CC BY
68
ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 662.767.2; 663.481 DOI: 10.24411/2072-9650-2020-10040
Энергоэффективная переработка пивной дробины в биогаз
В.В. Житков; С.В. Ермолаев, канд. техн. наук ООО «Группа БАС»
Дата поступления в редакцию 18.11.2020 'tech@bastech.ru
Дата принятия в печать 7.12.2020 © Житков В.В, Ермолаев С.В, 2020
Реферат
Пивную зерновую дробину традиционно перерабатывают в кормопродукты, редко используют в качестве источника энергии. В данной работе проведены исследования по интенсификации получения биогаза из зерновой дробины пивоваренного производства за счет применения ультразвука для обработки дробины в процессе ферментации субстрата метанобактериями Methanobacteriales. Выход метана увеличивается на 85% по сравнению с контролем (без ультразвука), содержание метана в биогазе - до 65,5%. Разработана и приведена технологическая схема получения биогаза из дробины путем сбраживания ее веществ метанобактериями с одновременной обработкой ультразвуком с целью повышения выхода биогаза и метана.
Ключевые слова
биогаз; дробина зерновая; метан; метанобактерии; технологическая схема; ультразвук. цитирование
Житков В.В, Ермолаев С.В. (2020) Энергоэффективная переработка пивной дробины в биогаз //Пиво и напитки. 2020. № 4. С. 25-28.
Energy Efficient Processing of Brewer's Grains into Biogas
V. V. Zhitkov; S. V. Ermolaev, Candidate of Technical Science LLC «BAS Group»
Received: November 11,2020 'tech@bastech.ru
Accepted: December 7,2020 © Zhitkov V. V, Ermolaev S. V, 2020
Abstract
Beer spent grains are traditionally processed into feed products, rarely - as an energy source. In this work, studies have been carried out to intensify the production of biogas from spent grain of brewing production through the use of ultrasound for processing spent grain during the fermentation of the substrate by bacteria Methanobacteriales. The methane yield increases by 85% compared to the control (without ultrasound), the methane content in biogas is up to 60%. A technological production of biogas from spent grain by means of fermentation of its substances by methanobacteria with simultaneous sonication with the aim of increasing the yield of extractive substances from the grain and increasing the yield of biogas and methane has been developed and presented.
Key words
biogas; beer spent grains; methane; methanobacteria; technological scheme; ultrasound. citation
Zhitkov V. V, Ermolaev S. V. (2020) Energy Efficient Processing of Brewer Grains into Biogas // Beer and Beverages = Pivo i Napitki. 2020. No. 4. P. 25-28.
Введение. Переход к ресурсосберегающим технологиям, обеспечивающим безотходное производство, использование отходов основного производства в качестве вторичного сырья — это необходимые меры, способствующие решению проблем пищевой промышленности. Вторичные материальные ресурсы (ВМР) [1] — это отходы производства и потребления, образующиеся в народном
хозяйстве, для которых существует возможность повторного использования непосредственно или после дополнительной обработки.
В пивоварении ВМР — это отходы, полученные при полировании солода; пивная и хмелевая дробины; белковый отстой (после охлаждения и осветления сусла); осадочные (избыточные) пивные дрожжи; диоксид углерода; отработанный кизельгур. Промывные воды, жид-
кую фазу осадка коагулировавших белков, некондиционное пиво относят к возвратным отходам.
Существуют и разрабатываются способы использования ВМР, которые можно рассматривать как продолжение основной технологической схемы. Их переработка позволяет получить дополнительные резервы для привлечения доходов.
Необходимо отметить, что в настоящее время дробину в основ-
4•2020
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
технология'
ном используют в сельском хозяйстве в качестве добавок к кормам животных, что имеет смысл из-за высокой концентрации кормового белка в сухом веществе дробины [2]. Но перечисленные факторы делают необходимой достаточно сложную логистику быстрой ее утилизации или требуют предварительной сушки — энергозатратного, экономически невыгодного процесса.
Цель работы — разработать схему энергоэффективной переработки пивной дробины в био-газ в результате сбраживания ее биополимеров метанобактериями Methanobacteriales для интенсификации выработки метана.
Объекты и методы исследования. Объекты исследования: пивная дробина, комплекс анаэробных метангенетических бактерий (Methanobacteriales) ZH-1001 компании «Shandong Sukahan BioTechnology Co., Ltd» и конечный продукт — биогаз.
В работе использовали как традиционные методы исследований, принятые в пищевой промышленности, так и методы экспериментального моделирования процессов. В биогазе определяли содержание метана и оксидов углерода на приборе MESTEK CDG01/02. Процесс анаэробного сбраживания пивоваренной дробины проводили в модельном метаногенном реакторе из пищевой нержавеющей стали с общим объемом 17 дм3, оборудованном мешалкой, кабелем, термоизоляцией.
Результаты и их обсуждение. Для пищевой промышленности технологии биогаза предоставляют возможности экономически эффективной утилизации органических ВМР. Также применение биогаза на производстве способствует экономии собственных средств на закупку энергоносителей, но и в некоторых обстоятельствах дают дополнительную прибыль за счет продажи энергии по «зеленому» тарифу.
Использование пивной дробины для производства биогаза в анаэробных условиях — процесс не новый, но из-за особенностей отработанного зерна не нашедший широкого применения. Как известно «ахиллесова пята» дробины — это повышенный эндоген-
ный метаболизм, который делает ее малопригодной для дальнейшего использования в достаточно короткий срок.
Биогаз — это газ, состоящий из 50-60% метана (СН4) и 30-35 % диоксида углерода (СО2). Синонимы слова «биогаз» — это «канализационный» или «болотный» газ.
Известно, что различные микроорганизмы метаболизируют углерод из органических субстратов в бескислородных условиях (анаэробно). Этот процесс называется гниением или анаэробным брожением. Получаемый газ, содержащий в основном метан, может быть использован как обычный природный газ для технологических целей, обогрева и выработки электроэнергии. Его можно накапливать, перекачивать, продавать потребителям [3-5].
Если производству необходима только тепловая или электрическая энергия, то возможно применять биогаз без предварительной очистки в когенерационных установках.
Учитывая, что при производстве 267 дал пива (в зависимости от технологии) образуется 1 т дробины, выход биогаза составит 160-180 м3/т дробины или около 0,6 м3 на 1 дал пива [5]. Выработка электроэнергии может составить 2,4 кВт из 1 м3 биогаза или 1,44 кВт из 1 дал пива. Выработка тепловой энергии — 2 кВт из 1 м3 биогаза и, соответственно, 1,2 кВт из 1 дал пива.
Таким образом, например, пивзавод мощностью 10 млн дал пива в год (27 397 дал/ сут) может в год произвести около 1,6 МВт-ч электрической энергии и 1,4 МВт-ч тепловой энергии.
Тем не менее, процесс утилизации дробины возможно сделать экономически целесообразным. В 2018-2020 гг. была разработана технология анаэробной переработки пивоваренной дробины в биогаз с применением ультразвуковых (УЗ) волн, которая помогает избежать влияния окислительных процессов и позволяет повысить эффективность выработки биогаза [3-5]. Таким образом, можно считать пивную дробину вторичным энергетическим ресурсом (ВЭР) [1], то есть отходами производства и потребления, используемыми по-
вторно, с выделением тепловой и (или) электрической энергии.
Исследование проводили путем моделирования процесса синтеза биогаза в модульном однофазном анаэробном биореакторе для сбраживания пивной дробины бактериями комплекса анаэробных ме-танобактерий Methanobacteriales. Результаты исследований показали, что продуцирование биогаза в метаногенной фазе осуществляется интенсивнее при температурах в диапазоне 20...40 °С. Содержание метана при производстве биогаза может поддерживаться на уровне более 50 % при температуре выше 20.60 °С. Однозначно выявлено, что характеристики ацидогенной и метаногенной фаз значительно ухудшаются при понижении температуры до 20 °С, поскольку при таких температурах, очевидно, микробная активность ингибируется. Соответственно, такая невысокая температура неблагоприятна для работы ацидогенной и метаноген-ной фаз, в то время как умеренные температуры выше 25 °С наиболее благоприятны для повышения эффективности производства биогаза. Результатом этой работы стал эффективный оптимальный режим производства биогаза из пивной дробины путем ее сбраживания метанобактериями с предварительной ультразвуковой (УЗ) обработкой дробины [3-5].
На основании полученных результатов разработана технологическая схема, позволяющая применить все преимущества исследований непосредственно на производстве (см. рисунок).
По разработанной технологии зерновая дробина после каждой варки поступает в приемный бункер, откуда шнековым транспортером (или элеватором) направляется в бункер хранения, где смешивается с дробиной от предыдущих варок. Объединенная масса дробины подается в ферментер для дальнейшей переработки.
Отработанная технологическая вода (последние промывные воды, вода после ополаскивания аппарата), содержащая органические компоненты и собранная в резервуаре отработанной воды (где в донном отстойнике происходит осаждение взвешенных частиц), подается в ферментер для создания необхо-
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
4•2020
Производственная вода
Резервуар отработанной воды
Очистка биогаза
Когенерационная установка
Вариант а
Электроэнергия на собственные нужды
т
ВариантЬ _
Субстрат на реализацию
> Приемный резервуар отработанного субстрата
Парогенератор
Пар на собственные нужды
Схема получения биогаза с УЗ-обработкой дробины и сбраживанием метанобактериями
димой влажности дробины, используемой в качестве субстрата для метанового брожения с целью получения метана.
Поступающее сырье гомогенизируется вращающимися с постоянной скоростью лопатками ферментера. В процессе перемешивания происходит равномерная обработка полученного субстрата УЗ-волнами. Для более эффективной обработки УЗ-излучатели расположены на стенках ферментера по спирали. Схема расположения излучателей, продолжительность и периодичность обработки рассчитываются с учетом объема обрабатываемого субстрата. Обработка ультразвуком периодическая.
Полученный биогаз подвергается газоочистке от примесей диоксида углерода (если это необходимо, что зависит от применяемого энергетического оборудования) и направляется в энергетический модуль для производства пара и/или электроэнергии в зависимости от потребностей производства. Часть произведенных энергоносителей направляется на процесс переработки дробины (пар на обогрев ферментера, электроэнергия для электрооборудования).
Отработанный субстрат (дробина после метанового брожения) выгружается из нижней части ферментера и направляется в приемный резервуар для складирования
и отгрузки потребителям в качестве удобрения или сорбента.
Внедрение данной технологии дает довольно серьезные экономические преимущества.
Для сравнения, при анаэробной переработке пивоваренной дробины без применения ультразвука абсолютный выход биогаза из 1 кг пивоваренной дробины при температуре 40 °С составляет 0,139 м3, при этом содержание метана СН4 в биогазе — до 60 %.
После применения обработки ультразвуком по разработанной технологии выход биогаза с содержанием метана 65,5 % из 1 кг пивоваренной дробины при 40 °С составляет 0,261 м3. Увеличение выхода СН4 в результате УЗ-обра-ботки дает более 85% [3], что позволит увеличить выработку электроэнергии из пивной дробины на 95 %.
Разъяснение. Пивная солодовая дробина, в соответствии с Приказом Минприроды РФ от 02.12.2002 г. № 786 «Об утверждении федерального классификационного каталога отходов» (код 11140300 01 99 5), отнесена к V классу опасности, а лицензированию подлежит деятельность по обезвреживанию и размещению отходов 1-ГУ классов опасности (ФЗ № 99 от 04.05.2011 г. «О лицензировании отдельных видов деятельности» (с изменениями на 2.07.2013 г., п. 30 ст. 12). То есть,
1 технология
деятельность по обезвреживанию и размещению отходов V класса опасности не подлежит лицензированию; в связи с чем организация вправе заключить договор на продажу дробины солодовой третьим лицам, даже в случае отсутствия лицензии у последнего. В соответствии с ч. 2 ст. 4 ФЗ № 89 от 24.06.98 г. «Об отходах производства и потребления» право собственности на отходы может быть приобретено другим лицом на основании договора купли-продажи, мены, дарения или иной сделки об отчуждении отходов.
Таким образом, пивоваренное предприятие вправе передать солодовую дробину сторонней организации, которая может перерабатывать ее в биогаз с высоким содержанием метана по разработанной технологии и использовать полученную энергию по своему усмотрению.
Выводы. Определены оптимальные параметры гидролиза зерновой/солодовой дробины пивоваренного производства метанобак-териями МеЛапоЬа^епае с одновременной обработкой субстрата ультразвуком. Это позволяет получить увеличенное, по сравнению со сбраживанием веществ дробины без ультразвука, количество биогаза с содержанием метана 65,5%. Биогаз может быть использован на пивоваренном предприятии взамен части других источников энергии.
Компания «БАС» эксклюзивно представляет технологию анаэробной переработки дробины по описанной технологии. Энергоаудит пивоваренного производства, проводимый компанией, позволит оценить вовлечение в хозяйственный оборот отходов и разработать практические решения по повышению реальной энергоэффективности предприятия.
Компания «БАС», созданная в 2004 г., объединила экспертов, специалистов, инженеров и научных работников ведущих организаций РФ, успешно работающих на протяжении многих лет в области технологического проектирования, поставок пищевого оборудования и консалтинга. Основные направления деятельности компании — комплексные пивоваренные решения, включающие в себя варочные порядки, бродильные аппараты, си-
4•2020
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
технология
стемы мойки С1Р, генерации тепла и холода, дробилки, системы трубной и электрообвязки.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 54098-2010. Ресурсосбережение. Вторичные материальные ресурсы. Термины и определения. — Введ. 2012-01-01. — М.: Стандартинформ, 2011. — 13 с.
2. Хаев, О.В. Вторичные материальные ресурсы при приготовлении пива по способу совмещенного затирания-фильтрования / О. В. Хаев, Г. С. Качмазов, А. Ю Туаева // Пиво и напитки. — 2020. — № 3. — С. 32-36.
3. Житков, В.В. Влияние ультразвука на образование биогаза при утилизации пивной дробины / В. В. Житков, Б. Н. Федоренко // Пищевая промышленность. — 2020. — № 1. — С. 18-21.
4. Житков, В. В. Применение пивной дробины в качестве источника альтернативной энергии / В. В. Житков, Б. Н. Федоренко // Пиво и напитки. — 2020. — № 1. — С. 30-33.
5. Житков, В.В. Пивная дробина. BTE* = beer-to-energy / В. В. Житков, Г. А. Ермолаева // Индустрия Напитков. — 2013. — № 1. — С. 18-21.
REFERENCES
1. GOSTR 54098-2010 Resursosberezhenie. Vtorichnye material'nye resursy. Terminy i opredelenija [State Standard R 540982010. Resources saving. Secondary material resources. Terms and definitions]. Moscow: Standartinform; 2011. 13 p.
2. Haev OV, Kachmazov GS, Tuaeva AY. Vtorichnye material'nye resursy pri prig-otovlenii piva po sposobu sovmeshhen-nogo zatiranija-fil'trovanija [Secondary
material resources when brewing beer using the combined mashing-filtering method]. Pivo i napitki [Beer and beverages]. 2020;3:32-36. (In Russ.)
3. Zhitkov VV, Fedorenko BN. Vlijanie ul'tra-zvuka na obrazovanie biogaza pri utilizacii pivnoj drobiny [Influence of ultrasound on biogas formation during utilization of brewer's grain]. Pishhevaja promyshlennost' [Food industry]. 2020;1:18-21 (In Russ.)
4. Zhitkov VV, Fedorenko BN. Primenenie pivnoj drobiny v kachestve istochnika al'ternativnoj jenergii [Use of brewer's grains as a source of alternative energy]. Pivo i napitki [Beer and beverages]. 2020; 2:30-33. (In Russ.)
5. Zhitkov VV, Ermolaeva GA. Pivnaja dro-bina. BTE* = beer-to-energy [Beer grains. BTE * = beer-to-energy]. Industrija napit-kov [Beverage industry]. 2013;1:18-21 (In Russ.) &
Авторы Authors
Житков Владимир Владимирович; Vladimir V. Zhitkov;
Ермолаев Сергей Вячеславович, канд. техн. наук Sergey V. Ermolaev, Candidate of Technical Science
ООО «Группа БАС», LLC «BAS Group»,
121069, Россия, г. Москва, ул. Поварская, д. 31/29, 31/29, P, VI, 9, office 35, Povarskaya Str., Moscow, 121069, Russia,
этаж П, помещение VI, комната 9, офис 35, tech@bastech.ru, se@bastech.ru
tech@bastech.ru, se@bastech.ru
28 ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
4•2020
ISSN 2072=9650
