О производстве и перспективах применения этилового спирта в России Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 663.52

О производстве и перспективах применения этилового спирта в России

В. В. КОНОНЕНКО, канд. техн. наук; М. В. ТУРШАТОВ, канд. техн. наук; В. П. ЛЕДЕНЕВ, канд. техн. наук; В. А. КРИВЧЕНКО, канд. техн. наук; Н.Д. МОИСЕЕВА; А. О. СОЛОВЬЕВ; Е.А. КИРИЛЛОВ; В. В. АЛЕКСЕЕВ ВНИИ пищевой биотехнологии — филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, Москва

Мировое производство этилового спирта из различного сырья в текущий период составляет 6,5—7 млрд дал в год. Ежегодное увеличение объемов производства последние 10 лет составляло 5—10%. При этом только порядка 25% производимого этилового спирта расходуется на пищевые, медицинские цели, а большая часть используется для производства химической продукции, при органическом синтезе, для энергетических целей — получения оксигенатов или в качестве топливной добавки и т.д.

Более 80% этилового спирта получают из углеводсо-держащего сырья: зерновых культур, сахарного тростника, мелассы. Практически во всех странах основным стимулирующим фактором создания этанольных проектов является насыщение рынка продуктами переработки растительного сырья для пищевых, кормовых, энергетических, химических целей, что приводит к повышению эффективности использования посевных площадей, созданию рабочих мест и улучшению социальных условий в аграрном секторе. Именно поэтому этиловый спирт называют «топливом для аграрной экономики».

В качестве примера: в США мощности по производству этилового спирта выросли в 10 раз, в Китае, где наблюдается дефицит земельных угодий, суммарные мощности по производству этилового спирта составляют 1,2—1,3 млрд дал в год. Созданы биотехнологические комплексы получения этилового спирта производственной мощностью 150—200 тыс. дал в сут., или 50—60 млн дал в год. В частности, в Китае отсутствует акцизный налог на спирт, что исключает наличие теневого рынка этилового спирта и создает конкуренцию по его себестоимости. Для повышения рентабельности и конкурентности в структуре указанных комплексов входит не только получение этилового спирта, но и его переработка в продукты пищевого, химического, энергетического применения [1].

В России, к сожалению, за последние годы количество спиртовых заводов сократилось почти в три раза, и сегодня их число с действующей лицензией составляет немногим более 40. Суммарный объем годового производства этилового спирта составляет 50 млн дал, преимущественно используемого на пищевые цели. Такая ситуация связана с рядом причин. Ужесточились требования в части безопасности производства, экологические требования и требования к учету, хранению и реализации спиртосодержащей продукции [2]. Предприятия по производству спирта были вынуждены про-

водить модернизацию технологий, оснащать производства современным оборудованием, современными системами управления и учета выпускаемой продукции. В результате этих преобразований существенно увеличились мощности предприятий. Если старые заводы в основном имели производительность 2000-3000 дал спирта в сутки, то современные заводы имеют, как правило, производительность 6000-10000 дал спирта в сутки и более. Таким образом, сегодня несколько десятков предприятий обеспечивают потребности России в спирте этиловом ректификованном из пищевого сырья. Из-за отсутствия рынка переработки этилового спирта на непищевую продукцию в законсервированном виде находятся десятки спиртовых заводов, потенциальный резерв производственных мощностей которых, по нашей оценке, составляет 120-150 млн дал этилового спирта в год.

Основным сырьем для производства спирта в России являются зерновые культуры: рожь, пшеница, кукуруза, тритикале и др. [5] В последние годы увеличился экспорт российского зерна. В то же время продукты переработки зерна — крахмалопродукты, клейковина, аминокислоты, сорбиновая и лимонная кислоты, этилацетат и др. — импортируются в Россию [3, 4].

На рис. 1 приведены некоторые варианты переработки этилового спирта в продукты химического и органического синтеза.

Из возможных вариантов наименее затратным является перепрофилирование спиртового производства на получение этилацетата. Благодаря малой токсичности он широко используется в различных отраслях промышленности:

• как растворитель в производстве лакокрасочных

материалов;

• как растворитель в изготовлении клеевых КОМПОЗИЦИЙ;

Рис. 1. Варианты получения химической продукции

из этмювого спирта

Биомасса

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ И ПРОДУКЦИИ АПК

Уксусная кислота

Отделение подработки и варки зерна

Подработка зерна

Смешивание зерна с водой

Разваривание и осахаривание сусла

Сусло

Бродильно-дрожжевое отделение

Сбраживание сусла

Цех сушки барды

Сушка барды

Отделение брагоректификации

Выделение спирта из бражки

Концентрирование этанола

Смешивание этилового спирта с уксусной кислотой

Этерификация уксусной кислоты этиловым спиртом

Сушка и очистка этилацетата

Этилацетат

Сухая барда

Рис. 2. Структурная технологическая схема производства этишцетата

• как растворитель при нанесении надписей и изображений трафаретным способом;

• как реагент и как реакционная среда в производстве фармацевтических препаратов (метоксазол, рифам-пицин и т.д.);

• как обезжиривающий агент в производстве алюминиевой фольги и тонких алюминиевых листов;

• как очищающий и обезжиривающий агент в электронной промышленности;

• как растворитель эфиров целлюлозы;

• в смеси со спиртом как растворитель в производстве искусственной кожи;

• как экстрагирующий агент для различных органических веществ из водных растворов;

• для экстрагирования кофеина из кофе;

• как желатинизирующее средство при изготовлении взрывчатых веществ;

• как компонент фруктовых эссенций (зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е 1504). Этилацетат образуется при прямом взаимодействии

этанола с уксусной кислотой:

СН3СООН + С2Н5ОН

сн3соос2н5 + н2о.

Этилацетат является химической продукцией, которая не облагается акцизным налогом, не требует специального лицензирования.

Мировое производство этилацетата динамично развивается, а получаемый объем оценивается на уровне 4 млн т. В России в настоящее время этилацетат производится в небольших количествах на двух заводах

лесохимического сектора. Поэтому потребность российского рынка в значительной мере обеспечивается за счет импорта.

Во ВНИИПБТ проведены исследования по получению этилацетата из растительного сырья, минуя стадию получения ректификованного этилового спирта, включая исследования по влиянию концентрации этилового спирта и сопутствующих летучих примесей в дистиллятах культуральной жидкости на процесс этерифика-ции и качественные показатели этилацетата, а также влиянию многократного использования жидкой фазы на технологические показатели культуральной жидкости, накоплению примесей в дистиллятах и их влиянию на качественные показатели этилацетата.

По результатам проведенных исследований разработана технология и создается аппаратурная схема, обеспечивающая получение этилацетата из зернового сырья, минуя стадию товарного спирта (рис. 2) [6]. Это позволяет задействовать большую часть оборудования простаивающих сниртзаводов, но исключает возможность получения этилового спирта на пищевые цели. Кроме того, капитальные затраты на реконструкцию будут минимальны, поскольку модернизация коснется только отделения брагоректификации. Причем практически все оборудование отделения брагоректификации можно использовать под технологический процесс производства этилацетата. Из дополнительного оборудования потребуются реактор-этерификатор и этерификацион-ная колонна, выполненные из кислотостойкой стали.

При комплексной переработке зерна с получением этилацетата и кормопродукта себестоимость состав-

ляет порядка 50 руб. за кг. При рыночной цене импортируемого этилацетата 75-90 руб. за кг его производство на базе спиртовых заводов относится к категории высокорентабельных.

Разработанная технология предусматривает комплексную безотходную технологию переработки зерна с получением этилацетата и продуктов пищевого, кормового применения, органических удобрений [7, 8].

Более того, отсутствие органолептических требований на получаемый этилацетат по ГОСТ 8981-78 [9] дает возможность использования углеводсодержащего сырья более низкого качества, а также многократно использовать жидкую фазу в производственном цикле. Это обеспечивает дополнительную доходность производства.

Достаточно перспективно и успешно, как показано на рис. 1, этиловый спирт, полученный из растительного сырья, может перерабатываться в другие виды продукции, обеспечивающие рентабельность и эффективность производства. Большинство из них импортируется на российский рынок.

Перепрофилирование простаивающих спиртовых заводов на указанные направления — реальная перспектива их развития.

Научно-исследовательская работа по подготовке рукописи проведена за счет средств субсидии на выполнение государственного задания в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020годы (№ 0529-2015-0109).

Литература

1. Андреев, Н. Р. Глубокая переработка зерна озимой ржи / Н.Р. Андреев, Н.Д. Лукин, A.A. Папахин // Аграрная наука евро-северо-востока. — 2014. — № 6. — С. 9—12.

2. Федеральный закон № 171-ФЗ от 22.11.95 г. «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции и об ограничении потребления (распития) алкогольной продукции» (с последующими редакциями № 18-ФЗ от 07.01.1999 г., № 102-ФЗ от 21.07.2005 г., № 301-ФЭ от 01.12.2007 г., № 279-ФЗ от 25.12.2008 г., № Збб-ФЗ от 27.12.2009 г.).

3. Коптелова, Е. К. Перспективные разработки по технологии модифицированных крахмалов / Е. К. Коптелова, Н.Д. Лукин // Пищевая промышленность. — 2013. — № 12. - С. 52-53.

4. Поляков, В. А. Фундаментальные и прикладные исследования ВНИИПБТ как эффективный базис создания инновационных ресурсосберегающих технологий /

B. А. Поляков [и др.] // Современные биотехнологические процессы, оборудование и методы контроля в производстве спирта и спиртных напитков. Сборник научных трудов. — 2017. — С. 3—11.

5. Оверченко, М. Б. Исследование различных сортов тритикале для использования их в спиртовом производстве / М. Б. Оверченко [и др.] // Пиво и напитки. — 2014. — №6.-С. 14-18.

6. Kupwuoe, Е.А. Производство зернового дистиллята на брагоректификационных установках из крахмалосодер-жащего сырья / Е.А. Кириллов [и др.] // Пиво и напитки. - 2016. -№ 3. - С. 22.

7. Туршатов, М. В. Технико-экономические аспекты получения спирта из вторичных сырьевых ресурсов, образуемых при комплексной переработке пшеницы / М. В. Туршатов [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2015. - № 1. - С. 33-35.

8. Кононенко, В. В. Комплексная переработка сырья — реальная перспектива повышения рентабельности спиртового производства / В. В. Кононенко [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2017. — № 10. —

C. 10-14.

9. ГОСТ8981-78 «Эфиры этиловый и нормальный бутиловый уксусной кислоты. Технические условия».

References

1. Andreev, N.R. Glubokaja pererabotka zerna ozimoj rzhi / N. R. Andreev, N. D. Lukin, А. A. Papahin // Agrarnaja nauka evro-severo-vostoka. — 2014. — № 6. — S. 9—12.

2. Federal'nyj zakon # 171-FZ ot 22.11.95 g. «O gosudarstven-nom regulirovanii proizvodstva i oborota jetilovogo spirta, alkogol'noj i spirtosoderzhashhej produkcii i ob ogranichenii potreblenija (raspitija) alkogol'noj produkcii» (s posledujush-himi redakcijami № 18-FZ ot 07.01.1999 g., № 102-FZ ot 21.07.2005 g., № 301-FZ ot 01.12.2007 g., № 279-FZ ot 25.12.2008 g., № 366-FZ ot 27.12.2009 g.).

3. Koptelova, E. K. Perspektivnye razrabotki po tehnologii mod-ificirovannyh krahmalov / E. K. Koptelova, N. D. Lukin // Pishhevaja promyshlennost'. — 2013. — № 12. — S. 52-53.

4. Poljakov, V.A. Fundamentabnye i prikladnye issledovanija VNIIPBT kak jeffektivnyj bazis sozdanija innovacionnyh resursosberegajushhih tehnologij / V.A. Poljakov [i dr.] // Sovremennye biotehnologicheskie processy, oborudovanie i metody kontrolja v proizvodstve spirta i spirtnyh napitkov. Sbornik nauchnyh trudov. — 2017. — S. 3—11.

5. Overchenko, M. B. Issledovanie razlichnyh sortov tritikale dlja ispol'zovanija ih v spirtovom proizvodstve / M. B. Overchenko [i dr.] // Pivo i napitki. - 2014. - № 6. - S. 14-18.

6. Kirillov, E.A. Proizvodstvo zernovogo distilljata na bragorek-tifikacionnyh ustanovkah iz krahmalosoderzhashhego syr'ja / E.A. Kirillov [i dr.] // Pivo i napitki. - 2016. - № 3. -S. 22.

7. Turshatov, M. V. Tehniko-jekonomicheskie aspekty polucheni-ja spirta iz vtorichnyh syr'evyh resursov, obrazuemyh pri kom-pleksnoj pererabotke pshenicy / M.V. Turshatov, [i dr.] // Proizvodstvo spirta i likerovodochnyh izdelij. — 2015. — № 1, —S. 33-35.

8. Kononenko, V. V. Kompleksnaja pererabotka syr'ja — real'naja perspektiva povyshenija rentabel'nosti spirtovogo proizvodstva / V. V. Kononenko [i dr.] // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. - 2017. - № 10. - S. 10-14.

9. GOST8981-78 «Jefiryjetilovyj i normal'nyj butilovyj uksusnoj kisloty. Tehnicheskie uslovija».

О производстве и перспективах применения этилового спирта в России

Ключевые слова

комплексная переработка сырья; перепрофилирование спиртовых заводов; продукты химического и органического синтеза; себестоимость; этилацетат; этиловый спирт.

Реферат

В статье приведены данные мирового опыта производства и применения этилового спирта на пищевые, топливные, а также технические цели, в том числе для получения химической продукции, при органическом синтезе. Показано, что производство этилового спирта из растительного сырья в развитых странах является одной из наиболее эффективных отраслей, обеспечивающей потребности рынка в продуктах глубокой переработки растительного сырья, вовлечение в оборот тысяч гектаров посевных площадей, создание тысячи рабочих мест в агропромышленном секторе. Представлено состояние спиртовой промышленности России на сегодняшний день. Основной проблемой отечественного спиртового производства является узкий спектр применения этилового спирта: 90% производимого спирта используется для производства алкогольной продукции. Отмечено, что из-за отсутствия рынка переработки этилового спирта в продукты непищевого назначения законсервированы значительные мощности спиртовых производств. На примере зарубежного опыта приводятся варианты переработки этилового спирта в химическую продукцию. Такими продуктами являются: уксусная кислота, ацетальдегид, кротоновый альдегид, диэтиловый эфир, сорбиновая кислота и другая продукция. Анализ технологий их получения показал, что для перепрофилирования простаивающих спиртовых заводов на выпуск химической продукции наименьшая модернизация требуется для производства этилацетата. Во ВНИИПБТ разработана аппаратурно-тех-нологическая схема и технологические режимы получения этилацетата из растительного сырья без предварительного получения товарного спирта. Приведена принципиальная схема производства этилацетата из растительного пищевого сырья с дополнительным получением белково-углеводного кормопро-дукта. Произведен анализ техноэкономических показателей производства этилацетата из растительного сырья. Определена себестоимость продукции на уровне 40-45 руб. за 1 кг. При этом производственная рентабельность составит порядка 35-40%. Показана перспектива развития спиртовых производств для получения химической продукции.

Авторы

Кононенко Валентин Васильевич, канд. техн. наук;

Туршатов Михаил Владимирович, канд. техн. наук;

Леденев Владимир Павлович, канд. техн. наук;

Кривченко Вера Александровна, канд. техн. наук;

Моисеева Надежда Дмитриевна;

Соловьев Александр Олегович;

Кириллов Евгений Александрович;

Алексеев Владимир Витальевич

ВНИИ пищевой биотехнологии —

филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи

111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4 б, [email protected]

About Production and Usage Prospects of Ethyl Alcohol in Russia

Key words

complex processing of raw materials; re-profiling of distilleries; products of chemical and organic synthesis; cost price; ethyl acetate; ethanol.

Abstract

The article presents data on the world experience in the production and use of ethyl alcohol for food purposes, as well as for the production of chemical products, in organic synthesis, fuel purposes. It is shown that the production of ethyl alcohol from plant raw materials in the developed countries is the most effective sector, which provides the market needs in the products of processing raw materials, involving in the turnover of sown areas, which creates thousands of jobs in the agro-industrial sector. Present state of alcohol industry in Russia today. The problems that occur in many former distilleries are indicated. It was also noted that, due to the lack of a market for processing ethyl alcohol into non-food products, significant capacities of alcohol production facilities have been preserved. On the example of foreign experience are given options for processing ethyl alcohol in chemical products. The most effective is the organization of obtaining ethyl acetate based on alcohol production. VNIIPBT developed a technology for obtaining ethyl acetate from vegetable raw materials without first obtaining commercial alcohol. A schematic diagram of the production of ethyl acetate from vegetable food raw materials is given, with the addition of a forage product. The analysis of economic indicators of ethyl acetate production from vegetable raw materials was made. The product cost is defined at the level of 40-45 rubles for 1 kilogram. The profitability of ethyl acetate production was determined at the level of 35-40%, the prospects for the development of alcohol production for obtaining chemical products are shown.

Authors

Kononenko Valentin Vasil'evich, Candidate of Technical Sciences; Turshatov Mikhail Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences; Ledenev Vladimir Pavlovich, Candidate of Technical Sciences; Krivchenko Vera Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences; Moiseeva Nadezhda Dmitrievna-, Solov'ev Aleksandr Olegovich: Kirillov Evgenij Aleksandrovich; Alekseev Vladimir Vital 'evich

All-Russian Scientific Research Institute of Food Biotechnology — a branch of the Federal Research Center Food, Biotechnology and Food Security,

4-b Samokatnaya st., Moscow, 111033, Russia, [email protected]