CC BY
154
663.551.4
СРАВНЕНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОЧИСТКИ ПИЩЕВОГО СПИРТА ОТ СИВУШНЫХ МАСЕЛ В ЭПЮРАЦИОННОЙ И СПИРТОВОЙ КОЛОННАХ
Е.Н. КОНСТАНТИНОВ, Т.Г. КОРОТКОВА
Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: intrel@kubstu.ru
Исследовано влияние соотношений отборов эфиро-альдегидной фракции при жесткой гидроселекции и сивушных спиртов на содержание сивушных масел в ректификованном спирте и на его расход. Установлено, что оптимальный вариант зависит от содержания изопропанола в бражке, которое колеблется от 0,26 до 1,24 мг/дм3. Определено оптимальное число тарелок в изопропанольной колонне и оптимальные места отбора вторичных сивушных спиртов и вторичных сивушных масел из изопропанольной колонны. Приведен оптимальный технологический режим брагоректификационной установки.
Ключевые слова: ректификованный спирт, сивушное масло, глубокая очистка пищевого спирта.
В настоящее время отечественной промышленностью выпускается пищевой ректификованный спирт марок Экстра и Люкс по ГОСТ Р 51652-2000, в котором регламентировано содержание сивушных масел не более 6 мг/дм3 [1]. Это очень жесткие требования, уровень которых практически не встречается в химической и нефтехимической промышленности. Основным компонентом сивушного масла, от которого наиболее сложно очистить спирт, является изопропанол. Он выводится в основном из эпюрационной колонны с эфи-ро-альдегидной фракцией (ЭАФ) и из ректификационной колонны с сивушным спиртом. Каждая из указанных фракций имеет высокую концентрацию целевого компонента - этанола. Поэтому увеличение их отбора уменьшает выход ректификованного спирта [2].
Возникает задача, какой фракции и сколько следует отбирать, чтобы обеспечить, с одной стороны, минимальные потери этанола, а с другой - требуемое качество ректификованного спирта. По этому вопросу нет единого мнения. В работе [3] предлагается преимущественный (практически полный) отбор изопропанола с ЭАФ при жесткой гидроселекции в эпюрационной колонне с последующим извлечением этанола из ЭАФ в эфирной колонне. Другой вариант предусматривает отбор значительных количеств 2-пропанола с сивушным спиртом с последующим извлечением этанола в дополнительной колонне [4, 5]. Аторами не учитывается, что содержание изопропанола в бражке колеблется в довольно широких пределах.
При выработке бражек крепостью от 6 до 11% об. из различных видов зернового сырья нами установлено, что наибольшее количество 2-пропанола содержится в бражке, выработанной из зерновой смеси с добавкой зерна сорго. Как показали расчеты технологической схемы БРУ косвенного действия, получить спирт марок Экстра и Люкс при этом сложно. В бражке, выработанной из пшеницы на ОАО АПФ «Фанагория» (п. Сенной, Краснодарский край) с применением гидродинамического ферментативного разваривания содержание изобутанола и изоамилола примерно такое же, как в бражке, выработанной из кукурузы на ООО «КХ Восход» (г. Майкоп) по схеме жесткого разваривания (табл. 1).
В качестве исходного для последующего анализа принят технологический режим при переработке бражки, выработанной из смеси зерна пшеницы и ячменя на ООО «КХ Восход» с содержанием изопропанола 0,59 мг/дм3 и этанола 10,55% об., поступающей на БРУ в количестве 250 м3/сут с температурой 30°С. Проведено сравнение результатов с данными по переработке бражки с содержанием 2-пропанола 1,24 и 0,26 мг/дм3.
Во всех вариантах использован закрытый обогрев ректификационных колонн, который в настоящее время повсеместно признан прогрессивным решением, позволяющим уменьшить объем барды, подлежащей дальнейшей переработке, расход греющего пара, снизить затраты на умягченную воду в связи с возвратом
Таблица 1
Высшие спирты Содержание в бражках из зернового сырья, мг/дм3
Гидродинамическое ферментативное разваривание (АПФ «Фанагория») Жесткое разваривание («КХ Восход»)
Пшеница Пшеница 70% пшеница, 30% ячмень Пшеница, рожь, 30% сорго Кукуруза
1-Пропанол 22,426 64,994 32,032 65,759 52,447
2-Пропанол 0,5242 0,5711 0,5905 1,2363 0,2651
Изобутанол 95,113 55,829 58,431 64,016 119,75
Изоамилол 441,67 199,88 199,27 203,34 463,39
Сумма 567,85 325,38 317,5 337 637,9
Крепость, % об. 6,18 8,40 7,62 7,19 10,50
Таблица 2
Концентрация, % об.
Компоненты Бражной дистиллят ЭАФ Эпюрат Головная фракция СС ФСМ Подсивуш-ная вода Сивушное масло Ректифико- ванный спирт
1-Пропанол 0,0324 0,2357 0,0107 0 0,5753 0,0398 0,0102 0,0658 0
2-Пропанол 0,0004 0,0044 0,0001 0,0001 0,0026 0 0 0,0001 0,0002
Изобутанол 0,074 0,861 0,0184 0 0,9933 0,0541 0,0098 0,093 0
Изоамилол 0,284 0 0,1315 0 0,2362 35,77 3,59 64,107 0
Этанол 52,5 83,978 22,943 96,456 85,114 4,2058 3,1217 5,1605 96,445
Вода 46,984 14,002 76,855 3,4 13,053 57,634 93,258 26,263 3,5076
Прочее 0,4092 0,9189 0,0413 0,1439 0,0256 2,2963 0,0103 4,3106 0,0472
конденсата на котлы и уменьшить объем стока лютер-ной воды.
Согласно принятой технологической схеме (рисунок) предварительно подогретая в подогревателе 7 бражка подается на верхнюю 24-ю тарелку бражной колонны (БК) 1, обогреваемой глухим паром. Пары сверху БК конденсируются в конденсаторе 7 и в виде бражного дистиллята поступают на 20-ю тарелку 39-тарельчатой эпюрационной колонны (ЭК) 2. Эпю-рационная колонна обогревается глухим паром и снабжена дефлегматором 5 и конденсатором 8. Из конденсатора 8 выводится ЭАФ. Эпюрат подается на 16-ю тарелку 80-тарельчатой ректификационной колонны (РК) 3, которая обогревается глухим паром и снабжена дефлегматором 6 и конденсатором 9. Головная фракция (ГФ), отбираемая из конденсатора 9, рециркулируется на 20-ю тарелку ЭК. Фракция сивушного масла (ФСМ) отбирается из паровой фазы с 5-й тарелки РК и после конденсации в конденсаторе 10 поступает в сепаратор сивушного масла 4, из которого выводится «сырое» сивушное масло для дальнейшей переработки. Подси-
вушная вода отводится в передаточный чан. Сивушный спирт (СС) отбирается с 21-й тарелки РК; ректификованный спирт - с 78-й тарелки РК.
Разработана математическая модель этой технологической схемы, которая содержит программные модули: БК, ЭК, РК, сепаратора сивушного масла, рецикла возврата головной фракции из РК в ЭК и рецикла возврата подсивушной воды в передаточный чан.
В результате моделирования установлено, что минимальный расход греющего пара на обогрев БК, обеспечивающий содержание суммы спиртов в барде на уровне 0,01% об. этанола (с учетом того, что в настоящее время барда практически не поступает на корм скоту), составляет 40 т/сут. Можно отметить, что при минимальном количестве образующихся паров бражного дистиллята, направляемых для обогрева барды, они не конденсируются полностью и подаются в двухфазном состоянии в ЭК (доля пара составляет 23,6%). Следовательно, не вся теплота этих паров рекуперируется бражкой. Это не является недостатком схемы, потому что в конечном счете двухфазный поток бражного дистиллята поступает в ЭК.
Исходные параметры технологического режима выбраны исходя из повышенных требований к качеству ректификованного спирта. Принято, что содержание 2-пропанола в нем не должно превышать 1,7 мг/дм3. Эта величина существенно жестче, чем предусмотрено ГОСТ, и выбрана потому, что именно такие требования предъявляет большинство производителей ликероводочной продукции. При содержании 2-пропанола в бражке 0,59 мг/дм3 это требование может быть обеспечено за счет повышенных отборов ЭАФ и сивушного спирта. Следствием же является низкий выход ректификованного спирта на БРУ Для обеспечения высокого выхода спирта потребуется установка дополнительных колонн: разгонной (эфирной) и изопропанольной.
При исходных параметрах получен ректификованный спирт с содержанием изопропанола 1,64 мг/дм3.
Таблица 3
Количество, м3/сут
Компоненты Бражка Барда ЭАФ Сивушный спирт Сивушное масло Ректификованный спирт
1-Пропанол
2-Пропанол Изобутанол Изоамилол Этанол
0,0163
0,0002
0,0372
0,1409
26,372
Следы
»
»
»
0,016
0,0047
0,00009
0,0172
Следы
1,6796
0,0115
0,00005
0,0199
0,0047
1,7023
0,00003
Следы
0,00005
0,0341
0,0027
Следы
0,00005
Следы
»
22,959
Параметры технологического режима при равных величинах отбора ЭАФ и СС и суммарном их отборе 4 м3/сут представлены в табл. 2-6.
В табл. 2 приведены содержания летучих компонентов в материальных потоках (состав). Содержание 2-пропанола в ЭАФ в 2 раза выше, чем в СС. Крепости ЭАФ и СС практически одинаковы и находятся на уровне 85% об. Эпюрат имеет крепость 23% об. Крепость пищевого спирта 96,45%.
В табл. 3 дано распределение компонентов по потокам БРУ Изопропанол распределяется между ЭАФ, СС и ректификатом. Около 3,4 м3/сут этанола из 26,372 м3 в потенциале переходит практически в равных количествах в ЭАФ и СС, снижая отбор этанола в пищевой спирт до 87,2 %.
Характеристика и технологический режим колонн
БРУ следующие:
Бражная колонна Число тарелок, шт. 24
Крепость бражки, поступающей в колонну, % об. 10,55
Температура бражки, °С 85
Давление внизу колонны, мм вод. ст. 2000
Перепад давления по высоте колонны, мм вод. ст. 1500
Температура внизу колонны, °С 105
Расход пара на перегонку бражки, кг/дал этанола в бражке 15,2
Эпюрационная колонна Крепость бражного дистиллята, % об. 52,5
Соотношение числа тарелок укрепляющей и исчерпывающей частей 19/20
Ввод бражного дистиллята и непастеризо- На 20-ю тарелку,
ванного спирта (головной фракции) считая снизу
На верхнюю
Ввод гидроселекционной воды
тарелку
Расход гидроселекционной воды, м3/сут 60
Температура вверху колонны, °С 80,2
Температура внизу колонны, °С 92
Давление внизу колонны, мм вод. ст. 1800
Давление вверху колонны, мм вод. ст. 300
Расход пара, кг/дал этанола в бражке 15,2
Отбор ЭАФ, % от потенциального содержания этанола в бражке 7,6
Ректификационная колонна Число тарелок, шт. 80
В том числе в укрепляющей части 64
Крепость питания (эпюрата), % об. 23
Крепость отбираемого непастеризованного спирта, % об. 96,5
Отбор, % от потенциального содержания этанола в бражке:
непастеризованного спирта 0,76
СС 7,6
ФСМ 0,38
Температура вверху колонны, °С 79
Температура в зоне отбора ФСМ, °С 97
Температура на тарелке питания, °С 88
Тарелка отбора сивушного спирта 21
Расход пара, кг/дал этанола в бражке 34
Расход пара в БК принят на минимальном для условий рассматриваемого примера уровне 40 м3/сут. Расход гидроселекционной воды принят равным 60 м3/сут, а затем увеличен до 70 м3/сут. Получена температура внизу ЭК 92°С. Расход пара в РК составляет 90 м3/сут.
Предварительно для исходного режима (в бражке 0,59 мг/дм3 2-пропанола, расходы: пара в ЭК - 40 т/сут, гидроселекционной воды - 60 м3/сут, ЭАФ - 2 м3/сут, СС - 2 м3/сут) исследовано влияние расхода греющего пара в БК на расход ректификованного спирта и содержание в нем 2-пропанола (табл. 4). Расход греющего пара в БК практически не влияет на выход ректификованного спирта и слабо влияет на содержание в нем сивушных масел. Очевидно, что нецелесообразно увеличивать расход пара сверх необходимого минимума.
Таблица4
Показатель Расход пара, т/сут Соотношение отборов ЭАФ : СС, м3/сут : м3/сут
40 50 60 1 : 3 2 2 3,5 : 0,5
Содержание изопропанола в спирте, мг/дм3 а. а. 1,639 1,689 1,834 1,506 1,639 2,346
Расход ректификованного спирта, м3/сут 23,81 23,82 23,82 23,79 23,81 23,83
Исследование влияния соотношений отборов ЭАФ и СС на содержание изопропанола в спирте и расход ректификованного спирта показало (табл. 4), что снижение отбора СС ниже 0,5 м3/сут приводит к нестабильной работе РК, и требуется периодический сброс СС. Нельзя снижать до нуля и отбор ЭАФ, тем более что следует учитывать новообразования эфиров, альдегидов и др. в РК, которые возвращаются с головной фракцией в ЭК.
При неизменном выходе спирта его качество улучшается при преимущественном отборе СС, а не ЭАФ. Этот результат является неожиданным, так как в исходном варианте при отборе ЭАФ в количестве 2 м3/сут и СС в таком же количестве концентрация 2-пропанола в ЭАФ выше - 0,0044% об. по сравнению с 0,0026% об. в СС. Представляется, что для повышения эффективности вывода 2-пропанола, необходимо увеличить отбор ЭАФ. На деле, однако, выгоднее увеличить отбор СС до 3 м3/сут и снизить отбор ЭАФ до 1 м3/сут. После этого концентрация 2-пропанола в ЭАФ возрастет до 0,0072% об., а в СС снизится до 0,0024. Общие количества 2-пропанола в этих фракциях станут равными. Концентрация сивушных масел в спирте снизится с 1,639 до 1,506 мг/дм3 а. а.
Выход пищевого спирта в рассматриваемом примере низок и составляет 23, 79 м3/сут при потенциале этанола 26,37 м3/сут. Очевидно, что при снижении отбора СС качество спирта будет ухудшаться, а его выход расти.
Было высказано предположение, что полученный результат связан с недостатком расхода гидроселекционной воды. Для проверки этого расход гидроселекционной воды был увеличен до 70 м3/сут. Однако вновь получен вывод, что для достижения высокого качества
выгоден высокий отбор СС по сравнению с отбором ЭАФ.
В табл. 5 показано влияние соотношений отборов ЭАФ и СС на содержание 2-пропанола в спирте и расход ректификованного спирта при малом содержании изопропанола в бражке - 0,26 мг/дм3. Результаты изменились коренным образом. Становится выгодным высокий отбор ЭАФ по сравнению с отбором СС.
Таблица5
Показатель Соотношение отборов ЭАФ : СС, м3/сут : м3/сут
0,6 : 0,2 0,4 : 0,4 0,2 : 0,6
Содержание изопропанола в спирте, мг/дм3 а. а. 1,508 1,540 1,672
Расход ректификованного спирта, м3/сут 26,71 26,70 26,70
В рассмотренном случае низкого содержания 2-пропанола в бражке проблемы, связанные с качеством пищевого спирта и его выходом, оказываются практически решенными (табл. 5). При этом достигается высокий выход ректификованного спирта -26,71 м3/сут - и его высокое качество. Содержание сивушных масел в ректификованном спирте 1,508 мг/дм3 а. а. В этом случае установка дополнительных колонн не требуется.
Анализ переработки бражки, имеющей высокое содержание 2-пропанола (табл. 6) свидетельствует, что получение ректификованного спирта того же качества, как в предыдущих примерах, потребовало увеличения величины отборов СС и ЭАФ. Следствием явилось снижение выхода пищевого спирта. В данном случае, в отличие от предыдущих, имеет место оптимальное соотношение отборов ЭАФ и СС. Причем оптимальный отбор СС 6 м3/сут, а оптимальный отбор ЭАФ 2 м3/сут.
Таблица 6
Показатель Соотношение отборов ЭАФ : СС, м3/сут : м3/сут
7 : 1 4 : 4 2 : 6 1 : 7
Содержание изопропанола в спирте, мг/дм3 а. а. 2,673 1,609 1,596 1,738
Расход ректификованного спирта, м3/сут 19,75 19,87 19,96 20,00
Содержание изопропанола в ЭАФ, % об. 0,0039 0,0053 0,0072 0,0084
Содержание изопропанола в СС, % об. 0,0059 0,0036 0,0035 0,0038
Таким образом, нельзя дать общих рекомендаций по выбору одного из вариантов преимущественного (практически полного) отбора 2-пропанола: с ЭАФ при жесткой гидроселекции в ЭК с последующим извлечением этанола из ЭАФ в дополнительной эфирной (раз-
гонной) колонне или с СС с последующим извлечением этанола в дополнительной изопропанольной колонне.
В случае низкого содержания изопропанола в бражке - 0,26 мг/дм3 - нет необходимости в установке изо-пропанольной колонны. Изопропанол надо выводить преимущественно с ЭАФ в количестве 0,6 м3/сут, а отбор СС в количестве 0,2 м3/сут. При этом достигается удовлетворительный выход этанола с ректификованным спиртом - 97,67% от потенциала - и высокое качество спирта. Выход спирта можно увеличить установкой эфирной (разгонной) колонны. Содержание сивушных масел в ректификованном спирте 1,508 мг/дм3.
При содержании в бражке 0,59 мг/дм3 изопропанола его надо выводить преимущественно с СС в количестве 0,6 м3/сут, а отбор ЭАФ поддерживать на уровне 0,2 м3/сут. Требуется установка изопропанольной колонны.
При содержании в бражке 1,24 мг/дм3изопропанола его надо выводить преимущественно с СС в количестве 6 м3/сут, а отбор ЭАФ на уровне 2 м3/сут. Требуется установка изопропанольной колонны [4].
Приведенные численные значения должны уточняться при оптимизации.
Результаты предварительного исследования на модели методами численного эксперимента позволяют более четко определить направления совершенствования технологической схемы и оптимизации режима ее работы. В частности, нельзя мириться с полученным в последнем примере очень низким выходом спирта при содержании в бражке 1,24 мг/дм3 изопропанола.
Приведенный пример предварительного анализа технологической задачи иллюстрирует тот факт, что конкретные рекомендации не могут быть универсальными. При современном уровне теории равновесия и методов моделирования можно рекомендовать проверку этими методами решений, основанных на результатах многочисленных экспериментальных и теоретических исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 51652-2000. Спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья. Технические условия. - М., 2000.
2. Технология спирта / В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко, В.А. Смирновидр.; Подред. проф. В.Л. Яровенко.-М.: Колос, 1999. - 464 с.
3. Радостев А.Ю. Как извлечь изопропанол до нуля // Ликероводочное производство и виноделие. - 2007. - № 11.
4. Сиюхов Х.Р. Повышение качества и выхода пищевого спирта при добавлении изопропанольной колонны в схему брагоректификационной установки // Изв. вузов. Пищевая технология. -2010. - № 4. - С. 90-92.
5. Российский научный центр «Прикладная химия». Сивушная колонна. - http://www.rscac.spb.ru/napr/cpov_1_1_2_2.html (дата обращения 18.12.2010).
Поступила 22.02.11 г.
COMPARISON OF ALTERNATIVES CLEANING FOOD ALCOHOL FROM FUSEL OIL INEPURATIONAND ALCOHOL COLUMNS
E.N. KONSTANTINOV, T.G. KOROTKOVA
Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: intrel@kubstu.ru
The effect relations selections ether-aldehyde fraction during tough hydroselection and fusel alcohols on the content of fusel oil in rectified alcohol, and at its expense. Established that the best option depends on the content of isopropanol in the brew, which ranges from 0,26 to 1,24 mg/dm . The optimal number of plates in isopropanol column and optimal selection of secondary sites of fusel alcohols and fusel oil from the secondary isopropyl alcohol column. The optimal technological regime brew-rectification installation.
Key words: rectified alcohol, fusel oil, deep cleaning food alcohol.
663.86.054.1:613.292
ИЗОТОНИЧЕСКИЙ НАПИТОК ДЛЯ РЕГИДРАТАЦИИ ПРИ ВЫСОКИХ ФИЗИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
И.С. КРАСНОВА, Э.С. ТОКАЕВ
Московский государственный университет прикладной биотехнологии,
109316, г. Москва, ул. Талалихина, 33; тел.: (495) 677-07-54, электронная почта: ira3891@mail.ru
Разработан специализированный напиток, предназначенный для увеличения работоспособности и выносливости спортсменов. Показаны основные требования к спортивным напиткам. Исследована осмоляльность композиций фруктозы и мальтодекстрина, а также морской соли. Определены рациональные соотношения компонентов, при которых напиток обладает изотоничными или гипотоничными свойствами.
Ключевые слова: спортивное питание, изотонический напиток, регидратация, осмоляльность, морская соль.
При высоких физических нагрузках, способствующих повышению температуры тела и интенсивному потоотделению, организм теряет большое количество жидкости и минеральные вещества, что представляет угрозу для физической работоспособности и здоровья человека в целом [1, 2].
Рациональным решением нормализации водно-электролитного баланса является употребление изотонических углеводно-электролитных растворов -спортивных напитков, позволяющих восполнить потери жидкости в организме и произвести точечную коррекцию дисбаланса минеральных веществ, устранив дегидратацию [2, 3].
В МГУПБ были проведены исследования с целью создания сбалансированного углеводно-минерального напитка, обеспечивающего регидратацию при длительных высоких физических нагрузках спортсменов.
При разработке рецептур спортивных напитков основное внимание уделяют содержанию и концентрации углеводов и минеральных веществ, осмоляльности напитка, характеризующей соответствие его компонентов составу плазмы крови, а также вкусовым компонентам и другим функциональным ингредиентам.
Углеводы и морскую соль вводили в количестве 20, 25, 30% от рекомендуемой нормы потребления (РНП). Норму потребления морской соли определяли по содержанию хлорида натрия. Осмоляльность всех исследуемых компонентов определяли гигрометрическим методом на осмометре УЛРИО 5520.
Углеводная часть разрабатываемого напитка включала фруктозу и мальтодекстрин. Выбор этих компо-
нентов обусловлен следующими факторами. Фруктоза способствует увеличению экзогенного окисления углеводов, обеспечивает организм энергией и не стимулирует выработку инсулина. Мальтодекстрин представляет собой полимер глюкозы, который достаточно медленно расщепляется, т. е. обладает относительно невысоким гликемическим индексом, тем самым обеспечивает длительное и равномерное поступление глюкозы в организм и предотвращает скачкообразные изменения ее содержания. Кроме того, мальтодекстрин создает активно функционирующее депо жидкости в пристеночном пространстве просвета кишечника и способствует переводу жирорастворимого витамина Е (а-токоферол) в водорастворимое состояние с минимальной потерей активности [2].
Как известно, массовая доля углеводов в спортивных напитках должна составлять не более 8-10%, при этом напитки находятся в изотоническом состоянии, способствуют восполнению потерь влаги и таким образом обеспечивают благоприятные условия для регидратации [4]. Общая массовая доля углеводов в напитке не превышала 8-10% и составляла 20, 25, 30% от РНП пищевых веществ.
На показатели осмоляльности полученных растворов мальтодекстрина и фруктозы (рис. 1) в большей степени влияет фруктоза, поскольку она имеет более высокую молекулярную концентрацию и меньшую молекулярную массу, по сравнению с мальтодекстрином. Осмоляльность растворов мальтодекстрина составляет от 37 (20%) до 47 ммоль/кг (30%), а растворов фруктозы - от 100 до 156 ммоль/кг. При добавлении к 20%-му
