Етапи виробництва біоетанолу на крохмалевмісній сировині

4.1.1. Підготовка сировини. Сировина становить істотну частину собівартості біоетанолу.

Подрібнення. Рівномірне подрібнення зерна прискорює переробку, знижує собівартість і підвищує вихід продукту. На етапі підготовки із сировини також вилучають компоненти, що не використовуються при одержанні біоетанолу, але можуть бути сировиною для виробництва інших продуктів. Наприклад, за допомогою вологого подрібнення із сировини одержують крохмаль А і В (рис. 4.1). Крохмаль А переробляється в глюкозу та інші цукристі речовини, а крохмаль В служить сировиною для виробництва біоетанолу. Із зародків пшениці й кукурудзи можна вилучити цінні олії. За «сухим» (класичним) способом (рис. 4.2) вилучення частини крохмалю та клейковини не відбувається.

Суспендування і оцукрювання. Суспендування й оцукрювання – це перетворення полісахариду крохмалю у придатні для зброджування дріжджами моноцукри. Суспендування починається із затирання, тобто додавання в борошно теплої води з одержанням суспензії. Потім її нагрівають парою у апараті - розварювачі, де крохмаль під дією альфа-амілазних ферментів у оптимальних температурних умовах перетворюється на гель і зріджується. Під дією амілолітичних ферментів крохмаль перетворюється на мальтлдекстрин, тобто розчин олігоцукрів. Цей гідролізований крохмаль піддається подальшій переробці – оцукрюванню, у ході якої глюкоамілазні ферменти в умовах регульованої температури й рН перетворюють декстрин у придатну для зброджування глюкозу.

4.1.2. Стадія ферментації. Зброджування Частина оцукреного сусла відбирається з апарату й подається в дріжджогенератор. Оцукрене сусло з апарату-оцукрювача змішується з активованою дріжджовою біомасою в бродильному апараті. Перемішування забезпечує оптимальний контакт дріжджів із цукрами, а регулювання температури й вмісту поживних речовин підтримує необхідну швидкість зброджування. Процесс бродіння триває 48...60 годин. За цей період всі доступні цукри сусла зброджуються до етанолу і вуглекислого газу. Дріжджі перетворюють молекулу глюкози на 2 молекули етанолу й 2 молекули вуглекислого газу. Отримана в результаті бродіння культуральна рідина містить до 10% етанолу.

На спиртових заводах застосовують періодичний і безперервно-поточний способи зброджування. Для цього використовують природно-чисті культури дріжджів. Для пригнвчення розвитку бактерій використовують підкислення середовища до рН 3,8-4,0. Такі значення рН менш сприятливі для дріжджів, ніж рН 4,5-5,0, але повільне розмноження дріжджів компенсується можливістю одержання практично чистої культури у нестерильних умовах.

Спиртові дріжджі, які застосовуються для переробки крохмалевмісної сировини, повинні мати високу бродильну активність, швидко і повно зброджувати цукри, а також використовувати інші компоненти поживного середовища в анаеробних умовах, бути стійкими до продуктів свого обміну (особливо до спирту), добре протистояти розвитку контамінуючої мікрофлори. Останнім часом велика увага приділяється селекції термотолерантних рас, які мають ряд переваг (пришвидшення мікробіологічних процесів, зменшення витрат холодоагента). Розробляються методи одержання етанолу з використанням іммобілізованих клітин.

4.1.3. Виділення і очищення біоетанолу. Дистиляція і ректифікація. Дистиляція починається із бражної колони. Тут із продукту бродіння (культуральної рідини) відганяється суміш етанолу і води. Подальше очищення відбувається в ректифікаційній колоні, де спирт максимально звільняється від води і склад пари наближаються до азеотропної точки.

Зневоднювання і очищення етанолу. Щоб одержати паливний етанол, зі спирту-сирцю потрібно видалити воду. Воду можна видаляти за допомогою молекулярних сит, дифузійного випарювання через мембрану або азеотропну перегонку з розділяючими агентами.

• технологія молекулярних сит. Використання молекулярних сит (адсорбентів) – це найсучасніша низькоенергетична технологія зневоднювання. Перегріта суміш пари етанолу і води проходить через шар цеоліту, тобто пористого матеріалу з дуже точно витриманим розміром пор. Молекули води трохи менше розміру пор і в силу своєї високої полярності затримуються в порах електростатичними силами. У той же час більші молекули етанолу проходять крізь молекулярні сита, не затримуючись. У результаті утворюється безводний етанол.

• дифузійне випарювання – це альтернативний метод осушуваня, у якому застосовуються гідрофільні мембрани. З одного боку мембрани створюється вакуум. У силу розходження дифузійного опору й парціального тиску етанолу і води відбувається розділення цих речовин на мембрані. Вода проходить крізь неї, а знезводнений етанол залишається.

• азеотропна перегонка. У цих системах у суміш спирту й води додається розділяючий агент, що утворює азеотроп з етанолом або водою. Потім у регенераційній колоні цей азеотроп розділяється на розділяючий агент і компонент вихідної суміші.

Кінцевий продукт (біоетанол) направляється в спиртосховищі, звідки відвантажується автомобільним, або залізничним транспортом.

На стадії дистиляції утворюється основний відхід виробництва біоетанолу – післяспиртова барда, що переробляється для одержання DDGS (Drіed Dіstіllers Graіns wіth Solubles – суха збагачена барда), кормових дріжджів або біогазу. DDGS – може бути використана як високоякісний корм для тварин. Кормові дріжджі є високоцінною білковою добавкою у виробництві комбікорму, кормосумішей і преміксів для годівлі всіх видів с/г тварин, птахів, риби й хутрових звірів.