глава 4. Проведение механико-ферментной обработки, осахаривания и

сбраживания сусла высокой концентрации в КСИБА...............................74

4.1 Схема экспериментальной установки.............................................................74

4.2 Методы исследования......................................................................................77

4.2.1 Режимы работы аппарата...........................................................................77

4.2.2 Расчёт необходимого количества дрожжей и их активация...................77

4.2.3 Определение концентрации спирта..........................................................78

4.3 Проведение эксперимента...............................................................................78

4.3.1 Водно-тепловая обработка.........................................................................78

4.3.2 Осахаривание.............................................................................................79

4.3.3 Сбраживание сусла....................................................................................80

4.4 Результаты экспериментов..............................................................................81

4.4.1 Водно-тепловая обработка и осахаривание.............................................81

4.4.2 Сбраживание осахаренного сусла............................................................88

Основные результаты работы................................................................93

Список литературы...............................................................................95

Приложение 1.......................................................................................109

Приложение 2.......................................................................................113

Приложение 3.......................................................................................117

Приложение 4......................................................................................124

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С - дозировка ферментных препаратов, Ед/г.*кр;

Б - площадь, м2;

в - массовый расход, кг/с;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 *К);

Ь - длина, м;

N - число труб, шт.;

Р - сила, Н;

С) - объемный расход, м3/с:

Т - температура замеса на момент отбора пробы, °С; Ут - средняя скорость нагрева, °С/мин; ЛУ - влажность зерна, %; а - активность ферментного препарата, Ед./мл; ё - диаметр, м;

- средний условный диаметр частиц, м; к - концентрация твердой фазы в замесе, кг/кг; I - температура, °С;

- разность температур, °С; Д1:Ср - среднелогарифмическая разность температур продукта и хладо-/теплоносителя, °С; х - концентрация спирта в бражке, % об; у - выход спирта из 1 т условного крахмала, дал; а - коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м * К);

у - скорость сдвига, с"1;

5Т - изменение температуры теплоносителя, °С; 51 - изменение температуры хладоносителя, °С; е - крахмалистость, %; я-3,14;

р - плотность, кг/м3;

т - касательное напряжение, Н/м2; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К); ц - коэффициент эффективной вязкости, Па*с;

Индексы

б - больший; вн - внутренний; вх - вход; вых - выход; зер - зерно; м - меньший; н - наружный; ср - средний; ст - стенка; тр - труба;

1 - процессы, относящиеся к продукту;

2 - процессы, относящиеся к тепло- или хладоносителю.

Сокращения ГМ - гидромодуль водно-зерновой суспензии; СВ - концентрация растворенных сухих веществ в сусле; КСИА - кожухотрубный струйно-инжекционный адсорбер; КСИБА - кожухотрубный струйно-инжекционный бродильный аппарат; КСИФ - кожухотрубный струйно-инжекционный ферментатор; МФП - микробные ферментные препараты; ФП - ферментные препараты.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Радикальные изменения, произошедшие в структуре Российской экономики за последние 20 лет, поставили перед отечественными производителями серьезные проблемы, связанные с конкурентной борьбой за рынки сбыта. Особенно эти изменения затронули спиртовую отрасль промышленности, что отразилось на уменьшении объемов производства этилового спирта (этанола) отечественными предприятиями. Тем не менее, мировые тенденции производства этанола показывают неуклонный рост, что связано с постоянно расширяющейся областью применения этанола как целевого продукта. Основными потребителями этанола в промышленных объемах являются следующие отрасли, схематично представленные на рисунке 1.

Рис. 1. Основные отрасли-потребители этанола в промышленном масштабе

В последние десятилетия большое внимание за рубежом уделяется использованию этанола в топливно-энергетических целях. Главным фактором, стимулирующим развитие этого направления, является замена углеводородного сырья на возобновляемые сырьевые источники для производства этанола и, в частности, биоэтанола как основной составляющей автомобильного топлива [3,72]. Минимальная мировая потребность в биоэтаноле для топливных целей

оценивается в 200+300 млн. дал в год, что более, чем в 3 раза превышает нынешнее производство [3].

Спиртовая отрасль промышленности в России традиционно является материалоемкой и энергоемкой. Для получения больших объемов этанола необходимо перерабатывать огромные количества растительного сырья, что требует больших энергозатрат на проведение технологического процесса, снижает рентабельность производства и увеличивает необходимость утилизации отходов спиртового производства. Основными причинами снижения объемов выпуска этанола в Российской Федерации являются высокие себестоимость производимой продукции и капиталовложения в создание новых производств.

Параллельно с крупнотоннажным производством этанола в России начинают широко развиваться предприятия средней и малой мощности до 100 дал в сутки [56]. Такие предприятия обладают рядом достоинств, связанных с более быстрой окупаемостью, завершенностью производственного цикла, малыми капитальными затратами и т.д. [56]. Тем не менее уровень материальных и энергетических затрат, направленных на выпуск запланированного объема продукции, делает ее практически невыгодной с точки зрения уровня цены и конкурентоспособности на отечественном рынке.

Решение этой проблемы становится возможным при внедрении современных высокоэффективных технологий и оборудования, позволяющего их реализовывать. Важным условием, гарантирующим успешное достижение поставленной цели, является наличие на машиностроительном рынке несложного в изготовлении и надежного в эксплуатации малоэнергоемкого оборудования, позволяющего проводить в нем, последовательно, несколько стадий технологического процесса.

Решение этой задачи позволит отказаться от ряда дорогостоящего технологического оборудования и вспомогательных машин (насосов, механических перемешивающих устройств), а также значительно снизить протяженность технологических коммуникаций с установленной на них запорной и регулирующей арматурой. В свою очередь упрощение системы обвязки

технологических аппаратов трубопроводами снижает опасность микробиологического заражения и удешевляет процесс мойки и дезинфекции.

Разработка такого универсального оборудования на основе теоретических и экспериментальных исследований является актуальной задачей, решение которой позволит в значительной мере упростить машинно-аппаратурную схему производства этанола, а следовательно, повысить рентабельность спиртовых заводов и снизить капитальные затраты на их создание.

Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка конструкции аппарата и технологических режимов, позволяющих последовательно проводить в нем несколько технологических стадий процесса производства этанола из зерно-крахмалистого сырья, их экспериментальная апробация и выдача практических рекомендаций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

> обобщить и проанализировать имеющиеся в научно-технической и патентной литературе данные по технологии производства этанола и его машинно-аппаратурному оформлению;

> научно обосновать возможность последовательного проведения нескольких технологических процессов в одном аппарате;

> разработать конструкцию аппарата, реализующую поставленную цель;

> провести комплексные экспериментальные исследования с целью подтверждения возможности проведения выбранных технологических процессов в предполагаемой конструкции аппарата;

> дать практические рекомендации по проведению выбранных технологических режимов в предложенной конструкции аппарата.

Научная новизна. Научная новизна данной диссертационной работы заключается в следующем: 1. Предложена и экспериментально подтверждена возможность последовательного проведения трех технологических стадий процесса производства этанола в кожухотрубном струйно-инжекционном бродильном аппарате (КСИБА).

2. Выполнены комплексные исследования реологических характеристик водно-зерновых суспензий в процессе их водно-тепло-ферментной обработки (ВТФО) в лабораторных условиях и в КСИБА. Получены уравнения для расчета эффективной вязкости суспензий различных гидромодулей в зависимости от скорости вращения ротора реотеста и концентрации ферментов.

3. Опытным путем определены подходящие дозировки ферментных препаратов разжижающего действия для возможного проведения ВТФО и осахаривания в КСИБА.

4. Получены эмпирические зависимости изменения концентрации растворимых сухих веществ во времени при проведении ВТФО в КСИБА.

5. Получены экспериментальные данные по теплообмену при нагреве и охлаждении водно-зерновой суспензии в предложенной конструкции КСИБА, которые могут быть использованы при конструировании.

6. Впервые получены экспериментальные данные по проведению процесса брожения в КСИБА.

Практическая значимость работы.

1. Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс при изложении лекционного курса и проведении лабораторных занятий по дисциплине «Процессы и аппараты биотехнологических производств» для магистров, обучающихся по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» и профилю «Процессы и аппараты пищевых производств».

2. На основе результатов диссертационной работы разработаны исходные данные и техническое задание на проектирование КСИБА производительностью 100 литров этилового спирта (геометрический объем 1,2 м3) и переданы ОАО «НПО «Прибор»» для разработки рабочих чертежей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в г. Бийске (2010г.); 38-й научно-практической конференции по итогам НИР за 2010 год профессорско-преподавательского состава, докторантов,

аспирантов и сотрудников университета, СПбГУНИПТ, Санкт-Петербург (2010г.): ХЫ1 научной и учебно-методической конференции, СПбНИУИТМО (2013г.); VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием в г. Бийске (2013 г.).

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Научное обоснование целесообразности и возможности последовательного проведения трех технологических стадий в одном аппарате и выбора его конструкции.

2. Технологические и рабочие параметры проведения процессов ВТФО, осахаривания и брожения в КСИБА.

3. Результаты экспериментальных исследований, касающиеся изучения реологических характеристик водно-зерновых суспензий, теплообменных характеристик экспериментальной модели аппарата, интенсивности процесса брожения и выхода этанола в широком диапазоне гидромодулей.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы, 4 приложений. Содержание работы изложено на 94 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 11 таблиц. В списке литературы 134 источника, в том числе 20 иностранных.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ПРОБЛЕМЕ ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО

ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛА 1Л Анализ современных направлений совершенствования промышленного производства этанола из растительного сырья К настоящему времени поиск путей совершенствования производства этанола ведется по нескольким направлениям (рисЛ .1). В общем случае эти направления можно сгруппировать следующим образом:

> направления, связанные с подготовкой зернового материала к сбраживанию;

> направления, связанные с интенсификацией процесса брожения;

> направления, связанные с интенсификацией тепло-массообменных процессов в технологических аппаратах;

> направления, связанные с упрощением машинно-аппаратурной схемы производства этанола.

Рассмотрим эти направления более подробно. Попробуем определить наиболее перспективное из них, которое ляжет в основу наших исследований.

1.2 Анализ традиционных технологических схем производства этанола

Производство этанола в России, как и во всем мире, является материалоемким и, как следствие, энергоемким. Материальные затраты составляют около 90% от общих затрат на производство [84]. Удельный вес энергозатрат на производство единицы продукции во многом зависит от принятой технологии производства этанола и ее машинно-аппаратурного оформления.

Спиртовой отраслью России производится пищевой и технический этанол. Пищевой этанол получают из сахаросодержащих и крахмалосодержащих растительных культур, в частности, сахарной свеклы и отходов ее переработки (мелассы), картофеля и зерновых злаков.

Технический спирт получают из этиленсодержащих газов (синтетический спирт), древесины (гидролизный спирт) и сульфитных щелоков (сульфитный спирт) [33].

В данной работе мы ограничимся рассмотрением поиском путей совершенствования производства пищевого этанола, который получают из крахмалосодержащего растительного сырья.

Производство пищевого этанола в России традиционно базировалось на использовании трех видов растительного сы