Выход спирта из 1 тонны крахмала

Мягкие непрерывные способы и схемы разваривания крахмалистого сырья без повышенного давления и температуры.

Контроль качества разваренной и осахаренной массы.

Схемы разваривания крахмалсодержащего сырья непрерывными методами под давлением

Снижение потерь при непрерывном разваривании зернового замеса и осахаривании для приготовления спиртовой бражки.

Разварники непрерывного действия

Экономия тепловой энергии при разваривании сырья в спиртовом производстве

Схема Гидродинамической обработка замеса в производстве спирта из зерна.

Усовершеннствованная схема разваривания ВНИИПБТ

Механическое измельчение крахмалсодержащего сырья до коллоидного состояния на шаровой мельнице позволяет получить крахмал растворимый при комнатной температуре

Диспергирование сырья с водой на коллоидных и вибрационных мельницах

Технико-экономическое обоснование ТЭО диспергирования крахмалсодержащего сырья взамен разваривания под давлением

Теория клейстеризации крахмала

Разжижение и осахаривание крахмала

Мойка оборудования

Расчет внутреннего змеевикового охладителя бродильного чана

Охлаждение бродильного чана выносными теплообменниками

Схемы непрерывных бродильных установок с элементами под вакуумом

Интенсификация непрерывного брожения сусла / бражки с применением вакуума

Влияние концентрации сухих веществ в исходном сусле на динамику накопления продуктов брожения

Теория непрерывного процесса перемещения жидкости в батарее сообщающихся сосудов

Оборудование для непрерывного брожения

Цена бродильного чана

Способы сбраживания. Расчет производительности бродильной батареи.

 

 

Схемы разваривания крахмалсодержащего сырья непрерывными методами под давлением

При непрерывном разваривании измельченного крахмалсодержащего сырья выход спирта из 1 тонны крахмала увеличивается на 1,4-1,6 дал по сравнению с выходом его при периодическом методе разваривания.

Основные процессы, протекающие при разваривании, сводятся к следующему:.

  • Переход крахмала в растворимое состояние, в котором он легко поддается осахариванию амилазой солода.

  • Разрушение клеточных стенок, что облегчает освобождение заключенного в них крахмала.

  • Гидролиз нерастворимых белков.

Разваривание должно подготовить сырые материалы, содержащие крахмал, к процессу осахаривания. Для этого нужно освободить крахмал, заключенный в клетках сырого материала, перевести его в состояние клейстера и растворить, так как амилаза солода или ферментов легко осахаривает только клейстеризованный крахмал, а на сырой крахмал она почти не действует.







Под давлением межклеточное вещество растворяется, сами же клетки хотя и не разрушаются, но значительно утрачивают свою прочность. Как видно из рисунка выше, клетки клубня, разваренного под давлением 3 ати, раздулись и приняли шарообразную форму. Взаимная связь между ними в сильной мере нарушилась. Растворившиеся под действием высокой температуры вещества частично диффундировали из клеток и заполнили межклеточные пространства.

При разваривании зерна, например кукурузы, несмотря на длительный контакт с водой, зерна крахмала, плотно заполняющие клетки зерна, не распадаются (см. рисунок ниже). После разваривания зерна кукурузы размягчаются, но не распадаются, и только в процессе выдувания (вследствие разкого перепада давления) клеточная структура зерна полностью разрушается.

Для разваривания крахмалсодержащего сырья непрерывным методом оно должно быть хорошо подготовлено. Картофель или зерно должны быть тщательно освобождены от всяких примесей и загрязнений, особенно от металлических примесей (гвоздей, гаек, болтов и т. д.), так как последние могут принести значительный ущерб установкам, измельчающим сырье. Примеси песка, камней и пр., кроме того, способствуют быстрому изнашиванию варочных агрегатов, через которые развариваемое сырье проходит со значительными скоростями. Степень измельчения сырья должна соответствовать технологическому режиму разваривания данного вида сырья.

Предложено несколько методов непрерывного разваривания. Рассмотрим схемы непрерывного разваривания, которые прошли заводские испытания и получили положительную оценку.

Интенсивно продолжается работа над дальнейшим усовершенствованием схем и аппаратов для непрерывного разваривания, и на этом пути возможны новые решения.

а) Непрерывная схема разваривания крахмал содержащего сырья Чемерского спиртового завода

История этой схемы начинается с 1949 года, когда Н.М. Кузнецов, А.Ф. Беренштейн и П.А. Чацкий предложили новый способ разваривания крахмалистого сырья, предварительно измельченного на молотковых дробилках.

Испытывая отдельные узлы этой схемы, УкрНИИСП провел в 1949-1950 гг. на Ново-Боровичском спиртовом заводе первоначальные опыты по измельчению и непрерывному развариванию картофеля и зерна.

Опыты дали положительные результаты, после чего была смонтированна установка непрерывного разваривания измельченного сырья на Чемерском спиртовом заводе. Вскоре Чемерский завод был полностью переведен на работу по новой схеме.

Последний вариант Чемерской схемы тепловой обработки крахмалистого сырья был представлен авторами в 1957 году.

Переработка картофеля

Картофель после мойки (см. рисунок I) норией 1 подается через автоматические весы 2, бункер 3 и питатель 4 в дробилку 5 молоткового типа. Измельченный картофель из дробилки падает в сборник 6. В сборнике 6 измельченный картофель смешивается с теплой водой до необходимой концентрации заторной массы. Затем заторная масса насосом-дозатором 7 непрерывно подается в варочный аппарат 23 и далее в выдерживатель 24, 25, 26 (на схеме не показан) и сепаратор пара 27.

Переработка зерна

Очищенное зерно норией 8 подается через зерновой магнитный сепаратор 9 на зерновую молотковую дробилку 10. В ней установлены сита с отверстиями диаметром 4 мм. Затем измельченное зерно норией 11 подается в вибрационный разделитель-сепаратор 12, откуда частички молотого зерна размером менее 3 мм поступают на автоматические весы 13, а крупная фракция помола возвращается на дробилку 10. После автоматических весов помол зерна через накопительный зерновой бункер 14 и турникетный зерновой питатель 15 поступает в смеситель 16.

Количество воды, поступающей в смеситель, регулируется дозатором 19 и уравнительным бачком 20. Дозатор работает автоматически, для этого он связан с автоматическими весами 13 пневмо- и электроприводом.

Из смесителя 16 насосом 7 масса подается в варочный аппарат 23. На схеме также показан циклон-разгрузитель 18, в котором происходит улавливание мучной пыли, образующейся при дроблении, в нориях, виброразделителе, автоматических весах и в смесителе.

 

Схема непрерывного 
      разваривания крахмал содержащего сырья Чемерского 
      спиртового завода

Рисунок I. Схема непрерывного разваривания крахмал содержащего сырья Чемерского спиртового завода.

Воздух вместе с мучной пылью от дробилки, норий, виброразделителя, автоматических весов и смесителя отсасывается вентилятором через циклон-разгрузитель 18 и для окончательной очистки направляется в мокрый фильтр 21. Вода, поступающая в мокрый фильтр 21, предварительно очищается в фильтре 22. Мучная пыль, уловленная циклоном, направляется в автоматические весы 13.

Экстра-пар (вторичный пар) от паросепаратора 27 нагревает воду в баке 17, откуда нагретая вода поступает в картофеледробилку 5, вс меситель 16 и на все прочие нужды.

Основное различие между новыми технологическими схемами (Чемерская, Рязанская и др.) заключается в конструкции самого варочного аппарата и в технологических параметрах процеса разваривания.

Для Чемерской схемы характерным звеном является варочная батарея, состоящая из нескольких разварников периодического действия, соединенных между собой последовательно.

Масса, подлежащая развариванию, равномерно подается насосом в распылительный разварник 23, где, падая на быстровращающийся диск (700-800 оборотов в минуту), разбрызгивается и, соприкасаясь с паром, нагревается до заданной температуры в течение нескольких секунд - во время падения распыленной массы в пространстве варочного аппарата. В качестве варочного аппарата использован обычный разварник Генце №3 емкостью 5,18 куб. метра.

Нагретая масса из аппарата выталкивается избыточным давлением пара в нижнюю часть первого выдерживателя 24, наполняя его, переходит по трубопроводу в нижнюю часть второго выдерживателя 25, затем третьего 26 (на схеме не показан) и, наконец, в сепаратор пара 27.

Пар подается только в варочный аппарат, поэтому процесс разваривания протекает по убывающей кривой давлений и температур.

Давление и температура в каждом выдерживателе устанавливаются в зависимости от сопротивления массы и убывают по мере ее продвижения к сепаратору пара, который сообщается с атмосферой.

Температура регулируется одним паровым вентилем и поддерживается во всей батарее на определенном уровне, исходя их свойств развариваемого сырья.

  В аппарате В выдерживателе № 1 В выдерживателе № 2

В выдерживателе № 3

Сырье температура  в ° давление в атм. температура в ° давление в атм. температура в ° давление в атм. температура в ° давление в атм
Пшеница 144 3,0 137 2,7 131 2,0 122 1,3
Картофель 132 2,1 124 1,4 114 0,8

При варке картофеля из варочной батареи выключается третий выдерживатель. Продолжительность разваривания будет определяться, исходя из общей емкости всех выдерживателей и объема массы, подлежащей развариванию за единицу времени.

Так, например, при мощности Чемерского спиртового завода 1500 дал спирта в сутки количество развариваемой за час массы составит:

1500 x 5,4 = 8100 л, или 8,1 куб. метра.

Если полезная емкость одного выдерживателя 4,5 куб. метра, то емкость всей батареи выдерживателей 4,5 x 3 = 13,5 куб. метра.

Таким образом, в течение часа в варочную батарею поступает 8,1 куб. метра массы при общей емкости выдерживателей 13,5 куб. метра. Следовательно, продолжительность варки составит:

13 5 / 8,1  = 1,7 часа или 102 минуты

Продолжительность пребывания массы в каждом выдерживателе

102 /3 = 34 минуты.

Из приведенных расчетов видно, что продолжительность варки крахмалистого сырья в Чемерской варочной батарее больше, чем при периодическом разваривании, но зато температурный режим значительно мягче: 137 — 122°C для пшеницы и 124 — 114°C для картофеля. Пребывание массы в сепараторе пара при температуре 100—105°C мы сознательно не учитываем, так как сепаратор пара имеется и в других схемах, где мы также условимся не принимать его в расчет на продолжительность разваривания. Прогрев массы в распылительном разварнике хотя и проходит при более высоких температурах, но не может вызвать образования карамелей и меланоидинов, так как продолжается всего несколько секунд, а быстрый прогрев массы в интервалах температур 50 — 75°C предотвращает ферментативный гидролиз крахмала дополнительное образование Сахаров в первой стадии тепловой обработки крахмалистого сырья.

Мягкий режим варки и другие положительные стороны Чемерской схемы не замедлили сказаться прежде всего на увеличении выхода спирта.

Некоторые заводы зарегистрировали в 1957 году фактический выход спирта из тонны крахмала при переработке картофеля 66,4—66,6 дкл и получили увеличение выхода спирта за счет непрерывного разваривания крахмалистого сырья на 1,0—1,6 дал.

К числу недостатков Чемерского аппарата (разварник и три выдерживателя) следует отнести большую металлоемкость и низкий съем спирта с 1 куб. метра варочной батареи — приблизительно 90 дал, в то время как каждый кубический метр емкости периодического разварника дает 138 дал спирта в сутки.

При осуществлении Чемерской схемы представляется возможным использовать имеющиеся на каждом заводе периодические разварники, но сама конфигурация разварника Генце не обеспечивает равномерного перемещения в нем отдельных частиц массы. Масса на периферии двигается медленнее, чем в центре разв арника, поэтому продолжительность разваривания отдельных частичек, расположенных на различном удалении от прямой линии потока, будет неодинаковой,

В теплотехническом отношении недостатком схемы является ограниченное использование экстра-пара, что не способствует снижению удельного расхода топлива.

При внедрении Чемерской схемы на заводах малой мощности (400 — 600 дал) необходимо предварительно производить расчет на -продолжительность разваривания с учетом мощности завода и емкости варочной батареи. Так, например, если для завода мощностью 500 дал спирта в сутки установить батарею выдерживателей, состоящую из трех разварников №2 .полезной емкостью по 3,5 куб. метра каждый, то, производя расчет, получим количество развариваемой за 1 час массы:

500 x 5,4 = 2700 л, или 2,7 куб. метра

и полезный объем батареи выдерживателей:

3,5 x 3 = 10,5 куб. метра.

Продолжительность разваривания в этом случае составит:

10,5 / 2,7 = 3,9 часа.

Очевидно, столь продолжительная варка измельченного сырья даже при мягком температурном режиме повлекла бы за собой увеличенные потери сбраживаемых углеводов.

Уменьшить емкость батареи выдерживателей невозможно, так как разварников № 1 (2,6 куб.метра) на заводах уже не осталось.

Остается уменьшить число выдерживателей, но так как давление в каждом выдержателе зависит от сопротивления массы, то изъятие одного выдерживателя понизит сопротивление всей системы, а соответственно понизится давление и температура в варочной батарее.

Если мы будем стремиться сохранить давление и температуру без изменений, то это требует дополнительного расхода пара, а следовательно и топлива.

Сопротивление и в варочной батарее можно поддерживать искусственно - для этого требуется лишь установить клапан-регулятор.

Все это говорит о том, что для заводов малой мощности не целесообразно рекомендовать описанную выше конструкцию варочного аппарата в виде батареи, составленной из разварников Генце.

Из варочного аппарата 23 разваренная зерновая масса поступает в выдерживатель 24. В выдерживателе имеется поплавковый регулятор, при помощи которого масса поступает в сепаратор пара 17 и далее на осахаривание.

 

 Дробление крахмалистого сырья

Дробление картофеля производится на молотковых дробилках МД-500, которые в настоящее время изготовляются орловскими механическими мастерскими Росглавспирта. Для дробления зерна используется молотковая дробилка ВДБ-3000 (с вентилятором) или РДБ-3000 (без вентилятора). Обе дробилки изготовляет Черкасский машиностроительный завод.

Рабочий орган молотковой дробилки для зерна состоит из ротора с пластинчатыми молотками и чешуйчатого или гладкого сита. Зерно попадает между молотками ротора и овальным ситом. Сито установлено неподвижно, а ротор дро-бияки вращается (до 2400 оборотов в минуту). Раздробленное до состояния крупки зерно проталкивается ударами молотков через ячейки сита в приемный бункер. Конструкция молотковых дробилок позволяет легко заменять изношенные молотки новыми.

Дробилки ВДБ-3000 и РДБ-3000 имеют дозирующие питательные механизмы и магниты для улавливания металлических примесей. •»

Питатель дробилки представляет собой рифленый вал, приводимый в действие электродвигателем мощностью в 1 квт. Вал питателя делает 75 оборотов в минуту. Для заводов малой мощности число это следует снизить до 15 или уменьшить глубину рифелей.

Производительность молотковых дробилок и удельный расход электроэнергии (на тонну зерна) зависят от ряда факторов и, прежде всего, от диаметра отверстий сита и площади его живого сечения,

Таблица 4

Производительность молотковой дробилки РДБ-3000 (по данным Б. Д. Рабиновича)

Наименование сырья

Сито

Производительность

т/ час

Расход электроэнергии на 1 т/квт-ч. Остаток на ситах в % при диаметре отверстий в мм
тип диаметр отверстий в  мм

2,5

2,0

Рожь Гладкое 2,8 1,60 20
Рожь Гладкое 3,0 1,85 14 0,5 6,5
Зерновая смесь Гладкое 5,0 2,78 11 —— ——
Пшеница Чешуйчатое 10 x 2 3,1 9 9,6 10,2
Овес Гладкое 3,0 0,6 3,4 0,1 3,0
Овес Гладкое 5,0 1,5 18
Овес Чешуйчатое 10 x 2 1,65 16,1 14,4 17,0

По мнению авторов схемы (3. К. Ашкинузи, А. Ф. Беренштейн, Н. М. Кузнецов, Б. Д. Рабинович, П. А. Чацкий, Д. П. Сидоренко), требованиям непрерывного разваривания отвечает степень размельчения зерна с частичками не крупнее 2,5 мм в диаметре. Более мелкий помол снижает производительность дробилки, увеличивает удельный расход электроэнергии и не дает технологических  преимуществ в условиях Чемерской схемы непрерывного разваривания крахмалистого сырья. Поэтому вибрационный разделитель 12 имеет сито с отверстиям и диаметром 2,8 — 3,0 мм. Продукт, получаемый проходом через это сито, поступает в смеситель и на разваривание.

При переработке овса и ячменя с повышенным содержанием пленки на вибрационном разделителе устанавливается второе верхнее сито с отверстиями 6 мм, предназначенное для отделения освобожденной от крахмала пленки (лузги) .

Вибратор приводится в движение электромотором мощностью 0,7 — 1,0 квт.

Эксцентриситет вала вибратора составляет 2,5 мм, частота колебаний — 1500 — 1700 в минуту.

Таким образом, на станции дробления Чемерской схемы имеется 4 потребителя электроэнергии:

1) дробилка с мотором — 28 — 30 кВт;

2) питатель — 1 кВт;

3) вибратор — 1 кВт;

4) вентилятор, отсасывающий воздух из дробилки через циклон 3—4 кВт.

Кроме того, нория 11, предназначенная для подачи измельченного продукта от дробилки 10 на вибрационный разделитель 12, также имеет электромотор.

Таким образом, общий расход электроэнергии на операции, связанные с дроблением зерна, все же остается довольно значительным.

Молотковая дробилка МД-500, предназначенная для дробления картофеля, имеет производительность 5 т/час. Мощность электродвигателя 19—20 кВт. Расход электроэнергии — 4 кВт на 1 тонну картофеля.

Если установить дробилку РДБ-3000 на заводе малой мощности (500—600 дал спирта в сутки), то она будет загружена процентов на 35, что повлечет за собой перерасход электроэнергии или нарушит непрерывность технологического процесса. Для таких заводов следует подбирать менее производительное оборудование.

До последнего времени считалось, что молотковые дробилки не пригодны для размола зерна повышенной влажности. Сотрудники ВНИИСПа совместно со специалистами Мичуринского спиртового завода разработали теоретически и практически осуществили мокрый помол зерна на молотковой дробилке РДБ-3000.

Вода при мокром помоле подается непосредственно в дробилку через барбатер 1 на питательный валик 2 и на наклонную поверхность магнитного сепаратора 3.

При мокром помоле стало возможным дробить на молотковой дробилке зерно любой повышенной 'влажности. В этом случае вся вода подается непосредственно в дробилку, где, таким образом, происходит и размол, и замес. Следовательно, отпадает надобность в смесителе, а при дроблении сухого зерна ликвидируются еще и потери на распыл с мучкой.

По данным ВНИИСПа, расход электроэнергии на 1 тонну зерна при мокром помоле примерно такой же, как и при сухом помоле.

Схема установки барбатера воды к дробилке РДБ-3000.

 

Смеситель и дозатор водыСмеситель и дозатор воды

Смеситель предназначен для приготовления замеса. Первое отделение смесителя, куда поступают измельченное зерно и вода, имеет цилиндрическую форму. Дозатор воды 19 синхронно связан (сблокирован) с автоматическими весами 13. Весы устанавливаются после дробилки под смесителем (отвешивается дробленый продукт) и соединяются при помощи электрического или пневматического привода с сифонным дозатором воды.

В первом отделении смесителя 1 для приготовления замеса используется лопастная мешалка 3 и дезинтегратор 4. Дезинтегратор состоит из двух зубчатых дисков. Верхний диск неподвижный, а нижний вращается на валу вместе с мешалкой (350—400 оборотов в минуту). Масса, проходя между зубьями дезинтегратора, измельчается в какой-то мере, попадает во второе отделение смесителя II, откуда через вырез в верхней его части возвращается обратно, направляется лопастной мешалкой вниз и опять проходит между, зубьями дезинтегратора.

Таким образом, создается многократная циркуляция массы через дезинтегратор. Между вторым и третьим отделением смесителя имеется наклонная решетка 2 для задержания образующихся комков. В третьем отделении установлен поплавковый указатель уровня I.

Габариты смесителя — 2000 x 1500 x 665 мм, полезная емкость — 1,2 куб. метра, продолжительность пребывания замеса в смесителе 10—15 минут. Температура замеса 40—45°С (зависит от температуры воды).

Как видно из рисунка, смеситель Чемерской схемы непрерывного разваривания крахмального сырья не отличается простотой конструкции.

Для улавливания мучной пыли предусмотрен мокрый фильтр, в котором при помощи горизонтальных форсунок создается завеса из капелек воды и водяного тумана. Воздух проходит через водяную завесу, а мучная пыль, содержащаяся в воздухе, улавливается капельками воды и возвращается в смеситель.

Ниже приводятся некоторые показатели, характеризующие технологическую схему Чемерского спиртового завода.

а) Общая емкость и вес варочной аппаратуры:

Наименование

 

Объем , м3 Вес в тоннах

 

Смеситель 1,8 1,0
Варочный аппарат 4,35 1,6
Три выдерживателя 15,0 6,3
Паросепаратор 12,0 3,0
Всего 33,15 11,9

 

б) Расход пара на разваривание 1 тонны зерна составит 753 кг.

в) Удельный расход электроэнергии на 1 тонну зерна.

питатель молотковой дробилки             0,5 квт

молотковая дробилка                         16,0 квт

смеситель .....                                     1,0 квт

насос .....                                            2,1 квт

распылительный диск                          0,4 квт.

Всего                                                20,0 квт

 

б) Непрерывная схема разваривания Мичуринского спиртового завода

Схема разработана и внедрена на Мичуринском спиртовом завода (см. рисунок II). Очищенное и взвешенное зерно из бункера 1 элеватором 2 подается на шнек 3, который сбрасывает зерно в бункер 4. Подача зерна в молотковую дробилку 5 регулируется барабанным питателем 6. Вода на замес дозируется регулятором расхода воды; при неисправности последнего в работу включается щелевой дозатор. Помол через промежуточный бункер 7 поступает в смеситель 8.

Схема непрерывного разваривания крахмал содержащего сырья Мичуринского спиртового завода

Рисунок II. Схема непрерывного разваривания крахмал содержащего сырья Мичуринского спиртового завода.

Если производится сухой помол, то вода, поступающая в смеситель, отмеряется дозатором 9. Из смесителя масса поступает в пред-разварник 10. Если перерабатывается картофель, то после его мойки он подается норией на взвешивание; затем картофель поступает в бункер, откуда шнеком через молотковую дробилку в виде картофельной кашицы направляется в предразварник 10.

Масса в предразварнике подогревается циркуляционным и экстрапаром. Температура подогрева массы зависит от степени помола зерна: при грубом размоле она достигает 80—85°С, при тонком до 65°С.

К насосу 12 масса из предразварника поступает через промежуточный сборник 11. Затем масса поступает в варочный аппарат, состоящий из двух колонн 13 и 14. Разваренная масса направляется в сепаратор 15 и далее на осахаривание.

 

в) Непрерывная схема разваривания Загородного спиртового завода

Из моечной машины (рис. III) картофель элеватором подается в автоматические весы /; отсюда через бункер 2 и лотковый питатель 3 он поступает в картофелетерку 4, затем в смеситель 8.

При переработке зерна оно подается зерновой норией через электромагнитный сепаратор, автоматические весы 5 и бункер 6 в вальцовую дробилку 7. Измельченное зерно поступает в смеситель 8, куда через систему автоматического дозирования подается вода.

Одновременно смеситель является и предразварником, в котором масса подогревается вторичным паром до 70—80°С. Затем масса насосом 9 подается в варочную колонну 10. Здесь масса подогревается до 150°С, а затем через специальный рычажный клапан // поступает в сепаратор пара 12.

 

Рисунок III. Схема непрерывного разваривания крахмал содержащего сырья Загородного спиртового завода.

 

г) Непрерывная схема разваривания Мироцкого спиртового завода

Характерными особенностями Мироцкой схемы являются аппарат для непрерывного разваривания новой конструкции и режим варки, проводимой в нем.

Схемой предусматривается измельчение картофеля в молотковой дробилке и грубый помол зерна в вальцовой дробилке.

Непрерывная схема разваривания Мироцкого спиртового завода

Рис.4. Схема непрерывного разваривания крахмал содержащего сырья Мироцкого спиртового завода

Подготовленная для разваривания масса (рис. 4) насосом / по трубе 2 прокачивается через теплообменник 3 типа труба в трубе. В теплообменнике масса подогревается экстрапаром, поступающим по трубе 5 из сепаратора 4. Подогретая масса может быть направлена непосредственно в разварник 6 или предварительно она направляется для дополнительного нагрева в змеевик 7, расположенный в сепараторе, а затем уже поступает в разварник. Здесь в течение нескольких секунд масса подогревается до 165° паром давлением 7—8 атм, поступающим через вентиль 8. Из разварника масса направляется в сепаратор 4. Температура массы при прохождении через разварник понижается на 20°. Время пребывания массы в разварнике составляет 2—3 минуты.

д) Непрерывная схема разваривания Винницкого спиртового завода

При разработке схемы предусматривали:

1) сократить время разваривания до 100—150 секунд за счет повышения температуры при разваривании;

2) упростить аппаратуру и сократить расход энергии;

3) максимально использовать вторичный пар на предварительный подогрев замеса.

 

Схема непрерывного разваривания крахмалсодержащего сырья Винницкого завода

Рис. 5. Схема непрерывного разваривания крахмалсодержащего сырья под давлением для Винницкого завода.

Из чана 1 (см. рисунок 5) замес насосом 2 подается в контактор 3, где он подогревается экстрапаром до 100—105°С. Подогретый замес насосом 4 подается в другой контактор 5, где замес подогревается острым паром давлением около 13 атм.

Из контактора 5 масса при температуре 172—182°С поступает в трубчатый разварник 6 и далее в сепаратор пара 7.

В первом контакторе объем массы увеличивается из-за конденсации экстрапара; поэтому производительность насоса, подающего массу во второй контактор, должна быть на 15—20% больше производительности насоса, подающего массу в первый контактор.

При работе по описанной схеме продолжительность разваривания составляет примерно 100 секунд.

Для обеспечения нормальной работы насоса 4 на трубе, подводящей к нему массу, устроен сепаратор для отделения воздуха, выделяемого при подогреве замеса.

По литературным данным, расход пара составляет около 55% к весу зерна. Выход спирта из 1 тонны крахмала составляет 66,5 дал.

 

е) Сопоставление различных схем разваривания

В таблице приведены показатели работы аппаратов для разваривания (смесителей, предразварников, разварников, выдерживателей, сепараторов) .

Данные получены при исследовании работы этих аппаратов в условиях периодического и непрерывного разваривания крахмалсодержащего сырья.

Таблица

Показатели Чемерский Мичуринский Загородный Мироцкий
П Н П Н П Н П Н
Выход спирта в дкл на 1 тонну крахмала 61,74 63,98 64,94 66,79 65,14 65,36 64,3 67,05
Расход пара в % к весу сырья 89,6 75,3 56,7 39,6 - 64,9 - 67,0
Удельная производительность аппаратов для разваривания в т/м3 общей емкости 0,8 1,93 1,34 3,6 - 2,3 0,98 2,9
Вес варочной аппаратуры в тоннах на 1 тонну сырья 0.41 0.20 0.26 0.13 - 0,16 0,35 0,15
Примечание. П — периодическое разваривание, Н — непрерывное разваривание.

Приведенные показатели в Таблице заимствованы из книги В. Б. Фремеля «Непрерывный процесс разваривания и осахаривания на спиртовых заводах», Пищепромиздат.

Из таблицы видны преимущества непрерывного разваривания по сравнению с периодическим. Во всех случаях увеличивается выход спирта, уменьшается расход пара, увеличивается удельная производительность аппаратов , а вес металла уменьшается.

При непрерывно действующей аппаратуре более экономно используется площадь и внутренние строительные объемы заводских помещений. Кроме того, при непрерывных методах работы легче автоматизировать управление процессом.

Дополнительный расход электроэнергии на дробление сырья при непрерывном способе разваривания покрывается указанными преимуществами.

В Чемерской схеме непрерывного разваривания обращает на себя внимание высокий расход пара, что объясняется низкой температурой замеса, поступающего на разваривание во время опытных варок. На расход пара оказывает также влияние разная степень использования вторичного пара на разных заводах и другие причины.

В некоторых случаях Чемерская схема может оказаться удобной в том отношении, что в ней используется имеющееся на каждом заводе оборудование.

Мичуринская схема характеризуется высокими экономическими показателями работы. Однако на Мироцком заводе конструкция трубчатого разварника, позволяющая вести скоростное непрерывное разваривание, дает лучшие показатели по выходу спирта и сама конструкция разварника проще и надо думать, надежнее в работе.

Такие же положительные качества имеет трубчатый разварник Винницкого завода; эта конструкция даже проще, чем разварник Мироцкого завода; однако схема непрерывного разваривания Винницкого завода требует сравнительно высокого давления пара, что доступно не каждому спиртовому заводу.

Наиболее перспективными являются схемы непрерывного разваривания под давлением с использованием разварников трубчатого типа, как наиболее ремонтопригодные и легко модифицируемые.

Химические превращения при разваривании

Под воздействием пара высокого давления растворяются не только межклеточные вещества, но и сами стенки клеток. Твердые составные части их - пентозаны и гемицеллюлоза - гидролизуются и превращаются в сахара, восстанавливающие фелингову жидкость, но не сбраживаемые дрожжами спиртовых заводов.

В результате разваривания содержащих крахмал сырых материалов под высоким давлением происходит клейстеризация, а затем и разжижение крахмала. Образующийся на первой стадии разваривания крахмальный клейстер переходит в жидкий растворимый крахмал, который легче выходит из стенок клеток после их разрушения. Опытами Меркера и Штумпфа установлено, что разваривание при температуре 125 С ( что примерно соответствует давлению 1,5 ати ) обеспечивает разжижение крахмального клейстера, содержащего 2 части воды на 1 часть крахмала. Чем больше взято воды, тем ниже может быть давление, необходимое для разжижения крахмала, что по-видимому, обусловлено изменением осмотического давления.

Под влиянием высоких температур и давления, содержащиеся в сыром картофеле и в зерновых злаках сахара могут подвергаться распаду. В крахмалсодержащем сырье содержатся главным образом сахароза, фруктоза и глюкоза. Общее количество естественных сахаров в картофеле достигает 0,3 %, в зерне – до 4 % (во ржи – до 7%). В дефектном сырье, а также мороженном картофеле количество свободных сахаров значительно больше. Дополнительное количество сахаров образуется при подваривании сырья.

Потери естественных сахаров зерна тем значительнее, чем выше давление и чем дольше продолжительность разваривания.

Действие высокой температуры вызывает дегидратацию и конденсацию сахаров, приводящие к глубокому распаду их до органических кислот и гуминовых веществ.

Распад сахара при нагревании под действием температуры и давления представляется в следующем виде:

Наибольший интерес с точки зрения спиртового производства заслуживают изменения пентозанов при разваривании под давлением, так как образующаяся из них ксилоза и арабиноза обладают восстанавливающей способностью. Однако дрожжами эти сахара не сбраживаются. Растворение пентозанов начинается при 2 ати. В течение 1 часа разваривания зеран ржи под давлением 3-4 ати в раствор переходит до 56-63% пентозанов, а с увеличением давления до 5 ати - до 73%. Но с повышением давления пентозы, как и другие сахара, разрушаются в тем большем количестве, чем дольше длится процесс разваривания.

Пектиновые вещества при разваривании гидролизуются с образованием (при жестких режимах обработки под давлением) большого количества метанола, что вызывает определенные трудности при ректификации, так как температура кипения метанола близка к температуре этилового спирта.

Пектиновые вещества при разваривании гидролизуются с образованием метанола

Чем жестче режим разваривания, тем больше образуется метанола.

При чрезмерно продолжительном разваривании с применением высокой температуры может произойти разрушение естественных сахаров зерна, что приведет к уменьшению выходов спирта из единицы сырья. Поэтому следует строго придерживаться установленного оптимального режима разваривания для каждого вида сырья.

Длительность и условия разваривания различны для отдельных видов крахмалистого сырья. Чем прочнее клеточная ткань сырого материала, тем дольше должно протекать разваривание и тем более высокое давление следует применять.

Изменение клеточной ткани. Под влиянием воды, температуры и находящихся в сырых материалах кислот при разваривании под давлением происходят многообразные химические процессы, в результате которых составные части сырья претерпевают те или иные изменения.

Клетчатка, именуемая также целлюлозой, является основой растительной ткани и главным материалом клеток. Наряду с целлюлозой в клеточную ткань входят гемицеллюлозы, состоящие в значительной части из пентозанов. Наружные оболочки состоят из этих же веществ в соединении с лигнином, минеральными солями и пр.

Под действием сравнительно невысокой температуры, применяемой при разваривании сырья, целлюлоза существенно не изменяется. Сопутствующие ей гемицеллюлозы при 130-158°С частично гидролизуются и превращаются в растворимые сахара, большинство которых не сбраживается дрожжами. От растворения этих веществ целлюлозный каркас клеток теряет свою жесткость и становится эластичным. Этим и обусловлено уменьшение прочности зерна и картофеля, наблюдаемое во время разваривания под давлением.

Разваривание сырья также вызывает резкое изменение углеводного и белкового комплексов злаков, что ограничивает температуру и продолжительность термической обработки.

Характерные изменения содержания декстринов ( в % на сухое вещество ) при варке различных зерновых культур под давлением 2 ати показаны в таблице.

Сырье

Контроль

При продолжительности нагревания в минутах

30

60

90

120

240

Ячмень

1,2

2,45

2,86

4,94

6,05

9,02

Овес

2,1

5,2

10,8

13,1

18,2

27,5

Просо

0,77

1,65

2,39

2,88

-

-

Пшеница

2,54

4,9

6,59

10,35

11,75

13,15

Нужно отметить, что процесс декстринизации протекает неодинаково в зернах различных культур и заметно ускоряется при повышении температуры.

Так, при 4х часовом нагревании овса в автоклаве половина крахмала зерна переходит в декстрины.

Одновременно земечено некоторое увеличение содержания жира. Так, содержание жира в зерне до разваривания было 5,02%, после разваривания в течение 1 часа при давлении 6 ати содержание жира в разваренном зерне - 5,78%., что может быть объснено увеличением проницаемости тканей и их разрушением.

Исследуя растворимость сухих веществ различного крахмалистого сырья в зависимости от температуры, Забродский установил, что при нагревании до 160 С в раствор переходит 40,3% сухих веществ кукурузной муки и 66,9% - сухих веществ ржаной муки.

Вследствие меньшей гидрофильности растворимость целых зерен в 2-3- раза меньше растворимости муки.

В процессе нагревания крахмалистого сырья с водой под давлением происходит гидролитическое расщепление белков, приводещее к образованию аминокислот. При распаде гексоз образуется оксиметилфурфурол, муравьиная и левулиновая кислоты, а при распаде пентоз образуется фурфурол и муравьиная кислота.

Как уже было описано выше, в присутствии небольших количеств воды сахароза подвергается карамелизации. Образование карамелей вызывает изменение цветности продуктов (темно-коричневую окраску).

При нагревании сахаров с аминокислотами карбонильная группа сахаров -С=О взаимодействует с NH2-группой аминокислот, в результате чего происходят глубокие превращения, приводящие к выделению СО2 и воды и образованию кислот, альдегидов и меланоидиновых веществ.

Представляет интерес зависимость сахароаминной реакции образования меланоидинов от разбавления водой.

Потери сахара при нагревании под давлением, как видно из этих данных, зависят не только от температуры, но и от концентрации. На этом основании Забродский сделал вывод, что разваривание сырья следует вести с возможно большим количеством воды.

Интенсивность образования меланоидинов нельзя установить по изменению цветности растворов, т.к. наряду с образованием меланоидинов протекает оксиметилфурфурольное разложение сахара, с образованием красящих веществ.

Исследуя влияние режима разваривания на величину потерь Фремель и Кисильер установили, что важнейшим условием повышения выхода спирта является уменьшение потерь несброженных сахаров в бражке - мальтозы и дерстринов. Хотя перевар массы несколько уменьшает количество нерастворенного крахмала, но одновременно перевар влечет за собой значительное уменьшение выхода спирта вследствие полимеризации сахаров и угнетающего действия продуктов карамелизации на брожение.

Недовар крахмалистого сырья также влечет повышение потерь и снижает выход спирта.

Недоваренная масса в горячем состоянии менее прозрачна, чем нормально сваренная. Переваренная масса после охлаждения становится более прозрачной.

Режим разваривания

Потри крахмала в процентах от введенного

общие

От нерастворенного крахмала

От несброженного крахмала

неопределенные

Нормальный (4 ати, 1 час 30 мин)

14,7

2,25

6,6

5,85

Недоваривание (1 час 10 мин)

15,2

2,85

7,15

5,7

Переваривание (4,5-5 ати, 1 час 45 мин)

19,2

1,05

8,2

10,25

Кретович и Токарева указывают, что наиболее легко мелоноидины образуются с пентозами, в особенности с ксилозой, причем по мере увеличения щелочности процесс ускоряется. Результаты их исследований показали, что при взаимодействии сахаров и аминокислот при повышенной температуре одним из продуктов реакции является фурфурол, т.е. что реакция меланоидинообразования представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс.

Авторы считают, что образующиеся меланоидины - это не только продукты простой конденсации аминокислот с сахарами, а результат взаимодействия образовавшихся при автолизе пептонов и аминокислот с фурфуроаминокислотами и редуцирующими сахарами.

Дальнейшие исследования непрерывного процесса разваривания крахмалистого сырья позволили установить положительное влияние мягкого режима разваривания на качество осахаренной массы (смотри таблицу) и выход спирта из крахмалистого сырья.

Таблица. Показатели осахаренной массы при различных режимах разваривания

Тип варочного аппарата

Температура

Титруемая кислотность в %

рН

Соотношение мальтозы и декстринов

Доброкачественность в %

разварник

выдерживатель

видимая

истинная


МАИ

130

112

0,2

5,9

2,6 : 1

79,4

74,2

138

116

0,15

5,9

1,26 : 1

82,6

76,1

Распылитель

130

114

0,25

5,9

2,3 : 1

87,1

81,2

138

120

0,25

5,9

1,7 : 1

86,2

80,4

Если продолжительность пребывания зерна при температуре 85-90 С увеличить до 5-6 часов, то клейстеризация крахмала зерна будет полной и потребуется лишь механически разрушить стенки зерна для растворения крахмала. В целях уменьшения расхода тепловой энергии и избежания остальных нежелательных явлений, сопровождающих работу в высокой температуре, в восмидесятые годы разработаны новые, так называемые "холодные способы" переработки (разваривания) крахмалистого сырья, или способы без применения повышенного давления, что позволило сконструировать "мягкие" схемы разваривания.

Механическое измельчение крахмалсодержащего сырья до коллоидного состояния на шаровой мельнице позволяет получить крахмал, растворимый при комнатной температуре.

 

Интересные ссылки

Совершенствование технологии спирта путем "оптимизации измельчения и разваривания Черепов Сергей, Майкопский государственный технологический университет, Адыгея


 


 


 

Hosted by uCoz