Производство этилового спирта марки «Экстра» из крахмалистого сырья

Узел 2. Гидроферментативная обработка сырья

Выход на стадии 98%

В этом узле осуществляется следующая реакция:

                                     (C6H1005)n    +         nH20  =         nC6H1206 (1)

Мольные массы        162,14           +         18,02  =         180,16

 

Условно будем считать, что весь экстрагировавшийся крахмал гидролизуется исключительно до глюкозы. В дальнейшем расчет ведется на образовавшуюся в реакции (1) глюкозу

 

Доп. исходные данные:

Удельный расход горячей воды на приготовление замеса gводы = 3,0 кг/кг дробленого зерна.

Удельный расход комплексного препарата «Дестамил»тм gдестамил = 0,2 г/л (кг/м3) водно-зернового замеса.

Плотность водно-зернового замеса ρзамеса = 1060 кг/м3

Удельный расход ферментного препарата «Альфазим» (амилолитическая активность АС-2200 ед/г):

 

gальфазим = 2000 ед/кг условного крахмала;

 

Удельный расход ферментного препарата «Глюкогам» (глюкаамилазная активность ГлС 6500 ед/г):

 

gглюкогам = 7000 ед/кг условного крахмала.

 

Комплексный препарат «Дестамил»тм и ферментные препараты задаются в среду в виде водного раствора 1:10.

 

ЗАГРУЖЕНО:

Зерно очищенное дробленное………………………………...Gдроб = 2662,53 кг

в том числе:

            условного крахмала…………………………………..Gкрахм = 1570,62 кг

            несбраживаемые вещества…………………………. .Gнесбраж = 683,11 кг

            влаги…………………………………………………...Gвлаги = 408,79 кг

 

Количество воды для приготовления замеса:

Gводы = Gдроб * gводы = 2662,53 * 3 = 7987,60 кг

 

Количество замеса Gзамеса :

Gзамеса = Gдроб + Gводы = 2662,53 + 7987,60 = 10650,13 кг

 

Объем водно-зернового замеса

Vзамеса = Gзамеса / ρзамеса = 10650,13/1060 = 10,05 м3

Расход комплексного препарата «Дестамил»тм

Gдестамил = Vзамеса * gдестамил = 10,05* 0,2 = 2,01 кг

Расход воды на приготовление раствора препарата «Дестамил»тм

Gвод.дестамил = Gдестамил * 10 = 2,01*10 = 20,09 кг

Общая масса раствора препарата «Дестамил»тм

Gр-р.дестамил = Gдестамил + Gвод.дестамил = 2,01 + 20,09 = 22,10 кг

Расход ферментного препарата «Глюкогам» для осахаривания крахмалистой массы Gглюкогам

Aглюкогам = 6500 ед/г- глюкаамилазная  активность препарата «Глюкогам»,    ед/г

Удельный расход ферментного препарата «Глюкогам» gглюкогам = 7000 ед/кг условного крахмала

Gглюкогам = gглюкогам*Gкрахм/ (Aглюкогам*1000) =

= 7000*1570,62/(6500*1000) = 1,69 кг

Расход воды на приготовление раствора препарата «Глюкогам»

Gвод.глюкогам = Gглюкогам * 10 = 1,69*10 = 16,91 кг

Общая масса раствора препарата «Глюкогам»

Gр-р.глюкогам = Gглюкогам + Gвод.глюкогам = 1,69 + 16,91 = 18,61 кг

 

Расход ферментного препарата «Альфазим» для осахаривания крахмалистой массы Gальфазим

Aальфазим = 2200 ед/г- амилолитическая активность   препарата «Альфазим»,    ед/г

Удельный расход ферментного препарата «Альфазим» gальфазим = 2000 ед/кг условного крахмала

Gальфазим = gальфазим*Gкрахм/ (Aальфазим*1000) =

= 2000*1570,62/(2200*1000) = 1,43 кг

Расход воды на приготовление раствора препарата «Альфазим»

Gвод.альфазим = Gальфазим * 10 = 1,43*10 = 14,28 кг

Общая масса раствора препарата «Альфазим»

Gр-р.альфазим = Gальфазим + Gвод.альфазим = 1,43 + 14,28 = 15,71 кг

Суммарное количество воды в среде:

GΣводы = Gвлаги + Gводы + Gвод.дестамил + Gвод.глюкогам + Gвод.альфазим = 408,79 + 7987,60 + 20,09 + 14,28 + 16,91 = 8447,68 кг

 

Итого загружено в 2 узле:

G2загруж = Gдроб + Gводы + Gр-р.дестамил + Gр-р.глюкогам  + Gр-р.альфазим = 2662,53 + 7987,60 + 22,10 + 15,71 + 18,61 = 10706,54 кг

 

ПОЛУЧЕНО:

Нормированный выход с учетом экстрактивности сусла и использовании комплексных ферментных препаратов для осахаривания составляет ηосах = 98,0%.

Т.е. в реакцию вступит крахмала Gкрахм реак:

Gкрахм реак = ηосах * Gкрахм = 0,98 * 1570,62 = 1539,21 кг

Для процесса гидролиза необходимо воды Gводы:

Gводы реакц = Gкрахм реак * Mвод / Mкрахм = 1539,21 * 18,02 / 162,14 = 171,07 кг

В результате реакции получаем глюкозы Gглюк:

Gреак.глюк = Gкрахм реак * Mглюк / Mкрахм = 1539,21 * 180,16 / 162,14 = 1710,28 кг

Остаточное количество крахмала :

Gкрах = Gкрахм.исх*(1- η) = 1570,62 * ( 1 - 0,98 ) = 31,41 кг

Оставшееся количество влаги:

Gост.влаги = GΣводы - Gводы реакц = 8447,68 – 171,07 = 8267,61 кг

Препарат «Дестамил»тм, а так же препараты «Альфазим» и «Глюкогам» в ходе реакции не расходуются.

Здесь и далее они будут учитываться как несбраживаемые вещества.

Итого несбраживаемых вществ:

GΣнесбр = Gнесбраж + Gкрах + Gдестамил + Gглюкогам + Gальфазим = 683,11 + 2,01 + 1,43 + 1,69 = 719,66 кг

Итого осахаренного сусла:

Gсусла = Gост.влаги + GΣнесбр + Gреак.глюк = 8267,61 + 719,66 + 1710,28 = 10706,54 кг

Итого получено в 2 узле:

G2получ = Gсусла = 10706,54 кг

 

Таблица 3.2

Материальный баланс гидроферментативной обработки

 

Загружено				Получено
Сырье и полупродукты	Масса тех, кг	Масса, кг	Масс. доля, %	Продукты, отходы, потери	Масса тех, кг	Масса, кг	Масс. доля, %
1. Очищенное  дробл. зерно, в т.ч. усл. крахмал несбр. в-ва влага 2. Горячая вода  3. Раствор «Дестамил», в т.ч. препарат вода 4. Раствор «Альфазим», в т.ч. препарат вода 5. Раствор «Глюкогам», в т.ч. препарат вода	2662,53           7987,60   22,10           15,71         18,61	1570,62 683,11 408,79           2,01 20,09       1,43 14,28       1,69 16,91		1.Осахаренное  сусло, в т.ч. глюкоза влага несбраживаемые вещества, в т.ч. остаток крахмала «Альфазим» «Глюкогам» «Дестамил»	10706,54	1710,28 8276,61 719,66   31,41   1,43 1,69 2,01
Итого	10706,54			Итого	10706,54

Узел 3. Приготовление производственных дрожжей.

В этом узле осуществляется следующая реакция:

                            С6Н1206           =          2С02              +         2С2Н5ОН   (2)

Мольные массы        180,16            =         2*44,01          +          2*46,07

 

ЗАГРУЖЕНО:

Сусло с узла 2

Gсусла = 10706,54 * 0,1 = 1070,65 кг

Плотность сусла 1060 кг/м3

Объем сусла : Vcусла = Gсусла/ρсусла = 1070,65/1060 = 1,01 м3

 

Масса вспомогательных материалов:

Серная кислота аккумуляторная…………………….gск = 3,0 кг/м3 сусла;

Карбамид………………………………………….......gкарб = 1,0 кг/м3 сусла.

Загружено серной кислоты:

Gск = gск* Vcусла = 3,0 * 1,01 = 3,03 кг

Загружено карбамида :

Gкарб = gкарб* Vcусла = 1 * 1,01 = 1,01 кг

В виде водного раствора 1:10:

Gраств = Gкарб+10* Gкарб = 1,01+10,10 = 11,11 кг.

 

Засевные дрожжи

Масса засевных дрожжей………………………..10% от объема сусла.

Плотность засевных дрожжей…………………….ρдрож = 1072 кг/м3

Объем засевных дрожжей:

Vдрож = 0,1* Vcусла = 0,1 * 1,01 = 0,101 м3

Загружено засевных дрожжей:

Gдрож = Vдрож* ρдрож = 0,101*1072 = 108,28 кг

Сухой биомассы клеток в засевных дрожжах…….gкл = 45 г/л (кг/м3)

Всего клеток:

Gкл = gкл* Vдрож = 45*0,101 = 4,55 кг

Влагосодержание засевных дрожжей γвлага = 80%

Всего влаги в засевных дрожжах:

Gвлаги = Gдрож* γвлага = 108,28 * 0,8 = 86,62 кг

В питательной среде засевных дрожжей содержится 6% глюкозы

Gглюк.засев = Gдрож * 0,06 = 108,28 * 0,6 = 6,50 кг

Остальное несбраживаемые сух. в-ва питательной среды:

Gсух.в-в = Gдрож - Gкл - Gвлаги - Gглюк.засев = 108,28 – 4,55 – 86,62 – 6,50  = 10,61 кг.

Итого загружено в 3 узле:

G3загруж = Gсусла+Gск +Gраств. карб +Gдрож = 1070,65 + 108,28 + 3,03 + 11,11 = 1193,07 кг

 

ПОЛУЧЕНО:

На рост клеток и побочное брожение расходуется 4% глюкозы, имеющийся в среде, остальная глюкоза сбраживается дрожжами в спирт до момента, когда концентрация глюкозы станет равной 30% от первоначального количества.

Gспирт = (Gглюк.сусла + Gглюк.засев) *(0,6 – 0,04 )*2*Мсприт/Мглюк = (171,03  + 6,50)1*0,54*2*46,07/180,16 = 50,84 кг

В результате реакции выделится углекислого газа:

GСО2 = (Gглюк.сусла + Gглюк.засев) *(0,6 – 0,04 )*2*МСО2/Мглюк= (171,03 + 6,50)*0,54*88,02/180,18=48,57 кг

Масса производственных дрожжей:

Gпр.дрож. = G6загруж - GСО2 = 1193,07 – 48,57 = 1144,50 кг

По данным технологической инструкции масса дрожжевых клеток gкл увеличилась в gкл  = 10 раз 

Gкл = Gклеток* gкл = 4,55*10  = 45,45 кг

 

Количество глюкозы в производственных дрожжах:

Gглюк = 0,3* (Gглюк. сусла+ Gглюк.засев)  = 0,3*(171,03 + 6,50) = 53,26 кг

 Количество влаги в производственных дрожжах (с учетом того, что  прирост клеточной массы дрожжей на 60% состоит из воды) :

Gвлаги = Gвл.сусла+ Gвл.серн.к-ты+ Gвл.карбамид+Gвл.засев – 0,6*(Gкл.кон-Gкл.нач) = 827,66+0,24+10,10+86,62 – 0,6*(45,45 – 4,55) = 900,08 кг

Несбраживаемые вещества (с учетом серной кислоты):

Gнесбр = Gпр.дрож - Gкл - Gглюк - Gвлаги - Gспирт = 1144,50 - 45,45 – 53,26 – 900,08 – 50,84 = 94,87 кг

 

Итого получено в 3 узле:

G3получ = Gпр.дрожжи+ Gco2 = 1444,50 + 48,57 = 1193,07 кг

G3загруж = G3получ

 

Таблица 3.3

Материальный баланс приготовления производственных дрожжей

 

Загружено				Получено
Сырье и полупродукты	Масса тех, кг	Масса, кг	Масс. доля, %	Продукты, отходы, потери	Масса тех, кг	Масса, кг	Масс. доля, %
1. Осахаренное сусло, в т.ч. глюкоза несбр. в-ва влага   2. Засевные дрожжи, в т.ч. клетки глюкоза несбр. в-ва влага   3.Серная кислота аккумуляторная, в т.ч. моногидрат влага   4. Карбамида раствор, в т.ч. карбамид влага	1070,65           108,28             3,03           11,11	171,03 71,97 827,66       4,55 6,50 10,61 86,62         2,79 0,24       1,01 10,10		1.Производств.  дрожжи, в т.ч. клетки глюкоза несбр. в-ва влага спирт   2. Углекислый газ	1144,50               48,57	45,45 53,26 94,87 900,08 50,84
Итого:	1193,07			Итого:	1193,07

 

 

Узел 4. Брожение. Утилизация газов брожения.

Химизм процесса:

 

С6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2↑

Мольные массы :              180,16          46,07       44,01

Проверка баланса мольных масс:

                Мзагруж = 180,16       Мполуч = 2*46,07+44,01*2 = 180,16  

 

Загружено:

с узла 2 сусло известного состава

 Gсусла = 0,9 * Gсусла5 = 0,9 * 10706,54 = 9635,89 кг

в т.ч.

глюкозы Gглюк = 1539,25 кг

 

С узла 3 производственные дрожжи известного состава

Gпр.дрожжей = 1144,50 кг

в т.ч.

клеток  Gклеток = 45,45 кг

             Gглюк = 53,26 кг

             Gвлаги = 900,08 кг

             Gспирт = 50,84 кг

 

Итого загружено в 4 узле:

G4загруж = Gсусла+ Gпр.дрожж  = 9635,89 + 1144,50  = 10780,39 кг

 

ПОЛУЧЕНО:

Вступило в реакцию спиртового брожения ключевого соединения глюкозы:

Gреаг. глюк = GΣглюк* η4-1 * η4-2  = (1539,25  + 53,26) * 0,998 * 0,96 = 1525,71 кг

Остаток непрореагировавшей глюкозы:

Gглюк. ост = GΣглюк * (1 - η4-1 )  = 1592,51* (1 – 0,98) = 3,08  кг

Остальная глюкоза (η4-2  ) израсходована, участвуя в росте клеточной массы и побочных реакциях.

По данным технологической инструкции масса дрожжевых клеток gкл увеличилась в gкл  = 10 раз 

Gкл = Gклеток* gкл = 45,45*10  = 454,52 кг

В результате реакции образуется :

Основного продукта – спирта:

Gспирт = Gреаг. глюк *Mспирт*2/Mглюк = 1525,71*46,07*2/180,16 = 780,32 кг

Потери образующегося спирта с образующимся углекислым газом γпот = 0,3%

Gпот = Gспирт* γпот = 780,32*0,003 = 1,16 кг

Всего спирта в бродильном чане:

GспиртΣ = Gспирт+ Gспирт.пр.дрож. - Gпот = 780,32 + 50,84 – 1,16 = 830,0 кг

 

Количество влаги в производственных дрожжах (с учетом того, что  прирост клеточной массы дрожжей на 60% состоит из воды) :

Gвлаги = Gвл.сусла+ Gпр.дрожж -  0,6*(Gкл.кон-Gкл.нач) = 7448,95 + 900,08 – 0,6 * (454,52 – 45,45) = 8103,59 кг

Углекислого газа (второго продукта реакции):

Gуг = Gреаг. глюк *Mуг*2/Mглюк = 1525,71*44,01*2/180,16  = 776,49 кг

Всего выделяется газообразых продуктов:

Gгаз = Gуг/0,995 = 962,92/0,995 = 780,39 кг, где 0,995-доля углекислого газа

Из них:

потери спирта Gпот =1,16 кг

газообразыне примеси (сюда входят, вод пар, летучие кислоты, альдегиды и тд)

Gгаз.прим = Gгаз -  Gуг- Gпот  =  780,39 – 776,49 – 2,34 = 2,74 кг

 

Масса полученной бражки: Gбраж = G6загруж - Gгаз = 1780,39 – 780,39 = 10000,00 кг

 

Остаточное содержание несбраж. в-в.:

Gнесбр. = Gбраж - Gвлаги - Gспирт - Gкл = 10000,00 – 8103,59 – 830,0 – 454,52 = 608,81 кг

 

Итого получено в 4 узле:

G4получ = Gбраж+ Gгаз = 10000,00 + 780,39 = 10780,39 кг

G4загруж = G4получ

 

Таблица 3.4

Материальный баланс брожения

 

Загружено				Получено
Сырье и полупродукты	Масса тех, кг	Масса, кг	Масс. доля, %	Продукты, отходы, потери	Масса тех, кг	Масса, кг	Масс. доля, %
1. Осахаренное сусло, в т.ч. глюкоза несбр. в-ва влага   1.Производств.  дрожжи, в т.ч. клетки глюкоза несбр. в-ва влага спирт	9635,89           1144,50	1539,25 647,69 7448,95       45,45 53,26 94,87 900,08 50,84		1. Зрезая бражка, в т.ч. спирт несбр. в-ва клетки остат. глюк. влага   2. Газы, в т.ч. углекислый газ потери спирта примеси	10000,0                 780,39	830,0 608,81 454,52 3,08 8103,53         776,49   1,16   2,74
Итого:	10780,39			Итого:	10780,39