Разработка процессов утилизации отходов пивоварения с получением гранулированного продукта Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 663.482

Разработка процессов утилизации отходов пивоварения с получением гранулированного продукта

В. И. Назаров, канд. техн. наук, доцент; М. А. Бичев, аспирант Московский государственный университет инженерной экологии

Ключевые слова: пивная дробина; кизельгур; отходы пивоварения; кормовая добавка; пиво; ячмень.

Keywords: beer pellet; kiselgur; a brewing waste; a fodder additive; beer; barley.

На предприятиях пивоваренной промышленности России ежегодно скапливается огромное количество сырых влажных отходов, таких как пивная дробина (ПД) и кизельгур. Они практически не утилизируются, а их переработка требует значительных затрат как на транспортировку, так и на перевод в товарный продукт.

Пивная дробина — гуща светло-коричневого цвета со специфическим запахом и вкусом ячменного солода. Твердая часть дробины — оболочка и нерастворимая часть зерна. На предприятиях она образуется как остаток после отделения жидкой фазы — пивного сусла — в процессе фильтрации затора (рис. 1). Представляет собой суспензию влажностью 70-80%, в сухом остатке которой большое количество протеина, в 3 раза превышающее содержание в ячмене. Кроме того, ПД содержит 70-75% белковых веществ и 80% жира, имевшихся в исходном солоде. Это обусловливается тем, что при изготовлении сусла используют в основном растворимые сахара из сердцевины зерна. Из 100 кг перерабатываемых зернопродуктов образуется 125-170 кг сырой пивной дробины влажностью 88% с выходом 2,4-2,6 т на 1000 дал (1 дал = 10 л) полученного пива. От технологии производства на разных заводах зависят фракционный состав ПД, количество оставшихся клейких веществ, плотность шелухи (оболочки зерна) и, как следствие, меняется характер ее поведения при прессовании. В дробине содержатся оболочки зерна, неосахаренный крахмал и другие нерастворимые вещества с витаминами

(табл. 1 и 2). Также находятся белки, осажденные в результате кипячения затора, и продукты взаимодействия

белка с дубильными веществами. Из сахаров в пивной дробине обнаружены манноза, ксилоза, арабиноза, глюкоза, и галактоза. В жидкой фракции пивной дробины имеются липидные вещества, представленные в основном триглицеридами, свободными жирными кислотами и фосфолипидами. Большая часть витаминов, содержащихся в ячменном солоде, переходит в дробину: витамины Е (токоферол), В1 (тиамин), В2 (рибофлавин), В6 (пиридоксин), РР (никотиновая кислота), витамин Н (биотин), фолиевая и пантотеновая кислоты.

Существуют различные способы переработки ПД: получение ксилита, производство кормовых добавок и комбикормов на ее основе, использование в качестве топливного компонента, а также мелиоранта почв.

Пока что ПД часто применяют в качестве корма для жвачных живот-

Солод

Ячмень Пшеница

Очистка солода и ячменя

Шелуха, пыль, ростки

Дробление солода и ячменя

Приготовление затора

Вода

Фильтрование затора

Хмель

Дробина

Кипячение сусла с хмелем

J

Отделение сусла от хмелевой дробины

Хмелевая дробина

Осветление и охлаждение сусла

Главное брожение сусла

Отработанные дрожжи

Дображивание молодого пива

J

Осветление пива

Кизельгур

Т

Розлив пива

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема производства пива, показывающая, на каких стадиях образуются отходы

32 ПИВО и НАПИТКИ 3 • 2011

ных и птиц. Однако в жидком виде она быстро прокисает (за трое суток) и долго не хранится. Для перевода ПД в порошки или гранулы часто используют сушку с помощью распылительных сушилок или сушилок в кипящем слое. В гранулированном виде она не слеживается, хранится долго и сохраняет свои питательные свойства. Однако эти процессы энергоемкие и при высокой стоимости требуют больших площадей для размещения собственного оборудования. При многотоннажности производства отходов гранулирование целесообразно проводить методами прессования на валковых прессах или роторных грануляторах с кольцевой или плоской матрицей. Поэтому стоит вопрос о подборе связующих и создании легкопрессуемых композиций, образующих прочные гранулы.

Что касается кизельгура, то его можно использовать в промышленности в качестве адсорбента или добавки при производстве цемента, обычных и силикатных кирпичей, а также в сельском хозяйстве в качестве удобрения, вспомогательного материала для улучшения почвы или добавки к комбикормам. При введении кизельгура в почву происходит ее разрыхление, увеличивается объем ее пор, улучшается микробиологическое действие почвы, повышается количество удерживаемой влаги и питательных веществ и десорбция фосфатов; при обработке кизельгуром растений облегчается попадание в них Н^Ю3, повышаются прочность стеблей и устойчивость растений к повреждениям и их урожайность.

Отработанный кизельгур, впитав в себя белок, сахара, прочие вещества и микроорганизмы из пива, как и дробина, не может долго храниться. При комнатных температурах он уже на второй день начинает неприятно пахнуть, затем расслаивается и зарастает плесенью. Таким образом, чтобы добавлять его в комбикорма, его необходимо подсушить, сграну-лировать и дезинфицировать.

В Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ) на кафедре ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств» был исследован процесс получения гранул из ПД методом компактирования на роторном грану-ляторе. Исследование проводили при прессовании в закрытой матрице с различными связующими и добавка-

Таблица 1

Показатель Пивная дробина, в 1 кг

жидкая сухая

Сухое вещество, г 232 887

Сырой протеин, г 58 217

Сырая клетчатка, г 39 140

Безазотистые экстрактивные вещества (БЭВ), г 107 406

Сырой жир, г 17 60

Витамин Е (токоферол), мг 14 23

Витамин В1 (тиамин), мг 0,2 0,6

Витамин В2 (рибофлавин), мг 0,3 0,9

Витамин В4 (холин), мг 510 1300

Витамин В5 (никотиновая кислота), мг 13 36

Таблица2

Показатель Содержание Показатель Содержание

1 Общий химический состав 1 Аргинин , % 1,07

Влага,% 8,67 Аспарагиновая кислота , % 1,35

Сырой протеин, % 23,44 Треонин , % 0,77

Сырой жир,% 7,75 Серин , % 0,89

Сырая зола , % 2,5 Глутаминовая кислота , % 4,57

Сырая клетчатка , % 14,3 Пролин , % 2,05

Безазотистые 43,44 Глицин , % 0,79

экстрактивные вещества , % Аланин , % 0,94

Микроэлементы Цистин , % 0,46

Кальций,% 0,37 Валин , % 1,06

Фосфор , % 0,5 Метионин,% 0,5

Марганец, мг/кг 52 Изолейцин,% 0,79

Цинк, мг/кг 105 Лейцин , % 0,57

Железо, мг/кг 205 Тирозин,% 0,61

Медь, мг/кг 15 Фенилаланин,% 1,23

Аминокислоты Всего аминокислот , % 19,17

Лизин , % 0,86 В том числе незаменимых 7,51

Гистидин , % 0,66 аминокислот,%

ми (табл. 3). В качестве связующих использовали отходы целлюлозно-бумажной промышленности (лигно-сульфанат и водные растворы ПВА) и пищевые продукты. При гранулировании, после увлажнения все смеси нагревали до температуры 80 °С. Таким образом, моделировалась технология процесса, осуществляемого на ОАО «ПК «Балтика». Плотность и прочность получаемых прессовок сравнивали с заводскими гранулами. Некоторые смеси подвергали дополнительной механоактивации в барабанах с металлическими шарами. Прессовки из смесей № 1, 2, 3, 6, 7, 10, 11, 13, 14 служат питательными кормовыми добавками, а также гранулированными компонентами, которые можно добавлять в комбикорма различного назначения. Кроме этого получали прессовки с добавками кальцийсодержащих отходов, которые можно использовать в строительных смесях, удобрениях,

а также в качестве наполнителей для бетона и вспомогательного материала для улучшения свойств почвы.

Получаемые гранулы в качестве пищевых добавок имели плотность рпр = 800-1400 кг/м3 (рис. 2) и прочность на раскалывание стр= 0,4-1 МПа (рис. 3) при удельном давлении прессования 50200 МПа. Прессовки строительного назначения соответственно имели рпр = 1200-1400 кг/м3 (рис. 4), стр = = 0,8-1,8 МПа (рис. 5) при том же удельном давлении прессования. Влажность шихты колебалась в диапазоне 5-12%. Полученные данные легли в основу создания линии для гранулирования ПД, кизельгура как по отдельности, так и в сочетании с другими отходами. В качестве гра-нулятора применяли высокопроизводительный роторный гранулятор с плоской матрицей.

На основании проводившихся исследований предложена технологи-

3 • 2011

ПИВО и НАПИТКИ

: ^ -5-

« ц

■е-о

й ® го ь

п си

ь

о

8 5 го

и.

ш

Ж л> о „> Д -е-и С 5 ш £ 1 -3 ° ы

ш л ш н 1

§ § 1 8 г §

о о ^

го о н 1=

" к

н го

го ь

<< а>

5 =

Си

о = 2

п> Ж -а о

си

О О

О □

со

п а щ

1 =

^ г

Плотность прессовок, кг/м^

-9 ^ - ы ч ^ 4 ^ | 1

1 ^

1 ]

1. . I

Предел прочности на раскалывание, МПа

Ж

о О С5\ Ж=

к ^

СЛ

к

х

Со ф

Еа С4

а ся Э *

05

Л

ф

о ч ся

со О ся

05

ж

05

ся £

X

ся о ч Ж о ся

ьн °

Ж }Я

Ф о

1э Л

О Ф

СЛ о

05 РЧ

СЯ 05

РЧ а

К ь,

о ж

2 Я

о »

"О я

05 чз

33 о ж

2

ьй 05

чз д

& е

о тз

4 Ф

05 рЧ

ж о

Я Й

йз Ф

VI РЧ

05

СЯ Ф Еа н

05 ся 05 Е

ж

Е рч ^ со

Ж

2 я= я

о ф " о

3 СЛ • ><!

^ я

ы %

Ж "О

ф ^

о Й

V ся

X о

ф }я

ч о ® ®

Е 05

£ §

Ж ТЗ

Й э

о о

§ 03

Я о

7 Ж,:

1э ж

-в- ж

Ж

Еа ' с-

4 тз

05

я ж ж

РЧ

05 33

я

я ся ж

05 со а 05

4 }э О "73

тз о

05 СЛ

ж ж

05

я

о

2 о

™ 05

я о я

05 "73 43

Н Я 1>

РЧ » о

05 Ж О

Ж 05

£ 1-е-

о к § §

ся "о

Ф 05

05

СЛ о ф

Еа ся

ц

я 03

- ф

ж °

С ф

ч "V,

ч

о

Я ч ся Я "О

я 05 Я

Ё ж ф

3 3 3

О 43

дчз ж

О £ -е-

я 1-1

о °

Еа э -

5 я 05

О

2 £ *

£ ф 05

я £ 3

о К 33 й 2

33 ^ й

ф ^

2 СЯ СЛ

о к

ж <3 ж

СО , 05

от ^ г\5 1Л ^ о

£ » ч ° 5 а

^ ХЗ г- Ч м I

Ьэ =1

П со ^

»1111111°

»+111111°

ООО

I I I I К I I

+ I I ё I I I

I I I К I I I

+ 18 1111

г\з о

I ё | ё | |

о о го ■0

т ^

т X X [Г т

ч т

X X

о ь о

13

ь

31 □

го

о ?

[ а

11111

I £ I £ I I I

18 11111

I йй I I I I

ч

с

Пивная дробина

Очищенный воздух в атмосферу

Очищенный воздух в атмосферу

Воздух для продувки

Сырая дробина потребителю

Вода после фильтрации

Конденсат

Гранулированный продукт

1

18

Рис. 6. Технологическая схема переработки отходов пивоварения в кормовую добавку:

1 — бункер-накопитель с мешалкой; 2 — шнековый пресс; 3 — центрифуга; 4 — бункер для кизельгура; 5 — шнековый транспортер; 6 — контактная сушилка; 7 — блок циклонов; 8 — нория; 9 — рукавный фильтр; 10 — промежуточный бункер; 11 — шнековый смеситель; 12 — бункер для связующего; 13 — роторный гранулятор; 14 — ленточный транспортер; 15 — охладитель; 16 — цепной транспортер; 17 — нория; 18 — бункер готовой продукции; 19 — паровой калорифер

он пропускается через центрифугу. В ней под действием центробежной силы жидкость прогоняется через фильтрующую поверхность и таким образом улавливается большая часть примесей. Осветленная отфильтрованная жидкость сливается в канализацию.

На входе в сушилку смешиваются кизельгур (отход при фильтровании пива), отжатая пивная дробина и остаток с центрифуги. Сушка осуществляется контактным методом с помощью вращающегося внутри теплообменника. Высушенная смесь высыпается из сушилки и норией поднимается в промежуточный бункер. Из него смесь падает в смеситель, в котором к шихте добавляются связующие: меласса и лигносульфа-нат технический (возможно использование аналогичных заменителей). Смесь транспортируется в роторный гранулятор с плоской матрицей. В нем вращающиеся ролики проталкивают шихту через матрицу. Про-

ходя через каналы в матрице, смесь прессуется и выходит в виде гранул. Эти гранулы ленточным транспортером поднимаются в охладитель и в нем они обдуваются воздухом. При достижении определенного уровня срабатывают решетки и гранулы пересыпаются в цепной транспортер. Транспортер сдвигает гранулы на норию, и она поднимает их в бункер готовой продукции (рис. 6).

На основании проведенных исследований предложена технологическая линия производства питательной кормовой добавки, которая может быть использована в животноводстве. Были определены прочностные характеристики полученных прессовок и построены компрессионные кривые. Установлено, что таблетки из смесей № 10 и № 14 при прессовании имели максимальную прочность при конечной влажности после подсушивания 9-11%, т. е. композиция из лигносульфа-ната и мелассы имела наилучшее

вяжущее действие. Определено, что предел прочности прессовок на раскалывание (0,8-1,2 МПа) и их плотность (1000-1200 кг/м3) при удельном давлении прессования 70100 МПа позволяют прогнозировать их поведение при транспортировке и хранении. На основе экспериментальных данных выбраны режимные параметры процесса гранулирования и разработана конструкция роторного гранулятора с плоской матрицей. Даны рекомендации по использованию отработанной дробины и кизельгура в качестве добавки к почвенным смесям. Выявлено, что при добавлении к дробине кизельгура и связующих заданная прочность гранул достигается при меньшем удельном давлении прессования. Таким образом, можно говорить о снижении энергозатрат на переработку отходов пивоварения. Кормовую добавку с примесью кизельгура рекомендуется использовать в кормлении домашней птицы.

3 • 2011

ПИВО и НАПИТКИ