Анализ водопотребления в технологических процессах переработки зерна на спирт

Из всех сырьевых ресурсов, используемых для проведения технологических процессов переработки зерна на спирт, вода является основным составляющим материальных потоков. Основное ее предназначение – обеспечение условий для ведения биокаталитических процессов: растворение крахмала, его ферментативный гидролиз, дрожжегенерация, брожение. На эти цели, в пересчете на 1 000 дал спирта, требуется 70–90 м3 воды, что составляет порядка 10% от ее общего потребления.

Основное ее количество 950–1600 м³ применяется в качестве хладагента для охлаждения полупродуктов спиртового производства: разваренная масса, осахаренное и бродящее сусло, в процессах брагоректификации, при переработке барды на стадии вакуум-упаривания. Кроме того, вода используется в котельной для получения пара (до 100 т/1000 дал спирта), на мойку и дезинфекцию оборудования, хоз. бытовые нужды [1 –3] .

Во ВНИИПБТ созданы нормативные документы [4, 5] регламентирующие потребление воды на различных стадиях спиртового производства и количество образуемых жидких стоков, требующих очистки, однако, в силу развития технологий и оборудования в области ресурсосбережения, некоторые положения указанных документов и требуют актуализации. В статье приводится обобщенный анализ водопотребления с учетом современных (инновационных) исследований, обеспечивающих ее сокращение.

Качество воды для технологических, питьевых и хозяйственно-бытовых нужд, должно соответствовать требованиям СанПиН 2.1.3684–21 [6] . Потребление воды спиртзаводами осуществляется в основном из поверхностных и подземных источников. Вода из коммунальных сетей используется лишь небольшим числом заводов, в связи с удаленностью большинства спиртовых производств от крупных населенных пунктов и лишь в незначительных количествах (например для хозбытовых нужд), так как при существующих тарифах на водопотребление и водоотведение затраты спиртзаводов на воду составили бы порядка 100 рублей за 1 дал, что эквивалентно 20% себестоимости спирта [7] .

Анализ структуры водопотребления на спиртзаводах показал, что использование современных технологий и оборудования позволяет максимально сократить водопотребление с одновременным снижением количества жидких производственных стоков [8] .

Снижение потребления воды на спиртовых заводах может быть достигнуто несколькими способами. Во-первых, за счет сокращения потребления технологической воды (для приготовления замеса) путем переработки сырья при повышенных концентрациях и многократного повторного использования жидких потоков (фильтрата барды, кислого конденсата с вакуум-выпарной установки) взамен свежей воды [9 –11] . Так повышение концентрации сусла (растворимых сухих веществ) с 16–18% до 22–24% за счет снижения гидромодуля позволит сократить 20–25% воды для приготовления замеса.

Методика

В ходе работы проводили анализ существующей нормативной базы, регламентирующей производство спирта, анализировали фактическое потребление воды на действующих предприятиях отрасли в пересчете на производство 1 000 дал спирта. Обозревали современные технологии ресурсосберегающей технологии для получения комплекса рекомендаций по рациональному использованию водных ресурсов, которые потенциально могут снизить водопо-требление до 10 раз.

Результаты и обсуждение

Во ВНИИПБТ с целью повторного использования жидких сред были проведены исследования [12 -15] в которых в качестве жидкой фазы на стадии получения зернового замеса использовали 20% фильтрата барды и до 80% конденсата, образуемого при вакуум-выпаривании фильтрата барды. Полученные результаты по выходу спирта, образованию примесей в бражке, показали перспективность такого приема.

Примером замкнутого водообеспечения также может быть технология «Биостил» [16] , разработанная компанией Chematur (Швеция). Ее особенность – практически 100%-я циркуляция жидкой фазы основного продуктового потока на всех стадиях производства. Началом является получение водно-зернового замеса, затем она участвует в процессах водно-тепловой ферментативной обработки и после отгонки спирта, в виде тонкого фильтрата барды, возвращается на головную стадию производства. В данной технологии предусмотрен сокращенный срок брожения, обеспечивающий минимальное накопление побочных примесей. Остаточные несбро-женные углеводы возвращаются с фильтратом барды на повторную переработку.

Дополнительным примером повторного использования технологической воды является применение водно-спиртовой жидкости, образуемой после спиртоловушки для заполаскивания бродильных чанов взамен воды при их освобождении от зрелой бражки. Помимо экономии чистой воды это исключает разбавление бражки и сокращает затраты пара на ее перегонку.

Как уже отмечалось, основное количество воды, необходимое спиртовым заводам, используется для охлаждения и конденсации продуктовых потокоа на различных этапах технологического процесса. Так, в пересчете на 1000 дал спирта для охлаждения разваренной массы по нормативам требуется 150–300 м3 воды, для охлаждения бродильных чанов 600–800 м3, на бргоректификацию до 500 м3, на вакуум-упаривание фильтрата барды до 1000 м3. Современное теплообменное оборудование, а также современные системы охлаждения и рецир- куляции хладагента позволяют снизить расход воды для охлаждения в 10 и более раз. Такие системы обеспечивают постоянную циркуляцию воды в системах охлаждения с подпиткой, компенсирующей ее частичное испарение в количествах, не превышающих 5–10% от общего потока.

Также в спиртовом производстве существует техническая возможность значительного снижения водопотребления в котельной на производство пара. Достигается это путем возврата в котельную «чистого» конденсата пара, образуемого в системах «глухого» нагрева полупродуктов. Особенно это актуально в процессах брагоректификации и переработки барды в сухие продукты (рисунок 1).

Технологическая вода Process water

Отработанная вода

Waste water

Котельная

Boiler room

Зерно Grain

Брагоректификация Bragorectification

Вода техническая Technical water

Подготовка и сбраживание зернового сырья Preparation and fermentation of grain raw materials

Переработка барды Recycling stillage

Сухая барда Dry s tillage

Рисунок 1. Схема оборотного водоснабжения спиртового производства

Figure 1. Scheme of recycling water supply of alcohol production

СО 2

Спирт Alcohol

Охлажденная вода Cooled water

Пар

Steam

Чистый конденсат Pure condensate

Фильтрат барды Filtrate sti llage

Градирня

Cooling tower

Так, на стадии брагоректификации требуется до 70 т пара на 1000 дал спирта, а в процессе сушки до 50 т острого пара. Внедрение энергосберегающих технологий также позволяет снизить расход пара на производство спирта [17, 18]. Современные «Мягкие» схемы тепловой обработки замесов потребляют 7–8 кг пара на 1 дал спирта вместо 20–22 кг по «жестким» схемам разваривания. Энергосберегающие БРУ, в которых колонны работают под разным давлением, а пар используется последовательно в нескольких колоннах потребляют 28–35 кг пара на 1 дал спирта вместо 60–70 кг в «классических» аппаратах [19, 20].

Рассмотренные способы сокращения водо-потребления на различных стадиях получения спирта могут быть, без значительных инвестиций, реализованы на действующих спиртзаводах с одновременным снижением количества производственных стоков, требующих очистки. В таблице 1 приведены усредненные данные водопотребления при прямоточной и оборотной схемах.

Таблица 1.

Потребление воды при производстве спирта, м3/1000 дал

Table 1.

Water consumption in the production of alcohol, m3/1000 decaliters

Назначение Purpose	Водопотребление | Water consumption
	Прямоточное Direct-flow	Оборотное Negotiable
Спиртовое производство | Alcohol production
На технологические цели: получение замеса, промывка СО 2 , и т. д. | For technological purposes: mixing, washing with CO 2 , etc.	90±6	40±3
Котельная | Boiler room	70±4	30±3
На охлаждение | For cooling: – разваренной массы, осахаренного сусла | boiled mass, saccharified wort – дрожжегенерации, брожения | yeast generation, fermentation – брагоректификации | bragorectification	225±6 650±18 400±11	60±7
Мойка, дезинфекция оборудования | Washing, disinfection of equipment	22±4	20±3
Питьевая и хоз. бытовые нужды | Drinking and household needs	8±1	8±1
Итого | Total:	1455±50	158±18
Переработка барды | Recycling stillage
Конденсация паров при вакуум выпаривании барды | Vapor condensation during vacuum evaporation of stillage	900±21	45±5
Мойка, дезинфекция оборудования, хоз. бытовые нужды | Washing, disinfection of equipment, household needs	2±1	2±1
Итого | Total:	902±22	47±6

Заключение

Вышеописанные примеры и приведенные данные свидетельствуют о возможности переработки зерна на спирт с минимальным водопо-треблением. Для этого необходима реализация следующих мероприятий:

• •    переработка сырья при повышенных концентрациях, что достигается гидромодулем (соотношением зерно/ода) не выше, чем «1/2,5», при этом концентрация спирта в зрелой бражке должна быть не менее 12% об.;

• •    применение низкотемпературных режимов водно-тепловой обработки сырья;

• •    «глухой» обогрев бражных колонн с рекуперацией тепла в процессах брагоректификации;

• •    повторное использование жидких стоков: (фильтрат и конденсат барды, лютерная вода, водноспиртовая жидкость после спиртоло-вушки, и т. д.);

• •    оборотное водоснабжение условно чистой охлаждающей воды с использованием градирен;

• •    последовательное использование воды в процессах охлаждения: брожения, осахаривания;

• •    повторное использование «чистого» конденсата пара, образуемого в процессах «глухого обогрева» при брагоректификации, вакуум-упаривании и сушки барды и др.;

• •    применение теплообменных аппаратов с высоким коэффициентом теплопередачи: спиральные, пластинчатые;

• •    автоматизация контуров регулирования температуры, расхода воды, давления, и т. д.;

• •    применения «сухих» градирен с использованием в качестве хладагента – этиленгликоля.

Внедрение вышеуказанных мероприятий позволяет максимально (в 10 и более раз) минимизировать потребление воды из внешних источников, сократить производственные стоки. Это в свою очередь снижает эксплуатационные затраты, которые при оптимальном варианте в себестоимости спирта могут составлять не более 2,0–2,5%.

Научно-исследовательская работа проведена за счет средств субсидии на выполнение государственного задания (тема № FGMF-2022-0006).