Сырьем для производства спирта служат разнообразные растительные материалы, содержащие в достаточном количестве сбраживаемые сахара или другие углеводы, которые можно осахарить. Наиболее широко используются крахмалосодержащие материалы – зерно (рожь, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, просо) и картофель, сахаросодержащие материалы – меласса (отход сахарного и крахмало-паточного производства), дефектная сахарная свекла, а также древесина и отходы сельскохозяйственных растений. Дальнейшее увеличение производство спирта будет идти в основном по пути увеличения мощностей предприятий, использующих непищевое сырье.

Сырьем для получения технического спирта могут служить гидролизаты древесины и других растительных отходов. Древесина хвойных и лиственных пород содержит от 40 до 75% полисахаридов. Различают легко- и трудногидролизуемые полисахариды. Легкогидролизуемые полисахариды состоят из гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Трудногидролизуемые полисахариды содержат целлюлозу с небольшой примесью гемицеллюлоз.

Растительное сырье под давлением подвергают кислотному гидролизу. Полученный гидролизат содержит 3,2 – 3,5% редуцирующих сахаров, преимущественно глюкозу, в небольших количествах галактозу и маннозу, а также пентозы – ксилозу, арабинозу, рамнозу.

Для сбраживания древесных гидролизатов используют ряд рас Sacch. cerevisiae и Schizosaccharomyces. Последние более полно сбраживают галактозу, чем сахаромицеты, и поэтому дают более высокий выход спирта. Брожение проводят по непрерывно-поточному способу при высокой концентрации биомассы (17-25 г/л).

Присутствующие в гидролизате вредные примеси играют роль антисептиков – подавляют развитие посторонних микроорганизмов. Поэтому на гидролизных спиртовых заводах отсутствуют установки для размножения чистых и производственных культур дрожжей, а одни и те же дрожжи используют на протяжении многих месяцев.

Зрелая бражка, полученная в результате брожения, содержит 1,0-1,5% этанола и побочные продукты брожения, несброженные сахара и другие органические вещества. При перегонке бражки и ректификации гидролизного спирта не удается полностью избавиться от этих примесей; гидролизный спирт (ректификат) содержит до 0,05-0,1% метанола и несколько большее количество кислот, сложных эфиров и альдегидов, чем ректификат из пищевого сырья.

При традиционном способе получения этанола из гидролизатов древесины и отходов сельскохозяйственных растений значительная часть моносахаридов, в основном ксилозы, остается неиспользованной. Выявлены дрожжи Pachysolen tannophilus, Candida shehatae (син. Pichia stipitis) и другие, способные сбраживать ксилозу с образованием этанола.

Процесс выделения спирта является пожаро- и взрывоопасным, поскольку промежуточные и конечные продукты его – легколетучие и легковоспламеняющиеся.

Основными задачами системы автоматизации установки являются:

1) сбор информации об измеряемых технологических параметрах (температуре, давлении, уровне, расходе, качестве продуктов);

2) выработка управляющих воздействий на процесс с целью поддержания их на заданном значении;

3) сигнализация по выходе особо значимых параметров за заданные пределы;

4) обеспечение противоаварийной защиты процесса по факту аварийных событий.

2. Описание схемы процесса

Технология производства этилового спирта из растительного сырья (отходы древесины хвойных и лиственных пород и сельского хозяйства) основана на кислотном способе гидролиза.

Предварительно подготовленное сырье (опилки, солома и т.д.) подаются шнековым транспортером (Тр) в верхнюю горловину гидролизаппарата (Га). Для повышения плотности загрузки сырья и его пропитки одновременно с сырьем подается нагретый до 80-90 ^о С 0,5-0,8%-ный раствор H₂ SO₄ . Давление в гидролизаппарате составляет 1,6 МПа.

Концентрированную кислоту из мерника (М) плунжерным насосом (Н-1) через обратный клапан подают в смеситель на верхнем конусе гидролизаппарата, где она разбавляется горячей водой до нужной концентрации. Применяемые смесители с фторопластовыми кольцами и шайбами должны обеспечивать хорошее перемешивание воды и кислоты. Хранение концентрированной серной кислоты проводится в стальных вертикальных резервуарах вместимостью 300 м³ .

Нагрев воды, направляемой на гидролиз, осуществляют в водогрейной колонке (Вк).

Гидролизат, отбираемый из гидролизаппарата, имеет температуру в пределах 150-185 ^о С. Перед поступлением в нейтрализационное отделение его необходимо охладить примерно до 100 ^о С, пропуская через испаритель (И), в котором давление снижается до атмосферного, в результате чего температура тоже понижается. Часть гидролизата при этом превращается в пары, с которыми уходит значительная часть летучих продуктов. В пары самоиспарения переходят до 50% фурфурола, метанол, скипидар и другие вещества [2].

Охлажденный гидролизат поступает в нейтрализатор (Нр), куда насосами (Н-2, Н-3, Н-4, Н-5) подаются сульфат аммония, диаммоний фосфат, хлористый калий, аммиачная вода соответственно. Нейтрализат подается насосом (Н-6) в отстойник (От), откуда осветленное нейтрализованное сусло собирают в сборник (Сб) и насосом (Н-7) подают в теплообменник (Т-1) и далее при температуре 22-24°С в бродильное отделение.

Для приготовления производственных дрожжей 8 % сусла подают в дрожжанки (Др-1 и Др-2), сюда же подают засевные дрожжи в количестве 8-12% по объёму сусла и оставляют на брожение, поддерживая температуру 26-28°С. Продолжительность брожения, составляет 18-24 часа.

Дрожжи считают готовыми, когда концентрация сухих веществ в сбраживаемой среде составляет 1/3 от исходного содержания, и при этом соблюдают чистоту брожения, нарастание кислотности в производственных дрожжах не допускают. Отбродившие дрожжи передают во взбраживатель (Вз), куда одновременно набирают охлаждённое сусло и оставляют на брожение. Время брожения 12 часов. После взбраживателя содержимое поступает в бродильные чаны (Бр).

Спиртовое брожение проводится в анаэробных условиях при температуре 32-34°С в течении 5-7 часов и концентрации дрожжей в культуральной жидкости 20-30 г/л. Сбраживание сусла осуществляют циклическим способом в батарее, состоящей из бродильных чанов. В результате брожения образуется спиртовая бражка, содержащая 1 - 2% этанола и диоксид углерода. Диоксид углерода (СО₂ ), выделяющийся при брожении, поступает в спиртоловушку (Сп), из которой спиртоводную жидкость отводят в сборник бражки (Е-5) [3].

Выделение спирта из бражки и последующая очистка спирта-сырца производится в брагоректификационной установке непрерывного действия, состоящей из трех колонн: ректификационной (К-1), дегидратационной (К-2), спиртовой (К-3).

Готовая бражка насосом (Н-10) подаётся в дефлегматор (Т-2), где нагревается теплом конденсации водно-спиртовых паров сырцовой ректификационной колонны (К-1) до температуры 75-85 ^о С.

Нагретая бражка поступает на тарелку питания колонны (К-1).

Нижняя часть колонны (бражная или отгонная) служит для извлечения спирта из бражки. Она обычно имеет 18-20 тарелок, по которым бражка стекает сверху вниз. Извлечение спирта и летучих примесей осуществляется встречным потоком пара, вводимым через барботёр в нижнюю часть бражной колонны. Бражка, освобожденная от спирта, именуемая бардой, непрерывно выводится из колонны.

В верхней части колонны (спиртовой или укрепляющей) обычно устанавливают 10 ситчатых или многоколпачковых тарелок, на которых флегма, стекая из дефлегматора, вступает в контакт с поднимающимся из бражной части колонны водно-спиртовым паром. В результате извлечения спирта из флегмы происходит укрепление его в поднимающемся по колонне паре.

Спиртовой пар крепостью около 88 об. % из колонны поступает в дефлегматор (Т-2), где конденсируется, отдавая тепло бражке, образуя флегму.

Сконденсировавшиеся водно-спиртовые пары с сопутствующими примесями спирта образуют спирт-сырец, который поступает в установку для абсолютирования спирта [3].