Сравнительный анализ существующих технологий переработки барды

2.1 Сравнительный анализ существующих технологий переработки барды

Основные технологические операции:

• 
  предварительное механическое разделение барды на твердую и жидкую фазы на декантерных центрифугах;
  
• 
  упаривание жидкой фазы в выпарных станциях до состояния сиропа;
  
• 
  смешение твердой фазы с сиропом;
  
• 
  сушка.
  

Популярность технологии упаривания фугата, обусловлена использованием в ней более простого стандартного оборудования. Упрощенная схема позволяет получать продукт «DDGS», с содержанием сырого протеина около 25%. Недостатком технологии является наличие повышенного содержания в «DDGS» целлюлоз и лигнинов, которые не имеют кормовой ценности. По этой причине «DDGS» используют как 5 - 10%-ную добавку в комбикорм. Процесс выпарки, применяемый в технологи, повышает себестоимость получения «DDGS».

При выработке 1000 л этилового спирта по данной технологии возможно получение 1135 кг «DDGS», в котором содержится 301 кг белка (26,5%).

Технология микробиологической переработки фугата с получением «Дрожжевого кормоконцентрата» (разработка ООО «АМТ» и ООО «СПС-Наладка») (рисунок 3)

Основные технологические операции:

• 
  предварительное механическое разделение барды на твердую и жидкую фазы на декантерных центрифугах;
  
• 
  аэробное культивирование дрожжей на жидкой фазе - фугате;
  
• 
  концентрирование биомассы и смешение ее с твердой фазой;
  
• 
  сушка.
  

«Дрожжевой кормоконцентрат (ДКК)» представляет собой смесь кека с кормовыми дрожжами. Получения ДКК основано на аэробном процессе переработки фугат. Данная схема позволяет повысить содержание белка в ДКК до 40%. Повысить пищевую ценность ДКК можно использованием современных методов предварительной подготовки барды, которые понижают в ней уровень клетчатки [13].

Снижение уровня ХПК с 70-80000 до 2500 мг О₂/л можно добиться процессами культивирования и специальной селекцией рабочей дрожжевой культуры. Кроме этого необходимо производить глубокую очистку фугата от соединений азота и фосфора. [14].

При выработке 1000 л этилового спирта по данной технологии возможно получение 1241 кг «ДКК» с содержанием 556 кг белка (44%).

На диаграммах (рисунок 4) приведены сравнительные характеристики «DDGS» (сухой барды) и «Дрожжевого кормоконцентрата (ДКК)».

Из представленного сравнительного анализа видно, что энергетическая ценность и содержание питательных веществ в ДКК существенно выше, но при этом процент клетчатки существенно ниже, чем в DDGS (сухой барде).

Проблему утилизации послеспиртовой барды необходимо рассматривать также и с коммерческой стороны вопроса, связанного с реализацией продукта ее переработки. Цена сухой барды («DDGS») на российском рынке составляет примерно 2500 - 3300 руб/т., а цена готового дрожжевого кормоконцентрата (ДКК) 5000 - 6500 руб/т. При этом потребителями сухой барды «DDGS» являются только комбикормовые заводы, а дрожжевого кормоконцентрата – фермы по разведению КРС, птицефабрики, а также личные подсобные хозяйства [15].
2.2 Описание существующих технологических схем
Технологическая схема переработки барды на «DDJS» (рисунок 5)

Описание процесса

1 Подготовка и разделение барды.

Подогретая на пластинчатом аппарате, послеспиртовая барда поступает на двухфазный декантер (рисунок 6). В результате разделения получается жидкая фаза (фугат) и твердая фаза (кек).



Рисунок 5 - Технологическая схема переработки барды на «DDJS»



Рисунок 6 – Декантерные центрифуги «Альфа-Лаваль» в цехе переработки барды

2 Выпаривание осветленной барды.

2.1 Фугат представляющий собой жидкую фазу барды, в котором концентрация сухих веществ составляет 4%, получаемый на выходе из 2-х фазного декантера, направляется на выпарную станцию. Перед поступлением барды на станцию выпаривания она подогревается. Для этого используют два пластинчатых подогревателя. Процесс осуществляется последовательно.

2.2 Барда поступает последовательно на первый, третий и второй Эффекты выпаривания, при этом происходит увеличение концентрации на первом – до 9,3%, на втором – 15% и на третьем – 38-40% сухих веществ Эффектах.

2.3 Пар, полученный на третьем Эффекте, поступает на конденсацию в аппарат AlfaCond. В аппарате с помощью охлаждающей оборотной воды образуется конденсат.

3 Стадия смешения и сушки продукта.

3.1 Из третьего Эффекта барда подается в смеситель, куда также подается твердая фаза, полученная на выходе из 2-х фазного декантера.

3.2 Влажность полученной смеси составляет 40-45%. Смесь поступает на сушильную установку, где происходит окончательное высушивание и получения готового продукта.

Эффект каждой ступени состоит из выпарного аппарата типа «AlfaVap». Кроме этого в его состав входит циклонный сепаратор, который необходим для разделения парожидкостной смеси. Первый выпарной аппарат работает на греющем паре, а последующий Эффект уже работает на вторичном паре. Эффективность выпаривания достигается за счет организации непрерывной циркуляции барды через выпарной аппарат и циклонный сепаратор.
Технологическая схема переработки барды в «Дрожжевой кормоконцентрат» (разработка ООО «СПС-Наладка»- ООО «АМТ»)
Схема технологического процесса основана на глубокой утилизации органических веществ послеспиртовой барды. Сущность утилизации заключается в микробиологическом способе непрерывного аэробного культивирования дрожжевых микроорганизмов. Направленное ферментативное расщепление белково-углеводных компонентов барды позволяет получить высокое качество дрожжевого кормоконцентрата.

Готовый дрожжевой кормоконцентрат состоит из смеси сухих кормовых дрожжей и кека в соотношении 1:1 по сухим веществам. Это способствует росту уровня белка и снижению уровня клетчатки.

На глубину и одновременно на высокую скорость переработки барды влияет использование качественных засевных организмов и двухступенчатой схемы ферментации. Они должны обязательно пройти селекцию в производственных условиях и лабораторные исследования.

Репродукция дрожжей должна осуществляться непрерывно. Это необходимо для того, чтобы ферментация происходила в полном объеме. Вносить засевные микроорганизмы необходимо только в период пуска участка. После плановой остановке также необходимо производить очередной ввод посевного материала. Барда должна быть осветленной и обогащенной питательными солями и ферментами [16].

Принципиальная технологическая схема производства ДКК включает следующие последовательные технологические операции:

1. Горячую барду направляют в бардоприемник (15-20 куб.м.) для накопления, для разделения на твердую (кек) и жидкую (фугат) фракции барду подают на центрифугу (декантер). Кек транспортером подают в смеситель для смешивания с дрожжами.

2. Горячий фугат насосом подают в теплообменник а, после, в сборник фугата (15-20 куб.м.), для смешивания с раствором питательных солей и ферментов. Эрлифтный (аэрируемый) ферментатор первой ступени (180 куб.м.) заполняется готовым к микробиологической переработке фугатом. Закачку производят насосом. При этом происходит ввод первичные засевные микроорганизмы. В ферментаторе производится процесс непрерывного аэробного культивирование дрожжевой культуры. Скорость рост сотавляет порядка 0,15–0,25 час^–1. Дальнейшее введение засевных дрожжей не требуется.

3. Для процесса культивирования необходимо обеспечить подачу воздуха и поддержание температуры (37 Сº). Подача осуществляется с помощью воздуходувки. Температура поддерживается выносным теплообменным контуром, включающим центробежный насос и пластинчатый теплообменник. Так же необходимо поддерживать уровень рН культивирования, которое должно осуществляться подачей аммиачной воды и/или серной кислоты на ферментацию.

4. 70-80% утилизируемых органических компонентов фугата потребляются на первой ступени ферментации. Дрожжевую суспензию, представляющую собой вспененную смесь, с первой ступени ферментации отбирают из ферментатора и подают на флотатор-газоотделитель (30 куб.м.). Из флотатора культуральную жидкость подают на вторую ступень культивирования, а дрожжевую суспензию подают на сепарацию.

5. Процесс культивирования на второй ступени протекает аналогично процессу на первой ступени. Скорость роста здесь составляет 0,06–0,12 час^–1. Иммобилизация клеток обеспечивает низкую скорость роста. Дрожжевую суспензию подают на флотатор-газоотделитель, для смешивания с суспензией от первой ступени.

6. Дрожжевую суспензию из флотатора подают на сепаратор, для первичного отделения дрожжей от культуральной жидкости. Отсепарированные дрожжи подают в смеситель, где смешивают с кеком, поступившим с центрифуги.

7. Культуральную жидкость подают на мембранный фильтр, для очистки до параметров, необходимых либо для сброса в канализацию, либо на возврат в спиртовое производство. Для очистки возможно применение выносного метантенка.

8. Из центрифуги кек подают в смеситель шнековым транспортером. Отсепарированные на сепараторе дрожжи также подаются в смеситель. Полученная смесь кека и кормовых дрожжей подают транспортером в сушилку.

9. В сушилке происходит окончательная сушка продукции и получается готовый дрожжевой кормоконцентрат. После чего кормоконцентрат подается либо на отгрузку потребителям, либо на участок затаривания и далее на склад [17].

Из проведенного описания существующих технологических схем можно сделать вывод, что с экономической точки зрения, более выгодной является технологическая схема получения дрожжевого кормоконцентрата «ДКК». Поскольку его стоимость выше, затраты на производство ниже, а также больший рынок сбыта.
3 Предлагаемая энергосберегающая технология получения кормовых дрожжей и обоснование технологического

оборудования
3.1 Предлагаемая энергосберегающая технология получения кормовых дрожжей
Для получения кормовых дрожжей из свекловичного жома нами была разработана технологическая схема. Данная схема позволяет осуществить безотходность переработки сахарной свеклы. Важной особенность предложенной технологии является использование вторичных источников энергии.

Согласно предложенной технологической схеме кормовые дрожжи из свекловичного жома получают в следующей последовательности (рисунок 8). Сырой свекловичный жом питателем 2 из диффузионного аппарата 3 поступает в загрузочный бункер шнекового пресса 1. Влажность жома до пресса составляет 90-95%. В шнековом прессе свекловичный жом прессуют, частичное отделение жидкой фракции происходит за счет изменения объема межвиткового пространства. В результате разделения получаем отжатый свекловичный жом и отжатую жидкость. Для отбора отжатой жидкости имеются отверстия в матрице и отверстия в самом шнеке. Через эти отверстия жидкость направляется в емкости для коагуляции 19. Прессованный свекловичный жом направляется козырьком в загрузочный транспортер 20, который подает его в сушилку кипящего слоя 26. Влажность жома после прессования составит 30-40%. В сушилке жом падает на стальную решетку, через которую продувается теплоноситель. Процесс сушки похож на кипение воды. Вентилятор 25 нагнетает теплоноситель из основания трубы котельной 24 и по трубопроводу 23 подает в сушилку. Теплоносителем выступают отработанные газы котельной, которая работает на газообразном топливе. Температура отработанные газы котельной составляет 170-200°С. Прохождение отработанных газов через слой прессованного свекловичного жома, расположенного на металлической решетке, обеспечивает высушивание материала.

Рисунок 8 – Предлагаемая технологическая схема получения кормовых дрожжей

В крышке сушилки предусмотрено отверстие для выхода отработанных газов. Высушенный жом захватывается воздушным потоком и по трубопроводу 22 направляет в циклон 21.

Прессованный свекловичный жом можно силосовать, если отсутствует сушильное оборудование или дешевый теплоноситель. С этой целью в технологической схеме предусмотрен загрузочный транспортер 29, который направляет жом в транспортное средство 28 для доставки в наземную бетонную траншею 27. Силосование происходит методом трамбовки массы, т.е. созданием анаэробных условий для дальнейшего хранения жома. Транспортное средство также можно применять для доставки жома на животноводческие фермы по откорму КРС.

Приготовление концентрата низкомолекулярных органических кислот (КНМК) происходит в смесителе 18. Из емкости для хранения 4, дозатором 5 дозируют 30-35% муравьиной кислоты, 25-30% уксусной кислоты, 15-20% пропионовой и 5-6% других органических кислот в смеситель, где происходит смешивание всех компонентов. Через камеру смешивания смесителя-дозатора 17 направляют поток отжатой жидкости, где его смешивают с 1%-ым раствором КНМК. Конструкция смесителя-дозатора позволяет обеспечить поточность производства. Готовая смесь отжатой жидкости и КНМК поступает в емкости 19 для коагуляции. Процесс коагуляции протекает в течение 2-3 суток. Результатом процесса коагуляции является белковая паста, выпавшая в осадок и осветленная жидкость. Выпавший белковый осадок направляют в сушилку, в результате чего получают растительно-белковый витаминный концентрат (РБВК). Осветленную жидкость используют как добавку в рацион животных или направляют на производство кормовых дрожжей.

Осветленная жидкость поступает через подогреватель пластинчатого типа 6 в дозатор многокомпонентных жидкостей 7, где смешивается с раствором питательных солей и ферментов, кроме этого в дозаторе происходит ввод первичных засевных микроорганизмов из емкости для хранения 8, а также предварительное внесение аммиачной воды. Жидкость готовая к микробиологической переработке насосом перекачивается в эрлифтный ферментатор первой ступени 9. В ферментаторе происходит непрерывное аэробное культивирование кормовых дрожжей. Дополнительный ввод засевных дрожжей не потребуется. Культивирование кормовых дрожжей протекает за счет подачи воздуха от воздуходувки 10, поддержание температуры (37 Сº) обеспечивает теплообменный контур, состоящий из насос центробежного типа и теплообменника, охлаждаемого свежей или оборотной водой. Аммиачная вода и/или серная кислота, подаваемая на ферментацию, поддерживает рН культивирования. Потребление первой ступени ферментации составляет 70-80% утилизируемых органических компонентов отжатой жидкости. Вспененную дрожжевую суспензию с первой ступени ферментации отбираются из ферментатора и подают на флотатор-газоотделитель 11. Потребление второй ступени культивирования составляет 20-30% утилизируемых органических компонентов отжатой жидкости. Кормовые дрожжи поступают на флотатор-газоотделитель, где смешивается с суспензией от первой ступени. Из флотатора кормовые дрожжи подаются на сепаратор 12, где происходит сепарирование кормовых дрожжей, т.е. отделение культуральной жидкости. Отсепарированные дрожжи поступают в сушилку кипящего слоя, для высушивания до влажности материала 12 – 14%. Высушенные дрожжи после сушки направляются на участок затаривания. Затаривание кормовых дрожжей происходит в бумажные мешки по 25 кг. По предложенной технологической схеме можно получать дрожжевой кормоконцентрат. Для этого необходимо отсепарированные дрожжи направить в смеситель 14, куда также подается часть высушенного жома, предварительно измельченного на дробилке 16, полученная смесь затем поступает в сушилку. Очистка культуральной жидкости до параметров, необходимых для сброса в канализацию, происходит на мембранном фильтре 13. Основная часть жидкой фазы отделяется механическим путем, а не тепловым, что позволяет избежать серьезные энергетические затраты.

Окончательная сушка продукции происходит в сушилке. Дрожжевой кормоконцентрат, также как и кормовые дрожжи, можно направлять либо на отгрузку потребителям, либо на участок затаривания и далее на склад.

Для снижения теплопотерь необходимо, чтобы установку для сушки кормовых дрожжей находилась в непосредственной близости от выхлопной трубы котельной. Представленная энергосберегающая технология получения кормовых дрожжей из свекловичного жома имеет важную особенность. Это то, что переработка сахарной свеклы совпадает по времени с началом отопительного сезона и включением котельных. Использованием отработанных газов котельной позволит осуществить снижение энергозатраты на сушку на 90...95%. Предлагаемая технологическая схема получения кормовых дрожжей из свекловичного жома позволит улучшить технико-экономическую эффективность работы сахарного завода. Внедрение данной технологической схемы значительно снизит энергозатраты и предотвратит потери питательных веществ в процессе длительного хранения свекловичного жома, приведет к значительному снижению себестоимости продукции, а также улучшит экологическую обстановку вокруг сахарного завода.
3.2 Обоснование конструкции сушилки
На сахарных заводах, как в нашей стране, так и за рубежом, для сушки жома используют барабанные сушилки. Технология сушки жома включает в себя следующие этапы. Сырой жом поступает в цех сушки. Питатели подают жом в мешковые прессы, где происходит частичное обезвоживание жома. Отжатый жом подают транспортером в барабанную сушилку. В качестве теплоносителя в барабанных сушилках используют твердое, жидкое и газообразное топливо, сжигаемое тепло генераторах типа ТГ различной теплопроводности.

Высушенный жом пневмотранспортером разгружают и падают на склад. Такие схемы сушки жома широко используют в Белгородской области и центрально- черноземном регионе. Такая технология имеет существенные недостатки в конструкции прессов, которые доводят влажность массы не менее 60%, что вызывает дополнительный расход энергии для дальнейшего испарения влаги и доведенные высушенной массы до 12-14%.

В настоящее время в связи с повышением цен на энергоносители сушка жома заводам стала экономически невыгодной, поэтому реализация жома на заводах производиться в сыром виде.

На некоторых заводах производят предварительное обезвоживание жома с помощью прессов, а отжатую массу отправляют на силосование. Такая технология приводит непроизводительному расходу питательных веществ, потери которых составляют 30%.

Наиболее приемлемой, на наш взгляд, является сушилка кипящего слоя, состоящая из нескольких частей. В качестве теплоносителя используют отработанные газы котельной, работающей на газообразном топливе. Для нагнетания отработанных газов из основания трубы котельной используют вентилятор. Сушилка выполнена из листового нержавеющего металла толщиной 4 мм. Температура теплоносителя на входе в сушилку составляет 170 – 200 °С.

Устройство и принцип работы будут понятны из следующего описания и прилагаемого чертежа (рисунок 9).

Сушилка состоит из последовательно соединенных технологических частей: корпуса 1, крышки 2 и воздуховода 3. Все части соединены между собой крепежными элементами 4. Корпус представляет собой металлический каркас на котором установлены опорные лапы 5, а так же приварен загрузочный патрубок 6, по которому в сушилку поступает сырой жом. Воздуховод 3, для равномерного поступления отработанных газов поделен на четыре части. Для регулировки подаваемого объема теплоносителя в каждой части воздуховода установлена заслонка 9, которая так же позволяет выравнивать поток теплоносителя. Подача теплоносителя из воздуховода производится через решетки 8.

1 –корпус; 2 – крышка; 3 – воздуховод; 4 – крепежные элементы; 5 - опорные лапы; 6 – загрузочный патрубок; 7 – патрубок для выхода отработанных газов; 8 – решетки; 9 – заслонки; 10 – выгрузной патрубок

Эксплуатация сушилки, предназначенной для сушки свекловичного жома и продуктов, получаемых из него, осуществляется следующим образом.

Все это позволяет улучшить технико-экономическую эффективность, значительно снизить энергию затраты, что приводит к значительному снижению себестоимости продукции.

Как показывает анализ существующих технологических схем, они имеют существенные недостатки, связанные с высокой степенью использования энергоресурсов и непродуктивным расходом кормов.
3.3 Обоснование конструкции дозатора многокомпонентных жидкостей
Проведя анализ конструкций дозаторов жидкостей можно сделать ряд выводов. Большинство существующих конструкций не могут позволить дозирование большого количества компонентов. Если необходимо установить дозатор в уже существующее технологическое оборудование, то потребуется значительное изменение конструкции прибора или машины.

С целью устранения выявленных недостатков нами была разработана конструкция дозатор многокомпонентных жидкостей. Данная конструкция позволит осуществить дозирование четырех различных жидкостей одновременно. Кроме этого предложенная конструкция выполняет функции смесителя, так как процесс дозирования сопровождается предварительным смешиванием. Дозатор осуществляет ввод компонентов по всей ширине камеры дозирования (рисунок 11). Использование предложенной конструкции дозатора обеспечит повышение равномерности дозирования компонентов. Конструкция дозатора настолько проста, что позволит применять его в уже существующем технологическом оборудовании.

Основными частями дозатора многокомпонентных жидкостей являются камера дозирования 1 и смесительная камера 2 (рисунок 12).

Каждая часть дозатора выполнена в виде цилиндров соединенных между собой посредством крепежных деталей 3. Верхней частью дозатора является крышка 4, в которой имеется входное отверстие. В нижней части расположена крышке 5, имеющая технологическое отверстие для выхода готовой смеси из дозатора. Камера дозирования представляет собой корпус, состоящий из двух полукорпусов 6. Соединение полукорпусов осуществляется с помощью болтового соединения 7. В полукорпусах имеются специально подготовленные прорези, куда в процессе сборки дозатора вставляются труба для ввода аммиачной воды 8, труба для ввода микроорганизмов 9, труба для ввода раствора солей 10 и труба для ввода серной кислоты 11.

Для дозирования каждого компонента предусмотрена своя трубка. В каждой трубке предусмотрено определенное количество выходных отверстий. Диаметр отверстий 2 мм. Конструкция дозатора позволит получить готовую смесь в следующем процентном соотношении аммиачная вода – 40 %, микроорганизмы – 35 %, раствор солей – 20 % и серная кислота – 5 %. Это достигается разным количеством выходных отверстий в каждой трубке. Герметичность дозатора обеспечивается установкой уплотнительной прокладки из кислотоупорной резины.



Рисунок 11 – Дозатор многокомпонентных жидкостей

Смесительный элемент установлен в камере смешивания (рисунок 13). Смесительный элемент представляет собой четыре крыльчатки 12 выполненных из пластмассы. Крыльчатки закреплены на неподвижных осях 13. Оси приварены сваркой к пластине 14. Крыльчатки под действием падающей жидкости свободно вращаются вокруг своих осей на подшипниках 15. Попадание кислоты в подшипник предотвращается установкой уплотнительной манжеты 16. В процессе эксплуатации под действием агрессивной среды крыльчатки изнашиваются, поэтому в конструкции предусмотрены гайки, открутив которые можно поменять крыльчатку.