Способ получения этанола и кормопродукта

012216 Изобретение относится к спиртовой промышленности и получению белковых кормов и может найти применение при производстве этанола из зерна злаковых культур с одновременным получением кормового продукта. Известны различные способы получения этанола из зерна, например, путем вываривания спирта из бражки с переходом этанола и сопутствующих примесей в бражной дистиллят и последующей очистки этанола от примесей (патент RU 2080143, B01D 3/00). Барда, содержащая белки, клетчатку, азот, фосфор,а также микро- и макроэлементы, может быть использована для выращивания кормовых дрожжей или в качестве удобрений. Малый срок хранения жидкой барды приводит к необходимости оперативной ее реализации. Этот или подобные ему способы не предусматривают в рамках их реализации переработку отходов спиртового производства и получения кормов для животных. Известны также различные способы переработки отходов спиртового производства в кормопродукты для животных с повышенным содержанием белка. В качестве примера может быть приведен способ переработки жидких отходов спиртового производства по патенту Российской Федерации 2220195,A23K 1/06. Этот способ заключается в удалении из барды взвешенных, коллоидных и растворенных органических и минеральных примесей физико-химическими методами, осаждение их, коагуляции введением глины-ирлита, реагента водорастворимого полиэлектролита и извести, после чего полученный осадок уплотняют и используют в качестве кормопродукта. По сравнению с предшествующими решениями по переработке отходов спиртового производства этот способ позволяет упростить технологический процесс переработки барды в кормовой продукт, но его реализация осуществляется как последующий (после получения спирта) процесс, что предполагает снижения качества продукта за счет взаимодействия компонентов бражки с белками в процессе ее перегонки, а также дополнительные временные затраты и необходимость отдельного оборудования или производства. Кроме того, кормовые продукты, получаемые таким способом, содержат большое количество клетчатки, внесенных реагентов и относительно малое(не более 30%) белка, что определяет сравнительно низкое их качество. Наиболее рационально переработку послеспиртовой барды в готовый к использованию кормовой продукт осуществлять в процессе переработки зерна в этанол. Известен принятый в качестве прототипа способ получения спирта и белкового корма из зерна злаков, реализуемый устройством по международной заявке WO 2004/038031. Согласно этому способу очищенное и измельченное зерно смешивают с водой, проводят ферментативный гидролиз с получением сусла, содержащийся в сусле сахар сбраживают и, после перегонки бражки, получают бражной дистиллят и барду, в которой содержатся взвешенные и растворенные сухие вещества (белки, дрожжевые клетки, гемицеллюлоза, клетчатка, полипептиды, аминокислоты, глицерин, несброженные сахара, летучие органические кислоты, соли минеральных и органических кислот и др.). Бражной дистиллят подвергают ректификации с получением концентрированного этанола, а барду путем центрифугирования разделяют на биомассу (выделение биомассы) и фугат. Фугат упаривают, доводя количество сухих веществ в нем до 30-40%, и после сушки в смеси с биомассой, выделенной из барды, реализуют в качестве сухого белкового корма (DDGS) для животных. К недостаткам этого способа относятся снижение качества белка в корме при перегонке бражки из-за его взаимодействия с продуктами метаболизма дрожжей, несброженными углеводами и другими веществами исходной бражки, а также с новыми веществами, образующимися в процессе перегонки бражки, например, с продуктами термолиза дрожжей; снижение производительности брагоректификационной установки из-за необходимости частой остановки бражной колонны на чистку, что связано с перегонкой бражки со всеми содержащимися в ней нерастворимыми и растворимыми сухими компонентами (белки, дрожжевые клетки, гемицеллюлоза,клетчатка, несброженные сахара, минеральные вещества и др.) и отложением части перечисленных и вновь образовавшихся веществ на стенках и тарелках бражной колонны, теплообменников, трубопроводов и насосов. Целью предлагаемого решения является повышение качества белкового корма и увеличение производительности брагоректификационной установки. Поставленная цель обеспечивается тем, что в способе получения этанола и кормопродукта, включающем операции измельчения зерна, ферментативного гидролиза и получения сусла, его сбраживание,операции перегонки, а также выделения биомассы, последнюю (биомассу) выделяют из бражки (а не из барды, полученной в результате перегонки бражки, как в прототипе) с получением осветленной бражки,выделенную биомассу сушат вместе с содержащимся в ней этанолом, а перегонке подвергают полученную после выделения биомассы осветленную бражку с получением этанола и барды. Сушку выделенной биомассы, содержащей порядка 20% сухих веществ и 80% водно-этанолового раствора, осуществляют при помощи нагретого инертного газа, например азота или углекислого газа (для предотвращения окисления высушиваемых компонентов) с получением сухого кормопродукта и водно-этаноловых паров. Получаемые при сушке биомассы водно-этаноловые пары конденсируют. Конденсат добавляют к осветленной бражке, подвергаемой перегонке, а использованный инертный газ после выделения из него водно-этаноловых паров возвращают на сушку биомассы, выделенной из бражки.-1 012216 Барда, полученная в результате перегонки осветленной бражки, может быть использована для аэробного культивирования дрожжей, а дрожжи, выделенные из культуральной жидкости, высушивают в смеси с биомассой, выделенной из бражки. Предлагаемый способ получения этанола и кормопродукта может быть реализован как при использовании измельченного зерна злаков, так и муко-крупяной смеси, выделенной при помоле зерна злаков. Пример реализации 1. Использование муко-крупяной смеси из зерна злаков. Заявляемый способ может быть проиллюстрирован постадийной схемой получения этанола и кормопродукта (фигура), предусматривающей измельчение зерна на мельнице с получением муко-крупяной смеси и отрубей. В этом случае реализация способа происходит в следующей последовательности. Измельчение зерна. Исходный продукт (зерно пшеницы, тритикале или ржи) очищают от сопутствующих примесей и увлажняют для придания отрубям эластичности, что препятствует их разрушению на мелкие части в процессе помола и включению в муко-крупяную смесь (далее - МКС). Увлажненное зерно измельчают при помощи вальцовых мельниц с получением МКС с размером частиц до 0,8 мм и выходом МКС из зерна в пределах 75-80%. Полученную МКС влажностью около 15% используют для получения сусла, а сухие отруби используют в качестве кормовой добавки. Ферментативный гидролиз МКС и получение сусла. МКС в соотношении 1,0:2,3-2,7 смешивают с технологической водой, нагретой до 66-70 С, а также с ферментными препаратами (источниками ксиланазы, бета-глюканазы и термостабильной альфаамилазы). В качестве технологической воды используют в различном количественном соотношении воду и осветленную культуральную жидкость. Разжижение полученной суспензии МКС проводят в зависимости от вида зерна при температуре 57-62 С в течение 10-15 мин при pH 6,0-6,5. Разжиженную суспензию непрерывно подают в гидролиз-аппараты непрерывного действия, где ее нагревают острым паром до температуры 85-95 С и проводят ферментативный гидролиз крахмала МКС до декстринов. Продолжительность гидролиза при указанных температурах составляет 30-40 мин и зависит от вида используемого зерна. В полученный гидролизат вносят расчетное количество минеральных источников азота и фосфора,охлаждают до температуры 28-32 С, подкисляют серной кислотой до pH 4,6-5,0 и вносят расчетное количество ферментных препаратов - источников ксиланазы, бета-глюканазы и глюкоамилазы. Полученное сусло с концентрацией растворенных сухих веществ 21-24% используют при получении бражки и производственных дрожжей. Сбраживание сусла и получение бражки. Сбраживание сусла проводят с использованием известных способов, обеспечивающих глубокое сбраживание углеводов сусла дрожжами до этанола, например, с использованием периодического способа брожения. При этом способе сусло, охлажденное до температуры 28-32 С, с концентрацией растворенных сухих веществ 21-24%, загружают в бродильный аппарат периодического действия, куда одновременно передают засевные дрожжи в количестве 8,0-10% от объема сусла в аппарате. Процесс сбраживания сусла проводят при температуре 28-35 С в течение 60-72 ч, причем в первые 10-14 ч от начала процесса сбраживание ведут при температуре 29-31 С, а в завершающей стадии, начиная с 45-50-го часа от начала процесса, - при температуре 28-30 С. При завершении процесса сбраживания сусла образуется бражка, в которой содержатся следующие растворенные и взвешенные вещества: этанол (12-15 об.%), белки, полипептиды, аминокислоты, дрожжевые клетки, гемицеллюлозы, глицерин,несброженные сахара, летучие органические кислоты, соли кислот, минеральные вещества, незначительные количества клетчатки и пр. Образующийся в процессе сбраживания сусла углекислый газ непрерывно отводят из бродильного аппарата и частично используют в качестве теплоносителя при сушке биомассы, выделенной из бражки. Выделение биомассы из бражки. Выделение биомассы из бражки проводят при температуре 27-35 С с использованием известных способов, которые могут обеспечить эффективное выделение взвешенных сухих веществ и получения при этом биомассы с содержанием в ней сухих веществ не ниже 18%, например, при помощи центрифугирования, при котором получают биомассу с концентрацией сухих веществ 19-22% и осветленную бражку. Выделенная из бражки биомасса содержит летучие вещества (воду, этанол, органические кислоты и пр.) и сухие вещества (белки, дрожжевые клетки и незначительное количество аминокислот, клетчатки,гемицеллюлозы, глицерина, несброженных сахаров, солей кислот, минеральных веществ и пр.). Сушка биомассы. Перед подачей в сушилку биомассу, выделенную из бражки, к которой могут быть добавлены дрожжи, равномерно перемешивают в смесителе непрерывного действия. Сушку биомассы, выделенную из бражки, проводят в известных сушилках конвективного типа с получением кормопродукта влажностью не выше 10%, например, в сушилке с кипящим слоем. В качестве теплоносителя используют любой нагретый до температуры 180-200 С инертный газ, например СО 2,N2 или их смесь. На выходе из сушилки температура смеси инертного газа, например СО 2, и водно-2 012216 этаноловых паров поддерживается в пределах 80-95 С. На выходе сушилки получают кормопродукт и смесь водно-этаноловых паров с инертным газом. В полученном кормопродукте содержится 50-65% сырого протеина и 1,8-2,5% золы. Гранулированный кормопродукт влажностью 8-10% направляют на упаковку, а смесь водноэтаноловых паров с инертным газом подают в конденсатор. Конденсация водно-этаноловых паров и регенерация СО 2. Конденсацию водно-этаноловых паров и регенерацию СО 2, поступающих из сушилки, проводят с использованием известных типов конденсаторов, например, конденсатора мокрого смешения, в котором происходит конденсация водно-этаноловых паров за счет отдачи теплоты этого пара предварительно охлажденному конденсату водно-этаноловых паров. При этом получают конденсат водно-этаноловых паров и регенерированную СО 2. Полученный конденсат с концентрацией этанола 12-15 об.% непрерывно отбирают из конденсатора и подвергают перегонке в смеси с осветленной бражкой. Очищенный СО 2 от водно-этаноловых паров возвращают из конденсатора в сушилку, где его повторно используют в качестве теплоносителя при сушке биомассы. Перегонка осветленной бражки. Перегонку осветленной бражки проводят с использованием известных брагоректификационных установок непрерывного действия с получением этанола и барды. Перегонка осветленной бражки может осуществляться как в смеси с конденсатом водноэтаноловых паров, так и без их добавления. В первом случае смесь нагревают до температуры 70-80 С и,после перегонки в брагоректификационной установке, получают этанол различного назначения и осветленную барду. Во втором случае получают более концентрированную барду. Однако в этом случае конденсат водно-этаноловых паров перегоняют на специальной установке, что приводит к усложнению технологического процесса. Переработка барды. Барду, полученную при перегонке смеси осветленной бражки с конденсатом водно-этаноловых паров, используют при аэробном выращивании кормовых дрожжей. Выращивание кормовых дрожжей проводят на барде, в которую предварительно вносят источники азота, фосфора, посевные дрожжи, ферментные препараты - источники ферментов фитазы, протеазы и ксиланазы. Использование фитазы позволяет получить из недоступного для дрожжей фитина, содержащегося в барде, фосфорную кислоту и инозит. Использование протеазы позволяет получить из недоступного для дрожжей пептидов, содержащихся в барде, аминокислоты. Использование ксиланазы позволяет получить из недоступного для дрожжей ксилана, содержащегося в барде, моносахарид ксилозу. Полученные фосфорная кислота, инозит, аминокислоты и ксилоза являются дополнительными компонентами для питания дрожжей. При этом не только увеличивается выход дрожжей из барды, но и глубже утилизируются компоненты барды. Процесс культивирования дрожжей проводят непрерывным способом при температуре 34-36 С, pH 4,5-5,0 и аэрации ферментационной среды стерильным воздухом. При этом используют культуру дрожжей, которые активно и глубоко утилизируют органические кислоты, глицерин, пентозы, гексозы и синтезируют белок с повышенным содержанием лизина. Из полученной культуральной жидкости путем центрифугирования выделяют выращенные дрожжи и подают их на сушку в смеси с биомассой, выделенной из бражки. Осветленную культуральную жидкость подают на ферментативный гидролиз, т.е. используют при получении сусла из МКС. Возможна подача культуральной жидкости на стадию ферментативного гидролиза (получение сусла из МКС) и без выделения из нее дрожжей. Пример реализации 2. Использование измельченного (дробленого) зерна. Измельчение зерна. Измельчение очищенного зерна (пшеницы, тритикале, ржи или кукурузы) проводят известными способами, обеспечивающими степень измельчения, при которой не менее чем 96% измельченного зерна проходит через лабораторное сито с диаметром ячеек 1 мм, например измельчение с помощью молотковой дробилки. Последовательность дальнейших операций та же, что и в примере реализации 1, с некоторыми отличиями температурных и временных режимов последующих операций, которые перечислены ниже. Ферментативный гидролиз и получение сусла. Измельченное зерно смешивают с нагретой технологической водой в соотношении 1,0:2,5-3,0. Разжижение полученной суспензии проводят в течение 15-30 мин при температурах от 57 до 66 С: для пшеницы и тритикале - 60-62 С, для ржи - 57-59 С и для кукурузы - 63-66 С. Продолжительность гидролиза в зависимости от вида зерна находится в пределах 60-90 мин. Полученное сусло с концентрацией растворенных сухих веществ 20-23% используют, как и в первом случае, при получении бражки и производственных дрожжей. Сбраживание сусла и получение бражки. Процесс сбраживания сусла дрожжами проводят так же, как и в примере реализации 1.-3 012216 Выделение биомассы из бражки. Выделение биомассы из бражки проводят при температуре 27-35 С с использованием известных способов, которые могут обеспечить эффективное выделение взвешенных сухих веществ и получение при этом биомассы с содержанием в ней сухих веществ не ниже 20%, например, при помощи центрифугирования, при котором получают биомассу с концентрацией сухих веществ 20-23% и осветленную бражку. Сушка биомассы. Перед подачей в сушилку биомассу, к которой могут быть добавлены дрожжи, выращенные на барде, или упаренная барда и кормопродукт, равномерно перемешивают в смесителе непрерывного действия. При сушке биомассы в сушилке с кипящим слоем предусматривают сушку биомассы без добавления в нее других компонентов; сушку биомассы в смеси с упаренной бардой; сушку биомассы в смеси с упаренной бардой и частью кормопродукта;(Упаривание барды описано ниже в разделе Переработка барды) сушку биомассы в смеси с кормовыми дрожжами, выращенными на барде. Во всех перечисленных вариантах сушки биомассу и упомянутые компоненты перед подачей в сушилку равномерно перемешивают в смесителе непрерывного действия. В полученном кормопродукте содержится 30-45% сырого протеина и 3,5-4,2% золы. Все операции сушки биомассы аналогичны с примером реализации 1. Конденсация водно-этаноловых паров и регенерация СО 2. После проведения конденсации водно-этаноловых паров аналогично описанному выше примеру 1 реализации полученный конденсат с концентрацией этанола 10-12 об.% непрерывно отбирают из конденсатора и подвергают перегонке в смеси с осветленной бражкой. Очищенный СО 2 от водно-этаноловых паров возвращают из конденсатора в сушилку, где его повторно используют в качестве теплоносителя при сушке биомассы. Последующие операции проводят аналогично описанному выше примеру 1 реализации. Перегонка осветленной бражки. Процесс перегонки осветленной бражки аналогичен процессу перегонки по примеру реализации 1. Переработка барды. Барду, полученную при перегонке смеси осветленной бражки с конденсатом водно-этаноловых паров, упаривают и затем сушат или используют при выращивании кормовых дрожжей. Упаривание барды проводят на выпарной установке непрерывного действия с получением упаренной барды, содержащей 30-40% сухих веществ. Упаренную барду сушат в смеси с биомассой, выделенной из бражки. Вторичный водный конденсат, полученный в процессе упаривания барды, используют при получении сусла из измельченного зерна. Выращивание кормовых дрожжей, их выделение и использование, проводят аналогично описанному выше варианту реализации 1. Кормопродукт, полученный предлагаемым способом, имеет более высокие качественные показатели из-за более высокого качества белка в его составе. Это объясняется отсутствием отрицательных реакций белков биомассы с несброженными сахарами, продуктами метаболизма и термолиза дрожжей, которые имеют место в известном случае перегонки неосветленной бражки. Производительность брагоректификационной установки увеличивается по предлагаемому способу примерно на 7-10% из-за существенного сокращения числа остановок бражной колонны на чистку, что имеет место при перегонке бражки со всеми содержащимися в ней нерастворимыми и растворимыми сухими компонентами (белки, дрожжевые клетки, гемицеллюлоза, клетчатка, несброженные сахара, минеральные вещества и др.) и отложением части перечисленных и вновь образующихся веществ на стенках и тарелках бражной колонны, теплообменников, трубопроводов и насосов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения этанола и кормопродукта, включающий операции измельчения зерна, ферментативного гидролиза и получения сусла, его сбраживания, выделения и сушки биомассы, а также операцию перегонки, отличающийся тем, что биомассу выделяют из бражки, полученную осветленную бражку подвергают перегонке с получением этанола и барды, а выделенную биомассу сушат нагретым инертным газом с получением сухого кормопродукта и водно-этаноловых паров. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что водно-этаноловые пары конденсируют, а конденсат водноэтаноловых паров добавляют к осветленной бражке, подвергаемой перегонке. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что инертный газ после конденсации водно-этаноловых паров возвращают для повторного использования при сушке биомассы, выделенной из бражки.-4 012216 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что барду, полученную в результате перегонки осветленной бражки, используют для аэробного культивирования дрожжей, для чего к барде добавляют питательные соли, например источники азота и фосфора, посевные дрожжи и ферментные препараты, из полученной культуральной жидкости выделяют дрожжи, которые добавляют к выделенной из бражки биомассе, а осветленную культуральную жидкость подают на ферментативный гидролиз. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что барду, полученную в результате перегонки осветленной бражки, упаривают до концентрации сухих веществ выше 30% и сушат в смеси с биомассой, выделенной из бражки.