Анализ экономических и технологических факторов, влияющих на эффективность получения этилового спирта для химических и топливных целей

В мировом объеме производства этанола на долю пищевого спирта приходится не более 20%. Остальной производимый этиловый спирт используется либо на топливные цели – для производства оксигенатов, либо на химические цели – для производства этилацетата, Для цитирования

уксусной кислоты, кротонового альдегида и еще целого ряда химических веществ (рисуно к 1) .

Эффективность применения этилового спирта на топливные и химические цели определяется рядом факторов: обеспечение качественных показателей готовой продукции, обеспечение низкой себестоимости, обеспечение безотходности

производства, а также обеспечение невозможно- экономическую целесообразность производства сти применения технического этилового спирта на и применения технического этанола, является пищевые цели. Основным из них, определяющим обеспечение его низкой себестоимости.

Рисунок 1. Варианты получения химической продукции из этилового спирта

Figure 1. Options for obtaining chemical products from ethanol

В структуре себестоимости этилового спирта из зерна доля сырья составляет 60–65% (таблица 1). При этом рыночная стоимость этанола на уровне 450–500 р. за 1 дал является неконкурентной на топливном и химическом рынке. Частично себестоимость спирта можно снизить внедрением ресурсо- и энергосберегающих технологий, подразумевающих: переработку концентрированных сред по «мягким» режимам; применение современного теплообменного оборудования; исключение разбавления продуктового потока теплоносителем; многократное использование тепла и жидкой фазы. Реализация такой технологии позволит сократить теплоэнергозатраты и водопотребление на 25–35%. Однако в себестоимости спирта снижение затрат составит не более 5%.

В то же время в последние годы растет количество заводов по глубокой переработке зерна, например, с получением глютена, крахмалов, сиропов, аминокислот или органических кислот. При этом в больших количествах образуются крахмалсодержащие вторичные сырьевые ресурсы (ВСР). Это, в первую очередь, фракция крахмала Б, пентозаны, отруби, которые могут быть переработаны в этиловый спирт, кормо-продукты и жидкую углекислоту [1–5]. При этом в общей прибыли предприятия по глубокой переработке зерна доля прибыли от спирта не превысит 15% (таблица 2), поэтому большую часть стоимости зерна можно отнести на другую продукцию.

Таблица 1.

Структура себестоимости этанола из зерна

Table 1.

The structure of the cost of ethanol from grain

Наименование элементов затрат Name of cost elements	Стоимость на 1 т зерна, р. Cost per 1 ton of grain, rubles
	8000 дал/сут 8000 decalitre/day	9000 дал/сут 9000 decalitre/day	10000 дал/сут 10000 decalitre/day
1	2	3	4
Сырье | Raw materials	222	250	278
Основные и вспомогательные материалы Basic and auxiliary materials	25
Топливо | Fuel	71
Электроэнергия | Electricity
Основная и дополнительная заработная плата производственных рабочих The basic and additional wages of production workers	54
Отчисление на социальное страхование (27,1% от ФЗП) The deduction for social insurance (27.1% of the wage fund)
Амортизация основных фондов Depreciation of fixed assets
Цеховые расходы | Shop costs
Общезаводские расходы | General plant costs
Прочие производственные расходы Other production costs

Продолжение табл. 1 | Continued table 1

1	2	3	4
Итого производственная себестоимость Total production cost	372	400	428
Доля сырья в себестоимости Share of raw materials in cost price	60	62,5	65
Производственная рентабельность Production profitability	20%
Рыночная стоимость без НДС и акциза Market value, excluding value-added tax and excise tax	446	480	514

Тогда затраты на сырье не превысят 100 р. на 1 дал, себестоимость получаемого спирта может быть на уровне 250 р. за 1 дал, а его рыночная стоимость не превысит 300 р. за 1 дал. Такая стоимость является приемлемой для применения этанола как сырья для производства химической продукции, такой, как этилацетат или уксусная кислота. А учитывая, что на многих заводах по глубокой переработке зерна ВСР являются практически отходами, то одновременно с получением этанола решаются и экологические проблемы [6–8].

Однако несмотря на то что в мировой практике крахмальное молоко достаточно давно применяется для производства этанола, существует ряд технологических проблем при его переработке: обеспечение высокого выхода спирта, а также проблема переработки барды. Для решения этих задач в лаборатории комплексной переработки сырья ВНИИПБТ были проведены исследования.

Материалы и методы

Для проведения исследований были получены образцы ВСР с нескольких предприятий. Проведен их анализ на содержание крахмала и протеина. Так, содержание крахмала в крахмальном молоке в среднем составило 20%, а в отрубях – 16%. Содержание протеина в молоке находится на уровне 5–6% абсолютно сухого вещества (асв), в отрубях 16–17% асв.

Таблица 2.

Технико-экономические показатели глубокой переработки пшеницы из 1 тонны пшеницы

Table 2.

Technical and economic indicators of deep processing of wheat from 1 ton of wheat

Показатели | Indicators	Продукты переработки | Refined products
	Глютен Gluten	Лизин Lysine	Сухая барда Dry grains	Спирт Alcohol	Жидкий СО 2 Liquid CO 2
Единица измерения | Unit of measurement	кг | kg	кг | kg	т | tons	дал | decalitre	т | tons
Количество | Amount	77	200	0,11	15	0,07
Стоимость ед., р. Unit price, rubles	70	90	9000	330	9000
Стоимость продукции, р. Cost of production, rubles	5390	18000	990	4950	630
Производственная рентабельность, % Production profitability, %	30	30	50	20	100
Чистая прибыль товарной продукции, р. Net profit of commodity output, rubles	1243	4153	330	825	315
Общая прибыль, р. Total profit, rubles	6866
Доля прибыли от спирта, % Share of profits from alcohol, %	12%

Далее проводились исследования по переработке крахмального молока в этиловый спирт. На первом этапе исследований были экспериментально подобраны оптимальные режимы водно-тепловой и ферментативной обработки крахмального молока.

Результаты и обсуждение

Исследования по сбраживанию сусла из крахмального молока показали, что несмотря на практически полное усвоение дрожжами сахаров сырья, выход спирта оказался ниже нормативного. Это, вероятно, связано с повышенными тратами углеводов на накопление биомассы при переработке обедненного белком и аминокислотами крахмального молока. Отсутствие взвешенных частиц в сусле способствует быстрому оседанию дрожжей, что негативно сказывается на технологических показателях (таблица 3).

Таблица 3.

Технологические показатели зрелой бражки при переработке крахмального молока

Table 3.

Technological parameters of mature mating during processing of starch milk

Технологические показатели Technological indicators	Единица измерения | Unit of measurement	Значения Values
Отброд | Apparent density	оБ	-0,50
рН	-	4,45
Кислотность | Acidity	оД	0,35
Содержание спирта | Alcohol content	% об. | % vol.	11,40
Остаточные углеводы | Residual carbohydrates
– общие | general	г/100 см3 | g/100 cm3	0,21
– растворимые | soluble	г/100 см3 | g/100 cm3	0,18
– нерастворенный крахмал | undissolved starch	г/100 см3 | g/100 cm3	0,02
Выход спирта | The yield of alcohol – фактический | actual – нормативный (для пшеницы) | normative (for wheat)	дал/т усл. крахмала deciliters/ton of conventional starch дал/т усл. крахмала | deciliters/ton of conventional starch	65,40 66,30

Дисперсный анализ образуемой барды показал, что размер большинства частиц находится в промежутке 0–0,5 мм, что негативно отразится на дальнейшей ее переработке в сухие продукты из-за низкой эффективности оборудования по разделению барды, по концентрированию фильтрата барды, больших энергозатрат на сушку. По основному качественному показателю – содержанию протеина, полученная барда также значительно уступает зерновой и не соответствует ГОСТу на барду кормовую.

На следующем этапе исследований проводили совместную переработку крахмального молока и отрубей. Учитывая, что отруби содержат большое количество некрахмалистых полисахаридов, в начале провели исследование влияния концентрации отрубей в замесе на его вязкость. Установлено, что максимальная концентрация отрубей в замесе при сохранении его технологичности составляет не более 10–12%.

Далее проводили сбраживание сусла, полученного из смеси крахмального молока и отрубей в различном соотношении. Анализ полученных данных показал, что наилучшие технологические показатели, в том числе и выход спирта, были получены в варианте эксперимента с содержанием отрубей 8%. При этом выход спирта находится на уровне нормативного.

Гранулометрический анализ образующейся барды показал, что получаемая барда по своим характеристикам приближена к зерновой. Это позволяет ее перерабатывать в сухие продукты по современным энергосберегающим технологиям. По содержанию протеина полученная барда соответствует ГОСТ 31809–2012 «Барда кормовая. Технические условия» [9], однако данный показатель находится вблизи нижней границы и спрос на такой кормопродукт не будет высоким.

Для повышения ценности получаемого кормопродукта был исследован способ обогащения барды протеином за счет культивирования на ней штаммов-продуцентов кормовых дрожжей. Исследования включали в себя подбор оптимальной концентрации субстрата, оптимального штамма микроорганизма, оптимального минерального питания.

Выводы

Наилучшие показатели были получены при культивировании штамма Rhodosporidium diobovatum 115 на субстрате из смеси барды (85%) и гидролизата крахмального молока (15%). По качественным показателям (таблица 4) получаемый продукт соответствует ГОСТ на кормовые дрожжи из зерновой барды [10].

Таблица 4.

Качественные показатели протеинового кормопродукта

Table 4.

Qualitative indicators of protein feed product

Показатели | Indicators	Единица измерения | Unit of measurement	Значение | Value
Сырой протеин | Crude protein	% на а.с.в. | % on absolutely dry matter	44,7
Истинный белок по Барнштейну True protein according to Barnstein	% на а.с.в. | % on absolutely dry matter	37,8
Углеводы | Carbohydrates	г/100 см3 | g/100 cm3	0,39
Клетчатка | Cellulose	% на а.с.в. | % on absolutely dry matter	8,9
Сырой жир | Crude fat	% на а.с.в. | % on absolutely dry matter	1,35

На основании проведенных исследований была разработана технология переработки смеси крахмального молока и отрубей в этиловый спирт и протеиновый кормопродукт.

Технико-экономический анализ разработанной технологии показал, что из смеси 1 т крахмального молока и 100 кг пшеничных отрубей можно получить 15 дал этилового спирта с себестоимостью порядка 250–280 р. за 1 дал и 100 кг протеинового кормопродукта