CC BY
100
УДК 628.35, 551.558.74, 351.88
П. Е. Баланов, И. В. Смотраева, О. Б. Иванченко, Р. Э.Хабибуллин
СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРУ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ
Ключевые слова: биотехнология, углекислый газ, удаление углекислого газа, вторичное использование СО2.
В статье анализируется мировой и российский опыт снижения выбросов углекислого газа на пивоваренных предприятиях с целью уменьшения его влияния на климат. Представлена схема получения и хранения углекислого газа. Описаны примеры эффективного использования углекислоты.
Keywords: biotechnology, carbon dioxide, remove carbon dioxide, recycling СО2.
The article analyzes the international and Russian experience of reduction of carbon dioxide emissions in the brewery with the aim of reducing its impact on the climate. The scheme of reception and storage of carbon dioxide, as well as examples of carbon dioxide effective use are described.
Введение
Диоксид углерода (СО2, углекислый газ) является представителем одной из шести групп газов, содержание которых следует снижать согласно международным обязательствам нашей страны [1]. В атмосфере постоянно увеличивается содержание химических соединений азота, серы, диоксида углерода за счет сжигания природного сырья при производстве энергии и промышленной продукции, в ходе работы транспорта и т.д. [2]. Углекислый газ сосредотачивается в нижних слоях тропосферы и поглощает инфракрасные тепловые лучи, что приводит к повышению температуры на планете. Доля бактерий в продукции СО2 в биосфере по приблизительным оценкам не превышает 50% [3].
Обеспокоенность мирового сообщества глобальным потеплением климата, среди причин которого рассматривают и возрастающее количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, обусловила принятие Киотского соглашения. Согласно ему, Россия должна проводить планомерную работу по снижению выброса парниковых газов в атмосферу. Главным по значению парниковым газом является водяной пар. За ним следует углекислый газ, который в конце 20 века обеспечил повышение парникового эффекта на 49% по сравнению с началом столетия. В этой связи российские предприятия, вырабатывающие СО2 как побочный продукт производства, также должны работать с пониманием современных экологических проблем и снижать свои выбросы. Некоторые компании, например TETRA PAСK, в настоящее время предлагают предприятиям новый сервис для снижения воздействия на окружающую среду. Компания проводит аудит предприятия, в рамках которого разрабатываются конкретные
рекомендации по снижению уровня выбросов углеродсодержащих соединений [4]. Пилотное тестирование нового сервиса проводили в Европе и США. Например, проверка в компании Pacific Foods выявила возможность сокращения выбросов СО2 примерно на 3,5 тысячи тонн в год.
Обзор литературы
Целью настоящей статьи является обобщение мирового и отечественного опыта использования углекислого газа, получаемого при биотехнологических процессах и при производстве продуктов брожения.
Вопросы использования отходов и вторичных ресурсов пищевой промышленности и пивоварения дискутируются достаточно давно. Принципиальные возможности рекуперации показаны для тепловой энергии и сточных вод [5, 6]. Ассортимент же газообразных отходов в биотехнологических процессах достаточно немногочислен. Диоксид углерода на пивоваренных предприятиях выделяется в процессе спиртового брожения пивного сусла и является побочным продуктом, содержащим в качестве примесей следы органических соединений и пары воды. Около 75 % диоксида углерода, получаемого при главном брожении, используется для технологических нужд производства пива, остальная часть может быть использована в виде товарного углекислого газа для приготовления безалкогольных напитков или для других целей [7]. По нормам технологического проектирования пивзаводов выход утилизируемого углекислого газа главного брожения составляет 218 г на 1 дал пива с экстрактивностью начального сусла 11 %. Практически же получается несколько меньшее количество. Расход углекислого газа при производстве и розливе пива по отечественным нормам составляет 154 г на 1 дал пива [7], по зарубежным нормам 180 - 200 г на 1 дал пива.
Практический расход углекислого газа предприятием на собственные нужды может существенно варьироваться, однако факт необходимости его расхода является безусловным. Усреднённые нормы расхода СО2 на различные технологические нужды приведены в таблице 1 [8].
Часто на пивоваренных предприятиях дополнительно производят безалкогольные газированные напитки. Для насыщения их углекислым газом и создания противодавления при розливе может расходоваться до 1,2 кг СО2 на гл
жидкости [9], что является заметной статьёй расхода для производителя.
Таблица 1 - Расход диоксида углерода на технологические нужды пивоваренного предприятия
Технологическая операция Расход CO2, кг/гл
Создание противодавления и опорожнение лагерного танка 0,35-0,50
Создание противодавления и опорожнение фильтра 0,40-0,50
Создание противодавления в форфасе 0,3-0,5
Создание противодавления при розливе в бутылки 0,18-0,40
Создание противодавления при розливе в кеги 0,90-1,10
Создание противодавления при розливе в банки 0,60-0,80
Частичная карбонизация 0,10-0,20
Полная карбонизация 0,50-0,70
На крупных пивоваренных заводах (мощностью свыше 5 млн. дал пива в год) утилизация углекислого газа из бродильных баков главного брожения достигает 98 %, тогда как на предприятиях средней мощности (от 1 до 5 млн. дал пива в год) утилизация углекислого газа брожения осуществляется только частично. Это объясняется тем, что для сжатия углекислого газа применяют углекислотные компрессоры, производительность которых обусловлена мощностью пивоваренного завода. Так, для пивоваренных заводов годовой мощностью до 2 млн. дал пива рекомендуется производительность компрессоров 50 кг/ч, для заводов мощностью от 2 млн. до 3,7 млн. дал в год -100 кг/ч. Для пивоваренных заводов небольшой мощности 0,37 млн. и 0,92 млн. дал в год производительность компрессоров соответственно составляет 10 и 25 кг/ч.
На заводах небольшой мощности, удельный вес которых в пивоваренном производстве РФ составляет около 10 %, углекислый газ не утилизируется в связи с ведением брожения в открытых бродильных емкостях.
Ранее отечественная промышленность выпускала только два вида установок для сжижения углекислого газа: УВКС производительностью 220 кг/ч с конечным давлением 75 кг/см2 и тип УКС производительностью 270 кг/ч с конечным давлением 15 кг/см2 [10].
Современная российская промышленность предлагает установки большей мощности с более высоким конечным давлением газа. Кроме того, существует возможность сжижения газа, который в этом случае представляет собой коммерчески привлекательный продукт.
Среди зарубежных образцов техники хорошо зарекомендовали себя установки Union Engineering (Дания), Wittemann (США) и др.
На действующих пивоваренных заводах крупной и средней мощности получение и хранение углекислого газа осуществляются по следующей схеме:
1. Углекислый газ из бродильного отделения поступает в пеноотделитель для освобождения от пива и пены;
2. Отделённый от пены газ поступает в газгольдер;
3. Подача газа водокольцевым компрессором на фильтр;
4. Обработка на фильтре 0,5% раствором KMnO4 для удаления органических примесей;
5. Обработка газа на брызгоулавливающей ловушке;
6. Обработка на фильтре с активированным углем;
7. Очищенный газ направляется в компрессорный агрегат, где осуществляется I ступень сжатия;
8. Охлаждение нагретого газа в теплообменном аппарате;
9. Улавливание капель масла в влагоотделителе;
10. II ступень сжатия в компрессоре;
11. Охлаждение газа второго сжатия в теплообменнике;
12. Улавливание капель масла газа второго сжатия в влагоотделителе;
13. III ступень сжатия в компрессоре;
14. Охлаждение газа после третьего сжатия в теплообменнике;
15. Улавливание капель масла газа третьего сжатия в влагоотделителе;
16. Фильтрование газа на фильтре высокого давления с активированным углем;
17. Фильтрование газа на фильтре высокого давления с силикагелем;
18. Сжижение углекислого газа в конденсаторах (конечное давление достигает 80 кг/см2);
19. Хранение сжиженного углекислого газа в стапельных батареях;
20. Перекачка углекислого газа к углекислотным постам, где он заполняет баллоны или транспортируется на внутренние нужды (безбаллонная транспортировка).
Углекислый газ, наполненный в баллоны, идет для отпуска заводам-потребителям или на собственные технологические нужды (для перекачки готового пива из пивовозов в торговой сети и т.д.). Если газ не планируется сжижать, то его обработка осуществляется по более простой схеме:
1. Углекислый газ из бродильного отделения поступает в пеноотделитель для освобождения от пива;
2. Отделённый от пены газ поступает в газгольдер;
3. Газ поступает на компрессионную установку, состоящую из компрессора и холодильника, где он сжимается до 4-10 кг/см2;
4. После сжатия газ очищают от примесей на фильтрах;
5. Очищенный газ хранят в газообразном состоянии.
Получаемый по описанному способу углекислый газ используют только для технических нужд пивоваренного производства.
Перспективной является мембранная технология очистки и накопления углекислого газа. Мембранные технологии всё стремительнее внедряются в технологические процессы, что связано с высокой разделяющей способности современных материалов, что позволяет отделять газы (в том числе углекислоту) от примесей и других газов. Подобные системы позволяют выделять углекислый газ из сред с низким его содержанием (20% и менее), что находит применение в широком спектре отраслей промышленности.
Процесс газоразделения происходит при давлении менее 10 атм, что упрощает технические требования к оборудованию и, следовательно, способствует снижению рисков разрушения резервуарной техники и экологических угроз.
Действие газоразделяющих мембран основано на различной скорости прохождения газа от одной среды в другую через перегородку с очень тонкими порами. Принципиальная схема газоразделения на мембранах изображена на рисунке 1.
«быстрые» газьк, например
СОг к ^ ^—Ч
I I ___-- смесь
и- /} газов
медленные» газы, например N2
Рис. 1 - Принципиальная схема газообмена в мембране
Газы различной природы (азот, кислород, углекислый газ и др.) ведут себя различно. Некоторые из них проходят мембрану быстро (водород, гелий), некоторые умеренно быстро (углекислый газ, сероводород), некоторые медленно (азот, аргон, метан). На поверхности и внутри мембраны создаётся разница в давлении, которая позволяет «быстрым» и «медленным» газам разделяться.
Мембрана состоит из волокна, окруженного снаружи оболочкой из тонкой плёнки толщиной около 0,1 мкм, благодаря чему газы проходят её относительно легко. Обоснованный подбор материала мембраны и технологического режима обеспечивает преимущественное выделение целевого продукта из газовой смеси.
Получение углекислого газа с помощью мембран проводится в следующей технологической последовательности:
1. Очистка смеси газов водой;
2. Первичное сжатие газовой смеси;
3. Фильтрование газа на первом мембранном модуле с отделением отходов;
4. Вторичное сжатие газа;
5. Фильтрование газа на втором мембранном модуле с отделением остатков примесей;
6. Хранение и использование газа;
7. Опционно - сжижение и хранение газа.
Применение диоксида углерода сегодня не ограничивается индустрией производства напитков. В современном мире он используется в сварочном и литейном производстве, в обработке металлов резанием, промышленной энергетике и других отраслях.
Показано, что электросварка в среде углекислоты повышает производительность труда по сравнению с ручной сваркой в 2,5—4 раза и снижает себестоимость наплавленного металла более чем в 2 раза при высоком качестве сварных соединений [11].
Показана возможность работы цехов по наполнению жидкой углекислотой брожения металлических ампул, предназначенных для зарядки металлических сифонов емкостью 1 л. В каждой ампуле 6-8 г жидкой углекислоты. При мощности цеха 20 тыс. ампул в смену все затраты по организации производства, включая приобретение баллонного парка, окупаются в течение 2 - 4 лет при рентабельности от 26 до 65 % [11].
Себестоимость углекислого газа, полученного на биотехнологических производствах, в 1,5-2 раза ниже, чем при получении из топочных газов. При этом углекислый газ от пивовареных, винодельческих и спиртовых заводов является отходом производства, его самостоятельная стоимость условна, в связи с чем экономическая выгода его рекуперации очевидна.
Оптовые цены на углекислый газ, получаемый при биотехнологических процессах, аналогичны ценам в других отраслях, и колеблются в пределах 20 000-30 000 рублей за 1 т (июнь 2015 года).
Улавливание углекислоты, полученной биотехнологическим путем, практикуется на многих современных предприятиях, что вносит свой вклад в снижение выброса СО2 в атмосферу и способствует сохранению экологического баланса. Очевидно, что это является целесообразным с целью совершенствования экологически замкнутых производственных циклов, так как промышленные мощности биотехнологической индустрии во всём мире растут, а, следовательно, растёт и нагрузка на окружающую среду.
Литература
1. Кургаева Ж.Ю., Халилова Т.В. Реализация энергосберегающих проектов в рамках Киотского протокола: мировой и российский опыт. // Вестник Казанского технологического университета. 2014, №21, Т.17, С. 426-430.
2. Шагидуллин А.Р., Шагидуллина Р.А., Тунакова Ю.А. Выявление зон сверхнормативного загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха на территории г.Нижнекамска при залповых выбросах стационарных источников загрязнения. Вестник Казанского технологического университета. - 2015. Т.18. №1. - С. 383-385
3. Мишустин И.Е., Щеглова И.К., Мицкевич И.Н. Морская микробиология. Учебное пособие.-
Владивосток: Изд-во Дальневосточного университета, 1985 г.- 184 с.
4. Новости компаний. Экологический сервис компании TETRA PACK // Пищевая промышленность.- 2015.- № 2.- С. 51.
5. П.Е. Баланов, И.В. Смотраева, О.Б. Иванченко, Р.Э.Хабибуллин. Биотехнология и биоэнергетика в решении вопросов экологии // Вестник Казанского технологического университета. - 2015.- Т.18, №5.-С.229-232.
6. Иванченко О.Б., Хабибуллин Р.Э. Пути образования и токсические свойства сточных вод пивоваренных предприятий // Вестник Казанского технологического университета. - 2015, Т.18, №2.-С.433-436.
7. ВНТП 10-91. Нормы технологического проектирования предприятий пивоваренной промышленности. Москва, 1991. - 86 с.
8. Кунце В. Технология солода и пива.- СПб.: Профессия.- 2009.-1136с
9. Стин, Д. П., Эшхерст, Ф. Р. Газированные безалкогольные напитки: рецептуры и производство СПб.: Профессия, 2008. -С.153-157.
10. Величанский А. Я. Проектирование и эксплуатация углекислотных установок. М.: Пищевая промышленность, 1966. - 275с.
11. Вторичные материальные ресурсы. Л.Е. Юрченко, Н.Л. Пирогов, С. П. Сушон, С. В. Дуденко, Г.. М Покарев, Э А. Козлов. В. М. Селивановский [Электронный ресурс] http: // www/ bibliotekar.ru/ vtorichnye-resursy/ 44. htm
© П. Е. Баланов - к.т.н., доцент кафедры пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья ФГБОУ ВПО «Университет ИТМО», balanov@yandex.ru; И. В. Смотраева - к.т.н., доцент кафедры пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья ФГБОУ ВПО «Университет ИТМО», irinasmotraeva@yandex.ru; О. Б. Иванченко - к.б.н., доцент кафедры химии и биотехнологии ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный торгово-экономический университет», obivanchenko@yandexl.ru; Р. Э. Хабибуллин - к.т.н., доцент кафедры технологии мясных и молочных продуктов ФГБОУ ВПО КНИТУ, hrustik@yandex.ru.
© P. E. Balanov - candidate of technical sciences, assistant professor of the ITMO University, balanov@yandex.ru; 1 V. Smotraeva -candidate of technical sciences assistant professor of the ITMO University, irinasmotraeva@yandex.ru; O. B. Ivanchenko - candidate of biological sciences, associate professor of the Department of chemistry and biotechnology of Federal state educational University of higher professional education «Saint Petersburg State University of Trade and Economics», obivanchenko@yandexl.ru; R. E. Khabibullin - candidate of technical sciences, associate professor of the Department of meat and milk products technology of KNRTU, hrustik@yandex.ru.
