Научная статья на тему 'Экономическое обоснование стадии осаждения белковых веществ технологии пищевого спирта'

Экономическое обоснование стадии осаждения белковых веществ технологии пищевого спирта Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
80
63
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Бутенко А. Н., Отводенко С. Э., Тошинский В. И.

Рассмотрена и экономически обоснована технологическая схема утилизации отходов производства пищевого спирта реагентным методом. На основании сравнительного анализа существующих производств сделан вывод о перспективности применения предложенного аппаратурного оформления и осадителя CaOCl2 в условиях замкнутого водооборота. Разработанный метод осветления фугата зерновой послеспиртовой барды дает возможность как повысить уровень экологической безопасности технологии пищевых спиртов, так и создать предпосылки оптимизации энергозатрат

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Бутенко А. Н., Отводенко С. Э., Тошинский В. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Экономическое обоснование стадии осаждения белковых веществ технологии пищевого спирта»

Рассмотрена и экономически обоснована технологическая схема утилизации отходов производства пищевого спирта реагентным методом. На основании сравнительного анализа существующих производств сделан вывод о перспективности применения предложенного аппаратурного оформления и осадителя CaOCl2 в условиях замкнутого водооборо-та. Разработанный метод осветления фугата зерновой послеспиртовой барды дает возможность как повысить уровень экологической безопасности технологии пищевых спиртов, так и создать предпосылки оптимизации энергозатрат

УДК 547.262

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТАДИИ ОСАЖДЕНИЯ БЕЛКОВЫХ ВЕЩЕСТВ ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОГО СПИРТА

А. Н. Бутенко

кандидат технических наук профессор кафедры общей и неорганической химии* Контактный тел.: (0572) 707-64-92

С. Э. Отводенко

кандидат технических наук ассистент, инженер кафедры общей и неорганической химии*

Контактный тел.: (0572) 707-64-92

В. И. Тошинский

доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой автоматизации химико-технологических систем и экологического мониторинга* Контактный тел.: (0572) 707-62-72

*Национальный технический университет «Харьковский

политехнический институт» Украина, 61002, г. Харьков, ул. Фрунзе, 21

1. Введение

В настоящее время в Украине сложилась достаточно острая ситуация с утилизацией отходов промышленных производств различных отраслей. Их накопление приводит к значительному ухудшению состояния окружающей природной среды и к потере вторичных материальных ресурсов [1-4].

Не является исключением и производство пищевого спирта (этанола), который получают путем дистилляции из прошедшего ферментацию зерна. При этом образуется так называемая зерновая барда, состоящая на 90 % из воды и на 10 % — из ценных белковых веществ. Необходимость утилизации барды обусловлена тем, что она, с одной стороны, не подлежит длительному хранению и, как скоропортящийся продукт, способствует загрязнению окружающей среды, а с другой стороны,— содержит большое количество ценных веществ.

2. Технология этанола

Известны два принципиально различающихся между собой способа утилизации зерновой барды [5, 6].

Первый основан на методе выпаривания воды из барды и получения сухого остатка для дальнейшей переработки. Однако стоимость выпарных станций и оборудования для утилизации составляет около 3 млн Евро, а процесс выпарки требует значительных энергетических затрат (на 1 кг испаряемой влаги необходимо затратить около 1 кг пара) [7].

Второй метод основан на фильтрации и сушке барды. Отделение воды от барды происходит при помощи центрифугирования. Известно, что центрифуги характеризуются низкой надежностью и высокой стоимость [8].

На рис. 1-2 указанные варианты утилизации представлены схематически.

Восточно-Европейский журнал передовым технологий

вода (10 %)

вода (90 %)

Рисунок 1. Технологическая схема утилизации отходов производства этилового спирта с использованием метода выпаривания технологической воды

вода (10 %)

вода (90 %)

Технология этилового спирта

барда

вода

Белковая масса

вода

Центрифугирование

продукты осаждения

Белковая масса на корма

Рисунок 2. Технологическая схема утилизации отходов производства этилового спирта с использованием метода центрифугирования технологической воды с последующей сушкой белковой массы

СаОС12. Все они, взятые в определенных пропорциях, способны нейтрализовать кислотную составляющую барды, например, №2С03, №СЮ и СаОС12 — за счет гидролиза по аниону, а СаС03 — за счет реакции обмена с органическими кислотами, в результате которой образуются малорастворимые кальциевые соли этих кислот, сопровождающиеся выделением СО2.

Эксперименты проводили следующим образом. В отобранную порцию послеспиртовой зерновой барды дозировали реагент-осадитель до повышения значения рН = = 7. Температура при этом составляла 80° С. Смесь барды и реагента-осадителя после перемешивания отстаивали в течение 1 ■ 4 час и затем подавали на фильтрацию. При этом определялось содержание белковых веществ в фугате [6]. За это время их массовая доля с 10 % снижается до 4,9 ■ 0,1 % — в зависимости от природы использованного осадителя. Как показали проведенные эксперименты, наибольшая степень осаждения твердой

составляющей барды, а по существу — преимущественно белковых веществ (то есть минимальное их содержание в фугате) достигается при использовании СаОС12.

На рис. 3 представлена зависимость степени осаждения белковых веществ из после-спиртовой зерновой барды от времени при использовании различных осадителей.

Как видно, после отстаивания смеси жидкой фракции и продуктов, осажденных реагентом СаОС12, в течение двух часов степень осаждения белковых веществ в результате обработки ее хлорной известью, то есть хлоратом (1)-хлоридом кальция, составляет 99,0 %. Введение соединений кальция, по сравнению с введением соот-

Сушка

Фильтрация

Учитывая вышеизложенное, авторами разработан более дешевый и менее энергоемкий метод утилизации барды путем ее предварительной реагентной обработки с последующим отделением образовавшегося осадка от жидкой фазы фильтрованием. Внедрение такой технологии позволит не только минимизировать энергозатраты, но и улучшить экологические характеристики производства, а также реализовать замкнутый водооборот [9-11]. Анализ степени сохранности барды показал, что осадители должны способствовать повышению водородного показателя ее водной составляющей до значения рН = 7 (рН «свежей» барды соответствует 5,7, а уже через 8 часов хранения снижается до 5,3), так как, в противном случае, имеет место ее скисание (появление неприятного запаха и плесени).

В качестве осадителей были выбраны и испытаны следующие вещества: №2С03, №ОН, №СЮ, а также СаС03, Са(ОН)2, и

100

60

£

£ 20

и

0 12 3 4

Время осаждения, час

Рисунок 3. Зависимость степени осаждения белковых веществ из послеспиртовой зерновой барды от времени

0

ветствующих соединений натрия, более эффективно, очевидно, из-за того, что ионы Са2+ способствуют оседанию содержимого барды за счет образования твердых малорастворимых солей кальция с органическими кислотами, содержащимися в исходной барде. Выделяющаяся, в случае СаОС12, хлоратная (I) кислота ускоряет осаждение твердых компонентов барды, так как оно происходит в присутствии активного кислорода, выделяющегося при разложении НС1О по уравнению:

НС1О ^ НС1 + О.

Последний уничтожает микроорганизмы, присутствующие в послеспиртовой барде, и способствует, таким образом, полному ее полному осветлению.

Использование предложенного метода лишь даже на одном из спиртовых заводов Харьковской области (г. Ме-рефа) показывает его высокую эффективность. Об этом свидетельствует значительный экономический эффект, который можно получить в результате внедрения разработанного способа. При его расчете учитывали следующие показатели.

3. Экономическая оценка проектных решений

по утилизации отходов технологии этанола

I. Объем производства продукции

По технологическим данным количественные характеристики материальных потоков таковы:

■ по барде — 4440 т/год;

■ твердая фракция (10 %) — 444 т/год;

■ фугат — 3996 т/год;

■ вода после технологической очистки — 3600 т/год;

Количество утилизированных материалов:

■ белковый осадок — 444 т/год;

■ используемая вода — 3600 т/год;

■ СаОС12 — 1080 т/год.

Вода во всех трех рассматриваемых вариантах утилизации поступает по замкнутому водообороту на технологию этилового спирта. В предлагаемом варианте утилизации происходит экономия энергоресурсов за счет того, что лишь 10 % воды (содержащей осажденный белок) поступает на стадию фильтрации. Осветление носит реагентный характер и производится с использованием недорогостоящего оборудования (отстойник). Таким образом, данный вариант утилизации является энерго-и материалосберегающим.

II. Технико-экономическое обоснование

1. План производства. Утилизация отходов производства пищевого спирта на действующем предприятии предполагает использование производимых заводами «Укрхиммаш» и «Прогресс» аппаратов. Рассмотрим три варианта аппаратурного оформления в зависимости от принятых технологических решений.

1) Выпаривание воды из барды с получением сухого остатка:

а) выпарной аппарат;

б) насос;

в) конденсатор.

2) Центрифугирование и сушка барды:

а) центрифуга;

б) насос;

в) сушильная камера.

3) Реагентное осаждение белковой массы с последующей фильтрацией:

а) реактор;

б) насос;

в) осветлитель;

г) озонатор.

2. Годовой эффективный фонд рабочего времени.

Годовой эффективный фонд рабочего времени равен календарному времени (365 дней, или 8760 час) за вычетом времени на календарный и текущий ремонт. Продолжительность капитального и текущего ремонта составляет:

1) Капитальный ремонт — 10 дней в году;

2) Текущий ремонт — 1 день в месяц, или 12 дней в году.

Итого ремонт: 22 дня в году, или 22 ■ 24 = 528 час.

Фэф = 8760 - 528 = 8232 час.

3. Определение расхода и стоимости энергоресурсов. Расход электроэнергии определяем по суммарной мощности двигателей и времени их работы с учетом коэффициентов загрузки, одновременности и потерь:

N = ■ Т1 + + ... + Wn ■ Тп) ■ кз ■ ко ■ кп,

где N — потребность в технологической электроэнергии, кВт-час; Wl, W2, ..., Wn — мощность двигателей, кВт; Ть Т2, ..., Тп — время работы двигателей, час/год; кз — коэффициент загрузки (0,75); ко — коэффициент одновременности (0,8); кп — коэффициент потерь (1,05).

Расход электроэнергии поаппаратно представлен в табл. 1.

Таблица 1

Расход электроэнергии

Наименование образцов Количество единиц, шт Мощность, кВт Количество часов работы Потребляемая мощность, кВт-час

Вариант I

1. Выпарной аппарат 2. Насос 3. Конденсатор 1 1 1 13 3,16 1,518 7907 7907 7907 102791 24286 12007 X 139084,8

Вариант II

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Насос 2. Центрифуги 3. Сушильная камера 1 2 1 3,16 2,8 3,072 7907 7907 7907 24286 44279,2 24291 X 92856

Вариант III

1. Насос 2. Озонатор 3. Реактор 4. Осветлитель 1 2 1 1 3,16 1,535 3,54 0,253 7907 7907 7907 7907 24286 24286 28000 2010 X 78582

4. Расчет времени работы оборудования. С учетом трехсменного графика, время работы оборудования таково.

Фоб = 365 ■ 8 ■ 3 ■ 0,930 — время на капитальный ремонт; 0,930 — коэффициент экспансивности.

Коэффициент экспансивности рассчитывается следующим образом.

кэ = Фэф/8760 = 0,930.

фоб = 8146,8 - 8 ■ 10 ■ 3 = 7906,8 час.

Сведем расчетные данные в табл. 2.

Таблица 2

Сводная таблица расхода и стоимости энергоресурсов

Выводы

Таким образом, исходя из вышеизложенного, для осветления фугата послеспиртовой барды целесообразно в качестве осадителя ее компонентов использовать СаОС12, так как последний, предохраняя барду от скисания в процессе дальнейшего использования, способствует извлечению из фугата сахаров и солей органических кислот, а также уничтожает микроорганизмы по-слеспиртовой барды. Фугат, после доотфильтровывания и последующего озонирования, может быть направлен на выполнение соответствующих технологических стадий производства этилового спирта, что обеспечивает экономические преимущества предложенных технологических решений по сравнению с существующими.

Электроэнергия повариантно Единицы измерения Цена за единицу, грн Расход на год, кВт-час Стоимость электроэнергии за год, грн

Варианты технологических решений

Вариант I кВт-час 0,25 139084 34771

Вариант II кВт-час 0,25 92856 23214

Вариант III кВт-час 0,25 78582 19646

Из табл. 2 видно, что предлагаемый вариант, по стоимости энергозатрат, является более экономичным, чем существующие. Экономический эффект от внедрения указанных технологических решений, в сравнении с вариантом I, составляет:

Э = С1 - С2 = 34771 -

- 19646 = 15125 грн/год.

На рис. 4 представлена технологическая схема утилизации послеспиртовой зерновой барды, с учетом изложенных положений.

Рисунок 4. Технологическая схема утилизации отходов производства этилового спирта

Литература

1. Комаров В. И. Насущные проблемы экологии окружающей среды // Мясная индустрия, 2002. — № 12.

2. Римарева Л. В. Комплексная переработка вторичных ресурсов спиртовой отрасли // Производство спирта и ликероводочных изделий, 2006. — № 2.

3. Рудницкий П. В., Скирстымонский А. И., Макаренко К. Д. Получение сухого белкового корма из зерновой барды. — К.: Техника, 1979. — 36 с.

4. Кухаренко А. А., Дадашев М. Н. Экологические и экономические аспекты использования отходов спиртового производства // Производство спирта и ликероводочных изделий, 2004. — № 2.

5. Востриков С. В., Мальцева О. Ю., Федорова Е. В. Динамика накопления примесей этилового спирта при сбраживании различных видов сырья // Изв. вузов. Пищевая технология, 1999. — № 1. — С. 19-21.

6. Калинина О. А., Леденев В. П., Крикунова Л. Н. Разработка высокоэффективной, малоотходной технологии этанола из зерна ржи на основе механокавитационной обработки. I стадия приготовления замеса // Хранение и переработка сельхозсырья, 2002. — № 6. — С. 35-40.

7. Способ получения этилового спирта / В. А. Сотников, А. Д. Федоров и др. Патент № 2199586 РФ. 2003.

8. Способ производства этилового спирта из зернового сырья / В. А. Поляков, В. П. Леденев, В. А. Кривченко, О. А. Калинина и др. Патент № 2192469 РФ. 2002.

9. Рябов Г. К. Система безотходной переработки послеспиртовой барды // Исследования и разработки, 2003. — № 6.

10. Ожередова М. А., Суворин А. В. Осаждение никеля из отработанных электролитов электрохимического никелирования // Вопросы химии и химической технологии. — Днепропетровск: УГХТУ. — 2005. — № 5. — С. 207-211.

11. Журба О. С., Поляков В. А., Леденев В. П. Технология этанола из целого зерна пшеницы на основе интенсивных способов обработки сырья // Производство спирта и лекероводочных изделий, 2004. — № 1. — С. 14-17.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.