CC BY
50
УДК 663.551
А. И. Лембович, аспирант (БГТУ);
Н. С. Ручай, кандидат технических наук, доцент (БГТУ);
И. Н. Кузнецов, младший научный сотрудник (БГТУ);
А. Ф. Ильющенко, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси (ИПМ НАН Беларуси);
Р. А. Кусин, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник (ИПМ НАН Беларуси);
И. Н. Черняк, заведующий лабораторией, сотрудник (ИПМ НАН Беларуси); Н. Н. Якимович, кандидат технических наук (ИФОХ НАН Беларуси)
КОНЦЕПЦИЯ НЕПРЕРЫВНОГО СБРАЖИВАНИЯ СУСЛА В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТАНОЛА ИЗ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
Обоснована концепция непрерывного сбраживания сусла в биореакторе, оснащенном микрофильтрационным модулем, обеспечивающим разделение бражки с отбором фильтрата (водно-спиртового раствора) и возвратом концентрата дрожжей в бродильный аппарат. Показана высокая эффективность функционирования опытных образцов микрофильтрационных элементов, изготовленных из прессованного порошка титана, со средним размером пор от 2 до 7 мкм.
Экспериментальным путем при разделении водной суспензии спиртообразующих дрожжей определена пропускная способность микрофильтрационных элементов по водно-спиртовому раствору, составляющая 700-1000 дм3/м2 • ч при полном отделении дрожжевых клеток.
The concept of a continuous fermentation of a mash in the bioreactor equipped with the microfiltrational module, ensuring separation of brew with filtrate takeoff (an aqueous-alcoholic solute) and backstock of a concentrate of yeast to the barmy device is offered. Efficiency of functioning of pre-production models of the microfiltrational elements designed of pressed titan powder with the average pore size from 2 to 7 micron is introduced.
Throughput of filter cartridges on an aqueous-alcoholic solute on modelling system is experimentally defined and was 700-1,000 dm3/m2 • hour at absolute efficiency of keeping of yeast cells.
Введение. В отечественной и мировой практике производства этанола на протяжении многих лет широко используется периодический способ сбраживания сусла спиртообразующими дрожжами. Этот способ имеет ряд труднопреодолимых недостатков: низкая производительность бродильных аппаратов; большие затраты времени и тепловой энергии на межцикловые операции по подготовке аппарата к работе; нестабильное физиологическое состояние популяции дрожжей, изменяющиеся в процессе брожения от начального периода с избытком субстрата до времени его полного исчерпания; сложность борьбы с инфекцией, особенно в начальный период брожения, когда субстрат в избытке, а концентрация дрожжей невысокая; необходимость накопления биомассы засевных дрожжей для инокулирования сусла в каждом производственном цикле; сложность автоматизации процесса.
Не позволяет избавиться от указанных недостатков непрерывно-циклический режим сбраживания сусла, который реализуют в громоздкой батарее из восьми бродильных аппаратов.
В современных условиях актуальной задачей является разработка технологического процесса непрерывного сбраживания сусла в бродильном аппарате, обеспечивающем удержание клеток дрожжей (продуцентов этанола) в фер-
ментационном объеме. Решение этой задачи возможно при использовании биореакторов с иммобилизованными клетками дрожжей или мембранных биореакторов, оснащенных мембранным модулем для непрерывного отбора бесклеточной спиртовой бражки.
В настоящее время в мировой практике получают распространение технологии мембранного разделения компонентов биосистем (МБР-технологии), которые могут быть применены и в производстве этанола для удержания биомассы дрожжей в ферментационной среде с одновременным отбором водно-спиртового раствора. Мембранные методы отличаются высокой эффективностью разделения сложных систем, низкими энергетическими затратами, универсальностью использования.
Современные технологии МБР представляют собой реализуемые сочетания различных мембранных и биохимических процессов. Известно уже более 30 компаний, которые производят мембранные элементы и модули для технологии МБР, наиболее крупными из которых являются: GE WATER & PROCESS Technologies, Siemens Water Technologies, США; Kubota, Mitsubishi-Rayon, Toray Industries Inc., Япония [1].
По состоянию на 2008 г. в мире эксплуатируется более 2200 МБР-установок различной производительности, из них более 75% - это
установки для очистки производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод. В настоящее время в Европе ежегодно вводится в эксплуатацию около 70 новых МБР-установок [1].
По конфигурации системы МБР могут быть классифицированы на две основные группы:
- циркуляционные МБР, которые включают рециркуляцию разделяемой смеси через мембранный модуль, расположенный вне биореактора;
- погружные МБР, в которых мембранный блок размещен внутри биореактора (широко применяются в процессах биологической очистки сточных вод).
Движущая сила фильтрования через микрофильтрационные мембраны обеспечивается либо давлением в герметичном биореакторе, либо созданием разряжения на стороне пермеата.
В США разработан высокопроизводительный процесс сбраживания сусла в биореакторе непрерывного действия, оснащенном синтетической мембраной для задержания и возврата биомассы дрожжей в аппарат, с одновременным непрерывным отводом этанола [2].
Преимуществом данной технологии является непрерывное отделение и возврат дрожжей в биореактор, что снижает затраты на накопление биомассы засевных дрожжей и сокращает цикл брожения. Возврат дрожжей в бродильный аппарат позволяет создать высокую плотность клеток в ферментационной среде и увеличить производительность аппарата по сбраживаемому суслу.
Непрерывное удаление этанола из ферментационной среды создает возможность проведения процесса брожения с таким содержанием этанола, которое активирует дрожжи. Бесклеточная бражка содержит небольшое количество взвешенных веществ, что способствует снижению стоимости процессов очистки спирта.
В мембранных биореакторах используются полупроницаемые разделяющие элементы различных типов и конфигураций: трубчатые, спиральные, дисковые, плоскорамные, половолоконные мембранные элементы, органические (полиамид, фторопласт и др.), металлические и неорганические (керамические) микрофильтрационные и ультрафильтрационные мембраны.
Трубчатые мембранные модули конструктивно аналогичны трубчатым теплообменным аппаратам, что обусловливает достаточно низкую плотность упаковки, но минимальную склонность к загрязнению, а также возможность регенерации или замены мембран. Модули данного типа применяются как в режиме напорной, так и погружной микрофильтрации.
Цель настоящей работы - обоснование технологического процесса непрерывного сбражи-
вания сусла в бродильном аппарате, оснащенном микрофильтрационным модулем.
Основная часть. Исходя из требований, предъявляемых к мембранам (селективность, пропускная способность, механическая прочность, устойчивость к действию среды разделяемой системы, доступность), в промышленных процессах предпочтительно использование трубчатых микрофильтрационных элементов из прессованных порошков металлов, изготовление которых освоено в Республике Беларусь.
Опытный образец микрофильтрационного модуля для разделения суспензии спиртообразующих дрожжей изготовлен в ГНУ «Институт порошковой металлургии НАН Беларуси». Основой модуля является цилиндрический фильтрующий элемент с заданным размером пор (4-30 мкм), изготовленный прессованием порошкообразных материалов - титана или нержавеющей стали (рис. 1). Внутрь элемента помещен монолитный конус из нержавеющей стали. Элемент заключен в цилиндрический кожух. Конус предназначен для обеспечения высокой линейной скорости движения суспензии у фильтрующей поверхности, что способствует уменьшению количества отлагающейся на поверхности фильтрующего элемента дрожжевой массы.
Рис. 1. Микрофильтрационный модуль: 1 - фильтрующий элемент;
2 - конус; 3 - корпус
Рабочая длина опытного образца цилиндрического фильтрующего элемента - 230 мм, внутренний диаметр - 12 мм, наружный диаметр - 18 мм, внутренняя фильтрующая поверхность - 0,0087 м2.
Исследование эффективности функционирования микрофильтрационного модуля проводили на лабораторной установке (рис. 2), обеспечивающей регулируемый проток дрожжевой суспензии через модуль. В экспериментах использовали модельную водную суспензию
спиртообразующих дрожжей и производственное сусло ОАО «Бобруйский завод биотехнологий».
В качестве модельной среды для определения пропускной способности и эффективности функционирования микрофильтрационных элементов была использована суспензия спиртообразующих дрожжей Saccharomyces cerevisiae с концентрацией 20 г/дм3 (по биомассе 75%-ной влажности). Модельная суспензия дрожжей из биореактора пережимом сжатым азотом подается на микрофильтрационный модуль, где разделяется на два потока - концентрат и фильтрат. Концентрат возвращается в биореактор. Эффективность отделения дрожжевых клеток в микрофильтрационном модуле контролировали микроскопированием проб фильтрата в препарате «раздавленная капля».
Рис. 2. Схема лабораторной установки для исследования эффективности функционирования микрофильтрационного модуля:
1 - баллон со сжатым азотом; 2 - биореактор; 3 - микрофильтрационный модуль;
4 - приемник фильтрата; 5 - приемник концентрата; 6 - редуктор с регулируемым давлением газа на выходе; 7 - вентили для регулирования расходов фильтрата и циркулирующей суспензии
Давление на входе в микрофильтрационный модуль регулировали редуктором на линии по-
дачи сжатого азота в биореактор в пределах 0,1-0,3 МПа.
При расходе циркулирующей через модуль дрожжевой суспензии 2,2-3,2 дм3/мин расчетная линейная скорость движения суспензии в пространстве между внутренним конусом и поверхностью фильтрующего элемента составила 0,50-1,50 м/с.
В экспериментах через микрофильтрационный модуль пропускали от 20 до 80 дм3 дрожжевой суспензии. После каждого цикла фильтрования микрофильтрационный модуль подвергали регенерации промывкой водой под давлением 0,1-0,2 МПа в обратном направлении с расходом промывной воды 0,08-0,1 м3 на 1 м2 фильтрующей поверхности. Эксперименты показали, что такая регенерация полностью восстанавливает пропускную способность микрофильтрационного модуля.
На лабораторной установке исследовали пять опытных образцов фильтрующих элементов, изготовленных из порошков титана и нержавеющей стали и имеющих размер пор от 2,2 до 30 мкм (табл. 1). Установлено, что высокой эффективностью разделения дрожжевой суспензии отличаются фильтрующие элементы из титанового порошка со средним размером пор 2,2-7,0 мкм (ТПП-8, ПТМ и ТПП-1), которые обеспечивают практически полное отделение дрожжевых клеток при скорости отбора фильтрата 800-900 дм3/м2 • ч и расходе циркулирующей суспензии 3,2 дм3/мин. Мик-роскопирование проб фильтрата показало, что дрожжевые клетки в поле зрения микроскопа отсутствуют.
Снижение скорости циркуляции дрожжевой суспензии через микрофильтрационный модуль в 1,5 раза (с 3,2 до 2,2 дм3/мин) не оказало негативного влияния на пропускную способность фильтрующих элементов (табл. 2).
Таблица 1
Эффективность функционирования микрофильтрационного модуля при разделении модельной суспензии спиртообразующих дрожжей
Фильтрующие элементы Материал и средний размер пор элемента, мкм Удельная пропускная способность, дм3/м2 • ч Эффективность разделения дрожжевой суспензии, % Объем отобранного фильтрата до регенерации элемента, м3/м2 Объем воды на регенерацию, м3/м2
ТПП-5 Титан, 32,8 1000 10 - -
ТПП-8 Титан, 5,8 900 100 0,15 0,10
ПТМ Титан, 2,2 920 100 0,20 0,08
ПХ18Н15 Нержавеющая сталь, 4,9 1350 30 - -
ТПП-1 Титан, 6,8 800 100 0,28 0,08
Таблица 2
Эффективность разделения модельной суспензии дрожжей при различной скорости циркуляции
Фильтрующие элементы Скорость циркуляции дрожжевой суспензии, дм3/мин Удельная пропускная способность, дм3/м2 • ч Эффективность разделения дрожжевой суспензии, % Объем отобранного фильтрата до регенерации элемента, м3/м2 Объем воды на регенерацию, м3/м2
ТПП 2,5 700 100 0,17 0,08
ПТМ 2,2 800 100 0,21 0,08
ТПП-1 3,2 820 100 0,32 0,08
По совокупности экспериментально установленных характеристик наибольший интерес представляет титановый элемент ТПП-1, который обеспечивает наибольший отбор фильтрата без регенерации фильтрующей поверхности (0,32 м3/м2). Дополнительные исследования показали (табл. 3), что пропускная способность элемента ТПП-1 достигает 1050 дм3/м2 • ч при сохранении высокой эффективности процесса разделения дрожжевой суспензии.
Таблица 3
Удельная производительность микрофильтрационного элемента ТПП-1 по фильтрату
Скорость отбора фильтрата, дм3/мин Пропускная способность элемента, дм3/м2 • ч
0,138 950
0,144 990
0,152 1050
Непрерывный проток дрожжевой суспензии через модуль в количестве 80 дм3 (9,2 м3/м2 поверхности) не вызывает существенного загрязнения пор фильтрующего элемента ТПП-1 дрожжевыми клетками и снижения его пропускной способности (табл. 4).
Таблица 4
Влияние нагрузки по дрожжевой суспензии на пропускную способность микрофильтрационного элемента ТПП-1
Проток дрожжевой суспензии через модуль, м3/м2 Пропускная способность фильтрующего элемента, дм3/м2 • ч
2,3 350
4,6 405
6,9 610
9,2 550
На основании результатов исследований разработана технологическая схема опытнопромышленной установки непрерывного сбраживания сусла в производстве этанола (рис. 3).
Сусло после глубокого осахаривания в течение 2-3 ч при температуре 58°С осветляется в декантерной центрифуге (поз. 1) с получением
кека и фугата. Кек промывается горячей водой с температурой 80°С с кратностью промывки по воде 2 : 1, обезвоживается на фильтре-прессе ФПАКМ (поз. 5) до влажности твердого остатка 60% и винтовым конвейером (поз. 11) подается в роторно-дисковую сушильную установку (поз. 12) для получения кормового продукта 10%-ной влажности. Половину промывной воды направляют на приготовления замеса, другую половину направляют в сборник фугата (поз. 2). Сусло охлаждается до температуры 28-29°С в пластинчатом теплообменнике (поз. 4) и поступает в биореактор (поз. 6).
Биореактор представляет собой бродильный аппарат, оснащенный внешним циркуляционным контуром, включающим два (рабочий и резервный) микрофильтрационных модуля (поз. 10). Процесс брожения протекает в режиме хемостата, при котором концентрация субстрата в сусле минимальна, а концентрация этанола высокая, что ограничивает развитие бактериальной инфекции. Спиртсодержащие пары из бродильных аппаратов улавливаются в спиртоловушке (поз. 7). Сброженное сусло поступает в сборник зрелой бражки (поз. 9) и затем в брагоректификационное отделение для дальнейшей переработки.
Предложенная технология имеет ряд достоинств: увеличивается выход этанола за счет сокращения объема сусла, направляемого на получение засевных дрожжей; упрощается процесс ректификации бражки, не содержащей взвешенных веществ (снижается расход пара на бражную колонну и уменьшаются затраты на чистку колонны от загрязнений); облегчается задача борьбы с инфекцией при сбраживании сусла, так как в биореакторе поддерживается минимальная концентрация субстрата и высокая концентрация биомассы спиртообразующих дрожжей и этанола, а также осуществляется непрерывный отбор бражки; возрастает производительность бродильного аппарата, функционирующего в непрерывном режиме; снижаются капитальные и эксплуатационные затраты на сбраживание сусла из-за уменьшения числа бродильных аппаратов и исключения межцикловых операций по подготовке бродильных аппаратов к работе.
Рис. 3. Технологическая схема непрерывного сбраживания сусла в производстве этанола из крахмалсодержащего сырья.
Заключение. Экспериментально установлена высокая эффективность трубчатых микрофильтрационных элементов, изготовленных прессованием порошка титана, при разделении водной суспензии спиртообразующих дрожжей. Предложена технология непрерывного сбраживания зернового сусла в биореакторе, оснащенном микрофильтрационным модулем, обеспечивающим разделение бражки с отбором водно-спиртового раствора и возвратом дрожжевой массы в бродильный аппарат.
Литература
1. Козлов И. М., Агарёв А. М. Подготовка технической воды с помощью мембранных тех-
нологий для использования в городском хозяйстве // Интернет-журнал «Водные проблемы» [Электронный ресурс]. 2014. URL: http://www.aqua-problems.ru/ sci/ statya/ kozlov-im-agaryov-am/1 (дата обращения: 01.02.2014).
2. Escobar Jose M., Kishore D. Rane, Munir Cheryan Pilot-scale trials in a corn wet mill. Ethanol production in a bioreactor with an integrated membrane distillation module // Applied Biochemistry and Biotechnology [Electronic resource]. 2014. URL: http://link.springer.com/ article/ 10.1385/ ABAB%3A91-93%3A1-9%3A283 (date of address: 01.02.2014).
Поступила 22.02.2014
