obtinerea alcoolului etilic din porumb
DESCRIPTION
proiectTRANSCRIPT
“UNIVERSITATEA DE NORD ” BAIA MARE
Ingineria Produselor Alimentare II
Operatii Unitare în Industria Alimentara
obtinerea
alcoolului etilic
Din
porumb
Indrumator: Sef lucrari dr. Leonard Mihaly Cozmuta
Student: Grupa III
2009
Cuprins
CAP 1. PARTEA TEORETICĂ..........................................................................3
1.1 MATERII PRIME ȘI AUXILIARE............................................................................3
1.2 FABRICAREA ALCOOLULUI DIN CEREALE ȘI CARTOFI..............................3
1.2.1 Mărunțirea cerealelor și cartofilor.........................................................................3
1.2.2 Obținerea plămezilor din cereale............................................................................3
1.2.3 Fermentarea plămezilor din cereale și cartofi.......................................................3
1.3 FABRICAREA ALCOOLULUI DIN MELASĂ........................................................3
1.4 DISTILAREA ȘI RAFINAREA ALCOOLULUI........................................................3
1.4.1 Bazele teoretice ale distilării și rectificării.............................................................3
1.4.2 Instalații de distilare și rectificare...........................................................................3
1.5 BORHOTUL DIN CEREALE ȘI CARTOFI...............................................................3
1.6 RANDAMENTE PRACTICE OBȚINUTE LA FABRICAREA ALCOOLULUI.. .3
CAP 2. PARTEA DE PROIECTARE...............................................................3
2.1 TEMA PROIECTULUI.................................................................................................3
2.2 SCHEMA FLUX A PROCESULUI TEHNOLOGIC................................................3
2.3 BILANTUL DE MATERIALE.....................................................................................3
2.4 BILANTUL TERMIC....................................................................................................3
2.5 CALCULUL PREȚULUI DE FABRICATIE ȘI DE VÂNZARE PENTRU............3
PRODUSUL FINIT......................................................................................................3
BIBLIOGRAFIE.................................................................................................................72
2
CAP 1. PARTEA TEORETICĂ
1.1 MATERII PRIME ȘI AUXILIARE
Alcoolul etilic se produce pe plan mondial , în cea mai mare parte, prin fermentarea
lichidelor care conțin zahăr, cu ajutorul drojdiei.
Alcoolul etulic obținut pe cale biotehnologică poartă denumirea de bioalcool, deosebindu-
se astfel de alcoolul etilic de sinteză.
Produsul finit obținut din fabricile de alcool poartă denumirea de alcool etilic rafinat.
Materiile prime folosite la producerea alcoolului prin fermentație se pot clasifica astfel:
Materii prime amidonoase:
- cereale: porumb, secară, grâu, orz, ovăz, orez, sorg etc.;
- cartofi;
- radăcini și tuberculi de plante tropicale: rădăcini de manioc, tuberculi de batate
etc.;
Materii prime zaharoase:
- sfecla și trestia de zahăr;
- melasa din sfeclă și trestie de zahăr;
- struguri, fructe, tescovine dulci;
Materii prime celulozice:
- deșeuri din lemn de brad, molid, fag etc.;
- leșii bisulfitice rezultate de la fabricarea celulozei;
Materii prime care conțin inulină și lichenină:
- tuberculi de topinambur;
- rădăcini de cicoare;
3
- mușchi de Islanda.
Cele mai utilizate materii prime sunt cerealele, cartofii și melasa.
Compoziția chimică a materiilor prime este prezentată în cele ce urmează.
Cerealele
Compoziția chimică a cerealelor variază în funcție de soi, condițiile pedoclim atice și
agrotehnica aplicată. În tabelul1 se prezintă compozița chimică medie a princalelor cereale folositea
fabricarea alcoolului, iar în tabelul 2 compoziția chimică a cartofilor.
Compusul Porumb Secară Grâu Orz Ovăz
Umiditatea, % 13,3 13,4 13,6 13,0 13,0
Substanțe extractive neazotoase,
din care amidon, %
67,9
59,1
68,1
58,0
67,9
60,0
65,7
55,0
58,5
40,0
Proteine, % 9,6 12,9 12,4 11,8 10,9
Lipide, % 5,1 2,0 1,8 2,3 4,7
Celuloză, % 2,6 1,7 2,5 4,4 9,5
Substanțe minerale, % 1,5 1,9 1,8 2,8 3,4
Tabel 1 - compoziția chimică a unor cereale folosite la fabricarea alcoolului
Tabel 2 – compoziția chimică a cartofilor
Compusul Valori medii Limite de variație
Umiditatea, % 75,0 68,0 - 85,0
Substanțe extractive neazotoase,
din care amidon, %
20,85
18,0
19,5 - 23,0
14,0 - 22,0
Proteine, % 2,0 0,7 - 3,7
Lipide, % 0,15 0,04 - 1,0
Celuloză, % 1,0 0,3 - 3,5
Substanțe minerale, % 1,0 0,5 - 1,0
4
La recepția cerealelor și cartofilor se determină conținutul în amidon prin metoda
polarimetrică în cazul cerealelor, și cu ajutorul balanțelor de amidon, în cazul cartofilor.
În locul conținutului în amidon se folosește azi „ substanța fermetescibilă”, prin
hidroliza totală a materiei prime cu enzime adecvate și determinarea glucozei formate prin
metoda enzimatică.
Melasa
Compoziția chimică a melasei variază în funcție de materia primă folosită la fabricarea
zahărului ( sfeclă sau trestie de zahăr) și de procesul tehnologic aplicat în fabricile de zahăr. În
tabelul 3 se prezintă, comparativ, compoziția chimică a celor două tipuri de melasă.
La recepția melasei se determină conținutul de zahăr prin metoda polarimetrică ( directă
sau cu invertirea zaharozei) sau prin metoda chimică ( cu soluție Muller), transformându-se
melasa în melasă cu 50% zahăr.
Tabel 3 – Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr
Compusul Proveniența melasei
Sfaclă de zahăr Trestie de zahăr
Apă, % 20 – 25 15 – 20
Substanță uscată, % 75 – 80 80 – 85
Zahăr total, % 44 – 52 50 – 55
Zahăr invertit,% 0,1 – 0,5 20 – 23
Rafinoză, % 0,6 – 1,8 -
Azot total, % 1,2 – 2,4 0,3 – 0,6
Substanţe minerale, % 7,6 – 12,3 10 – 12
pH 6,0 – 8,6 < 7
Materiile auxiliare folosite la fabricarea alcoolului sunt malțul verde, preparatele
enzimatice microbiene, sărurile nutritive și factorii de creștere, acidul sulfuric, antispumanții,
antisepticele și dezinfectanții.
Malțul verde
5
Este folosit ca agent de zaharificare a plămezilor din cereale și cartofi, datorită
conținutului său în enzime amiolitice. Se obține după o tehnologie asemănătoare cu cea de
producere a malțului pentru bere, cu deosebirea că durata de germinare este mai lungă,
urmărindu-se acumularea unei cantităși maxime de amilaze.
Aprecierea calității malțului verde se face atât după aspectul exterior, cât și după
activitatea enzimatică. Activitatea α-amilazică se exprimă în unități SKB, care reprezintă
grame de amidon solubil dextrinizat de către 1 g malț verde, în timp de 60 de minute la
temperatura de 20 oC, în prezența unui exces de β-amilază.
Activitatea β-amilazică se exprimă în unități Windisch-Kolbach ( oWK), care reprezintă
grame de maltoză rezultate prin acțiunea extractului provenit din 100 g malț verde asupra unei
soluții de amidon solubil 2%, în timp de 30 de minute, la 20 oC și la pH= 4,3.
În tabelul 4 se prezintă modul de apreciere a calității malțului verde în funcție de
activitatea α- și β- amilazică.
Tabel 4 – aprecierea calității malțului verde în funcție de activitatea α și β amilazică
Calitatea malțului verde Activitatea α- amilazică
( SKB) *
Activitatea β- amilazică
( oWK)*
Excepțională - Peste 450
Foarte bună Peste 64 401 – 450
Bună 53 – 64 351 – 400
Satisfăcătoare 41 – 52 300 – 350
Nesatisfăcătoare Sub 41 Sub 300*Activități enzimatice raportate la substanța uscată a malțului verde.
Calculul cantității de malț verde necesar la zaharificarea plămezilor se face cu formula lui
Pieper:
M v=
( 1.1.1)
în care:
- Mv este cantitatea de malț verde necesară, în kg la 100 kg cereale sau cartofi
6
- Ca cifra de amilază, constantă specifică fiecărei materii prime ( de exemplu pentru
porumb Ca = 1054, pentru grâu Ca = 1001)
- α este conținutul de amidon al materiei prime, în %
- α este activitatea α- amilazică a malțului verde, SKB.
Plecând de la această formulă. Pieper a întocmit tabele care indică cantitățile de malț
optime pentru duferite materii prime amidonoase, în funcție de conținutul în amidon și de
activitatea α- amilazică.
Înainte de utilizare, malțul verde este mărunțit pe cale umedă, în mori cu disc sau cu
ciocane și transformat într-un lapte slab. Cantitatea de apă care se adaugă este de 250 – 300
l/100 kg malț verde. Pentru a se evita infecțiile cu bacterii în cursul zaharificării, laptele slab
este dezinfectat prin adăugare de formalină 40%, în cantitate de 150 – 200 ml la 1000 L
plămadă, astfel încât să rezulte o concentrație de 0,015 – 0,02%. Aldehida formică este
eficientă numai în primele ore de fermentare, deoarece în continuare este oxidată până la acid
formic sau redusă până la metanol.
Preparatele enzimatice microbiene Se obțin prin cultivarea în condiții absolut pure a
unor tulpini de bacterii și mucegaiuri pe medii de cultură adecvate, urmată de purificarea
preparatului brut rezultat. În comparație cu malțul verde, ele prezintă următoarele avantaje:
- activitate enzimatică standardizată, care se modifică puțin la depozitare;
- α – amilaza bacteriană se caracterizează printr-o termorezistență mult mai ridicată
( până la 110 oC);
- sunt mai sărace în microorganisme dăunătoare;
- se obțin randamente mai ridicate în alcool, deoarece pot hidroliza și alte poliglucide;
- sunt necesare spații mai reduse la depozitare și transport;
- se economisesc cheltuieli legate de producerea și mărunțirea malțului verde;
În funcție de importanța lor tehnologică, pricipalele preparate enzimatice amiolitice
existente pe piață se pot clasifica în cele cinci grupe prezentate în tabelul 5.
7
În afară de preparatele enzimatice amiolitice prezentate, se mai pot folosi, în funcție de
ateriile prime prelucrate, și alte preparate enzimatice: proteaze, β- glucanaze, pentozanaze.
1.2 FABRICAREA ALCOOLULUI DIN CEREALE ȘI CARTOFI
Fabricarea alcoolului din cereale și cartofi se poate face prin două grupe de procedee:
- cu fierbere sub presiune a materiei prime ( HDV);
- fără fierbere sub presiune ( DSA).
Procedeele clasice de producere a alcoolului din cereale și cartofi se bazează pe fierberea
sub presiune a materiei prime, care se face în scopul gelificării și solubilizării amidonului,
astfel încât acesta să poată fi atacat de către amilaza în etapa de zaharificare.
Aceste procedee prezintă următoarele dezavantaje:
- consumul de energie termică este ridicat ( 660 – 800 MJ/hl alcool absolut);
- modul de lucru este, de regulă, discontinuu iar posibilitățile de recuperare a căldurii
sunt reduse;
- datorită solicitării termice ridicate a materiei prime ( 150...165 oC) se formează
melanoide și caramel;
- plămezile obținute nu sunt omogene, iar borhotul rezultat are o valoare mai scăzută;
Procedeele de prelucrare fără presiune se bazează pe faptul că energia termică necesară
pentru fierberea sub presiune este înlocuită, în mare parte, prin energia de mărunțire a
materiei prime, astfel încât amidonul granular să poată fi fluidizat și zaharificat. Necesarul de
energie electrică pentru mărunțire variază, în funcție de gradul de mărunțire dorit și de
procedeul folosit, între 16 și 30 kWh/t cereale, fiind mult mai scăzut decât necesarul de
energie termică de la fierberea sub presiune. În figura 1 este prezentată schema bloc a unui
procedeu de fabricare a alcoolului din cereale și cartofi fără fierbere sub presiune.
Depozitarea cerealelor și a cartofilor se poate face în silozuri sau magazii. În timpul
depozitării au loc pierderi masice și în amidon, care sunt cu atât mai mari, cu cât cresc
umiditatea materiei prime și temperatura de păstrare.
8
În tabelul 6 se prezintă pierderile masice, care apar la depozitarea cerealelor în funcție de
temperatură, iar în tabelul 7 pierderile masice de amidon și în amidon, care intervin la
depozitarea cartofilor.
Umiditatea
cerealelor, %
Pierderea masică, % Umiditatea
cerealelor, %
Pierderea masică, %
Lunară anuală lunară anuală
14 0,04 – 0,08 0,5 – 1,0 18 0,33 – 0,42 4,0 – 5,0
15 0,08 – 0,13 1,0 – 1,5 19 0,46 – 0,58 5,5 – 7,0
16 0,17 – 0,21 2,0 – 2,5 20 0,63 – 0,75 7,5 – 9,0
17 0,25 – 0,33 3,0 – 4,4
Tabelul 6 – Pierderile masice la depozitarea cerealelor în funcție de umiditate
Tabelul 7 – Pierderile la depozitarea cartofilor
Indicatorul Inițial Decembrie Ianuarie Februarie Martie Aprilie Mai Iunie
Masa, kg 100 2,3 2,9 3,4 4,1 4,9 7,3 12,0
9
Amidon
-absolut, kg 17,7 17,1 16,8 16,7 16,6 16,3 15,8 14,7
-relativ, % 100 3,4 5,0 5,6 6,5 7,8 10,9 16,5
10
Fig. 1 Schema –bloc a fabricării alcoolului din cereale și cartofi ( procedeu fără fierbere
sub presiune DSA)
11
1.2.1 Mărunțirea cerealelor și cartofilor
Aplicarea procedeelor de prelucrare fără presiune necesită o mărunțire optimă a materiei
prime, astfel încât să se obțină randamente maxime în alcool, cu consum minim de energie.
În cadrul acestor procedee, energia termică necesară pentru fierberea sub presiune, care
este de circa 700 MJ/hl alcool, este înlocuită cu o cantitate mai mică de energie electrică
pentru mărunțire, de 20 – 40 MJ = 5 – 10 kWh/hl alcool.
Energia electrică necesară pentru mărunțire se poate calcula cu relația:
Wz = m * c * ( 1.2.1.1 )
în care :
- m este masa materiei prime de mărunțit, în t;
- c constantă care depinde de proprietățile materiei prime și de transformarea energiei
în moară ( c= 0,25 – 0,35 pentru tuberculi, c = 0,6 – 0,8 pentru boabe);
- n= D/d – raportul de mărunțire, unde D – mărimea inițială în mm, d- mărimea finală
în mm;
În figura 2 se prezintă energia specifică de mărunțire ( kWh/t) pentru materii prime moi și
semidure, în funcție de mărimea finală a particulelor.
Pentru obținerea unor randamente maxime în alcool este necesar ca, la măcinarea
cerealelor, proporția de fracțiuni rezultate de la sortarea pe site a măcinișului să fie
următoarea:
12
Dimensiunea particulelor, µm Procentul,%
Sub 90 49,8
90 – 250 31,3
250 – 500 17,3
500 – 710 1,6
Peste 710 0,1
Fig. 2 Energia specifică de mărunțire pentru materii prime moi și semidure, în funcție
de mărimea finală a particulelor
La mărunțirea cartofilor, mărimea finală a particulelor trebuie să fie de 50 -100 µm, iar
procentul de particule cu mărimea de peste 1 µm trebuie să fie de maximum 3%.
O mărunțire isuficientă a materiei prime poate conduce la pierderi în alcool de până la
20l/t cereale sau chiar mai mult.
Pentru mărunțirea cerealelor se folosesc în practică trei grupe de procedee:
← - măcinare uscată;
← - măcinare umedă;
← - măcinare uscată și umedă ( în două trepte);
Măcinarea uscată se bazează pe folosirea unor mori cu ciocane cu sită de 1-2 m. De la
moară, făina ajunge într-un buncăr de făină, din care este trecută în cazanul de zaharificare.
Necesarul de energie electrică este de 20 – 25 kWh/t cereale. Acest procedeu se pretează
13
pentru fabricile mici de alcool și prezintă următoarele dezavantaje: se formează praf care nu
este igienic și prezintă pericol de explozie, este necesar un siloz de făină, iar la plămădire se
formează cocoloașe ce reprezintă o sursă de infecție și de pierderi.
Măcinarea umedă se realizează cu ajutorul unor mori speciale ci ciocane, alimentate cu
cereale, apă de plămădire și enzime de fluidizare. Firma Westphal ( Germania) a patentat un
procedeu care se bazează pe folosirea unei mori cu ciocane fixe și a unei site cu orificii mari,
având o construcție specială care permite reducerea consumului de energie electrică pentru
măcinare.
În comparație cu măcinarea uscată, măcinarea umedă prezintă avantajul că nu se
formează praf și cocoloașe; acest procedeu se pretează și pentru mărunțirea cerealelor cu
umiditate ridicată, conservate în silozuri ermetice. Necesarul de energie electrică este însă
destul de ridicat, de circa 30 kWh/t cereale.
Măcinarea uscată și umedă ( 2 trepte). Printr-o simplă măcinare uscată sau umedă nu se
poat obține de regulă, granulația dorită a măcinișului, ceea ce conduce la o zaharificare
incompletă și la micșorarea randamentului în alcool. Din acest motiv se recomandă mai întâi o
măcinare uscată cu ajutorul unei mori cu ciocane, cu sită cu ochiuri mari, urmând ca cea de-a
doua mărunțire umedă să se facă, după fluidificare, într0o moară cu discuri. Prin această
mărunțire în două trepte, necesarul de energie se poate reduce până la 16 kWh/t cereale.
←
1.2.2 Obținerea plămezilor din cereale
În funcție de modul în care se realizează mărunțirea, diferitele procedee de obținere fără
presiune (DSA) a plămezilor din cereale și cartofi se pot clasifica astfel:
- procedee DSA cu măcinare uscată;
- procedee DSA cu măcinare umedă;
- procedee DSA cu măcinare uscată și umedă;
- procedeul prin dispersie DMV;
Aceste procedee se pot folosi, în practică, astfel:
14
- fără recircularea borhotului;
- cu recircularea borhotului ( SRV);
Procedeele DSA cu măcinare uscată
În figura 3
este prezentat
procedeul
Grosse-Lohmann
–Spradau, are a
fost utilizat inițial
pentru cartofi. El
oferă avatajul că
procesul de
plămădire are loc
concomitent cu cel de hidratare și de răcire. Ca vas de plămădire se folosește fierbătorul
Henze existent, care, de regulă, nu are agitator. Pentru o amestecare optimă a făinii cu apa și
enzima de fluidificare, este necesară folosirea unei pompe de recirculare.
Cartofii spălați sunt trecuți printr-o moară cu ciocane tip Mahl-Jet S, iar terciul rezultat
este pompat apoi în fierbătorul Henze, unde are loc fluidificarea la 82 oC cu Termamyl.
Plămada este trecută apoi în zaharificator, ăn care se face răcirea și zaharificarea cu SAN
și Fungamyl, după care se lucrează ca la procedeul clasic.
Procedeele DSA cu măcinare umedă
Procedeul Westphal ( fig. 4 ) folosește o moară cu ciocane care este alimentată cu cereale
și apă de plămădire și un schimbător de călură special, prin care se reduce și mai mult
necesarul de energie.
15
Cerealele mărunțite în moara 2 trec printr-un schimbător de căldură special 5, ăn care
plămada fierbinte, care vine de la zaharificatorul 9, cedează cea mai mare parte din căldură
plămezii ce se preîncălzește.
În fierbătorul existent 8, care nu necesită agitator, se mai introduce abur direct pentru
creșterea temperaturii plămezii la 90 oC. Conform variantei 12 – recuperare dublă de căldură,
se preia suplimetar căldura borhotului prin intermediul ejectorului 16 și a vasului de
destindere 15, ăldură care este utilizată la încălzirea plămezii în fierbător. Plămada fierbinte
din zaharificatorul fără agitator 9 este trimisă, cu pompa 10, în schimbătorul de căldură 5, în
care transmite cea mai mare parte din căldură plămezii proaspetem astfel încât necesarul de
apă de răcire este foarte scăzut. Dozarea enzimei de zaharificare se face, de regulă, în mod
continuu în fluxul de plămadă, care trece la fermentare.
Aceste procedee prezintă avantajul că se pretează la măcinarea cu umiditate ridicată,
conservate în silozuri ermetice, existând și posibilitatea folosirii apei calde la măcinare ( circa
50 oC). Ca dezavantaj s-ar putea menționa necesarul ridicat de energie la măcinare ( circa 30
kWh/t cereale).
16
Procedeele DSA cu măcinare uscată și umedă
Deoarece printr-o simplă măcinare uscată sau umedă nu se poate obține întotdeauna în
practică, granulația dorită, multe dintre procedeele DSA de prelucrare a cerealelor și cartofilor
folosesc atât măcinarea uscată cât și cea umedă. Pe lângă avantajul obținerii granulației
optime, mai rezultă și avantaje în privința consumului de energie. Astfel, necesarul de energie
la măcinare se poate reduce până la 16 kWh/t cereale. Din această grupă se pot menționa
procedeele concepute de către Dinglinger și Klisch. Deoarece procedeul Dinglinger este
destul de cunoscut, se va prezenta în continuare un procedeu de funcționare continuă ( fig. 5 )
elaborat recent de către Klisch ( 1993).
Materia primă cântărită este trimisă la moara cu ciocane 5 , unde se adaugă enzima de
fluidificare și apa de proces. Plămada rezultată este trecută apoi în schimbătorul de căldură 8,
ăn care se preîncălzește până la temperatura de 70...800C, în cazul grâului, cu ajutorul
17
plămezii fluidificate care circulă în contracurent. Gelificarea plămezii are loc în ejectorul 17,
iar fluidificarea în fierbătorul Henze 13. Plămada este apoi omogenizată în moara cu discuri
10, continuându-se fluidificarea în vasul 15. Plămada fluidificată este răcită, apoi, în
schimbătorul de căldură 6, până la tempertura de zaharificare, după care se adaugă enzima de
zaharificare, continuându-se răcirea până la 20...25oC, în schimbătorul de căldură cu plăci 8.
Prin folosirea acestui procedeu, necesarul de energie electrică, inclusiv la pompare și
agitare, s-a redus până la 13-15 kWh/hl alcool absolut, obținându-se o economie totală de
energie de 70 – 75% față de procedeul HDV.
În tabelele 8 și 9 se prezintă necesarul și economia de energie care se obțin prin folosirea
procedeelor DSA, în comparație cu fierberea sub presiune.
Tabelul 8 – Comparație între consumurile energetice la producerea alcoolului prin
procedeul cu recircularea borhotului ( SRV) și prin celelalte procedee ( fără operația de
distilare )
Procedeul
Consumul de
energie
Economia de energie
față de
kWh/ l alcool
absolut
kWh/t
grâu
HDV DSA
Procedeul SRV ( cu recirculare permanentă) 18 67 89 75
Procedeul SRV ( cu recirculare întreruptă) 23 84 86 68
Procedeul DSA 71 263 58 -
Procedeul HDV 167 618 - -
Tabel 9 – Necesarul de energie al procedeelor de prelucrare fără presiune ( DSA) și cu
recircularea borhotului ( SRV) în comparație cu fierberea sub presiune (HDV)
Procedeul
Operația
HDV DSA SRV
Măcinare, kWh/l alcool absolut - 0,08 0,08
Fierbere și plămădire:
- abur, kg/l alcool absolut* 3,14 1,27 -
18
- energie electrică 0,04 0,04 0,04
Fermentare:
- abur, kg/l alcool absolut
- energie electrică
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
Distilare:
- abur, kg/l alcool absolut**
- energie electrică
4,5
0,3
4,5
0,3
4,5
0,3
Decantare borhot, MJ/l alcool absolut - - 0,03
Total MJ/l alcool absolut 16,8 13,2 10,6*Abur 6 bar, lv=2,085 MJ/kg
** Abur 2 bar, lv=2,202 MJ/kg
Procedeul prin dispersie ( DMV)
Acest procedeu elimină dezavantajul mărunțirii prealabile a materiei prime deoarece, în
acest caz, se face mărunțirea boabelor chiar în timpul operației de plămădir, cu ajutorul unui
dispergator tip ULTRA TURRAX, montat direct ăn zaharificator. Conceput de specialiștii de
la universitatea Hihenheim ( germani), procedeul este folosit în combinație cu recircularea
borhotului, prin care se obține o economie suplimentară de energie. În fig 6 este prezentat
schematic procedeul de dispersie cu recircularea borhotului, în varianta cu vas de sedimentare
a borhotului.
19
În aparatul de plămădire și dispersie 4 se introduce mai întâi cantitatea de apă și borhot
fierbinte, procentul de bothot putând să varieze între 30 și 90% din lichidul de plămădire.
După corecția de pH cu lapte de var se introduc cerealele boabe și enzima de fluidificare
și are loc dispersia și fluidificarea plămezii la temperatura optimă de 60..80oC. ( în funcție de
materia primă), controlânduse gradul de dispersie cu ajutorul unui aparat simplu, conceput în
mod special pentru acest procedeu. După terminarea dispersiei, plămada se răcește la 55 oC, se
face o nouă corecție de pH cu acid sulfuric, se adaugă enzimele de zaharificare și se răcește în
continuare plămada până la temperatura de însămânțare cu drojdie. Pentru porumb, durata
dispersiei este de circa 120 min, iar durata întregului proces de obținere a plămezii dulci este
de circa 200 de min. În scopul reducerii duratei de obținere se poate face o premărunțire
grosieră a materiei prime cu ajutorul unei mori cu ciocane.
Borhotul rezultat din coloana de distilare 14 este trecut într-un vas de sedimentare 17, ăn
care se separă un borhot diluat și unul mai concentrat. Borhotul diluat este folosit ca lichid de
plămădire, iar cel concentrat este valorificat ca furaj. Pentru obținerea unui borhot foarte
concentrat, cu peste 30% substanță uscată, se poate folosi și un decantor cu tobă, care este
însă costisitor. O separare bună a borhotului se poate obține și cu ajutorul sitelor curbate, care
sunt mult mai ieftine și nu necesită un consum de energie electrică.
20
Din experiențele practice de aplicare a acestui procedeu au rezultat următoarele
avantaje:
- se pot prelucra fără probleme toate materiile prime amidonoase, obținându-se
randamente ridicate în alcool, de până șa 60 l alcool absolut/ 100kg amidon, dacă se
folosește combinația de enzime recomandată de autori;
- se poate obține gradul de mărunțire optim prin controlul granulației cu ajutorul
dispozitivului de sortare hidrodinamică MAK;
- la obținerea plămezii rezultă o economie de energie de circa 80% față de procedeul de
fierbere sub presiune HDV și circa 30% față de celelalte procedee de prelucrare fără
presiune DSA;
- fierbătoarele Henze disponibilizate pot fi folosite ca rezervă de apă caldă sau ca spațiu
de fermentare;
- se reduce cantitatea de borhot și de emisii în mediul ambiant, iar borhotul obținut are o
valoare furajeră mult mai ridicată;
- prin recircularea borhotului are loc o accelerare a fermentației, iar pericolul de infecție
este mai scăzut în comparație cu alte procedee DSA;
- se micșorează consumul de apă de răcire în special în cazul folosirii schimbătoarelor
de căldură cu plăci în locul serpentinei de răcire.
În tabelul 10 se prezintă consumul de energie la producerea alcoolului prin procedeul de
dispersie cu recircularea borhotului, pentru diferite materii prime, comparativ cu procedeul de
fierbere sub presiune.
Tabel 10 – consumul de energie la producerea alcoolului prin procedeul de diepersie
DMV cu recircularea borhotului, în comparație cu procedeul clasic de fierbere sub
presiune HDV
Materia primă Cartofi Porumb Grâu, secară,
triticale
Procedeul
HDV**
21
Caracteristicile
Rata de recirculare a borhotului, % 15 30 50 30 50 0
Operația de plămădire:
- energia electrică, MJ/hl alcool
absolut
- energia termică, MJ/hl alcool
absolut
- total, MJ/hl alcool absolut
30
380
410
40
170
210
40
150
190
40
80
120
40
0
40
20
700
720
Operația de distilare*, MJ/hl alcool
absolut 700 700 700 700 700 700
Consum total, inlusiv distilarea, MJ/hl
alcool absolut
1100 910 890 820 740 1420
*La distilare s-a luat în calcul un consum de abur de 250 kg = 700 MJ/hl alcool absolut
**Valorile prezentate se referă la prelucrarea grâului prin procedeul de fierbere sub presiune HDV
1.2.3 Fermentarea plămezilor din cereale și cartofi
Pentru fermentarea plămezilor se pot folosi drojdii lichide (cultivate în fabrică), drojdii
speciale pentru alcool ( uscate sau comprimate) sau drojdii de panificație. În ultimul timp se
folosesc pe scară tot mai largădrojdiile uscate în locul celor lichide, deoarece acestea pot fi
imediat utilizate după o prealabilă hidratare, au o bună conservabilitate și se dozează mult mai
usor.
În cazul drojdiilor lichide se folosesc, de regulă, 1 – 3 l drojdie cultivată la 1 hl plămadă,
în cazul drojdilor uscate 10 – 20 g/hl plămadă, iar în cazul drojdiilor comprimate 100 – 200
g/hl plămadă. Într-un gram de drojdie uscată se află, de regulă, 20 – 25 miliarde celule de
drojdie.
Drojdiile utilizate trebuie să indeplinească următoarele condiții: să aibă o putere
alcooligenă ridicată, să se poată acomoda la plămezile acide din cereale și cartofi, să
declanșeze rapid fermentația, să formeze o cantitate redusă de spumă la fermentare și să
22
producă o cantitate cât mai mică de hidrogen sulfurat și alte substanțe de gust și aromă
nedorite.
În tabelul 11 se prezintă puterea alcooligenă și toleranța la alcool a unor preparate de
drojdie uscată, lichidă, comprimată.
Tabel 11 – Puterea alcooligenă și toleranța la alcool a unor preparate de drojdie
Nr. crt. Denumirea preparatului Specia de drojdie Puterea
alcooligenă, %
alcool volumic
Toleranța la
alcool, % alcool
volumic
1 2 3 4 5
1 BLASTOSEL VS S. bayanus 11,2 15,0
2 BLASTOSEL MV S. cerevisiae 11,1 14,2
3 FERMICAMP S. bayanus 11,6 15,4
4 DROJDIE SUPER I S. cerevisiae 10,4 13,7
5 DROJDUE SUPER II S. bayanus 9,7 13,0
6 DROJDIE MAX S. cerevisiae 9,8 12,1
7 Drojdie lichidă Ay S. cerevisiae 8,6 11,7
8 Drojdie lichidă
EPERNAY
S. cerevisiae 8,9 9,0
9 Drojdie lichidă
HAUTVILLERS
S. cerevisiae 8,4 11,2
10 Drojdie comprimată
OTTAKRING
S. cerevisiae 8,7 10,0
Observație: primele 6 preparate sunt sub formă uscată.
Din tabel se observă că drojdiile lichide și drojdia omprimată au o putere alcooligenă mai
scăzută decât majoritatea drojdilor uscate, astfel încât costurile ceva mai ridicate pentru
drojdiile uscate se compensează în timp scurt prin randamentele mai ridicate în alcool ( 11-12
%vol.).
Cultivarea în continuare a drojdiei în fabrică se face prin procedeul simplifict cu acid
sulfuric, conform schemei bloc prezentate ( vezi fig. 1), astfel încât se poate lucra timp de mai
multe luni fără a se procura o nouă drojdie.
Fermentația plămezii principale are o durată de 72 de ore și cuprinde cele 3 faze:
23
- faza inițială, circa 22 de ore;
- faza principală, circa 18 ore;
- faza finală, circa 32 de ore;
Pentru scurtarea duratei de fermentare până l 48 de ore, se pot folosi următoarele metode:
- pornirea fermentației la temperaturi mai ridicate de 24...25oC, prin care faza inițială se
reduce la 4 – 6 ore;
- folosirea de borhot lichid recirculat ( maximum 60%) la obținerea plămezii prin care
se declanșează mai rapid fermentația, scurtându-se faza inițialăpână la 2 – 3 ore;
- utilizarea unei cantități mai mari de lapte de slad pentru a asigura cantități suficiente
de amilaze, pentru zaharificarea secundară;
- folosirea unei cantități mai mari de plămadă de drojdie de 10...15%;
- conducerea fermentației la temperaturi mai ridicate de 35..36 oC;
- folosirea preparatelor enzimatice microbiene, care produc o hidroliză mai avansată a
amidonului până la glucoză, fără formare de dextrine limită, scurtându-se astfel, faza
finală a fermentației;
În funcție de materia primă prelucrată și de procesul tehnologic aplicat, extractul
aparent al plămezilor fermentate trebuie să prezinte următoarele valori:
- pentru plămezi din cartofi : 0,3 – 1,5%
- pentru plămezi din porumb: < 0;
- pentru plămezi din orez: 1,0 – 1,3%;
- pentru plămezidin secară: 1,1 – 1,4%;
- pentru plămezi din ovăz: 0,9 – 1,1%;
Extractul real al plămezii fermentate, după eliminarea alcoolului, se poate calcula cu
formula:
er = 0,3A + ea+0,4 ( 1.2.3.1)
24
în care :
- er - extractul real al plămezii fermentate în %;
- A – concentrația alcoolică a plămezii fermentate, în % vol;
- ea – extractul aparent al plămezii fermentate, în % ;
În cazul procedeului cu recircularea borhotului, extractul real al plămezii fermentate
crește, treptat, o dată cu creșterea numărului de recirculări, așa cum se observă în tabelul
12.
Tabel 12 – Evoluția extractelor la fermentarea plămezilor din grâu prin procesul SRV
Succesiunea recirculării Plămada dulce Plămada fermentată
Extract, % pH Extract real,
%
pH
0 – 10 16,7 5,3 3,2 4,4
11 – 20 18,1 5,2 5,0 4,5
21 – 30 17,0 5,2 5,7 4,5
31 – 40 17,7 5,1 5,6 4,5
41 - 50 18,5 5,2 6,3 4,5
Se observă că, începând cu recircularea a 21-a, extractul real al plămezii fermentate crește
prea mult. Această creștere de concentrație se poate calcula cu formula:
er = [ 1 + ] (1.2.3.2)
în care:
- er - extractul real al plămezii fermentate în %;
- I – substanța care dă extractul nefermentescibil al materiei prime, în %;
25
- R- cantitatea de materie primă, în kg;
- M – cantitatea de plămadă fermentată, în L;
- P – procentul de borhot recirculat față de borhotul total rezultat de la distilare;
- n – numărul de recirculări;
Controlul microbiologic al plămezilor din cereale și cartofi este important pentru
stabilirea stării fiziologice a drojdiei și pentru depistarea microorganismelor de infecție.
Astfel, în plămezile de drojdie, numărul de celule de drojdie trebuie să varieze între 50 și
300 * 106 celule/ml plămadă. Valori sub 50 * 106 celule/ ml denotă o multiplicare slabă a
drojdilor. Determinarea concentrației în celule de drojdie, în plămăzile pricipale, cu
ajutorul camerei Thoma trebuie să se facă numai după prima zi de frementare. Drojdiile cu
o bună stare fiziologică nu trebuie să conțină mai mult de 5% celule moarte.
Infecțiile cu bacterii sunt periculoase deoarece consumă zahăr pentru metabolismul
propriu, iar prin acizii organici formați ( lactic, butiric) inhibă activitatea drojdiei. De
asemenea, în urma infecțiilor cu bacterii are loc o creștere a conținutului de acroleină a
alcoolului produs. Astfel, în Germania, conținutul în acroleină al alcoolului brut nu trebuie
să depășească 0,2 mg/100 ml; în caz contrar se fac scăzăminte de la prețul de livrare al
alcoolului produs. Pentru scăderea conținutului în acroleină se recomandă o acidulare
specială a plămezii de drojdie și a plămezii principale.
Tabel 13 - Aprecierea gradului de infecție a plămezii
Numărul de germeni / ml Gradul de infecție
< 2 x 108 Plămadă liberă de infecții din punct de vedere tehnic
( 4- 15) x 108 Plămadă ușor infectată
( 15 – 50)x 108 Plămadă infectată
( 50 – 120) x 108 Plămadă puternic infectată
> 120 x 108 „Cultură de bacterii”
Această scară poate fi folosită pentru aprecierea gradului de infecție al plămezii de
drojdie sau al plămezii principale. Astfel, o plămadă de drojdie poate finfolosită, dacă s-au
găsit la examenul microscopic maximum ( 1-2) * 106 germeni/ml, iar o plămadă principală
poate să conțină, după 24 de ore de fermentare, maximum ( 4-5)* 106 germeni/ml.
26
1.3 FABRICAREA ALCOOLULUI DIN MELASĂ
Obținerea plămezilor fermentate din melasă cuprinde trei etape:
- pregătirea melasei pentru fermentare;
- pregătirea drojdiei pentru frementare
- fermentarea plămezii principale;
La fermentarea plămezilor din melasă se folosesc atât procedee cu funcționare
discontinuă cât și continuă.
Procedeele de fermentare continuă se împart în două grupe:
- procedeee fără refolosires drojdiei;
- procedee cu separarea și folosirea drojdiei;
În figura 7 se prezintă schema-bloc a unui procedeu de obținere a alcoolului din melasă
cu separarea și refolosirea drojdiei.
Pregătirea melasei cuprinde operațiile de diluare cu apă, neutralizare, acidulare, adăugare
de săruri nutritive, limpezire și sterilizare ( pasteurizare). Plămada principală se diluează până
la 30 – 34% extract, iar plămada de drojdie până la 12-16% extract. Cele două plămezi pot
avea și aceeași concentrație în extract de 23%.
Pregătirea drojdiei cuprinde muultiplicarea în laborator, în secția de culturi pure și
prefermentarea. În urma prefermentării rezultă o cantitate mare de plămadă de drojdie,
reprezentând circa 40% din plămada totală.
Fermentarea continuă are loc într-o baterie formată din mai multe linuri de fermentare.
Separarea drojdiei se face din ultimul lin de fermentare cu ajutorul unor separatoare
centrifugale, care concentrează drojdia într-un volum reprezentând 7 – 10% din plămada
fermentată.
Laptele de drojdie obținut este, apoi, purificat prin tratare cu o soluție de acid sulfuric,
timp de 1 – 2 ore, la pH=2,2 – 2,4, pentru distrugerea eventualelor bacterii de infecție, după
care este refolosit la fermentare.
27
Procedeele de fermentare continuă a melasei cu reutilizarea drojdiei reprezintă
următoarele avantaje:
- creșterea randametului în alcool până la 64 – 65 l alcool absolut/100kg zaharoză din
melasă;
- creșterea productivității și reducerea corespunzătoare a necesarului de spațiu și
investiții de fermentare;
- automatizarea mai ușoară a procesului tehnologic;
- micșorarea și uniformizarea consumului de utilități;
Ca dezavantaj s-ar putea menționa greutățile care apar datorită instabilității biologice
( pericolul mai mare de infecție). Pentru a se elimina acest dezavantaj firma
STARCOSA/BMA a conceput un procedeu de fermentare continuă a melasei, care permite
obținerea alcoolului cu o productivitate foarte ridicată din substraturi nesterile. Acest lucru s-
a obținut printr-o combinație între un bioreactor și o unitate de separare solid/lichid ( modul
de microfiltrare) c ajutorul căreia se recirculă biomasa de drojdie în sistem până la o
concentrație foarte ridicată ( fig 8).
Substratul din fermentatorul 1 este trecut cu ajutorul pompei 10, în modulul de
microfiltrare 5, în care se separă un retentat- biomasa de drojdie, care se reîntoarce în
fermentator și un permeat, care este evacuat din sistem prin tancul tampon 7. Datorită
concentrației ridicate în biomasa activă de drojdie ( limitată prin sistemul de aerare) se obține
o productivitate ridicată pe unitatea de volum și timp. Astfel, la o productivitate de 40 ml
etanol/ l și oră, s-a obținut pentru un fermentator de 63 m3 o producție zilnică de alcool de
circa 60000l, la un randament în alcool reprezentând 95% din cel teoretic.
28
29
Cele două plămezi rezultate din istalație – permeatul A(8), fără particule solide, și
produsul B (9), cu un conținut ridicat în particule solide – se pot prelucra în continuare
separat, astfel încât borhotul rezultat din permeatul a să fie folosit la producerea biogazului,
iar cel rezultat din produsul B să fie utilizat ca furaj.
1.4 DISTILAREA ȘI RAFINAREA ALCOOLULUI
1.4.1 Bazele teoretice ale distilării și rectificării
Plămada fermentată este un amestec apos de diferit substanțe aflate în soluție sau în
suspensie fie provenite din materiile prime și auxiliare, fie produse ale fermentației alcoolice.
30
Concentrația alcoolică a plămezii fermentate variază între limite largi cuprinse între 6 și
12% vol., în funcție de materia primă prelucrată și de procesul tehologic aplicat. Separarea
alcoolului etilic din acest amestec se bazează pe diferența de volatilitate dintre alcool și apă.
Pentru a se vedea în ce măsură se realizează concentrarea în alcool la distilare, în tabelul
14 se prezintă echilibrele dintre vapori și lichid la distilarea amestecurilor de alcool etilic și
apă.
Tabel 14 - Echilibrele vapori–lichid la distilarea amestecurilor binare de alcool etilic și apă
Concentrația în alcool a
amestecului alcool –
apă
x, % masice
Temperatura de
fierbere a
amestecului
alcool – apă
t, oC
Concentrația în
alcool a vaporilor
y, % masice
Coeficientul de
distilare
( evaporare)
KA=
0 100 0 6,5 : 1
1 98,90 6,5 6,8:1
3 96,75 20,5 7,6:1
5 94,95 38,0 5,2:1
10 91,45 52,0 5,2:1
15 88,95 59,5 4,0:1
20 87,15 64,8 3,2:1
25 85,75 68,6 2,7:1
30 84,65 71,4 2,4.1
35 83,75 73,3 2,1:1
40 83,10 74,7 1,9:1
45 82,45 75,9 1,7:1
50 81,90 77,1 1,5:1
55 81,45 78,2 1,4:1
60 81,00 79,4 1,3:1
65 80,60 80,7 1,2:1
31
70 80,20 82,2 1,1:1
75 79,80 83,9 1,07:1
80 79,35 85,9 1,04:1
85 78,95 88,3 1,01:1
90 78,50 91,3 1,01:1
95,57 78,15 95,57 1:1
97 78,20 96,9 1:0,999
99 78,25 98,9 1:0,999
100 78,30 100,0 1:1
Cu ajutorul datelor din tabelul 14 se poate reprezenta diagrama de echilibru a
amestecului alcool etilic – apă și se poate stabili numărul de trepte de concentrare sau
epuizare în alcool.
Antrenarea unor produse secundare de fermentație cu alcooll la distilare se poate observa
din fig. 9, în care sunt prezentați coeficienții de distilare ( evaporare) ai unor produse
secundare de fermentație în funcșie de concentrația alcoolică a lichidului.
32
Rafinarea este operația de purificare și concentrare în alcool a alcooluli brut, în vederea
obținerii alcooluli etilic rafinat cu concentrația alcoolică de circa 96% vol. Rafinarea se poate
face pe cale fizică (rectificare) sa pe cale chmimică. Rafinarea chimică constă în tratarea
33
alcoolului brut cu substanțe chimice, în vederea transformării unor impurități din formă
volatilă în formă fixă (nevolatilă).
Separarea impurităților prin rectificare se bazează pe diferența de volabilitate și de
solubilitate în amestecul alcool etilic – apă.
Pentru stabilirea comportări unei impurități la rectificare se calculează coeficientul de
rectificare al impurității respective wi:
Wi = ki/kA ( 1.4.1.1)
unde: ki este coeficientul de distilare al impurității kA – coeficientul de distilare al alcoolului
etilic.
Impuritățile care au wi > 1 se concentrează la rectificare în faza de vapori formând frunțile,
iar acela care au wi < 1 se concentrează în faza lichidă de pe taler formând cozile sau uleiul de
fuzel.
În figura 10 se prezintă coeficienții de rectificare pentru unele produse secundare
rezultate de la fermentația alcoolică.
34
1.4.2 Instalații de distilare și rectificare
Instalațiile de distilare a plămezilor fermentate sunt prevăzute cu două coloane, de
plămadă și de concentrare, care ppt fi amplasate sau suprapus sau alăturat.
Cele mai utilizate în practică sunt instalațiile de distilare cu coloane suprapuse. În figura
11 este prezentată o instalație de ditilare a plămezilor fermentate, prevăzută cu încălzire
indirectă, care permite obținerea unui borhot mai concentrat.
Înstalațiile de rafinare discontinuă sunt prevăzute cu separare de aldehide și de fuzel
( fig. 12).
Pentru capacitți mai mari se folosesc instalații de distilare – rafinre contunuă, care permit
obținerea alcoolului rafinat direct din plămezile fermentate.
În figura 13 este reprezentată schematic o instalaâie de distilare – rafinare contunuă cu
trei coloane, care se bazează pe antrenarea frunțiilor direct din plămada fermentată.
Consumul de abur pentru instalația de distilare – rafinare continuă ( fig 13) este de circa 5
kg/l alcool absolut.
35
Pentru reducerea consumulu de energie la distilare și rafinare se pot folosi următoarele
metode:
- recuperarea căldurii din borhot prin recomprimare termică sau mecanică a vaporilor;
- distilarea și rectificarea cu efect multiplu;
- folosirea pompelor de caldură;
Prin recomprimarea directă a vaporilor alcoolici rezultați din coloana de rectificare și
refolosirea lor la încălzirea coloanei de plămadă și hidroselecție, este posibilă o reducere
drastică a consumului de energie la distilare- rafinare. În acest caz ( fig 14), vaporii alcoolici
rezultați din coloana de rctificare cu temperatura de circa 78oC și concentrația alcoolică de 94
– 95% masice sunt comprimați în două trepte, într-un turbocompresor, până la temperatura de
118...120oC și refolosiți ca agent de încălzire a coloanei de plămadă și hidroselecție.
36
37
În tabelul 15 se prezintă comparativ consumurile de energie pentru sistemele moderne de
distilare realizate de firma STARCOSA/BMA din Germania.
Tabel 15 - consumurile de energie pentru sistemele moderne de distilare
Configurația
instalației
Produsul
( randamentul, %)
Consumul de abur de
9 bar, kg/l etanol
Consumul de energie,
kWh/l produs
Energy – Saving Normal Alcool fin Circa 2,5 Circa 0,025
38
Pressure ( ESNP)
Presiuni multiple Alcool neutru
( circa 94)
Circa 1,6 Circa 0,060
Presiuni duble Alcool absolut
( circa 95)
Circa 2,6 Circa 0,038
Presiuni multiple Alcool absolut
( circa 95)
Circa 1,5 Circa 0,082
Presiuni multiple și
recomprimare de vapori
Alcool neutru
( circa 94)
Circa 0,5 Circa 0,3*
Presiuni multiple și
recomprimare de vapori
Alcool absolut
( circa 95)
Circa 0,75 Circa 0,3
*La acționarea electrică a compresorului
39
40
1.5 BORHOTUL DIN CEREALE ȘI CARTOFI
Borhotul din cereale și cartofi, rezultat de la distilarea plămezilor fermentate, prezintă
compoziția chimică dată în tabelul 16.
Tabel 16 - Compoziția chimică medie a borhotului din cereale și cartofi
Componentele Borhot din:
Porumb Grâu Orz Orez Cartofi
Substanță organică, % s.u.
95,3 91,4 97,9 96,5 87,4
Proteină brută, % s.u 25,5 34,8 31,3 42,4 27,0
Brăsime brută, % s.u. 11,7 2,2 10,2 3,5 2,7
41
Celuloză, % s.u. 10,6 3,4 13,7 5,9 8,1
Substanțe extractive
neazotoase, % s.u.
47,6 51,0 42,7 44,7 49,9
Substanțe minerale, % s.u. 4,7 8,6 2,1 3,5 12,6
Substanță uscată, % s.u.
( aproximativ)
8,5 4,2 26,0 8,0 6,0
Prin substanțele pe care le conține, borhotul din cereale și din cartofi reprezintă un furaj
prețios. Digestibilitatea principalelor componente ale borhotului pentru animale și păsări este
prezentaă în tabelul 17.
Tabel 17 – Digestibilitatea borhotului din porumb pentru animale și păsări
Componentele Digestibilitatea, % pentru:
Vite Porci Ovine Păsări
Substanță organică 75 80 67 58
Proteină brută 73 78 64 78
Grăsime brută 81 92 89 56
Celuloză 32 81 59 36
Substanțe extractive
neazotoase
89 91 71 51
Prin prelucrarea fără presiune a cerealelor și cartofilor rezultă un borhot cu o valoare
furajeră mai ridicată decât în cazul fierberii sub presiune, la care au loc procese importante de
degradare termică a unor substanțe valoroase din borhot .
Astfel, în cazul folosirii procedeului prin dispersie, valoarea furajeră a borhotului crește
cu circa 45%, digestibilitatea substanței organice cu circa 24% față de procedeul de fierbere
sub presiune.
42
1.5 RANDAMENTE PRACTICE OBȚINUTE LA FABRICAREA
ALCOOLULUI
În tabelul 18 se prezintă randamentele practice obținute la fabricarea alcoolului din
materii prime amidonoase și din matyerii prime zaharoase.
Tabel 18 - Randamentele practice obținute la fabricarea alcoolului ( litri alcool
absolut/100kg)
I Materii prime amidonoase
Materia primă Amidon
%
Calitatea fabricației
Excelentă Foarte
bună
Bună Medie
1 2 3 4 5 6
Amidon pur, anhidru 100 67,0 65,0 63,0 61,0
Amidon pur, uscat în aer, 82 54,9 53,3 51,6 50,0
Amidon pur, umed 50 33,5 32,5 31,5 30,5
Cartofi 14 9,4 9,1 8,9 8,5
Cartofi 16 10,7 10,4 10,0 9,7
Cartofi 18 12,1 11,7 11,3 11,0
Cartofi 20 13,4 13,0 12,6 12,2
Fulgi de cartofi 68 45,6 44,4 42,8 41,5
Făină de amidon de cartofi 80 53,6 52,0 50,4 48,8
Secară medie 55 36,9 35,7 34,6 33,5
Secară grea 58 38,9 37,7 36,6 35,4
Grâu mediu 57 38,2 37,0 35,8 34,7
Grâu greu 60 40,2 39,0 37,8 36,6
Orz 55 36,9 35,8 34,7 33,6
Ovăz 52 34,8 33,8 32,7 31,7
Porumb normal 60 40,2 39,0 37,8 36,6
43
Sorg 60 40,2 39,0 37,8 36,6
Făină de tapioca 75 50,3 48,8 47,3 45,8
Malț uscat din orz 56 37,5 36,4 35,3 34,2
Malț verde din:
- orz ușor
- orz foarte ușor
- ovăz mijlociu
40
35
35
26,8
23,5
23,5
26,0
22,8
22,8
25,2
22,1
22,1
24,4
21,4
21,4
II Materii prime zaharoase
Materia primă Zahăr
%
Calitatea fabricației
Excelentă Foarte bună Bună Medie
Zahăr din trestie de zahăr
anhidru
100 64,0 62,0 60,0 58,0
Sfeclă de zahăr 12 7,7 7,4 7,2 7,0
Sfeclă de zahăr 14 9,0 8,7 8,4 8,1
Sfeclă de zahăr 16 10,2 9,9 9,6 9,3
Sfeclă de zahăr 18 11,5 11,2 10,8 10,4
Sfeclă de zahăr 20 12,8 12,4 12,0 11,6
Melasă din sfeclă de zahăr 46 29,4 28,5 27,6 26,7
Melasă din sfeclă de zahăr 48 30,7 29,8 28,8 27,8
Melasă din sfeclă de zahăr 50 32,0 31,0 30,0 29,0
Melasă din sfeclă de zahăr 55 35,2 34,1 33,0 31,9
44
CAP 2. PARTEA DE PROIECTARE
2.1 TEMA PROIECTULUI
Să se dimensioneze o instalație de obținere a alcoolului etilic din porumb care prelucrează anual o cantitate de
P = 1000 + 100* N t / an
unde N = 28
Adică :
P = 1000 + 100 * 28 = 3800 t/ an
sau
P =
Compoziția porumbului prelucrat:
- umiditatea u = 10,8 + 0,1 * N <=> u = 13,6%
- amodon a = 56,6 + 0,1 * N <=> a = 59,4 %
- impurități ip = 2
45
- substanță uscată s.u.= 100 – ( u + a + ip ) <=> s.u. = 25 %
46
2.2 SCHEMA FLUX A PROCESULUI TEHNOLOGIC
47
48
2.3 BILANȚUL DE MATERIALE
1.
D0 = p = 527,78 kg/h
P1 -=
kg/h
D1 = D0 - p1
= 527,78 – 0,53 = 527,25 kg/h
49
2.
P2 -=
kg/h
D2 = D1 –p2
= 527,25 – 1,05 = 526,2 kg/h
3.
P3 -=
kg/h
D3 = D2 –p3
= 526,2 – 0,53= 525,67 kg/h
4.
P4 -=
kg/h
Se supun precurățirii D3- p4 =
525,67- 0,53 = 525,14 kg/h
Dprec = 2% * (D3- p4)
= 0,02 * 525,14 = 10,5 kg/h
D4 = D3 –p4 - Dprec
= 525,67 – 0,53 – 10,5 = 514,64 kg/h
50
Înaint de precurățire compoziția porumbului era:
- u = 13,6%..........13,6...........x
- a = 59,4 %............59,4...........y
- ip= 2 ......................2...............0
- s.u. = 25 %...........25..............z
100 kg 98 kg 100
După precurățire avem următoarea compoziție:
- u = x = 13,88 %
- a = y = 60,61 %
- s.u. = z = 25,51 %
5.
P5 -=
kg/h
D5 = D4 –p5
= 514,64 – 0,51= 514,13 kg/h
6.
P6 -=
kg/h
D6 = D5 –p6
= 514,13 – 1,03= 513,1 kg/h
51
7.
Def
= 0
A„b7 = 5 * D6
= 5 * 513,1 = 2565,5 kg/h
P7 -=
kg/h
D7 = D6 + A„b7 - p7
= 513,1 + 2565,5 – 0,51 = 3078,09 kg/h
Modul de calcul a compoziției după faza de fluidizare
Cantitatea care se fluidizează cu A„b7 este diferența (D6 - p7)
= 513,1-0,51 = 512,59
- u = 13,88 % ...............x x = 71,15 kg
- a = 60,61 %....................y y = 310,68 kg
- s.u. = 25,51 % ...............z z = 130,76 kg
---------------------------------------
100 kg 512,59
La fluidizare la cele 71,15 kg umiditate se adaugă A„b7
52
- u = 71,15+ 2565,5 = 2363,65 kg ...............x x = 85,66 %
- a = 310,68 kg.................................................y y = 10,09%
- s.u. = 130,76 kg...............................................z z = 4,25%
--------------------------------------------------------------------
3078,09 kg 100 kg
8.
Apa
de
răcire
nu se
amestecă cu D7. Răcirea la 55 oC este necesară pentru etapa următoare de
zaharificare.
P8 -=
kg/h
D8= D7 - p8
= 3078,09 – 3,08 = 3075,01 kg/h
9.
53
Debitul de enzime de zaharificare Dez și debitul de acid sulfuric DH2SO4 se vor neglija.
Faza de zahrificare presupune transformarea amidonului în zahăr sub acțiunea enzimelor de zaharificare în mediu de pH acid la t= 55oC.
P9 -=
kg/h
Din D8 se pierde o cantitate p9, iar această diferență va suferi procesul de zahrificare.
D8 - p9 = 3075,01 – 3,07 = 3071,94 kg/h
Randamentul de zaharificare este de 90% ceea ce înseamnă că 90% din amidonul conținut de diferentă, se va transforma în zahăr.
- u= 85,66 %.....................x x= 2631,42 kg - a = 10,09%......................y y= 309,96 kg
- s.u. = 4,25%.......................z z= 130,56 kg
100 3071,94
Din 100 kg amodon 90 de kg se zaharifică, iar 10 kg rămân nezaharificate:
Nezaharificat 10 kg..............................x x= 31 kg
Zaharificat 90 kg....................................y y= 278,97 kg
.-----------------------------------------------------------
100 kg 309,96 kg
Reacția de zaharificare
[C6H12O5]n + nH2O n C6H12O6
M C6H12O5= 162 162 kg amidon .........18 kg apă............180 kg zahăr
M C6H12O6= 180 278,97 kg......................x.........................y
MH2O= 18 x = 31 kg apă
y = 309,96 kg zahăr
54
Înainte de zaharificare în masa de reacție aveam :
- u= 2631,42 kg - a = 309,96 kg
- s.u. = 130,56 kg
Din 309,96 kg de amidon o cantitate de 278,97 kg se va consuma și va forma 309,96 kg de
zahăr, iar diferența 309,96 – 278,97 = 30,99 kg amidon va rămâne nedescompus.
De asemenea în reacție se va consuma și o cantitate de 31 kg de apă.
După zaharificare amestecul va conține:
u = 2631 – 30,99 = 2600,43 kg H2O
a = 309,96 – 278,97 = 30,99 kg amidon nezaharificat
s.u = 130,56 kg
z = 309,96 kg zahăr format în reacție
D9= D8 - p9
= 3075,01 – 3,07 = 3071,94 kg
Determinarea compoziției D9
u = 2631 – 30,99 = 2600,43 kg ..........................x x = 84,65 %
a = 309,96 – 278,97 = 30,99 kg ..........................y y = 1,01%
s.u = 130,56 kg....................................................z k = 4,25 %
z = 309,96 kg ......................................................k z = 10,09 %
----------------------------------------------------------------
3071,94 kg 100 kg
10.
55
Ap10 se neglijează P10 -=
kg/h
D10= D9 - p10
= 3071,94 – 3,07 = 3068,87 kg/h
11.
Debitul de drojdii D DR se neglijează
P11 -=
kg/h
D11= D10 - p11
= 3068,87 – 3,07 = 3065,8 kg/h
12.
56
P12 -=
kg/h
D12= D11 - p12
= 3065,8 – 3,07 = 3062,73 kg/h
13.
În faza de fermentare are descompunerea zahărului în alcool etilic cu formare CO2.
Datorită faptului că CO2 format poate fi valorificat în alte
industrii alimentare el va fi purificat, uscat și îmbuteliat în butelii de 100 L la 20 oC și 100 atm.
Din debitul de intrare D12 se va pierde o cantitate p13 iar diferența va suferi procesul de fermentație.
P13 -=
kg/h
D12 – p13 = 3062,73 – 3,06 = 3059,67 kg
Determinarea compoziției cantității supuse fermentării:
57
u = 84,65 % x = 2590,1 kg
a = 1,01% y = 30,9 kg
s.u = 4,25 % k = 130,04 kg
z = 10,09 %. z = 308,72 kg
------------------------------------------------
100 kg 3059,67 kg
Din 308, 72 kg zahăr va suferi fermentarea doar 90% adică * 308,72 = 277, 85 kg, iar
restul de 10% nu fermentează, adică * 308,72 = 30,87 kg .
Reacția de transformare a zahărului în alcool și dioxid de carbon
C6H12O6 2 CH3CH2OH + 2 CO2
M CO2= 44 180kg zahăr ...............2 * 46 kg alcool etilic......2 * 44 kg apă
M C6H12O6 = 46 277,85 kg zahăr .........................x .............................y
x= 142,01 kg alcool etilic
y= 135,84 kg CO2
CO2 Se va elimina sub formă de gaz deci nu se va găsi în masa de reacție.
Compoziției debitului
Înainte de fermentare După fermentare
u = 2590,1 kg
a = 30,9 kg
s.u = 130,04 kg
u = 2590,1 kg
a = 30,9 kg
s.u = 130,04 kg
58
z = 308,72 kg z ahăr
- 30,87 kg zahăr nefermentat
- 142,01 kg alcool etilic
- 135,84 kg CO2 degajat
Calculul compoziției după faza de fermentare
D13= D12 - p13 – DCO2
= 3062,73 – 3,06 – 135,84 = 2923,83 kg/h
u = 2590,1 kg ................x x = 88,57 %
a = 30,9 kg...................y y = 1,06 %
s.u = 130,04 kg..............k k = 4,45 %
z = 30,87 kg..................z z = 1,06%
ae = 142,01 kg ...............t ae = 4,86 %
-------------------------------
2923,83 kg 100 kg
Calculul numărului de butelii de CO2 obținute într-o oră de funcționare a instalației
CO2 format se purifică, se usucă și se îmbuteliază la 20oC, la 100 atm. În butelii cu volum de 100 L.
44g CO2.................22,42 L
135840 g CO2.....................................x = 69216,65 l CO2 = V0
=
59
V =
= = 742, 85 L CO2 la 100 at. și 20oC
Numarul de butelii pe oră
1 butelie..................100 l CO2
x..............................742,85 L x = 7,42 but/h
14.
În faza de distilare se separă un amestc binar de alcool și apă care va trece în etapa următoare de rafinare.
În această etapă se va mai obține un borhot care nu conține alcool etilic și care are o cantitate de apă de 90%.
P14 -=
kg/h
Diferența dintre D13 și p14 se va supune distilării.
D13– p14 = 2923,83 – 2,92 = 2920,91 kg
Compoziția cantității supusă distilării
u = 88,57 % ................x = 2587,05 kg
60
a = 1,06 %...................y = 30,96 kg
s.u = 4,45 %..................k = 129,98
z = 1,06%..................z = 30,96 kg
ae = 4,86 %.................t = 141,96
-------------------------------
100 kg 2920,91 kg
Determinarea debitului și compoziția borhotului se face astfel că acsta conține 90% apă și nu conține alcool etilic. În borhot după distilare trebuie să se regăsească substanța uscată, amidonul, zahărul din amestecul supus distilării.
s.u = 129,98
a= 30,96
z = 30,96
---------------
191,90
Dacă la 10 kg ...........................191,9 kg
90 kg apă ........................x apă = 1727, 1 apă/h
100 kg .............................y borhot = 1919 borhot/h
Calculul compoziției borhotului
s.u = 129,98 x = 6,78 %
a= 30,96 y = 1,61%
z = 30,96 z = 1,61%
apă = 1727,1 t = 90 %
-----------------------------------------
1919 100
D14= D13 - p14 – DBT
= 2923,83 – 2,92 – 1919 = 1001,91 kg/h
Acest distilat conține întreaga cantitate de alcool
61
1001,91 kg .........142,01 kg alcool
100 kg ....................x = 14,17 % alcool etilic
15.
În faza de rafinare se prelucrează un alcool de 14,17 % cu scopul obținerii unui alcool rafinat de 96%
P15 -=
kg/h
Se supun rafinării D14 – p15 = 1001,91 – 1 = 1000,91 kg cu 14,17 % alcool
100 kg amestec ......14,17 kg alcool
1000,91 ......................x = 141,83 kg alcool
Stim că la 100 kg amestec după rafinare avem 96 kg alcool
100 kg amestec ...........96 kg alcool
x .....................................141,83 unde x = D15= 147,74 kg
Calculul debitului de reziduu
Drez = D14 – D15 – p15
= 1001,91- 147,74 – 1 = 853,17 kg
16.
P16 -=
kg/h
62
D16= D15 - p16
= 147,74 – 0,15 = 147,59 kg/h
17.
P17 -=
kg/h
D17= D16 - p17
= 147,59 – 0,15 = 147,44 kg/h
Alcoolul se îmbuteliază în sticle de câte 0,5 l
0,5 l alc 96%...................1 sticlă
147,59 kg = 147,59 l ...........x = 295, 18 sticle / h
18.
P18 -=
kg/h
D18= D17 - p18
63
= 147,44 – 0,15 = 147,29 kg/h
19.
P19-=
kg/h
D19= D18 - p19
= 147,29 – 0,15 = 147,14 kg/h
Nr de sticle 294,58/ h
Bilanț general : 3096,28 aprox egal cu 3093, 21 kg /h
2.4 BILANȚUL TERMIC
Fazele în care este implicat bilanțul termic sunt:
1. Fluidizarea;
2. Răcirea la 55 OC;
3. Răcirea la 30 OC;
4. Răcirea la 20 OC;
64
5. Distilarea;
6. Rafinarea;
1. Bilanțul termic la fluidizare
Se dau:
- Entalpia aburului Hab = 420 kJ/kg
- Căldura specicică pentru apă cpu = 4 J/kg oK
- Căldura specicică pentru amidon cpa= 5 J/kg oK
- Căldura specifică pentru substanșa uscată cpsu= 3 J/kg oK
- Căldura specifică pentru zahăr cpz= 2 J/kg oK
- Căldura specifică pentru alcool cpae = 2,5 J/kg oK
t6 = 20 OC și t0 = 0 oC
Ecuația de bilanț : Qin = Qex
QD6 + Q A”b7 = QD7 + Qp7 ( 1)
QD6 = D6 + cpD6 + ( t6 – t0)
= 513,1 * 4,351* 20 = 44649,962 kJ/h
unde cpD6 = = = 4,351 J/kg oK
Q A”b7 = A”
b7 * Hab
= 2565,5 * 420 = 1077510 kJ/h
Qp7 = p7 * cpp7 * 20
= 0,51 * 4,351 * 20 = 44,3802 kJ/h
unde cpp7 = cpD6= 4,351 J/kg oK
QD7 = D7 * cpD7 * t7 ( 2)
= 3078,09 * 4,0584 * t7
65
unde cpD7 = = 4,0584 J/kg oK
Din rel (1) QD7 = QD6 + Q A”b7 - Qp7 ( 3)
= 44649,962 + 1077510 - 44,3802 = 1122115,58 kJ/h
Din relațiile ( 2) și (3) QD6 + Q A”b7 - Qp7 = D7 * cpD7 * t7
t7 =
= 89,83 oC
2. Bilanțul termic la răcirea la 55oC
Ecuația de bilanț : Qin = Qex
QD7 + Q Ap8IN= QD8 + Qp8 + Ap8EV
QD7 = 1122115,58 kJ/h
Q Ap8IN = Ap8 *cpu* t8,1
= Ap8 * 4 * 15 = 60 Ap8
QD8 = D8* cpD8* t8
= 3075,01 * 4,351 * 55 = 735865,27 kJ/h
unde cpD8= cpD7= 4,351
Qp8= p8* cpp8* t7
= 3,08 * 4,351 * 89,83 = 1203,87 kJ/h
Ap8EV= Ap8 *cpu* t8,2
= Ap8 * 4 * 55 = 220 Ap8
Din ecuația de bilanț 160 Ap8 = QD7 - QD8 - Qp8
Ap8 = 2406,54 kg
66
3. Bilanțul termic la răcirea la 30oC
Qin = Qex
QD9 + Q Ap10IN= QD10 + Qp10 + Ap10EV
QD9 = D9 + cpD9 + t9
= 3071,94 * 3,7658* 55 = 636257,14 kJ/h
unde cpD9 = = 2 = 3,7658 J/kg oK
Q Ap10IN = Ap10 * cpu * t10.1
= Ap10 *4*15= 60Ap10
QD10 = D10* cpD10* t10
= 3068,87 * 3,7658 * 30 = 346702 kJ/h
Qp10 = p10* cpp10 * t9
= 3,07 * 3,7658 * 55 = 635,86
Q Ap10EV = Ap10 * cpu * t10.2
= Ap10 *4*30= 120 Ap10
Din ecuația de bilanț 60Ap10 = QD9 - QD10 - Qp10
Ap10 = 4815,31 kg
4. Bilanțul termic la răcirea la 20oC
Qin = Qex
QD11 + Q Ap11IN= QD12 + Qp12 + Ap11EV
QD11 = D11 + cpD11 + t11
= 3065,8 * 3,7658 * 30 = 346355,69 kJ/h
Q Ap11IN = Ap11 * cpu * t11.1
67
= Ap11 *4*15= 60Ap10
QD12 = D12* cpD12* t12
= 3062,73* 3,7658 * 20 = 230672,57 kJ/h
Qp12 = p12* cpp12 * t11
= 3,07 * 3,7658 * 30 = 346,83
Q Ap11EV = Ap11 * cpu * t11.2
= Ap11 *4*20= 80 Ap10
Din ecuația de bilanț 20Ap10 = QD11 - QD12 - Qp12
Ap11 = 5766,81 kg
5. Bilanțul termic la distilare
Se dau:
- entalpia vaporului h” = 3100 kJ/kg
- Entalpia condensului h’ = 600 kJ/kg
Ecuația de bilanț : Qin = Qex
QD13 + Q A”14 = QD14 + Qp14 + Q A’
14 + QDBT
QD13 = D13 + cpD13 + t13
= 2923,83 * 3,872* 20 = 226421,4 kJ/h
unde cpD13 = = 2,5 = 3,872 J/kg oK
Q A”14 = A’
14* h”
= 3100 A’14
QD14 = D14 + cpD14 + t14
= 1001,91 * 3,7874* 80 = 303570,71 kJ/h
unde cpD14 = = 2,5 = 33,7874 J/kg oK
68
Qp14 = p14* cpp14 * t13
= 2,92 * 3,872 * 20 = 226,12
Q A’14 = A’
14* h’
= 600A’14
QDBT = DBT * cpBT* t14
= 1919 * 3,9161* 80 = 601199,67 kJ/h
unde cpDBT = = = 3,9161 J/kg oK
Din ecuația de bilanț 2500 A’14= QD14 + Qp14 + QDBT - QD13
A’14 = 271,34 kg
6. Bilanțul termic la distilare la rafinare
Ecuația de bilanț : Qin = Qex
QD14 + Q A”15 = QD15 + Qp15 + Q A’
15 + QDrez
QD14 = D14 + cpD14 + t14
= 1001,91 * 3,7874* 80 = 303570,71 kJ/h
Q A”15 = A’
15* h”
= 3100 A’15
QD15 = D15 + cpD15 + t15
= 147,74* 2,56* 85 = 32148,224 kJ/h
unde cpD15 = = 2,5 = 2,56 J/kg oK
Qp15 = p15* cpp15 * t14
= 1 * 3,7874* 80 = 302,99 J/kg oK
Q A’15 = A’
15* h’
= 600A’15
QDrez = Drez * cpu* t15
69
= 853,17 * 4* 85 = 290077,8 kJ/h
Din ecuația de bilanț 2500 A’15= QD15 + Qp15 + QDrez - QD14
A’15 = 7,67 kg
2.5 CALCULUL PREȚULUI DE FABRICAȚIE ȘI DE VÂNZARE
PENTRU PRODUSUL FINIT
Porumb
527,78 kg/h..............................294, 58 sticle/h
X kg/h.......................................1 sticlă
X = 1,7916 kg/h
X * 0,35 lei = 0,68 lei / sticlă
Energie electrică
37,5 kWh ........................... 527,78
x kWh...................................1 sticlă
x = 0,0071
x * 5 lei = 0,0355 lei/sticlă
Salarii directe
872 000 S/an ...........294,58 * 24 * 300 sticle/an
x..................................1 sticlă
x = 0,4111 lei /sticlă
Contribuții angajator
100 lei SD .............................29 lei contribuție angajat
0,4111 SD........................................x
X = 0,1192 lei SD
Gaz metan
QAb7 = 2565,5 * 420 = 1077510 kJ/h
70
QA14 = 271,34 * 3100 = 841154 kJ/h
QA15 = 7,67 * 3100 = 23777 kJ/h
Total : 1942441 kJ/h
1 m3 GM .........................45000 kJ/h
x ....................... 1942441 kJ/h
x = 43,1653 m3 GM .............294.58 * 24 sticle / zi
y ............................................1 sticlă
y = 0,0045 m3 GM
y * 5 = 0,0045 * 5 = 0,0225 lei / sticlă
Accize pe alcool
200 sticle .............100 * 4.5 = 450 lei
1 sticlă.........x = 2,25 lei/sticlă
Pierderi de apă
Ap8 = 2406,54 kg
Ap10 = 4815,31 kg
Ap11 = 5766,81 kg
A’14 = 271,34 kg
A’15 = 7,67 kg
--------------------------------
Total: 12267,67 kg/h.....................294,58 * 24 sticle/zi
x .........................................1 sticlă
x = 0.1735 kg/h
x * 1.3 lei = 0.1735 * 3 lei = 0.5205 lei /sticlă
Sticle
294,58 * 24 * 300 *3....................................3462540 1 sticlă
1 sticlă .......................................................x = 0,5441 lei / sticlă
71
Total costuri: 4.58 lei/sticlă
Adaos comercial : 10% * 4,58 = 0,458 lei
TVA: 19% * ( 4,58 + 0,458) = 0,19 * 5,038 = 0,96 lei
Profit anual: ( 294,58 * 24*300) * 0,458 = 971407,008 lei
72
73
74
75
BIBLIOGRAFIE
76
1. Banu Constantin, Manualul inginerului de industrie alimentară, vol. II, Ed. Tehnică
București 2002;
2. Băisan I. Tehnologii în industria alimentară, Universitatea Tehnică “Gh. Asachi” Iaşi, 1999
77
78