CC BY
32
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Повышение эффективности производства пищевого этанола
за счет комплексного использования сырья и отходов
С.Н. Сорокодумов, А.А. Кухаренко, А.Ю. Винаров
ФГУП «Биотехнологический завод» (пос. Серебряные пруды) ФГУП «ГосНИИСинтезбелок»
В настоящее время практически в каждом регионе России действует биотехнологическое производство этилового спирта, причем в подавляющем большинстве предприятие в качестве основного субстрата использует зерносырье, что обеспечивает возможность получения экологически чистой и высококачественной продукции, отвечающей стандартам качества, в частности, серии ISO 9000 и требованиям ВТО - спирты марки «Базис», «Люкс», «Альфа».
Однако собственно биотехнологические производства этилового спирта во многих случаях не являются экологически чистыми согласно современным требованиям (стандарты ISO 1400).
Кроме того, производства характеризуются низким коэффициентом полезного использования сырья. Так, при однопродуктовой схеме производства
Крахмалсодержащее сырье. Зерно
Ферментолизат зерна
Твердый осадок
Глютами- Биомасса Этило- Ле-
новая микроор- вый ван
кислота ганизмов спирт
| Антибиотики
Белково-витаминный концентрат
Протеоли-
новые ферменты
Пищевое производство
Осветленное сусло |
Чистые растворители, лаки
Сивушные масла, ацеталь-дегид
Лимонная кислота
Кормовое производство
Химическое производство
Фармацевтическое производство
Схема использования вторичных сырьевых ресурсов спиртового производства
из 1 т условного крахмала зерносырья на получение спирта идет только 450 кг, а остальное направляется в отход, в основном на биомассу отработанных дрожжей и послеспиртовую барду (около 130 м3 на 1000 дал спирта). В целом на спиртовых предприятиях России образуется (расчетно) около 9 млн т в год барды, характеризуемой высокими значениями ХПК (порядка 40 - 70 тыс. мг О2/л), остаточным азотом, фосфором. При этом для очистки послеспиртовой барды от производства средней мощности 6000 дал спирта в сутки необходимо задействовать очистные сооружения, обеспечивающие очистку стоков от небольшого города с населением 150-200 тыс. человек. К технологическим отходам спиртового производства относят также сивушные масла и эфироальде-гидную фракцию.
Решение экологических задач спиртовых производств во многом сдерживается экономическими проблемами, связанными с удорожанием основного продукта за счет капитальных и эксплуатационных затрат по утилизации отходов производства спирта.
Выходом из данного положения могут быть реализация технологий комплексного использования исходного сырья и отходов производства, создание многопродуктовых схем с получением полезных целевых продуктов, обеспечивающих в целом доход и снижение стоимости спирта. При этом решается задача создания безотходной и экологически чистой технологии этилового спирта [1].
В настоящее время разработаны различные варианты переработки отходов спиртового производства. В качестве примера приведем схему возможных технологий и получаемых при этом вторичных продуктов применительно к производству пищевого этанола из зернового сырья (см. рисунок).
Далее рассмотрим некоторые из разработанных с нашим участием технологий и вторичных биопродуктов. Так, разработана кормовая добавка широкого спектра действия, обеспечивающая организм животного или птицы актив-
ными веществами в сочетании с растительным и минеральным сырьем [2]. Предлагаемая кормовая добавка содержит дезинтегрированные клетки микроорганизмов, применяемых в производстве этилового спирта, а также растительное и минеральное сырье. Дезинтеграция клеток может быть проведена различным способом (термическая обработка, вакуумная обработка и т.д.). В состав кормовой добавки предлагается вводить не более 5 % дезинтегрированных микроорганизмов спиртового брожения от массы растительного наполнителя или смеси растительного и минерального наполнителей. В качестве растительного наполнителя рекомендуется использовать отходы подсолнечника при переработке его на растительное масло, силос, сенаж и другие сочные корма. Минеральным наполнителем могут служить мочевина, цеолиты, фосфорсодержащие добавки.
Кормовая добавка может дополнительно содержать лекарственные препараты. В работе показана эффективность применения разработанных кормовых добавок при зоотехнологических испытаниях. Так, при использовании кормовой добавки, содержащей дезинтегрированные дрожжи, применяемые в производстве этилового спирта, силос и кальциевую соль хлортетрациклина, для кормления кур-несушек были установлены следующие результаты: увеличение яйценоскости (на 19 % по сравнению с контрольной группой) и массы яйца (в среднем на 4,7 %). При использовании кормовой добавки, состоящей из дезинтегрированных микроорганизмов и кормовых дрожжей, для крупного рогатого скота увеличились надои в среднем на 8,5 % при удлинении лактации на 11 дней.
При внесении в рацион овец кормовой добавки, содержащей смесь дезинтегрированных микроорганизмов с отрубями, с добавлением гранулированного цеолита масса ягнят увеличилась на 6,5 % за 3 мес вскармливания при уменьшении падежа на 4,8 %.
Применение кормовых добавок на основе дезинтегрированных клеток микроорганизмов, используемых при спиртовом брожении, позволяет повысить продуктивность сельскохозяйственных животных, ускорить их рост.
В настоящее время выполнен ряд разработок, позволяющих использовать вторичные сырьевые ресурсы спиртовой промышленности не только для прямого скармливания животным, но и в пищевой и химической промышленности.
Описан способ получения биосорбента из дезинтегрированных клеток микроорганизмов, применяемых при производстве этанола из зерносырья [3]. При дезинтеграции биомассы на поверхности клеточных оболочек микроорганиз-
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
мов формируется отрицательный поверхностный потенциал (22-75 мВ), при этом необходимо определенное содержание липидов и углеводов. Биосорбент может быть использован как в виде водной суспензии, так и виде гранул. Биосорбентом может служить как биомасса дрожжей Saccharomyces cerevisiae, так и бактерий - Zymomonas mosilis, Clostridium thermocellum. Биосорбент обладает большой сорбционной емкостью как к положительно заряженным частицам за счет отрицательного поверхностного потенциала, так и к органическим веществам за счет содержащихся в нем липидов и углеводов. Описаны несколько способов получения биосорбента. Водную суспензию дрожжей или бактерий, применяемых при сбраживании, нагревают, отделяют центрифугированием твердую фазу, которая и представляет собой искомый биосорбент. Отрицательный поверхностный потенциал при этом составляет 37-50 мВ.
Предлагается также способ обработки микроорганизмов сжатым оксидом углерода под давлением 6-9 МПа в изобарических условиях. Спустя 0,5-0,7 ч давление сбрасывают, твердую фазу, представляющую абсорбент, отделяют. Полученный любым способом биосорбент при толщине слоя твердой фазы 12 мм и объеме 1,4 дм3, практически полностью удаляет из водных растворов хлорорганические и фосфорорганичес-кие соединения при содержании их не выше 1,4 мг/л, катионы тяжелых металлов (свинец медь,кадмий,ртуть) при общем содержании их в растворе до 13 мг/л.
Разработан способ дополнительной очистки продукта при производстве крепких спиртных напитков [4]. При этом осуществляют очистку смеси спирта с технологической водой (сортировки) на биосорбенте, также представляющем собой дезинтегрированные клетки микроорганизмов, применяемых при микробиологическом сбраживании сахари крахмалсодержащего сырья. Биосорбент после насыщения органическими примесями, количество которых в сортировке значительно превышает количество ионов тяжелых металлов, может быть использован в качестве компонента органических и органоминеральных удобрений. Для получения биосорбента дезинтеграцию можно проводить любым способом (термически или посредством сжиженного диоксида углерода), до тех пор, пока оболочки клеток микроорганизмов не получат требуемый отрицательный поверхностный потенциал. Очистку предлагается осуществлять на керамическом фильтре, на котором находится слой биосорбента, причем в процессе очистки толщина слоя сорбента не должна увеличивать-
ся более чем на 15 %. После биосорбента сортировку подают на батарею колонн с активированным углем. Полученный напиток содержит на 14 % меньше альдегидов и сивушных масел, на 80 % метанола, а также на 21 % меньше ионов тяжелых металлов по сравнению с известными аналогами, а дегустационная оценка составляет 9,9.
Согласно работе [5], основной отход спиртового производства - послеспир-товая барда - служит хорошей основой для метанового сбраживания и получения витамина В2
Заслуживает внимания использование отходов производства этилового спирта в составе удобрений на основе птичьего помета [6]. При таком способе приготовления удобрения значительно уменьшается потребление минеральных солей и повышается качество удобрений. Предлагается смешивать отходы птицеводства - птичий помет с отходами микробиологического производства этилового спирта, после чего смесь выдерживать до начала деградации органического компонента и вносить в качестве удобрения в почву. После смешения в смесь могут быть дополнительно введены различные минеральные соединения, содержащие калий, фосфор, азот, а также микро - и макроэлементы. Удобрение может быть использовано в виде водной суспензии, при этом высокая концентрация питательных веществ делает рентабельной перевозку удобрения на значительные расстояния. Более эффективно получать удобрение в гранулированной форме. Для этого массу перемешивают до образования однородного состава, и с помощью шне-кового пресса формуют гранулы удобрения. В результате получают комплексное органоминеральное удобрение, содержащее основные питательные вещества, а также биоактивную добавку, способствующую активации консорциума почвенных микроорганизмов и усвоению растениями питательных веществ.
Практический интерес представляет также биотехнология получения упрочняющих добавок к бетону с применением отходов спиртового производства, разработанная в работе [7]. Приготовление таких пластификаторов на основе спиртовой барды позволяет регулировать текучесть бетонных смесей, скорость их затвердевания и обеспечивает повышенную прочность бетона, что дает заметный эффект в строительстве.
В работе [8] приведены данные об использовании в качестве субстрата для биосинтеза лимонной кислоты сивушного масла. Показано, что выход лимонной кислоты при ее биосинтезе дрожжами Candida lipolytica при применении сивушного масла повышается по сравнению с контрольными показателями,
полученными при биосинтезе лимонной кислоты этими же дрожжами на спирте-ректификате. Вопросы полезной биоутилизации эфироальдегидной фракции - отхода ректификационной очистки спирта - разработаны применительно к получению кормовой белковой биомассы в работе [9].
Согласно проведенным исследованиям, жидкие отходы - стоки спиртового производства - наиболее эффективно очищать, используя анаэробно-аэробную схему биоочистки с получением в анаэробных реакторах (метанореакто-рах) биогаза с выходом около 0,6 л/кг ХПК стоков [10].
Таким образом, рассмотренные примеры показывают реальную возможность создания комплексного многопродуктового производства на базе спиртового завода, обеспечивая при этом полезную утилизацию отходов. В этом случае решаются основные экономико-экологические задачи спиртового производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кухаренко А.А., Винаров А.Ю. Безотходная биотехнология этилового спирта. - М.: Энергоатомиздат, 2001.
2. Патент РФ № 2138180, 1998. «Кормовая добавка». Кухаренко А.А., Вина-ров А.Ю., Сидоренко Т.Е.
3. Патент РФ № 2143318, 1998. «Биосорбент на основе микроорганизмов спиртового брожения». Кухаренко А.А., Винаров А.Ю., Соколов Д.П.
4. Патент РФ № 2139931, 1998. «Способ производства водки». Кухаренко А.А.
5. КухаренкоА.А. Испытание технологии получения кормового концентрата В12//Хранение и переработка сельсхоз-сырья. 1997. № 5. C. 4.
6. Патент №РФ 2143415, 1998. «Способ получения удобрения с биоактивной добавкой». Кухаренко А.А., Винаров А.Ю., Ипатова Т.В.
7. Патент № РФ 2243950, 2003. «Способ приготовления пластификаторов к бетонам из спиртовой барды». Шитиков Е.С., Винаров А.Ю. и др.
8. Винаров А.Ю, Сидоренко Т.Е., Дра-чева Л.В. Перспективная технология и модульная установка для получения лимонной кислоты из различных источников сырья//Хранение и переработка сельхозсырья. 1998. № 6. C. 9-41.
9. Патент РФ № 2209250, 2001. «Способ микробиологической переработки отходов ректификационной очистки спирта». Винаров А.Ю., Сидоренко Т.Е. и др.
10. Сорокодумов С.Н., Винаров А.Ю, Кухаренко А.А., Кузнецов А.Е. Биотехнология этилового спирта из зернового сырья. - М.: Россельхозакадемия, 2004.
