Подготовка гидролизного сусла для процесса брожения

Кислый гидролизат без подготовки не может быть использован для биохимической переработки. Для его подготовки к спиртовому брожению необходимо провести следующие операции:

- нейтрализацию серной кислоты и отчасти органических кислот по двухступенчатому способу нейтрализации;

- отделение выпавших осадков путём отстаивания и сгущение шлама на фильтрах ФПАКМ;

- удаление летучих примесей путём вакуум-охлаждения до t=45-50^оС;

- охлаждение субстрата до t=30-37^оС.

Типовая схема двухступенчатой нейтрализации гидролизата растительного сырья представлена на рисунке 4.1. [3,10]. На первой ступени нейтализацию гидролизата проводят меловым или известковым молоком до рН 2,8-3,2. Для приготовления мелового молока используют мел (по ГОСТ 17498-72) с содержанием основного вещества не менее 85%, а для приготовления известкового – негашеную известь (ГОСТ 9179-77) с содержанием СаО и МgО 67-90%. При нейтрализации осуществляют подачу питательных солей (обесфторенный диаммонийфосфат, хлористый калий). На второй ступени гидролизат нейтрализуют аммиачной водой (25%-р-р, ГОСТ 9-77) до рН 3,8-4,2. При двухступенчатом способе нейтрализации гидролизата образуется пересыщенный раствор сульфата кальция, который осложняет проведение ряда последующих технологических операций в биохимическом производстве (дистилляцию спирта на бражной колонне, эксплуатацию сепараторов и теплообменного оборудования).

При нейтрализации сернокислотных растворов известью или мелом образуется трудно растворимый сульфат кальция в трёх модификациях: двухводный гипс СаSO₄ 2H₂O, полуводный гипс СаSO₄ ½ H₂O и ангидрит – безводный гипс СаSO₄. Образование той или иной модификации сульфата

Рис. 4.1. Схема подготовки гидролизата для биохимической переработки:

1, 2 - нейтрализаторы; 3 - отстойник; 4 - сборник нейтрализата; 5 - бачок для промывки шлама; 6 - центробежный насос; 7 - вакуум-охладительная установка; 8 - поверхностные конденсаторы; 9 - аэратор; 10 - отстойник; 11 - сборник сусла; 12 - спуск шлама; 13 - охлаждающая вода; 14 - раствор питательных солей; 15 - известковое молоко; 16 - аммиачная вода; 17, 18 - насосы; 19 – отработанная культуральная жидкость.

кальция зависит от температуры нейтрализации. При t=80^оС выделяется только двухводный сульфат кальция. При t=82-95^оС образуется смесь кристалов двухводного и полуводного сульфата кальция. При t=93-103^оС из раствора выпадает смесь полуводного и безводного сульфата кальция, при t=103-105^о C выпадает только ангидрит. Исходя из того, что растворимость полуводного гипса выше, чем двухводного, нейтрализацию гидролизата надо проводить при t =70-80^оC, с тем, чтобы больше образовывалось двухводного сульфата кальция как наименее растворимого.

Разработке технологии нейтрализации гидролизата растительного сырья посвящено большое количество работ. Нейтрализованный известковым молоком гидролизат при t=80^оC содержит гипс в количестве 0,35-0,4%, в то время как растворимость двухводного сульфата кальция в воде составляет около 0,2%, т.е. при нейтрализации гидролизата образуется пересыщенный раствор сульфата кальция [93].

Для предотвращения образования пересыщенных растворов гипса в гидролизате в меловое или известковое молоко добавляют серную кислоту, а нейтрализацию гидролизата осуществляют с направленной кристаллизацией двухводного гипса при t=70-80^о C в течение 30-40 минут. При этом содержание гипса в нейтрализованном гидролизате снижается до концентрации 0,23-0,28%. Сульфат кальция, содержащийся в гидролизных средах, затрудняет процесс дистилляции спирта на бражной колонне. В бражной колонне при t=97-105^оC образуется ангидрит, растворимость которого значительно ниже, он загипсовывает тарелки бражной колонны и осложняет её эксплуатацию. Поэтому чаще всего на спиртовых заводах нейтрализацию гидролизата проводят в одну ступень аммиачной водой.

На Кировском биохимическом заводе в дрожжевом производстве осуществлялся процесс упаривания отработанной культуральной жидкости. В связи с этим были разработаны технологические схемы нейтрализации – так называемые «дробные» (с повышенным рН) [94]. Содержание гипса при дробной нейтрализации достигало 0,16% и при повышенном рН (6,5-7,0) – 0,03%. В спиртовом производстве они не используются, так как в настоящее время отсутствует процесс упаривания отработанной культуральной жидкости.

В результате нейтрализации гидролизата хвойной древесины образуются взвешенные вещества в количестве 5-7 г/л. Взвешенные вещества состоят на 80% из двухводного гипса, остальную часть составляют мелкодисперсный лигнин и коллоидные лигногуминовые вещества. При нейтрализации гидролизата аммиачной водой содержание взвешенных веществ составляет 0,1-0,2%. Эти взвеси в основном состоят из лигногуминовых веществ и мелкодисперсного лигнина.

Взвешенные вещества отделяют в отстойниках непрерывного действия. Степень очистки нейтрализатов от взвешенных веществ составляет 80-90%. Шлам выводят из отстойника с концентрацией 200-250 г/л с помощью выгребного механизма и подают на вторичный отстойник, откуда его направляют на фильтрацию на ФПАКМы или ленточные вакуум-фильтры. Шлам с влажностью 50% сбрасывают на шламоотвал.

Осветлённый нейтрализат с содержанием взвешенных веществ не более 2 г/л подают на вакуум-охлаждение, которое осуществляют на вакуум-охладительных трёх- и четырёхступенчатых установках. Проходя последовательно испарительные камеры, нейтрализат охлаждается до t=40-50^оC. При охлаждении часть лигногуминовых веществ коагулирует [10]. После дополнительного охлаждения на пластинчатых теплообменниках получают сусло, которое поступает на спиртовое брожение.

Эффективность брожения зависит от химического состава гидролизного сусла. Исследовано содержание примесей в продуктах, полупродуктах и отработанных средах гидролизного производства (таблица 4.1) [48,53].

4.1. Содержание фенольных соединений в гидролизных субстратах Кировского биохимического завода(мг/л)

Наименование соединения	Нейтрализат гидролизата	Гидролизное сусло
4- оксибензальдегид	1± 0,5	1±0,5
4 – оксибензойная кислота	21± 2	30±8
Ванилиновая кислота	19± 6	16±10
Ванилин	13± 3	12± 9
Кумаровая кислота	8± 2	7±1
Сиреневый альдегид	17± 2	14±7

Химический состав гидролизного сусла, полученного из различных источников растительного сырья на Кировском биохимическом заводе, представлен в таблице 4.2 [33].

4.2. Химический состав гидролизного сусла из различных видов растительного сырья

Наименование показателей	Хвойная древесина	Древесина и целлолигнин	Древесина и меласса	Древесина и зерноотходы
РВ, %	2,03-2,60	2,65-2,71	2,3-2,9	2,5-2,7
РВ после инверсии, %	2,07-2,60	2,69-2,85	2,4-2,9	2,6-2,9
ХПК, мг О2/л	31925-37841	31927-50565	41161-42452	43776-47035
Фурфурол, %	0,039-0,046	0,013-0,030	0,015-0,035	0,022-0,03
Оксиметилфурфу-рол, %	0,123-0,129	0,089-0,112	0,39-0,62	0,111-0,119
Левулиновая кислота, %	0,304-0,402	0,248-0,475	0,39-0,416	0,353-0,496
Лигнофурановые вещества, %	0,383-0,40	0,319-0,466	0,403-0,423	0,416-0,442
Органические кислоты, %	0,59-0,73	0,53-0,57	0,39-0,62	0,63-0,72
А.с.в, %	2,7-2,9	2,8-2,9	3,18-3,77	2,94-3,17
Бромируемые, %	0,23-0,32	0,28-0,37	0,26-0,34	0,171-0,312
Р2О5, мг/дм^3	250-450	250-450	250-450	217-405
N2, мг/дм^3	475-520	497-536	430-500	483-511

Из представленных данных видно, что субстраты, полученные с использованием различных видов растительного сырья, отличаются количественным составом ингибиторов. ХПК сусла, полученного из древесины хвойных пород, составляет 31925-37481 мг О₂/дм3, что ниже, чем ХПК других субстратов, полученных с добавками мелассы, нейтрализованного гидролизата зерна, нейтрализованного гидролизата целлолигнина. Самым высоким ХПК отличается сусло, полученное при нейтрализации смеси гидролизатов хвойных пород древесины и целлолигнина. Высокое содержание абсолютно сухих веществ имеет сусло, полученное на основе гидролизата хвойных пород древесины и мелассы.

Однако колебания концентраций ингибиторов в указанных интервалах в данных субстратах не оказывают отрицательного действия на процесс брожения и не снижают технико-экономические показатели производства этилового спирта.

Исследованы и освоены режимы нейтрализации гидролизата зерна: 1) меловая нейтрализация до рН 3,8; 2) двухступенчатая нейтрализация меловым молоком до рН 3,8 и аммиачной водой до рН 4,2 и 4,5; 3) двухступенчатая нейтрализация меловым молоком до рН 3,5 и аммиачной водой до рН 4,2 и 4,5 - и влияние их на эффективность процесса осветления при отстаивании.

Установлено, что скорость отстаивания взвешенных веществ нейтрализованного гидролизата зерна зависит от концентрации РВ и способа нейтрализации. Максимальная скорость отстаивания наблюдается при двухступенчатом способе нейтрализации: меловым молоком до рН не более 3,5 и аммиачной водой до рН 4,2-4,5.

Проведены исследования аналогичных режимов нейтрализации смеси гидролизатов древесины и зерна. Установлено, что скорость отстаивания взвешенных веществ нейтрализованной смеси гидролизатов древесины и зерновых отходов не зависит от способов нейтрализации. Внедрённые режимы нейтрализации и осветления смеси древесного и зернового гидролизатов обеспечивают необходимую степень осветления нейтрализата.

По результатам исследований была рекомендована и внедрена следующая технологическая схема подготовки смешанного сусла к процессу брожения: сернокислотный гидролиз зерна, нейтрализация гидролизата зерна по двухступенчатому способу, смешение его с нейтрализованным гидролизатом древесины и совместное отстаивание. Данная технологическая схема в настоящее время используется на Кировском биохимическом заводе [33].

Дата добавления: 2015-10-02