CC BY
53
Комплексная линия переработки вторичного сырья пивзаводов
на основе мембранных процессов
В. Л. Кудряшов
ГНУ ВНИИПБТ Россельхозакадемии
А. С. Кислов
ОАО «Группа «Росалко»
О.П. Преснякова
МГУТУ
Пивоварение относится к материало-емким отраслям, так как доля сырья в себестоимости пива составляет значительную часть, достигая 75 % и более [1].
При производстве солода и пива значительная доля сухих веществ (СВ), содержащих биологически ценные (активные) вещества (БАВ), переходит в отходы (солодовые ростки, сплав зерна, зерновые отходы, солодовую и хмелевую дробину, остаточные дрожжи, белковый отстой, лагерные осадки, замочные и промывочные воды, а также диоксид углевода), которые являются высококачественными вторичными сырьевыми ресурсами (ВСР) и могут использоваться и частично используются в России в настоящее время даже в нативном виде в качестве кормовых добавок. Так, пивная дробина содержит до 75 % белковых веществ и более 80 % жира, содержащихся в затираемых зер-нопродуктах [1, 2].
Так как степень использования этого ВСР собственно в пивоварении не может быть существенно повышена без нарушения традиционного состава и вкуса пива, то основное направление повышения экономической эффективности их использования — переработка в востребованные на рынке продукты.
Количество и качественный состав ВСР, а также его влажность колеблются в зависимости от качества солода, количества применяемого несоложеного сырья, существующих на пивзаводе технологии и выпускаемых сортов пива.
Наиболее крупнотоннажный из ВСР (составляет 84-86 % из общего его количества) — пивная солодовая дробина, содержащая в пересчете на абсолютно сухое вещество (абс. С. В.) следующее количество БАВ: белков 25,5-29,6 %; жира 7,5-8,1 %; сырой клетчатки 16,518,1 %; безазотистых экстрактивных веществ (БЭВ) 43,5-48,5 % и минеральных веществ 5,0-5,3 % [1].
Видно, что дробина отличается высоким содержанием белка. Причем его аминокислотный состав более полноце-
нен, чем белков пшеничной муки. Скор белков дробины по лизину составляет 60 %, тогда как муки — только 53 %.
Кормовая ценность сухой дробины составляет порядка 0,8 корм. ед/кг.
Из-за высокого содержания балластных неусвояемых веществ (сырой клетчатки и БЭВ) дробина имеет низкую калорийность (порядка 800 кДж/100 г) и служит перспективным сырьем для выпуска низкокалорийных диетических (лечебно-профилактических) сортов хлебобулочных, кондитерских и макаронных изделий [3; 4].
Основная проблема при использовании дробины в нативном (сыром) виде — ее высокая влажность (75 %), обусловливающая быструю микробиологическую порчу при хранении без консервантов в течение 24 ч.
Еще большим содержанием БАВ и их высокой усвояемостью отличаются остаточные пивные дрожжи (табл. 1).
Таблица 1
Состав сухих дрожжей Содержание, % Усвояемость, %
Влага 8-12 —
Белковые вещества 43-55 88-95
Жир 2-3 81
БЭВ 25-30 75
Клетчатка 0,4-0,7 95
Зола 6-8 —
Белок дрожжей содержит значительное количество следующих незаменимых (основных) аминокислот: аргинина, гистидина, лизина, триптофана и тирозина.
Дрожжи содержат витамины (группы В, витамин Е, никотиновую кислоту, пантотеновую кислоту, биотин, инозин), минеральные вещества (кальций — 0,32 %, фосфор — 0,28 %), микроэлементы (медь, кобальт, цинк), нефалин, лецитин, холин и глютатион, которые играют важную роль в обмене веществ и функционировании нервной системы человека.
В пивных дрожжах также содержится 1,2-1,4 % эргостирола (который при ультрафиолетовом облучении превращается в витамин D2), в то время как в хлебопекарных — только 0,3-0,8 %.
В витамине D2 — регуляторе фосфор-но-кальциевого обмена — остро нуждаются животные, особенно молодняк, так как он способствует образованию костной ткани и снижает влияние недостатка солнечных лучей при содержании животных в малоосвещенных помещениях.
Жиры дрожжей в среднем на 76 % состоят из полезных ненасыщенных жирных кислот — олеиновой, линоле-вой и линоленовой.
Сухие дрожжи обладают высокой калорийностью — 4520 ккал/ кг, в то время как мясо средней жирности только 1720 ккал/ кг.
Кормовая ценность нативных дрожжей при содержании СВ порядка 15 %— 0,14 корм. ед./ кг.
К ценным ВСР относят и лагерные осадки, состав которых близок к остаточным дрожжам.
Белковый отстой также содержит значительное количество БАВ. При содержании СВ 20,9 % в нем имеются 7 % белков, 7,7 % БЭВ, 1,2 % клетчатки, 3,3 % хмелевых смол, 1,7 % небелкового азота и витамины (тиамин, рибофлавин, никотиновая кислота). При этом 47,6 % белков отстоя составляют их высокоценные формы — альбумины и глобулины.
В свежем виде дрожжи и отстой представляют собой нестойкие продукты, и их разложение при комнатной температуре начинается через несколько часов, а при температуре 30 °С — через 30 мин.
К настоящему времени в РФ все эти ценные ВСР на крупных пивзаводах практически не перерабатываются, а сбрасываются на свалки, принося значительный экологический ущерб и экономические убытки. В натив-ном же виде реализуется близлежащим сельскохозяйственным предприятиям на корм скоту (в радиусе не более 20-30 км) преимущественно только одна дробина, причем в основном зимой. В то же время из-за значительных сезонных колебаний спроса на пиво пик образующихся ВСР приходится наоборот именно на летний период.
Хотя дробина и является эффективной молокогонной добавкой, но из-за низкого содержания в ней водорастворимых витаминов и минеральных веществ скармливать ее целесообразно совместно с белковым отстоем и дрожжами.
В целом эффективность совместной комплексной переработки и использования в животноводстве ВСР пивзаводов,
а также целесообразность их высушивания показана в источниках [1, 2].
Для совместной переработки всех видов ВСР пивзаводов в отделе мембранных технологий (ОМТ) ВНИИПБТ разработана экологически чистая гибкая бессточная линия, основанная на оптимальном сочетании различных мембранных процессов (МП), решающее преимущество которых обусловлено возможностью создания оборудования с низкими энергозатратами, что подтверждается данными, приведенными в табл. 2.
Таблица 2
Тип процесса разделения (удаления влаги) Энергозатраты на разделение, МДж/м3
Продавливание через мембрану:
теоретическое значение при давлении 5 МПа 4,9
достигаемое на современных ОО- и НФ-установках 15-25
Концентрирование на современных УФ- и МФ- установках 100-150
Выпарка под вакуумом в четырехкорпусной установке 566
Сушка 2270
Вымораживание 336
Для всех мембранных процессов — обратного осмоса (ОО, reverse osmosis), на-нофильтрации (НФ, nanofiltration), ультрафильтрации (УФ, ultrafiltration) и микрофильтрации (МФ, microfiltration) — энергозатраты ниже (от 3 до 10 и более раз), чем при вакуум-выпарке и сушке. При этом существующие МП постоянно совершенствуются в направлении снижения энергозатрат до теоретического предела (4,9 МДж/ м3), в то время как в других приведенных здесь процессах они близки к предельно возможным. Кроме того, в МП используется только один тип энергии — электрическая.
Обобщенная блок-схема такой линии, предназначенной для пивзаводов
и основанной на применении полупроницаемых мембран, производимых в России с помощью нанотехнологий, представлена на рис. 1.
Линия рассчитана на производство кормовой или/ и пищевой добавки «Ви-тасорб» (ТУ 9182-011-0033-4586-04), отличающейся повышенным содержанием белка за счет обогащения дробины протеинами дрожжей и белкового отстоя. Содержание белка можно регулировать от 25 до 35 % и более, изменяя соотношение между количеством дробины, дрожжей и белкового отстоя.
Исходная дробина с влажностью 75-80 % предварительно обезвоживается (поз. 1, см. рис. 1) до влажности 55-65 %, а затем высушивается в сушилке 2. Ценные БАВ, содержащиеся в фильтрате, выделяются и концентрируются в мембранной установке 6, а затем высушиваются совместно с дробиной. Аналогично выделяются, концентрируются и высушиваются ценные БАВ из белкового отстоя, остаточных дрожжей, лагерных осадков и промывных вод. Пермеаты с установок 4, 5, 6 добавляются в сусло или/и возвращаются на стадию затирания.
Технология по требованию заказчика предусматривает: объединение трех установок 4, 5 и 6 в единый агрегат, что позволяет не только уменьшить инвестиции, но и исключить простои мембранных установок из-за цикличности подачи этих видов ВСР; совместное высушивание образующихся на аэробных и анаэробных биологических очистных сооружениях пивзаводов предварительно сконцентрированных избыточных активного ила и/или метанобразующих бактерий, что решает не только проблему утилизации последних, но и обогащает кормовую добавку «Витасорб» витамином В12 и повышает ее количество.
Мембранная установка 3 предназначена для концентрирования остаточных дрожжей с одновременным восстановлением (выделением) из них пива, которое по качеству соответству-
Исходная пивная дробина
Ф > 75 %
Белковый отстой
►С -►
, г Фильтрат
Ф = 55-66 %
В сусло
7
Добавка «Витасорб»
Ф < 10 %
"^Концентрат активного ила Концентрат дрожжей ф = 65-70 %
Промывные воды
СВ < 1,0 %
П_
5 ^^
Остаточные дрожжи (лагерные осадки) Ф=85-90 %
В пиво
На затирание
Рис. 1. Обобщенная блок-схема комплексной безсточной линии переработки ВСР
пивзаводов: 1 — предварительный обезвоживатель (фильтр-пресс, декантор или шнековый пресс); 2 — сушилка; 3,4, 5 и 6 — мембранные установки; 7 — измельчитель (при производстве кормовой добавки не требуется)
ет целевому продукту, а следовательно может подмешиваться в готовое пиво перед стадией сатурации. За счет возврата пермеатов с установок 3, 4, 5 и 6 на 3-5 % суммарно повышается выход пива и значительно сокращается срок окупаемости инвестиций на создание такой линии.
Для перевода содержащегося в дрожжах эргостерола в витамин D2, технология предусматривает их дополнительную ультрафиолетовую обработку непосредственно в мембранной установке 3, что повышает их кормовую и пищевую ценность.
Перспективно также перед сушкой проводить автолиз (ферментолиз или гидролиз) концентрата дрожжей, так как усвояемость содержащегося в них азота увеличивается в 5-10 раз. При этом автолизаты пивных дрожжей по составу аминокислот равноценны яичному белку и их можно добавлять в тонизирующие напитки, колбасы и мучные изделия.
С целью научного обоснования для каждой из установок 3, 4, 5, 6 оптимальных типа и марок используемых мембран, а также режимов их эксплуатации в ОМТ проведен комплекс НИР, часть которых представлена в табл. 3 и 4, а также на рис. 2 и 3.
Результаты исследования селективности (задерживающей способности) различных мембран при концентрировании остаточных дрожжей Бадаевского пивзавода с одновременным извлечени-
Таблица 3
Используемые типы и марка мембран Содержание СВ в пермеате, %
Нативные дрожжи (контроль) 9,3
Нанометаллокерамическая Trumem™ — 0,05 мкм 9,3
Полимерная:
УПМ-200 9,2
УПМ-100 8,0
УПМ-50 7,8
УПМ-20 7,7
УПМ-10 6,9
ем (восстановлением) из них пива представлены в табл. 3.
Концентрация растворимых СВ (по рефрактометру) в нативных остаточных дрожжах и пермеатах, полученных при их концентрировании на отечественных крупнопористых мембранах из нанометаллокерамики Тгитет™ и полимерных марки УПМ-200, практически одинакова, а следовательно, восстановленное на них пиво по качеству практически не отличается от стандартного. Этот же вывод был подтвержден органолептикой и сравнительными физико-химическими анализами содер-
2 • 2008
2
6
4
23
жащихся в восстановленном пиве БАВ, что показывает возможность его смешивания с основным потоком, подаваемым на сатурацию.
Более же мелкопористые мембраны типа УПМ-100 (50, 20 и 10) частично осветляют и обедняют органолептику восстановленного пива, а следовательно, его можно направлять только на затирание или подмешивать в сусло.
Данные по изменению удельной производительности различных мембран в зависимости от времени работы мембранной установки приведены на рис. 2.
Уменьшение удельной производительности мембран объясняется не загрязнением их, а уменьшением тангенциальной скорости в межмембранном канале с 3,5 до 2,5 м/с (при применении насоса с постоянным напором) по причине значительного увеличения вязкости дрожжей при их концентрировании СВ от 14 до 22 %.
Данные этого рисунка из-за высокой удельной производительности также убедительно подтверждают целесообразность использования для концентрирования дрожжей именно мембран марки УПМ-200 и особенно отечественной, превышающей мировой уровень мембраны Тштет™ из нано-металлокерамики, производимой по на-нотехнологии, запатентовонной в РФ, США и странах ЕС [5].
Известно, что вязкость жидких систем, а следовательно, потери напора при их перекачивании можно существенно уменьшить за счет повышения температуры (это должно приводить к увеличению удельной производительности мембран, что и подтверждается данными рис. 3).
Для снижения энергозатрат на сушку в схеме предусмотрено дополнительное обезвоживание дробины (поз. 1), причем в зависимости от ее исходной влажности на следующем различном оборудовании: шнековых центрифугах (деканторах), рефайнере или двухшне-ковых и вибрационных прессах, фильтрующих центрифугах или фильтр-прессах. При этом, как показали наши исследования, содержание СВ в фильтратах не зависит от типа этого оборудования, а только от влажности исходной дробины.
Так, общее содержание СВ в фильтрате дробины Очаковского пивзавода, полученном в ОМТ в условиях, моделирующих работу фильтр-пресса, составляет 2,4 % (в том числе растворенных — СВ 2,1 %). Так как ХПК этого фильтрата очень высокое (24 000 мгО2/ л), то его нельзя сбрасывать на городские очистные сооружения.
Приведенные в табл. 4 данные показывают, что достигаемая на НФ-мем-
ц, л/(м2-ч) 120
110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
1
2
3.........
ч 4
Рис. 2. Удельная производительность при
концентрировании пивных дрожжей (температура 35 °С; тангенциальная скорость 3,5-2,5 м/с; концентрация СВ от 14 до 22%) для мембран: 1 — нанометаллокерамических Тштет™ — 0,5 мкм; 2,3 и 4 — соответственно полимерных марок УПМ-200; УПМ-50М и УПМ-20
Таблица 4
Характеристика
Используемые параметров
тип и марка мембран Содержание СВ по рефрактометру, % ХПК, мгО2/л
Исходный фильтрат дробины (контроль) 2,1 24000
УФ-мембраны:
УПМ-200 1,25 15 000
УПМ-50 1,0 12 000
УПМ-20 0,8 4000
НФ-мембрана — ОПМН-П 0,1 1000
ОО-мембрана (низконапорная) 0,06 600
ОО-мембрана (высокоселективная) 0,01 80
бранах степень очистки фугата приближается, а на ОО-мембранах соответствует требованиям, предъявляемым к стокам, сбрасываемым в горкол-лектор.
С экономической же точки зрения фильтрат дробины после очистки на мембране УПМ-200 целесообразнее возвращать на стадию затирания.
В качестве сушилок в зависимости от требуемой производительности и используемого сушильного агента могут использоваться пневматические, ротор-но-трубчатые, роторно-дисковые и барабанные сушилки, а также сушилки с виброкипящим и псевдоожиженным слоями.
ц, л/(м2-ч) 300
250
200
150
100
50
„ 1
- 2
^ 3
0 1 2 3 4
Рис. 3. Удельная производительность нанометаллокерамических мембран Тштет™ — 0,5 мкм при концентрировании пивных дрожжей (концентрация СВ от 10 до 18 %, тангенциальная скорость 5,0-4,0 м/с): 1, 2 и 3 — соответственно при температуре 60, 40 и 20 °С
ОАО «Группа Росалко» провело углубленные маркетинговые исследования и подобрало из выпускаемых в России, Китае и странах ЕС оптимальные типы оборудования для каждой из позиций в линии на рис. 1. Так же отработана и методология поэтапного (поблочного) ее освоения (в 2-4 этапа в зависимости от финансовых возможностей) с полной самоокупаемостью каждого из них не более 1,5 лет. При этом цена комплекта оборудования для линии в целом в 2 и более раза ниже как зарубежных, так и отечественных аналогов.
На основе системного подхода нами созданы способ выбора того или иного МП, методология оптимизации как собственно мембранных установок, так и всей технологической линии как единой системы, включая центрифуги, фильтры, прессы, сушилки и другое вспомогательное оборудование. При оптимизации учитываются: региональные особенности, наличие рынков сбыта и их расстояние, финансовые возможности, наличие и тип очистных сооружений, а также структура и мощность теплоэнергетического хозяйства. В расчетах применяются метод динамического программирования и другие математические методы технологической и экономической оптимизации.
В целом линия обеспечивает низкую себестоимость производства сухой добавки «Витасорб» — от 2,0 до
0
0
1
2
3
4
5
т. ч
т,ч
2,5 руб/кг при рыночной цене порядка 5-7 руб/ кг.
Решая экологическую проблему, линия переработки ВСР для пивзаводов фактически является высокорентабельным проектом. В связи с развитием животноводства такая добавка в ближайшие годы практически не будет иметь факторов, ограничивающих ее сбыт.
Технология предусматривает также возможность использования без высушивания смеси из части отжатой (поз. 1) дробины и сконцентрированных (поз. 3 и 4) дрожжей и белкового отстоя (с введением или без введения подобранных нами консервантов) на близлежащих фермах и комбикормовых заводах (см. рис. 1).
Сухую добавку «Витасорб» можно применять и как пищевую с повышенным содержанием белка и пищевых волокон [4]. Дополнительное введение последних в хлебобулочные изделия получило положительную оценку в Институте питания РАМН [3]. Это же доказано и нами совместно со специалистами Московского хлебозавода «Золоторожский хлеб» при выпечке ржано-пшеничных сортов хлеба [4].
При этом низкая себестоимость добавки позволит сдерживать рост розничной цены хлеба, обусловленный положительным трендом цен на зерновые.
Такие линии целесообразно создавать как непосредственно на пивзаводах, так и в специализированных цехах на незначительном (до 30-50 км) расстоянии от них, предпочтительно при: ТЭЦ, имеющих избыток пара, особенно летом, когда количество образующейся дробины максимально; крупных пищекомбинатах и откормочных комплексах, в которых часть дробины можно использовать в нативном виде и только часть высушивать; комбикормовых заводах.
При этом мембранные установки все же целесообразнее устанавливать непосредственно на пивзаводе, а оборудование для сушки можно и на перечисленных предприятиях.
В целях развития кормовой базы для сельскохозяйственных животных и птиц целесообразно создавать единые межотраслевые региональные комплексы (для совместной переработки в бел-ково-витаминные корма ВСР), расположенные близко от пивоваренных, спиртовых, молочных, крахмало-паточных и сахарных заводов, обеспечивая финансирование в рамках национального проекта развития агропромышленного комплекса.
В ОМТ ВНИИПБТ совместно с ОАО «Группа Росалко» для таких комплексов также создана универсальная гиб-
кая линия с полным комплектом соответствующего мембранного и вспомогательного оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Колпакчи Л. П. и др. Рациональное использование вторичных материальных ресурсов пивоваренного производства//Обз. инф. ЦНИИТЭИпищепром. Сер. 10. Вып. 6. 1983.
2. Драганов И. Ф. Откорм сельскохозяйственных животных на барде и пивной дробине//Обз. инф. ВНИИТЭИАПК. 1988.
3. Беркетова Л. В. Содержание пищевых волокон в некоторых видах хлебобулочных изде-
лий//Хранение и переработка сельхозсырья. 2002. № 7. С. 50-51.
4. Кудряшов В. Л., Наумов К. В., Гаевский Н. В. Высококачественные добавки с повышенным содержанием нерастворимых пищевых волокон//Сб. науч. тр. 6-й Межрегиональной науч.-прак. конф. «Современное хлебопекарное производство, перспективы его развития». — Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. эконом. ун-та, 2005. С. 6-12.
5. Кузьминов В. М., Трусов Л. И., Кудряшов В. Л. Эффективность и перспективы использования металлокерамических мембран Trumem™ для очистки стоков//Тез. докл. Всерос. науч. конф. «Мембраны-98». — М., 1998. <£?
Ответственность за оборудование и за продукт
В качестве комплексного поставщика мы, фирма «КРОНЕС», предлагаем вам не только отдельные машины. Мы постоянно держим в поле зрения всю цепь технологических процессов вашего производства.
■ Технология производства напитков
■ Технология розлива и упаковки
■ Внутренняя логистика
www.krones.com
/krone s
