CC BY
44
ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 663.48 DOI: 10.24411/2072-9650-2020-10003
Применение пивной дробины в качестве источника альтернативной энергии
В.В. Житков; Б.Н. Федоренко*, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств
Дата поступления в редакцию 06.12.2019 'borisfedorenko@gmail.ru
Дата принятия в печать 20.03.2020 © Житков В.В, Федоренко Б.Н, 2020
Реферат
В последние годы значительно возрос интерес к процессам производства биогаза. Это проявляется не только в возрастающем количестве планирующихся и строящихся биогазовых установок, но и в заинтересованности все большего числа сельскохозяйственных структур, коммунальных хозяйств, предприятий пищевой промышленности. Энергетическая отрасль уже не относится с такой осторожностью к децентрализации производства благодаря строительству биогазовых установок. Для пищевой промышленности технология производства биогаза предоставляет шанс дешевой утилизации органических отходов основного производства, а также использование биогаза на предприятии поможет не только сэкономить денежные средства, но и во многих случаях позволит получить дополнительную прибыль на «био-электроэнергии». Пивоваренное производство, генерирующее ежедневно достаточно большой объем отходов в виде отработанного зернового сырья, пивной дробины, относится к потенциальным бенефициарам возможностей переработки отходов в дополнительные производственные и коммерческие преимущества. На сегодняшний день уже существуют мощные, производящие большое количество электроэнергии установки, в которых также используется избыток тепловой энергии. На биогазе могут работать двигатели мощностью от нескольких десятков до сотен киловатт. По сравнению с ними производство тока из древесины, соломы и других видов сухой биомассы имеет смысл лишь на мегаваттных (свыше 1000 кВт) установках с паровыми турбинами. В настоящей статье рассмотрены все преимущества интенсивного использования пивной дробины в качестве сырья для процессов «BTE» (biomass-to-energy) включая процессы прямого сжигания и производства биогаза с целью выработки дополнительной электрической и тепловой энергии.
Ключевые слова
биоэнергетика; биогаз; дробина; пивоварение; пищевая промышленность; энергетическая установка. цитирование
Житков В.В, Федоренко Б.Н. (2020) Применение пивной дробины в качестве источника альтернативной энергии //Пиво и напитки. 2020. № 1. С. 30-33.
The Usage of Beer Spent Grain as an Alternative Energy Source
V. V. Zhitkov; B. N. Fedorenko*, Doctor of Technical Science, Professor Moscow State University of Food Production
Received: December 06,2019 'borisfedorenko@gmail.ru
Accepted: March 20,2020 © Zhitkov V.V, Fedorenko B.N, 2020
Abstract
In recent years, interest in biogas production processes has increased significantly - this is manifested not only in the increasing number of planned and biogas plants under construction, but also in the interest of an increasing number of agricultural structures, utilities, and food industry enterprises. The energy industry also does not worry so much about production decentralization thanks to the construction of biogas plants. For the food industry, biogas production technologists provide an opportunity for cheap utilization of organic waste from the main production, as well as using biogas at your enterprise you can not only save money, but in many cases you can also get additional profit on «bio-electricity». Brewing, which generates a sufficiently large amount of waste every day in the form of spent grain raw materials - beer grains are potentially the beneficiaries of the possibility of processing the waste into additional production and commercial advantages. Today, powerful plants that produce large amounts of electricity already exist, which also use an excess of thermal energy. Engines with power from several tens of kW to hundreds of kW can operate on biogas. Compared with them, the production of current from wood, straw and other types of dry biomass makes sense only in megawatt (over 1000 kW) plants with steam turbines. This article discusses all the advantages of intensive use of beer grains as raw materials for the BTE (biomass-to-energy) processes, including direct combustion and biogas production processes with the aim of generating additional electric and thermal energy.
Keywords
bioenergy; biogas; spent grain; brewing; food industry; power plant. Citation
Zhitkov V. V, Fedorenko B.N. (2020) The Usage of Beer Spent Grain as an Alternative Energy Source //Beer and Beverages = Pivo i Napitki. 2020. No. 1. P. 30-33.
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
1•2020
Ученые разных направлений, диетологи, наркологи, общественные деятели, всегда спорили и будут спорить о вреде или пользе пива, как напитка. Но тысячелетние традиции производства и потребления этого замечательного напитка и многомиллионные армии поклонников пива всегда будут сильным стимулом для производителей, чтобы совершенствовать технологию производства, увеличивать количество натуральных ингредиентов в пиве. Соответственно будет возрастать и объем отходов пивоваренного производства, рациональному использованию которых посвящена статья.
Пивная дробина — побочный продукт пивоварения, это остатки ячменного (кукурузного, рисового или овсяного) сырья после выработки из него сусла. Чаще всего — это гуща из частиц семян и оболочек ячменя, богатая растительной клетчаткой. Твердая часть дробины представляет собой оболочку и нерастворимую часть зерна. В состав дробины входят зерновые скорлупки, экстрактивные безазотистые вещества, части ядер зерна, белки и жиры, входящие в состав зерна. Фактически пивная дробина — это суспензия (влажность 70-80%), содержащая большое количество протеина в сухом остатке, в несколько раз превышающее его содержание в ячмене [1]. Пивная дробина имеет высокую усвояемость: белковых веществ — на 71-76%, жира — на 80-82, безазотистых экстрактивных веществ — на 60-65, клетчатки — на 40-45% [2]. В настоящее время разработаны корма и кормовые добавки на основе пивной дробины для различных видов и возрастных групп сельскохозяйственных животных и птицы [3].
Доля пивной дробины в общей массе отходов пивоваренного производства доходит до 80%. Ежегодно один пивоваренный завод средней мощности «производит» до 30-40 тыс. т пивной дробины, и таких заводов в России более 400.
На полигонах пивоваренных предприятий России в настоящее время скопились сотни тысяч тонн пивной дробины. Одна из особенностей пивной дробины — очень короткий срок хранения из-за окислительных процессов, происходящих в ней сразу после процесса варки пива. Эта смесь растительных и микробных белков, сложных углеводов, органических кислот и других веществ, складиро-
ванная на открытых площадках и в котлованах полигонов, уже на третий день выделяет в биосферу ядовитые продукты гидролиза и гниения, в том числе и вещества, образующие газы с неприятными запахами — индол и его производное скатол, а также аммиак [4]. Сырая пивная дробина содержит до 80% воды, поэтому перевозка ее на большие расстояния в таком виде экономически бессмысленна.
Продажа пивной дробины в свежем виде по символической стоимости близлежащим сельскохозяйственным предприятиям носит бессистемный характер. Так как, если ее не продать, то придется не просто выбросить, а платно утилизировать (стоимость размещения 1 м3 пивной дробины на полигоне доходит в некоторых случаях до 150 руб.). Именно это и происходит с большей частью пивной дробины при отсутствии на пивоваренном заводе технологии ее переработки. В этой связи вопрос переработки пивной дробины стоит очень остро.
Основной метод хозяйственного использования дробины в настоящее время — ее сушка и гранулирование, с дальнейшим производством добавок в корма сельскохозяйственных животных или птицы, либо изготовлением пищевых добавок для пекарской или мясоперерабатывающей промышленности. В сельском хозяйстве сырая пивная дробина чаще всего служит добавкой к молокогонным и белковым кормам для сельскохозяйственных животных и птицы взамен мясокостной муки. Но, поскольку пивная дробина имеет очень высокую начальную влажность, одна из важнейших задач ее переработки заключается в энергоэффективной сушке, что при росте стоимости энергоносителей не всегда экономически эффективно. Сухая пивная дробина — экологически чистый, стойкий при хранении и транспортабельный продукт. Однако, при сушке часть белковых веществ дробины превращается в не перевариваемую форму, что вызывает снижение питательной ценности сухой дробины по сравнению со свежей.
Повышение эффективности производства за счет более полного использования внутренних ресурсов — основная тенденция современной реальной экономики. Обеспечение производства собственными источниками энергии за счет утилизации отходов — задача достаточно сложная, но технологически и инженерно
Таблица 1
Теплотворная способность пивной дробины и других видов твердого топлива
Сырье Теплотворная способность, кдж/кг
Щепа хвойных деревьев 3300-2400
Пивная дробина (влага до 80%) 3450
Бурый уголь 3400-3600
Пивная дробина (влага до 55%) 7200
Каменный уголь 7000-7500
осуществимая на базе существующих процессов использования биологического сырья (биомассы). Во всем мире только начинаются процессы вовлечения пивной дробины в процессы ВТЕ (biomass-to-energy). Существуют два основных направления этого процесса: прямое сжигание дробины в парогенерирующих тепловых установках для получения тепловой и электрической энергии; и анаэробное сбраживание биомассы в биогаз с последующим получением тепловой и электроэнергии. Каждый из этих процессов имеет свои преимущества и недостатки.
Прямое сжигание дробины. Человечество использовало биомассу с целью получения тепла с незапамятных времен. Прямое сжигание дров, соломы, кизяка применяли повсеместно в качестве основного источника тепла, а в некоторых регионах мира применяют и по сей день. Сжигание дробины также относится к перспективным способам переработки отходов пивоваренных производств в энергию. Необходимо отметить, что при прямом сжигании требуется предварительная подготовка дробины.
Как видно из табл. 1, если провести дегидрирование дробины в де-кантерах или пресс-сепараторах до содержания влаги, не превышающего 55-60%, удельная теплотворная способность дробины как топлива повышается до 7200 кДж/кг, что позволяет эффективно сжигать дробину в стандартных котельных установках, предназначенных для сжигания бурых углей или древесной щепы. Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) энергетической установки. Максимального эффекта от сжигания дробины с влажностью до 60% можно достичь в топках низкотемпературно-
1•2020
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
ТЕХНОЛОГИЯ'
го кипящего слоя. Данная технология была разработана в 60-х гг. прошлого века для высокоэффективного сжигания торфа, а в настоящее время применяется для сжигания бурых углей и различных видов биомассы. Для создания стабильного горения в подобных котельных устройствах применяется инертный материал, кварцевый песок или известняк, для создания в топке печи псевдоожиженного кипящего слоя, что позволяет проводить процесс сжигания биомассы максимально эффективно. Перегретый технологический пар, получаемый на подобной котельной установке, можно направлять на технологические нужды, либо на теплофикацию, либо на получение электроэнергии.
Метод прямого сжигания имеет свои преимущества и недостатки. К основным недостаткам относится необходимость подготовки сырья перед сжиганием, требуются определенные расходы энергоносителей на этапе запуска системы. После выхода на проектный режим работы дегидрирование сырья осуществляется за счет получаемых энергоносителей. Безусловно, что при прямом сжигании необходимо предусмотреть высокоэффективную многоступенчатую систему очистки дымовых газов установки.
К основным преимуществам вышеупомянутого метода следует отнести возможность применения стандартного, широко известного оборудования, технологическую осуществимость, лояльность к климатическому региону применения, стабильную работу.
Анаэробное сбраживание в биогаз. Один из методов нетрадиционного использования пивной дробины, который начал развиваться в последнее время — это производство биогаза методом анаэробного сбраживания. Биогазовые установки в настоящее время широко распространены в агропромышленном комплексе. Пивная дробина — один из наиболее эффективных видов сырья для производства биогаза за счет ее микробиологической активности. Удельный
выход биогаза из 1 т различных видов субстратов: навоза крупного рогатого скота — 50-70м3, птичьего помета — 40-60, послеспиртовой барды — 7080, силоса — 250-300, жиров — 1300, зерна — 500, пивной дробины — 160180 м3. Получаемый на биогазовом модуле газ имеет широкий спектр применения на пивоваренном производстве.
Биогаз — это газ, состоящий из 5060% метана (СН4), 30-35% углекислого газа (СО2). Понятия «канализационный газ» или «болотный газ» — синонимы для биогаза. Различные виды микроорганизмов метаболизируют углерод из органических субстратов в бескислородных условиях (анаэробно). Этот процесс, называемый гниением, или анаэробным брожением, следует за цепью питания. Этот газ может использоваться как обычный природный газ для технологических целей, обогрева и выработки электроэнергии. Его можно накапливать, перекачивать, продавать на сторону.
При небольшой реконструкции технологических газовых горелок возможно прямое сжигание биогаза на технологические нужды производства. При отсутствии возможности провести реконструкцию можно использовать систему газоочистки биогаза до параметров, близких к показателям природного газа. При этом образуется дополнительное количество СО2, который также возможно применять в пивоваренном производстве.
Если же производству необходима только тепловая или электрическая энергия, то возможно использовать биогаз без предварительной очистки в когенерационных установках, позволяющих получать электрическую и тепловую энергию.
При производстве 267 дал пива (в зависимости от технологии) образуется 1 т дробины [5]. Выход биогаза из 1 т дробины составляет 160 м3, из 1 дал пива — 0,60 м3. Расчетные показатели эффективности переработки дробины, полученной при производстве светлого пива, в электрическую и тепловую энергию приведены в табл. 2.
Таблица 2
Расчетные показатели эффективности переработки дробины
Сырье Объем Производство энергии, кВт
электрической тепловой
Биогаз 1 м3 2,4 2,0
Пиво 1 дал 1,44 1,20
Таким образом, пивоваренный завод мощностью 10 млн дал пива в год (27 397 дал/сут) может произвести 1,6 МВт-час электрической энергии и 1,4 МВт-час тепловой энергии.
В результате такого биогазового производства образуются отходы в виде сброженного субстрата. Уровень химического (ХПК) и биохимического потребления кислорода (БПК) снижается в 8-12 раз. После сепарации субстрат становится ценным продуктом — биоудобрением. Химический состав биоудобрения из пивной дробины (кг/т): N — 14-16; NH4-N — 2,0-2,5; Р205 — 6,0-6,5; К20 — 5,4-5,5; MgO — 0,62-0,8.
Основной недостаток метода анаэробного сбраживания — снижение эффективности производства при размещении в регионах с более холодным климатом. Процесс анаэробного сбраживания дробины требует постоянной температуры внутри метан-реактора. При использовании психофильного режима метаногенеза температура внутри реактора должна быть 20...25 °С, при мезофильном режиме — 25...35, при термофильном — 40...50 °С. Степень бактериологического производства метана увеличивается (до определенного предела, при котором бактерии начинают погибать) с увеличением температуры процесса. Соответственно, для более эффективного метаногенеза необходимо расходовать тепло, получаемое на энергетической установке. Принимая во внимание климатические особенности нашей страны, можно сказать, что максимальный когене-рационный эффект использование подобной технологии может принести в более южных регионах с щадящими зимними температурами и минимальным потреблением тепла на собственные нужды.
Таким образом, потенциал пивной дробины в качестве источника альтернативной энергии крайне высок. При детальной предпроектной проработке использования дробины и ответственного выбора технологии, наиболее применимой в каждом конкретном случае, можно получить значительный синергетический эффект, который позволит повысить рентабельность производства, снизит зависимость от сторонних поставщиков энергетических ресурсов, а также избавит от постоянных проблем с утилизацией отходов пивоваренного производства.
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
1•2020
'ТЕХНОЛОГИЯ
литература
1. Назаров, В.И. Разработка процесса утилизации отходов пивоварения с получением гранулированного продукта /В. И. Назаров, М. А. Бичев // Пиво и напитки. — 2011. — № 3. — С. 32-35.
2. Сницарь, А. И. Обоснование работы и экономической эффективности линии производства муки из пивной дробины / А. И. Сницарь и др. // Вестник «Аромарос-М». — 2004. — № 1. — С. 44-48.
3. Фараджева, Е.Д. Новые виды биологически активных добавок из вторичных ресурсов пивоварения / Е. Д. Фараджева, С. В. Шахов, Р. В. Кораблин, А. В. Прибытков //Сб. науч. тр. Воронеж. гос. технол. акад. — 2002. — № 12. — С. 59-61.
4. Руденко, Е. Ю. Современные тенденции переработки основных побочных продуктов пивоварения / Е. Ю. Руденко // Пиво и напитки. — 2007. — № 2. — С. 66.
5. Бирюкова, М.В. Технологические расчеты производства пива на высокопроизво-
дительном оборудовании и на минипи-воваренных заводах / М. В. Бирюкова, М. В. Гернет, Г. А. Ермолаева // Научно-информационный материал (НИМ) ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств», 2010.
REFERENCES
1. Nazarov VI, Bichev MA. Razrabotka processa utilizacii othodov pivovareniya s poluche-niem granulirovannogo produkta [Development of a recycling process for brewing waste to produce a granular product] Pivo i napitki [Beer and beverages]. 2011;3:32-35. (In Russ.)
2. Snicar' AI. et al. Obosnovanie raboty i eko-nomicheskoj effektivnosti linii proizvod-stva muki iz pivnoj drobiny [Justification of the work and economic efficiency of the production line of beer grain flour] Vestnik «Aromaros-М» [Bulletin «Aromaros-M»]. 2004;1:44-48. (In Russ.)
3. Faradzheva ED, Shahov SV, Korablin RV, Pri-bytkovAV. Novye vidy biologicheski aktivnyh
dobavok iz vtorichnyh resursov pivovareniya [New types of biologically active additives from secondary brewing resources]. Sb. nauch. tr. Voronezh. gos. tekhnol. akad. [Collection of scientific works Voronezh State Technological Academy] 2002;12:59-61. (In Russ.)
4. Rudenko EU. Sovremennye tendencii pere-rabotki osnovnyh pobochnyh produktov pivovareniya [Current trends in the processing of major brewing by-products]. Pivo i napitki [Beer and drinks]. 2007;2:66. (In Russ.)
5. Biryukova MV, Gernet MV, Ermolaeva GA. Tekhnologicheskie raschety proizvodstva pi-va na vysokoproizvoditel'nom oborudovanii i na minipivovarennyh zavodah [Technological calculations of beer production on highperformance equipment and mini-breweries] // Nauchno-informacionnyj material (NIM) GOUVPO «Moskovskij gosudarstvennyj universitet pishchevyh proizvodstv» [Scientific information material (NIM) of GOUVPO «Moscow State University of Food Production»], 2010. (In Russ.) &
Авторы
Житков Владимир Владимирович, магистр; Федоренко Борис Николаевич, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Россия, Москва, Волоколамское ш., 11, vladimir.v.zhitkov@gmail.com, borisfedorenko@gmail.ru
Authors
Vladimir V. Zhitkov, Magister;
Boris N. Fedorenko, Doctor of Technical Science, Professor Moscow State University of Food Production, 11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, Russia, vladimir.v.zhitkov@gmail.com, borisfedorenko@gmail.ru
ЭКОш ГОРОД
экспо
12-я международная выставка органической, натуральной ~ и экологичной продукции
• Органические продукты
• Натуральная косметика
• Экологичный дом
• Экопродукция для детей
29-30 мая 2020
Москва | Event Hall Даниловский www.ecogorod-expo.ru
vi Департамент
il ри ро д опол ьзо на и и я и охраны окружающей среды города Москвы
СОЮЗ
ОРГАНИЧЕСКОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЙ
Официальная поддержка:
ISSN 2072=9650
1•2Ü2Ü
ПИВО и НАПИТКИ I BEER and BEVERAGES 33
