“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..................................... TEORETICĂ...........................................3 ......3 1.1MATERII PRIME ȘI AUXILIARE............................................... AUXILIARE...............................................3 3 1.2.1 Mărunțirea cerealelor și cartofilor cartofilor .................... ........................................................ .................................... 13 1.2.2 Obținerea plămezilor plămezilor din cereale ..................... ......................................................... .................................... 15 1.2.3 Fermentarea plămezilor din cereale și cartofi ......................................23
1.4 DISTILAREA ȘI RAFINAREA ALCOOLULUI............................31 1.4.1Bazele teoretice ale distilării și rectificării..............................................31 1.4.2Instala 1.4.2Instalații ții de distilare distilare și rectificare rectificare .................... ......................................................... ..................................... 38
1.5 BORHOTUL DIN CEREALE ȘI CARTOFI.................................43 1.5 RANDAMENTE PRACTICE OBȚINUTE LA FABRICAREA ALCOOLULUI.........................................................................44
CAP 2. PARTEA DE PROIECTARE ..................................46 2.1 TEMA PROIECTULUI.................. PROIECTULUI................................................. ....................................... ........46 46 2.2 SCHEMA FLUX A PROCESULUI TEHNOLOGIC......... TEHNOLOGIC.... ......... ......... ........ ...48 48 Def = 0.................................................................................55 u = 13,88 % ...............x ...............x x = 71,15 kg ............................................................................................55 100 kg 512,59.......................... 512,59............... ...................... ..............56 ...56 La fluidizare fluidizare la cele 71,15 kg kg umiditate umiditate se adaugă A„b7 .... .. .... .... ..56 56 u = 71,15+ 2565,5 = 2363,65 kg ...............x ...............x x = 85,66 %............................................. %......................................................................... ............................ 56 Apa de răcire nu se amestecă cu D7. Răcirea la 55 oC este necesară pentru etapa următoare de zaharificare...................56 u= 85,66 %.....................x %.....................x x= 2631,42 kg ......................................................................57 Înainte de zaharificare în masa de reacție aveam : ............................................................................................58 u= 2631,42 kg ......................................................................58 Din 309,96 kg de amidon o cantitate de 278,97 kg se va consuma și va forma 309,96 kg de zahăr, zahăr, iar diferența diferența 309,96 – 278,97 = 30,99 kg amidon va rămâne nedescompus................58 2
Compoziției debitului............................................................. debitului.............................................................62 62 V = ......................................................................................63 ............................................................................................66 Alcoolul se îmbuteliază în sticle de câte 0,5 l .........................67 2.4 BILANȚUL TERMIC....................................... TERMIC................................................. .................... .......... 68 2.5 CALCULUL PREȚULUI PREȚULUI DE FABRICAȚIE FABRICAȚIE ȘI DE DE VÂNZARE PENTRU PRODUSUL FINIT ..................................... ................................................ ..................... ................. .......74 74 Porumb.................................................................................74 ............................................................................................82 ............................................................................................83 BIBLIOGRAFIE.......................................................................83 1.Banu Constantin, Manualul inginerului de industrie alimentară, vol. II, Ed. Tehnică București 2002;.........................................83
CAP 1. PARTEA TEORETICĂ 1.1 1.1 MATE MATERI RIII PRIM PRIME E ȘI AUXI AUXILI LIAR ARE E Alcoolul etilic se produce pe plan mondial , în cea mai mare parte, prin fermentarea lichidelor care care conțin zahăr, cu ajutorul drojdiei. Alcoolul etulic obținut pe cale biotehnologică poartă poartă denumirea de bioalcool, bioalcool, deosebinduse astfel de alcoolul etilic de sinteză. Produsul finit obținut din fabricile de alcool alcool poartă denumirea denumirea de alcool etilic rafinat. rafinat. Materiile prime folosite la producerea producerea alcoolului prin fermenta fermentație se pot clasifica astfel:
Materii prime amidonoase: amidonoase: -
cerea cereale: le: poru porumb, mb, seca secară, ră, grâu grâu,, orz, orz, ovăz, ovăz, orez, orez, sorg sorg etc.; etc.;
-
cartofi; 3
-
radăc radăcini ini și tuberc tuberculi uli de de plant plantee tropic tropicale ale:: rădăc rădăcini ini de de manio manioc, c, tube tubercu rculi li de bata batate te etc.;
Materii prime zaharoase: zaharoase: -
sfecl feclaa și tres tresti tiaa de zahă ahăr;
-
mela me lasa sa din din sfec sfeclă lă și tres tresti tiee de zahă zahăr; r;
-
stru strugu guri, ri, fruct fructe, e, tesc tescov ovin inee dul dulci ci;;
Materii prime celulozice: -
deșeuri euri din din lem lemnn de de bra brad, d, mo moli lid, d, fag fag etc etc.; .;
-
leșii bis bisul ulfi fiti tice ce rez rezul ulta tate te de de la fab fabri rica care reaa celu celulo loze zei; i;
Materii prime care conțin inulină și lichenină: -
tube tuberc rcuuli de de topi topinnamb mbur ur;;
-
rădăcini de de ci cicoare;
-
mușchi de Islanda.
Cele mai utilizate materii materii prime sunt sunt cerealele, cerealele, cartofii și melasa. Compoziția chimică a materiilor materiilor prime este prezentată prezentată în cele ce urmează. urmează.
Cerealele Compoz Compoziiția chimică chimică a cerea cerealel lelor or variaz variazăă în funcție de soi, soi, condi condi țiile iile pedocli pedoclimat matice ice și agrotehn agrotehnica ica aplicată. aplicată. În tabelul1 tabelul1 se prezintă prezintă compozi compozi ța chimică chimică medie a princalelo princalelorr cereale cereale folositea fabricarea fabricarea alcoolului, iar în tabelul tabelul 2 compoziția chimică a cartofilor.
4
Tabel 1 - compoziția chimică a unor cereale folosite la fabricarea alcoolului
Tabel Tabel 2 – compozi compoziția chimică chimică a cartofilor cartofilor Compusul Umiditatea, % Substan Substanțe extractive extractive neazotoase neazotoase,, Comp% usul din care amidon, Urm a, % P otiediintaet,e% țe extractive Substan Subst extractive neazotoase neazotoase,, L ipidean ,% Celucare lozăamidon, ,% din % Substan Subst an țe mineral min erale, e, % Proteine, % Lipide, % Celuloză, % Substan Substanțe mineral minerale, e, %
Valori medii 75,0 20,85 Porumb 18,0 Secară 13,3 2,0 13,4 67,9 0,15 68,1 1,0 58,0 59,1 1,0 12,9 9,6 5,1 2,6 1,5
2,0 1,7 1,9
Limite de variație 68,0 - 85,0 19,5 - 23,0 Grâu 13,6 67,9 60,0 12,4 1,8 2,5 1,8
Orz- 22,0 Ovăz 14,0 01,73,-0 3,7 13,0 0,65,7 04 - 1,0 58,5 055,0 ,3 - 3,5 40,0 01,51,-8 1,0 10,9 2,3 4,7 4,4 9,5 2,8 3,4
La recep recepția cereale cerealelor lor și cartofil cartofilor or se determin determinăă conținutul inutul în amidon amidon prin metod metodaa polarimetrică în cazul cazul cerealelor, și cu ajutorul balan balanțelor de amidon, în cazul cazul cartofilor. În locul locul con conținutul inutului ui în amidon amidon se se folose folosește azi azi „ substan substanța fermete fermetesci scibil bilă” ă”,, prin hidroliza hidroliza totală a materiei materiei prime cu enzime enzime adecvate adecvate și determinarea determinarea glucozei glucozei formate formate prin metoda enzimatică. Melasa Compozi Compoziția chimică a melasei melasei variază variază în func ție de materia primă primă folosită folosită la fabricarea fabricarea zahărului ( sfeclă sau trestie de zahăr) zahăr) și de procesul tehnologic tehnologic aplicat în fabricile fabricile de zahăr. În tabelul 3 se prezintă, comparativ, comparativ, compoziția chimică a celor două tipuri de melasă. La recep recepția melasei melasei se determină determină con ținutul inutul de zahăr prin metoda metoda polarimetrică polarimetrică ( directă directă sau cu invertirea invertirea zaharoze zaharozei) i) sau prin metoda chimică chimică ( cu solu ție Muller), transformând transformându-se u-se melasa în melasă cu 50% zahăr.
Tabel 3 – Compozi Compoziția chimică a melasei melasei din sfeclă și trestie de zahăr zahăr Compusul
Provenien ța melasei Sfaclă de zahăr Trestie de zahăr 5
Apă, % Substan Substanță uscată uscată,, % Zahăr total, % Zahăr invertit,% Rafinoză, % Azot total, % Substanţe minerale, % pH
20 – 25 75 – 80 44 – 52 0,1 – 0,5 0,6 – 1,8 1,2 – 2,4 7,6 – 12,3 6,0 – 8,6
15 – 20 80 – 85 50 – 55 20 – 23 0,3 – 0,6 10 – 12 <7
Materiile auxiliare folosi folosite te la fabric fabricare areaa alcool alcoolulu uluii sunt sunt malțul verde, verde, prepar preparate atele le enzimatic enzimaticee microbiene microbiene,, sărurile sărurile nutritive nutritive și factorii factorii de creștere, acidu acidull sulfuric, sulfuric, antispum antispuman anții, antisepti antisepticele cele și dezinfec dezinfectan tanții. Mal Malțul verd verdee Este Este folosi folositt ca agent agent de zahar zaharifi ificar caree a plăme plămezil zilor or din cereale cereale și carto cartofi, fi, datorită datorită conținutului inutului său în enzime amiolitic amiolitice. e. Se obține după o tehnologi tehnologiee asemănătoa asemănătoare re cu cea de producere a malțului pentru bere, cu deosebirea că durata de germinare este mai lungă, urmărindu-se acumularea unei cantită cantităși maxime de amilaze. amilaze. Apreci Apreciere ereaa calită calității malțului ului verde se face face atât după după aspectu aspectull exterior exterior,, cât și după activitat activitatea ea enzimatic enzimatică. ă. Activitate Activitateaa α-amilazic α-amilazicăă se exprimă în unități SKB, care reprezintă reprezintă grame grame de am amido idonn solub solubil il dextr dextrini inizat zat de către către 1 g malț verde verde,, în timp de 60 de minute minute la temperatura de 20 oC, în prezența unui exces exces de β-amilază. β-amilază. Activitate Activitateaa β-amilazic β-amilazicăă se exprimă în unități Windisch Windisch-Kolba -Kolbach ch ( oWK), care reprezintă grame de maltoză maltoză rezultate prin prin acțiunea extractului extractului provenit din 100 g malț verde asupra unei soluții de amidon solubil 2%, în timp de 30 de minute, minute, la 20 oC și la pH= 4,3. În tabel tabelul ul 4 se prezi prezint ntăă mo modu dull de aprec aprecie iere re a cali calită tății ma mall țului ului verde verde în func func ție de activitatea α- și β- amilazică. Tabel Tabel 4 – aprec apreciere iereaa calită calită ții mal mal țului verde verde în func ție de de activi activitatea tatea α și β amilazică amilazică Calitatea Calitatea malțului verde verde Excep Excepțională ională Foarte bună Bună Satisfăcătoare Nesatisfăcătoare Nesatisfăcătoare
Activitatea α- amilazică
Activitatea β- amilazică
( SKB) * Peste 64 53 – 64 41 – 52 Sub 41
( oWK)* Peste 450 401 – 450 351 – 400 300 – 350 Sub 300
6
*
Activită Activități enzimatice enzimatice raporta raportate te la substa substannța uscată uscată a mal mal țului verde. verde.
Calculul cantității de malț verde necesar necesar la zaharificarea zaharificarea plămezilor plămezilor se face cu formula lui Pieper:
M v=
( 1.1.1) în care: -
Mv este cantitatea de malț verde necesară, necesară, în kg la 100 kg cereale sau cartofi
-
Ca cifra de amilază, constantă specifică fiecărei materii prime ( de exemplu pentru porumb Ca = 1054, pentru grâu C a = 1001)
-
α est estee con conținut inutul ul de de ami amido donn al al mat mater erie ieii prim prime, e, în %
-
α este este act activ ivit itat atea ea αα- amil amilaz azic icăă a mal malțului ului ver verde de,, SKB. SKB. Plecând Plecând de la această această formulă. Pieper Pieper a întocmit întocmit tabele care indică cantită cantită țile de mal ț
optime optime pentr pentruu duferite duferite materi materiii prime prime amidon amidonoa oase, se, în funcție de conținutul inutul în amidon amidon și de activitatea α- amilazică. Înainte Înainte de utilizare, utilizare, malțul verde este este mărunțit pe cale umedă, umedă, în mori cu disc sau sau cu ciocane și transformat într-un lapte slab. Cantitatea Cantitatea de apă care se adaugă adaugă este de 250 – 300 l/100 kg mal malț verde. verde. Pentru a se evita infec infec țiile cu bacterii bacterii în cursul zaharific zaharificării, ării, laptele 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 culti cultiva varea rea în condi condiții absolut absolut pure pure a unor tulpini tulpini de bacterii și mucegaiuri mucegaiuri pe medii de cultură cultură adecvate, adecvate, urmată de purificarea purificarea preparatului brut rezultat. rezultat. În comparație cu malțul verde, ele prezintă prezintă următoarele avantaje: avantaje: -
activ activita itate te enzim enzimati atică că stand standard ardiza izată, tă, care care se se modifi modifică că puțin la depo depozit zitare are;;
-
α – amilaz amilazaa bacter bacterian ianăă se carac caracter terize izeaz azăă printr-o printr-o term termore orezis zisten tență mult mai mai ridicat ridicatăă 7
( până la 110 oC); -
sunt sunt ma maii săra sărace ce în microo microorga rganis nisme me dăunăt dăunătoar oare; e;
-
se obțin randamente randamente mai ridicate ridicate în alcool, alcool, deoarece deoarece pot hidroliza hidroliza și alte poliglucid poliglucide; e;
-
sunt sunt neces necesare are spații mai redus redusee la depozi depozitar taree și transp transport ort;;
-
se econo economis misesc esc cheltu cheltuiel ielii legate legate de produc producere ereaa și mă mărun runțirea irea malțului ului verde; verde; În funcție de importanța lor tehnolog tehnologică, ică, pricipalel pricipalelee preparate preparate enzimatice enzimatice amiolitice amiolitice
existente pe pia piață se pot clasifica în cele cele cinci grupe prezentate prezentate în tabelul tabelul 5. În afară de preparatele preparatele enzimatice amiolitice prezentate, prezentate, se mai pot folosi, în funcție de ateriile prime prelucrate, prelucrate, și alte preparate enzimatice: enzimatice: proteaze, ββ- glucanaze, glucanaze, pentozanaze.
1.2 FABRICAREA ALCOOLULUI DIN CEREALE ȘI CARTOFI Fabricarea alcoolului alcoolului din cereale și cartofi se poate face face prin două grupe grupe de procedee: procedee: -
cu fierbe fierbere re sub sub presiu presiune ne a mate materie rieii prime prime ( HDV) HDV);;
-
fără fără fierb fierber eree sub sub pres presiu iune ne ( DSA DSA). ). Procedeele clasice clasice de producere producere a alcoolului alcoolului din cereale și cartofi se bazează bazează pe fierberea fierberea
sub presiune presiune a materiei materiei prime, care se face în scopul scopul gelificării gelificării și solubilizării solubilizării amidonulu amidonului,i, astfel încât acesta să poată fi atacat de către amilaza în etapa de zaharificare. Aceste procedee prezintă următoarele dezavantaje: -
consumul consumul de energie energie termică termică este este ridica ridicatt ( 660 660 – 800 MJ/hl alcool alcool absolut absolut); );
-
modul mod ul de lucru lucru este este,, de regulă regulă,, discont discontinu inuuu iar posibi posibilit lităățile de recu recuper perare are a căldu căldurii rii sunt reduse;
-
dato datori rită tă soli solici cită tări riii term termic icee ridi ridica cate te a ma mate teri riei ei prim primee ( 150. 150.....16 1655 oC) se formează melanoide și caramel;
-
plămezile plămezile obținute nu sunt sunt omog omogene, ene, iar borhot borhotul ul rezul rezultat tat are are o valoare valoare mai scăzută; scăzută;
8
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 mărun țire a materiei prime, astfel încât încât amidonul granular granular să poată fi fluidizat fluidizat și zaharificat. Necesarul Necesarul de ener energi giee elec electr tric icăă pent pentru ru mărun mărunțire vari variaz ază, ă, în func funcție de gradul gradul de mărun mărun țire dorit dorit și de procedeul folosit, între 16 și 30 kWh/t cereale, fiind mult mai scăzut decât necesarul de energie energie termică de la fierberea sub presiune. presiune. În figura figura 1 este prezentată prezentată schema schema bloc a unui procedeu de fabricare a alcoolului alcoolului din cereale și cartofi fără fierbere sub presiune. Depozitar Depozitarea ea cerealelor cerealelor și a cartofilor cartofilor se poate face în silozuri silozuri sau magazii. magazii. În timpul timpul depoz depozită itării rii au loc pierde pierderi ri masice masice și în amidon, amidon, care care sunt sunt cu atât mai mari, cu cât cresc umiditatea materiei prime și temperatura temperatura de păstrare. În tabelul 6 se prezintă pierderile masice, masice, care apar la depozitarea depozitarea cerealelor în func ție de temper temperatu atură, ră, iar în tabelu tabelull 7 pierde pierderil rilee masice masice de amidon amidon și în amidon, amidon, care care interv intervin in la depozitarea cartofilor.
Tabelul 6 – Pierderile Pierderile masice la depozitarea depozitarea cerealelor cerealelor în func ție de umiditate Umiditatea
Pierderea ma masică, % Lunară anuală
cerealelor, cerealelor, % 14
0,04 – 0,08
15
Umiditatea
Pierderea masică, % lunară anuală
0,5 – 1,0
cerealelor, % 18
0,33 – 0,42
4,0 – 5,0
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
9
Tabelul 7 – Pierderile la depozitarea cartofilor Indicatorul Masa, kg
Inițial Decembrie Ianuarie Februarie Martie 100
2,3
2,9
Aprilie
Mai
Iunie
3,4
4,1
4,9
7,3
12,0
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
11
Fig. 1 Schema –bloc –bloc a fabricării fabricării alcoolului alcoolului din cereale cereale și cartofi ( procedeu fără fierbere fierbere sub presiune DSA)
12
1.2.1 Mărunțirea cerealelor cerealelor ș i cartofilor cartofilor Aplicarea procedeelor procedeelor de prelucrare fără presiune necesită necesită o mărun țire optimă a materiei prime, astfel încât să se obțină randamente 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 kWh/hl alcool. Energia electrică electrică necesară necesară pentru pentru mărunțire se poate poate calcula calcula cu rela ția:
( 1.2.1.1 )
Wz = m * c * în care : -
m este masa materiei prime de mărunțit, în t;
-
c
constantă constantă care care depinde depinde de proprietă proprietățile materiei materiei prime și de transformare transformareaa energiei energiei
în moară ( c= 0,25 – 0,35 pentru tuberculi, c = 0,6 – 0,8 pentru boabe); -
n= D/d –
raportul raportul de mărunțire, unde unde D – mărimea inițială în mm, d- mărimea mărimea finală finală
în mm; În figura 2 se prezintă energia specifică specifică de mărunțire ( kWh/t) kWh/t) pentru materii materii prime moi și semidure, în funcție de mărimea mărimea finală a particulelor. particulelor. Pentru Pentru obținerea inerea unor unor randa randamen mente te maxime maxime în alcool alcool este este necesa necesarr ca, ca, la măcina măcinarea rea cere cereal alel elor or,, prop propor orția de frac fracțiuni iuni rezu rezult ltat atee de la sort sortar area ea pe site site a mă măci cini nișului ului să fie fie următoarea: Dime Dimens nsiu iune neaa parti particu cule lelo lor, r, µm
Proc Procen entu tul, l,% %
Sub 90
49,8
90 – 250
31,3
250 – 500
17,3
500 – 710
1,6
Peste 710
0,1
13
Fig. 2 Energia Energia specifică specifică de mărun mărun țire pentr pentru u materii materii prime prime moi moi și semidure semidure,, în func func ție de mărimea finală a particulelor
La mărunțirea cartofilor, cartofilor, mărimea mărimea finală a particulelor particulelor trebuie trebuie să fie de 50 -100 µm, iar procentul de particule particule cu mărimea de peste 1 µm trebuie trebuie să fie de maximum maximum 3%. O mărunțire isuficientă isuficientă a materiei prime prime poate conduce conduce la pierderi în alcool de până la 20l/t cereale sau chiar mai mult. Pentru mărunțirea cerealelor se folosesc folosesc în practică trei trei grupe de procedee: procedee: ← - măcina măcinare re uscată uscată;; 14
← - măci măcina nare re umed umedă; ă; ← - măcin măcinare are uscată uscată și umedă umedă ( în două trepte); 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 pentru fabricile mici de alcool și prezintă următoarele dezavantaje: se formează praf care nu este igienic și prezintă pericol de explozie, explozie, este necesar necesar un siloz de făină, iar la plămădire plămădire se formează formează cocoloa cocoloașe ce reprezint reprezintăă o sursă de infec infecție și de pierderi. pierderi. Măcinarea umedă
se realizează cu ajutorul unor mori speciale ci ciocane, alimentate cu
cereale, apă de plămădire și enzime de fluidizare. fluidizare. Firma Westphal Westphal ( Germania) a patentat patentat un procedeu care se bazează pe folosirea unei mori cu ciocane fixe și a unei site cu orificii mari, având având o construc construcție specială specială care permite reducerea reducerea consumului consumului de energie energie electrică electrică pentru pentru măcinare. În compar comparaație cu măcina măcinarea rea uscată uscată,, măcina măcinarea rea umedă prezint prezintăă avanta avantajul jul că nu se forme formează ază praf praf și cocolo cocoloaașe; acest acest proced procedeu eu se prete preteaz azăă și pentru pentru mărun mărunțirea irea cereale cerealelor lor 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 randamentului în alcool. Din acest acest motiv se recomandă recomandă mai întâi o măcinare uscată cu ajutorul unei mori cu ciocane, cu sită cu ochiuri mari, urmând ca cea de-a doua mărun mărunțire umedă să se facă, facă, după fluidificare, fluidificare, într0o moară moară cu discuri. discuri. Prin această această mărunțire în două trepte, necesarul de energie energie se poate reduce până până la 16 kWh/t cereale. ←
1.2.2 Obținerea inerea plămezilor plămezilor din din cereale cereale În funcție de mod modul ul în care care se realize realizează ază mărun mărunțirea, irea, diferite diferitele le procedee procedee de ob ținere inere fără presiune (DSA) a plămezilor plămezilor din cereale și cartofi se pot clasifica clasifica astfel: -
proc proced edee ee DSA DSA cu cu mă măci cina nare re usca uscată tă;; 15
-
proc proced edee ee DSA DSA cu cu măc măcin inar aree umed umedă; ă;
-
proc proced edee ee DSA DSA cu mă măci cina nare re usca uscată tă și um umed edă; ă;
-
proc proced edeu eull pri prinn dis dispe pers rsie ie DMV; DMV;
Aceste procedee se pot folosi, în practică, astfel: -
fără fără rec recir ircu cula lare reaa borh borhot otul ului ui;;
-
cu reci recirc rcul ular area ea borh borhot otul ului ui ( SRV) SRV);;
Procedeele Procedeele DSA cu măcinare uscată În figura 3 este
prezentat
procedeul Grosse-Lohmann –Spradau, are a fost utilizat utilizat ini inițial pentru cartofi. El oferă avatajul că procesul
de
plămădire are loc conco concomit mitent ent cu cel de hidrat hidratare are și de răcire răcire.. Ca vas de plămădir plămădiree se folose folosește fierbăto fierbătorul rul Henze existent, existent, care, de regulă, regulă, nu are agitator. agitator. Pentru o amestecare amestecare optimă a făinii făinii cu apa și enzima de fluidificare, este necesară folosirea unei pompe de recirculare. Cartofii Cartofii spălați sunt trecuți printr-o moară cu ciocane ciocane tip Mahl-Jet Mahl-Jet S, iar terciul rezultat rezultat este pompat apoi în fierbătorul Henze, unde are loc fluidificarea la 82 oC cu Termamyl. Plămada este trecută trecută apoi în zaharificator, zaharificator, ăn care se se face răcirea și zaharificarea cu SAN și Fungamyl, după care se lucrează ca
la procedeul clasic.
16
Procedeele Procedeele DSA cu măcinare umedă Procedeul Westphal Westphal ( fig. 4 ) folosește o moară cu ciocane ciocane care este alimentată cu cereale cereale și
apă de plămădi plămădire re și un schim schimbăt bător or de călură călură specia special, l, prin care care se reduce reduce și mai mult
necesarul de energie. Cerealele Cerealele mărunțite în moara 2 trec printr-un schimbă schimbător tor de căldură căldură special 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 tempe temperaturi raturiii plămezii plămezii la 90 oC. Conform variantei 12 – recuperare dublă de căldură, se preia preia supli suplimet metar ar căldu căldura ra borhot borhotulu uluii prin prin interm intermedi ediul ul ejecto ejectorul rului ui 16 și a vasul vasului ui 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.
17
Aceste procedee prezintă avantajul că se pretează la măcinarea cu umiditate ridicată, conservate în silozuri ermetice, existând existând și posibilitatea folosirii apei apei calde la măcinare măcinare ( circa 50 oC). Ca dezavantaj s-ar putea putea menționa necesarul ridicat ridicat de energie la măcinare ( circa 30 kWh/t cereale).
Procedeele Procedeele DSA cu măcinare măcinare uscată uscată și umedă Deoarece printr-o simplă măcinare măcinare uscată sau umedă nu se poate poate ob ține întotdeauna în
practică, granulația dorită, multe dintre procedeele DSA de prelucrare a cerealelor cerealelor și cartofilor folose folosesc sc atât atât mă măcin cinare areaa uscată uscată cât și cea cea umedă. umedă. Pe lângă lângă avantaj avantajul ul ob ținerii inerii granula granulației optime, mai rezultă și avantaje în privința consumului consumului de energie. energie. Astfel, necesarul de energie la măcinare măcinare se poate poate reduce până la 16 kWh/t kWh/t cereale. cereale. Din această această grupă se pot men ționa procedeele concepute de către Dinglinger și Klisch. Deoarece procedeul Dinglinger este destul de cunoscut, cunoscut, se va prezenta în continuare continuare un procedeu de func func ționare continuă ( fig. 5 ) elaborat recent recent de către Klisch ( 1993). 1993).
18
Materia primă cântărită este trimisă la moara cu ciocane 5 , unde se adaugă enzima de fluidificare și apa de proces. proces. Plămada rezultată rezultată este trecută apoi apoi în schimbătorul schimbătorul de căldură 8, ăn care care se preî preînc ncăl ălze zește până până la temp temper erat atur uraa de 70.. 70...8 .800 0C, în cazul grâului, cu ajutorul 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, contin continuân uândudu-se se fluidi fluidific ficare areaa în vasul vasul 15. Plăma Plămada da fluidi fluidific ficată ată este este răcită răcită,, apoi, apoi, în schimbătorul de căldură 6, până la tempertura de zaharificare, după care se adaugă enzima de zaharificare, continuându-se răcirea până la 20...25 oC, în schimbătorul de căldură cu plăci 8. Prin folosirea acestui acestui procedeu, necesarul necesarul de energie electrică, electrică, inclusiv la pompare pompare și agitare, agitare, s-a redus până la 13-15 kWh/hl kWh/hl alcool absolut, absolut, ob ținându-se inându-se o economie economie totală totală de energie de 70 – 75% față de procedeul procedeul HDV. În tabelele tabelele 8 și 9 se prezintă prezintă necesarul necesarul și economia economia de energie care se se obțin prin folosirea procedeelor DSA, DSA, în comparație cu fierberea sub presiune.
Tabelul Tabelul 8 – Compara Compara ție între consum consumurile urile energe energetice tice la producer producerea ea alcoolului alcoolului prin prin procedeul cu recircularea borhotului ( SRV) și prin prin celelalte celelalte procedee procedee ( fără opera ția de distilare ) Consumul de Procedeul
energie kWh/ l alcool absolut 18 23 71 167
Procedeul SRV ( cu recirculare permanentă) Procedeul SRV ( cu recirculare întreruptă) Procedeul DSA Procedeul HDV
Economia de energie față de kWh/t HDV grâu 67 84 263 618
DSA
89 86 58 -
75 68 -
Tabel 9 – Necesarul Necesarul de energie al procedeelor procedeelor de prelucrare prelucrare fără fără presiune ( DSA) și cu recircularea recircularea borhotului ( SRV) în compara compara ție cu fierberea sub presiune (HDV) Procedeul
HDV
Oper Operaația 19
DSA
SRV
Măcinare, kWh/l alcool absolut Fierbere și plămădire: -
abur abur,, kg kg/l alc alcoo ooll ab absolu solutt*
- energi rgie electric rică Fermentare: -
abur abur,, kg kg/l alc alcoo ooll ab absolu solutt
- energi rgie electric rică Distilare: -
abur abur,, kg kg/l alc alcoo ooll ab absolu solutt**
- energi rgie electric rică Decantare borhot, MJ/l alcool absolut Total MJ/l alcool absolut
-
0,08
0,08
3,14
1,27
-
0,04
0,04
0,04
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
4,5
4,5
4,5
0,3 16,8
0,3 13,2
0,3 0,03 10,6
*
Abur 6 bar, l v=2,085 MJ/kg **
Abur 2 bar, l v=2,202 MJ/kg
Procedeul prin dispersie ( DMV) Acest procedeu elimină elimină dezavantajul mărunțirii prealabile a materiei prime deoarece, deoarece, în acest acest caz, se face mărun mărunțirea boabelor boabelor chiar chiar în timpul operației de plămădir, plămădir, cu ajutorul ajutorul unui dispergator tip ULTRA TURRAX, TURRAX, montat direct direct ăn zaharificator. zaharificator. Conceput de de specialiștii de la universitatea universitatea Hihenheim Hihenheim ( germani), germani), procedeul procedeul este folosit folosit în combinație cu recircula recircularea rea 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.
20
În aparatul aparatul de plămădire plămădire și dispersie 4 se introduce mai întâi cantitatea de de apă și borhot fierbinte, procentul procentul de bothot putând putând să varieze între între 30 și 90% din lichidul de plămădire. După corec corecția de pH pH cu lapte lapte de var var se introduc cerealele cerealele boabe și enzima de fluidificare și
are loc dispersia și fluidificarea plămezii plămezii la temperatura temperatura optimă de 60..80oC. ( în în func funcție de
materia primă), controlânduse controlânduse gradul de dispersie dispersie cu ajutorul unui unui aparat simplu, conceput conceput în mod special pentru pentru acest procedeu. procedeu. După terminarea dispersiei, dispersiei, plămada se răce răce ște la 55 oC, se face o nouă corec corecție de pH cu cu acid sulfuric, sulfuric, se adaugă adaugă enzime enzimele le de zaharif zaharificare icare și se răce răce ște în continua continuare re plămada plămada până la temperatu temperatura ra de însămânțare cu drojdie. drojdie. Pentru porumb, durata dispersiei este este de circa circa 120 min, iar durata durata întregului proces proces de obținere a plămezii dulci este de circa circa 200 de min. În scopul scopul reduce reducerii rii duratei duratei de ob ținere inere se poate poate face o premăr premărun un țire grosieră a materiei prime cu ajutorul unei mori cu ciocane. Borhotul rezultat din coloana de distilare 14 este trecut într-un într- un vas de sedimentare 17, ăn care se separă separă un borhot diluat diluat și unul mai concentrat. concentrat. Borhotul diluat este folosit folosit ca lichid de plămădire, iar cel concentrat este valorificat ca furaj. Pentru obținerea unui borhot foarte concentra concentrat,t, cu peste 30% substan substanță uscată, uscată, se poate folosi folosi și un decantor decantor cu tobă, care care este însă costisitor. costisitor. O separare separare bună a borhotului se poate obține și cu ajutorul sitelor curbate, care sunt mult mai mai ieftine și nu necesită necesită un consum consum de energie energie electrică.
21
Din experien experiențele practice de aplicare a acestui acestui procedeu au rezultat următoarele următoarele avantaje: -
se pot pot prel preluc ucra ra fără fără prob proble leme me toat toatee ma mate teri riil ilee prim primee am amid idon onoa oase se,, obținân inându du-s -see randamente ridicate în alcool, de până șa 60 l alcool absolut/ absolut/ 100kg amidon, dacă dacă se folose folosește combina combinația de enzime enzime recoma recomandată ndată de de autori; autori;
-
se poa poate te ob obține ine grad gradul ul de de măru mărunn țire ire opti optim m prin prin con contr trol olul ul gra granu nula lației iei cu aju ajuto toru rull dispozitivului de sortare hidrodinamică MAK;
-
la ob obținerea inerea plăm plămezi eziii rezult rezultăă o econo economie mie de de energ energie ie de de circa circa 80% față de proce procedeu deull de fierbere fierbere sub presiune presiune HDV HDV și circa 30% față de celelalte celelalte procedee procedee de prelucra prelucrare re fără presiune DSA;
-
fierbă fierbătoa toarel relee Henze Henze dispo disponib nibili ilizat zatee pot fi folos folosite ite ca ca rezerv rezervăă de apă cald caldăă sau ca ca spațiu de fermentare;
-
se reduce reduce cantita cantitatea tea de borh borhot ot și de em emisi isiii în medi mediul ul ambi ambian ant, t, iar iar borho borhotul tul obținut inut are are o valoare furajeră mult mai ridicată;
-
prin prin recirc recircula ularea rea borh borhotu otului lui are are loc loc o acce accelera lerare re a ferme fermenta ntației, iei, iar peri pericol colul ul de infe infeccție este mai scăzut scăzut în comparație cu alte procedee procedee DSA;
-
se mic micșoreaz oreazăă consum consumul ul de apă apă de răc răcire ire în spec special ial în caz cazul ul folosi folosirii rii schim schimbă bătoa toarel relor or 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 Tabel 10 – consumul consumul de energie energie la producer producerea ea alcoolului alcoolului prin procedeul procedeul de diepersie diepersie DMV DMV cu recirc recircula ularea rea borhot borhotulu ului,i, în compar comparaa ție cu proce procedeu deull clasic clasic de fierbe fierbere re sub sub presiune HDV Materia primă
Cartofi
Caracteristicile 22
Porumb
Grâu, secară,
Procedeul
triticale
HDV**
Rata de recirculare a borhotului, %
15
30
50
30
50
0
30
40
40
40
40
20
380
17
15
80
0
700
0
0 120
40
720
Operația de plămă plămădire: dire: -
ener energi giaa elec electri trică că,, MJ/h MJ/hll alco alcool ol absolut
-
ener energi giaa ter termi mică că,, MJ/ MJ/hl hl alco alcool ol absolut -
tota total, l, MJ/h MJ/hll alc alcoo ooll abs absol olut ut
410 21
19
0
0
700
70
70
700
700
700
1100
0 91
0 89
820
740
1420
0
0
*
Operația de distilare distilare , MJ/hl alcool absolut Consum total, inlusiv distilarea, MJ/hl alcool absolut *
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 plămezilor din cereale și cartofi cartofi Pentru fermentarea plămezilor se pot folosi drojdii lichide (cultivate în fabrică), drojdii speciale speciale pentru pentru alcool ( uscate uscate sau comprimate) comprimate) sau drojdii de panifica panificație. În ultimul ultimul timp se folosesc folosesc pe scară scară tot mai largădrojd largădrojdiile iile uscate uscate în locul locul celor celor lichide, lichide, deoarece deoarece acestea acestea pot fi imediat utilizate după după o prealabilă hidratare, hidratare, au o bună bună conservabilitate conservabilitate și se dozează 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. Drojdi Drojdiile ile utiliz utilizate ate trebui trebuiee să indepl indepline ineas ască că următo următoare arele le condi condiții: să aibă aibă o putere putere alcool alcoolige igenă nă ridica ridicată, tă, să se poată acomoda acomoda la plăme plămezil zilee acide acide din cereale cereale și cartof cartofi,i, să 23
decla declannșeze eze rapid fermen fermenta tația, să formez formezee o canti cantitat tatee redusă redusă de spumă spumă la fermenta fermentare re și să producă o cantitate cât mai mică de hidrogen sulfurat și alte substanțe de gust și aromă nedorite. În tabelul tabelul 11 se prezintă prezintă puterea puterea alcooligen alcooligenăă și toleran toleran ța la alcool a unor prepara preparate te de drojdie uscată, lichidă, comprimată. Tabel 11 – Puterea alcooligenă și toleranța la alcool a unor preparate preparate de drojdie drojdie Nr. crt.
Denumirea preparatului
Specia de drojdie
Puterea
Tole Tolera ran nța la
alcooligenă, %
alcool, % alcool
alcool volumic
volumic
1 1 2 3 4 5 6 7 8
2 BLASTOSEL VS BLASTOSEL MV FERMICAMP DROJDIE SUPER I DROJDUE SUPER II DROJDIE MAX Drojdie lichidă Ay Drojdie lichidă
3 S. bayanus S. cerevisiae S. bayanus S. cerevisiae S. bayanus S. cerevisiae S. cerevisiae S. cerevisiae
4 11,2 11,1 11,6 10,4 9,7 9,8 8,6 8,9
5 15,0 14,2 15,4 13,7 13,0 12,1 11,7 9,0
9
EPERNAY Drojdie lichidă
S. cerevisiae
8,4
11,2
10
HAUTVILLERS Drojdie comprimată
S. cerevisiae
8,7
10,0
OTTAKRING Observație: primele 6 preparate sunt sub formă uscată.
Din tabel se observă observă că drojdiile lichide lichide și drojdia omprimată au au o putere alcooligenă alcooligenă mai scăzută decât majoritatea drojdilor uscate, astfel încât costurile ceva mai ridicate pentru drojdiile uscate se compenseaz compenseazăă în timp scurt prin randamentele randamentele mai ridicate în alcool ( 11-12 %vol.). Cultivare Cultivareaa în continua continuare re a drojdiei drojdiei în fabrică fabrică se face prin procedeu procedeull simplifict 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 plămezii principale are are o durată durată de 72 de ore și cuprinde cele 3 faze: -
faz faza in inițială ială,, cir circca 22 22 de de ore ore;;
-
faza faza prin princi cipa pală lă,, cir circa ca 18 ore; ore; 24
-
faza faza fina finală lă,, cir circa ca 32 de ore; ore;
Pentru scurtarea duratei de fermentare până l 48 de ore, se pot folosi următoarele metode: -
pornir pornirea ea fermen fermenta tației la temper temperatu aturi ri mai mai ridica ridicate te de de 24.. 24...25 .25oC, prin care care faza faza inițială se reduce la 4 – 6 ore;
-
folosi folosirea rea de de borhot borhot lich lichid id recir recircu culat lat ( maxim maximum um 60%) 60%) la obținerea inerea plăm plămezi eziii prin care care se declan declanșează mai rapid rapid fermenta fermentația, scurtân scurtându-se du-se faza ini inițialăpână ialăpână la 2 – 3 ore;
-
utiliz utilizare areaa unei unei cant cantită ități mai mai mari mari de lapt laptee de slad slad pentr pentruu a asigu asigura ra can cantit tităă ți sufici suficien ente te de amilaze, pentru zaharificarea secundară;
-
folosi folosirea rea unei unei can cantit tităăți mai mai mari mari de plămad plămadăă de de droj drojdie die de 10...1 10...15%; 5%;
-
condu conduce cerea rea fermen fermenta tației la temper temperatu aturi ri mai ridica ridicate te de 35..36 35..36 oC;
-
folosi folosirea rea prepar preparate atelor lor enzima enzimatic ticee microbie microbiene, ne, care care produc produc o hidrol hidroliză iză mai mai avans avansată ată a amidonului până la glucoză, fără formare de dextrine limită, scurtându-se astfel, faza finală finală a fermenta fermentației; În funcție de materia materia primă prelucra prelucrată tă și de procesul procesul tehnologi tehnologicc aplicat, aplicat, extractul extractul
aparent al plămezilor fermentate trebuie să prezinte următoarele valori: -
pent pentru ru plăm plămez ezii din din cart cartof ofii : 0,3 0,3 – 1,5 1,5% %
-
pent pentru ru plăm plămez ezii din din poru porumb mb:: < 0; 0;
-
pent pentru ru plăm plămez ezii din din orez orez:: 1,0 1,0 – 1,3 1,3%; %;
-
pent pentru ru plăm plămez ezid idin in sec secar ară: ă: 1,1 1,1 – 1,4 1,4%; %;
-
pent pentru ru plăm plămez ezii din din ovăz ovăz:: 0,9 0,9 – 1,1 1,1%; %; Extractul real al plămezii fermentate, după eliminarea alcoolului, se poate calcula cu
formula:
er = 0,3A + e a+0,4 în care : -
er - extractul real al plămezii fermentate în %; 25
( 1.2.3.1)
-
A – conce concentr ntraația alcool alcoolică ică a plăme plămezii zii fermen fermentat tate, e, în % vol; vol;
-
ea – extractul aparent al plămezii fermentate, în % ; În cazul procedeului cu recircularea borhotului, extractul real al plămezii fermentate
crește, trepta treptat, t, o dată cu creșterea terea număr numărulu uluii de recircul recirculări ări,, a șa cum se observ observăă în tabelul tabelul 12. Tabel 12 – Evolu Evolu ția extractelor la fermentarea plămezilor plămezilor din grâu prin prin procesul SRV SRV Succesiunea recirculării
Plămada dulce Extract, % pH
Plămada fermentată Extract real, pH
0 – 10
16,7
5,3
% 3,2
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
4,4
Se observă că, că, începând cu recircularea a 21-a, 21-a, extractul real al plămezii plămezii fermentate cre ște prea mult. Această Această creștere de concentra concentrație se poate calcula calcula cu formula:
er =
[ 1+
]
(1.2.3.2)
în care: -
er - extractul real al plămezii fermentate în %;
-
I – subs substan tanța care care dă dă extra extractu ctull nefer nefermen mentes tescib cibil il al materi materiei ei prime prime,, în %; %;
-
R- cant cantit itat atea ea de ma mate teri riee pri primă mă,, în în kg; kg;
-
M – can canti tita tate teaa de plă plăma madă dă fer ferme ment ntat ată, ă, în în L;
-
P – procen procentul tul de borh borhot ot recir recircu culat lat față de borho borhotul tul total total rezu rezulta ltatt de la disti distilar lare; e; 26
-
n – numă număru rull de de reci recirc rcul ulăr ări; i; Controlul microbiologic al plămezilor plămezilor din cereale cereale și cartofi este important important pentru
stabilirea stabilirea stării stării fiziolog fiziologice ice a drojdiei drojdiei și pentru pentru depistare depistareaa microorgani microorganismel smelor or de infec infecție. Astfel, în plămezile de drojdie, numărul de celule celule de drojdie trebuie trebuie să varieze între 50 50 și 300 * 106 celule/ml plămadă. Valori sub 50 * 10 6 celule/ ml denotă o multiplicare slabă a drojdi drojdilor lor.. Determ Determina inarea rea conce concentr ntraației în celule celule de drojdi drojdie, e, în plămăz plămăzile ile pricip pricipale ale,, cu ajutorul camerei Thoma trebuie să se facă numai după prima zi de frementare. Drojdiile cu o bună stare fiziologică fiziologică nu trebuie să conțină mai mult de 5% celule celule moarte. Infecțiile cu bacterii sunt periculoase periculoase deoarece consumă consumă zahăr pentru metabolismul metabolismul propriu, iar prin acizii organici formați ( lactic, butiric) inhibă activitatea drojdiei. De asemen asemenea, ea, în urma infec infecțiilor iilor cu bacter bacterii ii are loc o creștere tere a conținutulu inutuluii de acrole acroleină ină a alcoolului produs. Astfel, Astfel, în Germania, conținutul în acroleină al alcoolului alcoolului brut nu trebuie să depă depășească ească 0,2 mg/10 mg/1000 ml; în caz caz contra contrarr se fac scăzămi scăzăminte nte de la la pre țul de livrare livrare al alcoolulu alcooluluii produs. produs. Pentru scăderea scăderea conținutului inutului în acroleină acroleină se recomand recomandăă o acidulare acidulare specială a plămezii plămezii de drojdie și a plămezii plămezii principale. principale. Tabel 13 13 - Aprecierea Aprecierea gradului gradului de infec ție a plămezii Numărul de germeni / ml < 2 x 108 ( 4- 15) x 108 ( 15 – 50)x 10 8 ( 50 – 120) x 108 > 120 x 10 8
Gradul de infec ție ie Plămadă liberă liberă de infecții din punct de vedere tehnic Plămad Plămadăă ușor infec infectat tatăă Plămadă infectată Plămadă puternic infectată „Cultură de bacterii”
Această Această scară scară poate fi folosită folosită pentru pentru apreciere apreciereaa gradului gradului de infec ție al plămezii plămezii de drojdie sau al plămezii principale. Astfel, o plămadă de drojdie poate finfolosită, dacă s-au găsit la examenul examenul microscopic microscopic maximum ( 1-2) * 106 germeni/ml, iar o plămadă principală poate să conțină, după 24 de de ore de fermentare, fermentare, maximum ( 4-5)* 106 germeni/ml.
1.3 FABRICAREA ALCOOLULUI DIN MELASĂ Obținerea plămezilor plămezilor fermentate din melasă cuprinde cuprinde trei etape: etape: -
preg pregăt ătire ireaa mela melase seii pent pentru ru fer ferme ment ntar are; e; 27
-
preg pregăt ătire ireaa droj drojdi diei ei pen pentr truu frem fremen enta tare re
-
ferm fermen enta tare reaa plăm plămez ezii ii prin princi cipa pale le;; La fermenta fermentarea rea plămez plămezilo ilorr din melasă melasă se folose folosesc sc atât proce procedee dee cu func func ționare ionare
discontinuă cât și continuă. Procedeele de fermentare continuă se împart în două grupe: -
proc proced edee eeee fără fără ref refol olos osire iress dro drojd jdie iei; i;
-
proce procedee dee cu separa separarea rea și folosi folosirea rea drojdi drojdiei; ei; În figura 7 se prezintă schema-bloc schema-bloc a unui procedeu procedeu de ob ținere a alcoolului din melasă melasă
cu separarea și refolosirea drojdiei. Pregătirea melasei cuprinde opera operațiile de diluare cu apă, neutralizare, acidulare, acidulare, adăugare de săruri nutritive, nutritive, limpezire și sterilizare ( pasteurizare). pasteurizare). Plămada Plămada principală se diluează până la 30 – 34% extract, iar plămada de drojdie până la 12-16% extract. Cele două plămezi pot avea și aceea aceeași concentra concentrație în extract extract de 23%. Pregăt Pregătire ireaa drojdi drojdiei ei cuprinde cuprinde muulti muultipli plicar carea ea în labora laborator tor,, în sec secția de culturi culturi pure 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. Separa Separarea rea drojdi drojdiei ei se face face din ultimu ultimull lin de fermen fermentar taree cu ajutor ajutorul ul uno unorr separa separatoa toare re centrifugale, care concentrează drojdia într-un volum reprezentând 7 – 10% din plămada fermentată. Laptele Laptele de drojdie drojdie obținut este, este, apoi, purificat purificat prin tratare tratare cu o solu ție de acid sulfuric, sulfuric, timp de 1 – 2 ore, la pH=2,2 – 2,4, pentru pentru distrugerea distrugerea eventualel eventualelor or bacterii de infec ție, după care este refolosit la fermentare. Proced Procedeel eelee de fermen fermentare tare conti continuă nuă a melase melaseii cu reutil reutiliza izarea rea drojdi drojdiei ei reprez reprezint intăă următoarele avantaje: -
creșterea terea randa randamet metulu uluii în alcool alcool până până la la 64 – 65 l alco alcool ol absol absolut/ ut/100 100kg kg zaha zaharoz rozăă din melasă;
28
-
creștere tereaa pro product ductiv ivit ităății și reduc reduceerea rea cores respunz punzăătoa toare a nece ecesaru sarulu luii de spa spa țiu și investi investiții de fermenta fermentare; re;
-
auto automa mati tiza zare reaa mai mai ușoară oară a proc proces esul ului ui teh tehno nolo logi gic; c;
-
mic micșorar orarea ea și unif unifor ormi miza zare reaa cons consum umul ului ui de util utilit ităăți; Ca dezavan dezavantaj taj s-ar putea putea menționa greută greutățile care apar apar datorită datorită instabilită instabilității biologice biologice
( pericolul mai mare de infecție) ie). Pentru a se elimina acest dezavantaj fir firma STARCOSA/BMA a conceput un procedeu de fermentare continuă a melasei, care permite obținerea alcoolului alcoolului cu o productivitate foarte ridicată din substraturi substraturi nesterile. nesterile. Acest lucru sa obținut printr-o printr-o combina combinație între un bioreacto bioreactorr și o unitate unitate de separare separare solid/ solid/lichi lichidd ( modul de microfiltrare) c ajutorul căreia se recirculă biomasa de drojdie în sistem până la o concentra concentrație foarte ridicat ridicatăă ( 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 fermen fermentat tator or și un permeat, permeat, care este evacuat evacuat din sistem sistem prin tancul tancul tampon tampon 7. Datorită Datorită concentra concentrației ridicate ridicate în biomasa biomasa activă de drojdie drojdie ( limitată prin sistemul sistemul de aerare) aerare) se ob ține o productivita productivitate te ridicată ridicată pe unitatea de volum și timp. Astfel, la o productivita productivitate te de 40 ml etanol/ etanol/ l și oră, s-a s-a obținut pentru pentru un fermenta fermentator tor de 63 63 m3 o produc producție zilnică zilnică de alcool alcool de circa 60000l, la un randament în alcool reprezentând 95% din cel teoretic.
29
30
Cele două două plămezi plămezi rezultate rezultate din din istalație – permeatul permeatul A(8), fără fără particule particule solide, 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 Bazele teoretice teoretice ale distilării distilării și rectificări rectificăriii Plămada Plămada fermentată fermentată este este un amestec amestec apos de diferit diferit substan substan țe aflate în solu ție sau în suspensie fie provenite din materiile prime și auxiliare, fie produse ale fermentației alcoolice. alcoolice.
31
Concentrația alcoolică a plămezii plămezii fermentate variază între între limite largi largi cuprinse între 6 și 12% vol., vol., în funcție de materia materia primă prelucrat prelucratăă și de procesul procesul tehologic tehologic aplicat. aplicat. Separarea Separarea alcoolului etilic etilic din acest acest amestec 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 lichid la distilarea amestecurilor de alcool etilic și apă.
Tabel 14 - Echilibrele vapori–lichid vapori–lichid la distilarea distilarea amestecurilor amestecurilor binare binare de alcool etilic etilic ș i apă
Concentra Concentrația în alcool alcool a
Temperatura de
Conce Co ncentr ntraația în în
Coeficientul de
amestecului alcool –
fierbere a
alcool a vaporilor
distilare
apă
amestecului
y, % masice
( evaporare)
x , % masice
alcool – apă t , oC
K A=
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 20
88,95 87,15
59,5 64,8
4,0:1 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 50
82,45 81,90
75,9 77,1
1,7:1 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
32
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 97
78,15 78,20
95,57 96,9
1:1 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 amest am estecu ecului lui alcool alcool etilic etilic – apă și se poate stabili stabili numărul numărul de trepte trepte de conce concentr ntrare are sau epuizare în alcool. Antrenarea unor produse produse secundare de de fermentație cu alcooll la distilare se poate poate observa din din fig. fig. 9, în care care sunt sunt prez prezen enta tați coef coefic icie iennții de dist distil ilar aree ( evap evapor orar are) e) ai unor unor prod produs usee secundare secundare de fermenta fermentație în func funcșie de conce concentra ntrația alcoolic alcoolicăă a lichidulu lichidului.i.
33
34
35
36
Rafinarea este este operația de purificare și concentrare concentrare în alcool alcool a alcooluli brut, în vederea obținerii inerii alcooluli alcooluli etilic rafinat cu concentra concentrația alcoolică alcoolică de circa 96% vol. Rafinarea Rafinarea se poate face pe cale fizică (rectificare) sa pe cale chmimică. Rafinarea chimică constă în tratarea alcool alcoolulu uluii brut brut cu subst substan anțe chimi chimice ce,, în vedere vedereaa transf transform ormări ăriii uno unorr impuri impurită tăți din formă volatilă în formă fixă (nevolatilă). Separ Separare areaa impurită impurităților ilor prin prin rectific rectificare are se bazeaz bazeazăă pe diferen diferența de volabil volabilita itate te și de solubilitate în amestecul alcool etilic – apă. Pentru Pentru stabilirea stabilirea comportări comportări unei impurită impurități la rectifica rectificare re se calculează calculează coeficientul coeficientul de rectifica rectificare re al impurită impurității respectiv respectivee wi:
Wi = k i/k A
( 1.4.1.1)
unde: k i este coeficie coeficientul ntul de distilare distilare al impurității k A – coeficientul de distilare al alcoolului etilic. Impurită Impuritățile care care au wi > 1 se concentrează concentrează la rectificare în faza de vapori formând formând frunțile, iar acela care au w i < 1 se concentrează în faza lichidă de pe taler formând cozile sau uleiul de fuzel. În figura 10 se prezintă prezintă coeficie coeficiennții de rectificar rectificaree pentru pentru unele produse secundare secundare rezultate rezultate de la fermenta fermentația alcoolică. alcoolică.
37
1.4. 1.4.22 Inst Instal alaații de disti distila lare re și rect rectif ific icar aree Instala Instalațiile de distilare distilare a plămezilo plămezilorr fermentate fermentate sunt prevăzute prevăzute cu două coloane, coloane, de plămadă și de concentrare, concentrare, care ppt fi amplasate amplasate sau suprapus suprapus sau alăturat. Cele mai utilizate în practică practică sunt instalațiile de distilare cu coloane coloane suprapuse. suprapuse. În figura 11 este este preze prezenta ntată tă o instal instalaație de ditila ditilare re a plămez plămezilo ilorr fermen fermentat tate, e, prevăz prevăzută ută cu încălz încălzire ire indirectă, care permite obținerea unui borhot mai concentrat. concentrat. Înstala Înstalațiile de rafinare rafinare discontin discontinuă uă sunt prevăzu prevăzute te cu separare separare de aldehide aldehide și de fuzel ( fig. 12). Pentru capacit capacitți mai mari se folosesc instalații de distilare – rafinre contunuă, contunuă, care care permit obținerea alcoolului alcoolului rafinat direct din plămezile fermentate. În figura 13 este reprezentată schematic o instalaâie de distilare – rafinare contunuă cu trei coloane, care se bazează bazează pe antrenarea antrenarea frun țiilor direct din plămada fermentată. Consumul de abur abur pentru instalația de distilare – rafinare continuă continuă ( fig 13) este de circa 5 kg/l alcool absolut.
38
Pentru reducerea reducerea consumulu de energie la distilare și rafinare se pot pot folosi următoarele următoarele metode: -
recupera recuperarea rea căldu căldurii rii din borhot borhot prin prin recompri recomprimare mare termică termică sau sau mecan mecanică ică a vaporilor; vaporilor;
-
distil distilare areaa și rectif rectifica icarea rea cu efect efect multip multiplu; lu;
-
folo folosi sire reaa pomp pompel elor or de de cal caldu dură ră;; Prin recompri recomprimarea marea directă directă a vaporilor vaporilor alcoolici alcoolici rezulta rezultați din coloana coloana de rectificare rectificare și
refolosire refolosireaa lor la încălzirea încălzirea coloanei coloanei de plămadă plămadă și hidroselec hidroselecție, este posibilă posibilă o reducere reducere drastică a consumului de energie la distilare- rafinare. În acest caz ( fig 14), vaporii alcoolici rezultați din coloana de rctificare cu temperatura temperatura de circa 78 78oC și concentr concentraația alcoolică alcoolică de 94 – 95% masice sunt comprimați în două trepte, într-un turbocompresor, până la temperatura de 118...120oC și refolos refolosiiți ca agent agent de de încălz încălzire ire a coloan coloanei ei de de plăma plămadă dă și hidros hidroselec elecție.
39
40
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 energie pentru sistemele moderne moderne de distilare Conf Co nfig igur uraația
Produsul
Consumul de abur de
Consumul de energie,
inst instal alaației iei
( randamentul, %)
9 bar, kg/l etanol
kWh/l produs
Energy – Saving Normal
Alcool fin
Circa 2,5
Circa 0,025
Pressure ( ESNP) 41
Presiuni multiple
Alcool neutru
Circa 1,6
Circa 0,060
Presiuni duble
( circa 94) Alcool absolut
Circa 2,6
Circa 0,038
Presiuni multiple
( circa 95) Alcool absolut
Circa 1,5
Circa 0,082
Presiuni multiple și
( circa 95) Alcool neutru
Circa 0,5
Circa 0,3*
recomprimare de vapori Presiuni multiple și
( circa 94) Alcool absolut
Circa 0,75
Circa 0,3
recomprimare de vapori ( circa 95) * La acționarea electrică electrică a compresorului
42
1.5 BORHOTUL DIN CEREALE ȘI CARTOFI Borhotul Borhotul din cereale și cartofi, rezultat rezultat de la distilarea distilarea plămezilor plămezilor fermentate fermentate,, prezintă compozi compoziția chimică chimică dată în tabelul tabelul 16. Tabel 16 - Compoziția chimică chimică medie a borhotului borhotului din cereale și cartofi Componentele
Substan Substanță organică, organică, % s.u. s.u. Proteină brută, % s.u Brăsime brută, % s.u. Celuloză, % s.u. Substanțe extractive
Borhot din: Porumb Grâu 95,3 91,4
Orz 97,9
Orez 96,5
Cartofi 87,4
25,5 11,7 10,6 47,6
31,3 10,2 13,7 42,7
42,4 3,5 5,9 44,7
27,0 2,7 8,1 49,9
34,8 2,2 3,4 51,0 43
neazotoase, neazotoase, % s.u. Substan Substanțe minerale, minerale, % s.u. s.u. Substan Substanță uscată, uscată, % s.u. s.u.
4,7 8,5
8,6 4,2
2,1 26,0
3,5 8,0
12,6 6,0
( aproximativ) Prin substa substannțele pe care care le conține, borhotu borhotull din cereale cereale și din cartofi cartofi reprezin reprezintă tă un furaj furaj prețios. Digestibilitatea principalelor componente ale borhotului pentru animale și păsări este prezentaă în tabelul tabelul 17.
Tabel 17 – Digestibilitatea borhotului din porumb pentru pentru animale și păsări Componentele
Digestibilitatea, % pentru: Vite Porci Substan Substanță organi organică că 75 80 Proteină brută 73 78 Grăsime brută 81 92 Celuloză 32 81 Subs Substa tannțe extra extract ctiv ivee 89 91
Ovine 67 64 89 59 71
Păsări 58 78 56 36 51
neazotoase
Prin prelucrarea fără presiune a cerealelor și cartofilor rezultă un un borhot cu o valoare furajeră mai ridicată decât în cazul fierberii sub presiune, la care au loc procese importante de degradare termică termică a unor substan substanțe valoroase din borhot . Astfel, în cazul cazul folosirii procedeului procedeului prin dispersie, dispersie, valoarea valoarea furajeră a borhotului crește cu circa 45%, 45%, digestibilita digestibilitatea tea substan substanței organice organice cu circa 24% fa ță de procedeul procedeul de fierbere sub presiune.
1.5 1.5
RAND RANDAM AME ENTE NTE PRAC PRACTI TIC CE OBȚINUT INUTE E LA FABR FABRIC ICA AREA REA ALCOOLULUI În tabelul 18 se prezintă prezintă randamen randamentele tele practice practice obținute la fabricarea fabricarea alcoolulu alcooluluii din
materii prime amidonoase și din matyerii matyerii prime zaharoase. zaharoase. 44
Tabel Tabel 18 - Randamen Randamentele tele practic practicee ob ținute la la fabricar fabricarea ea alcoolu alcoolului lui ( litri alcool alcool absolut/100kg)
I Materii prime amidonoase Materia primă Amidon % 1 Amidon pur, anhidru Amidon pur, uscat în aer, Amidon pur, umed Cartofi Cartofi Cartofi Cartofi Fulgi de cartofi Făină de amidon de cartofi Secară medie Secară grea Grâu mediu Grâu greu Orz Ovăz Porumb normal Sorg Făină de tapioca Malț uscat uscat din din orz orz Malț verde verde din: din:
Calitatea Calitatea fabrica fabricației Excelentă Foarte
2 100 82 50 14 16 18 20 68 80 55 58 57 60 55 52 60 60 75 56
3 67,0 54,9 33,5 9,4 10,7 12,1 13,4 45,6 53,6 36,9 38,9 38,2 40,2 36,9 34,8 40,2 40,2 50,3 37,5
bună 4 65,0 53,3 32,5 9,1 10,4 11,7 13,0 44,4 52,0 35,7 37,7 37,0 39,0 35,8 33,8 39,0 39,0 48,8 36,4
Bună
Medie
5 63,0 51,6 31,5 8,9 10,0 11,3 12,6 42,8 50,4 34,6 36,6 35,8 37,8 34,7 32,7 37,8 37,8 47,3 35,3
6 61,0 50,0 30,5 8,5 9,7 11,0 12,2 41,5 48,8 33,5 35,4 34,7 36,6 33,6 31,7 36,6 36,6 45,8 34,2
-
orz ușor
40
26,8
26,0
25,2
24,4
-
orz foarte ușor
35
23,5
22,8
22,1
21,4
-
ovăz mi mijlociu
35
23,5
22,8
22,1
21,4
Calitatea Calitatea fabrica fabricației Excelentă Foarte bună
Bună
Medie
64,0
62,0
60,0
58,0
7,7 9,0 10,2
7,4 8,7 9,9
7,2 8,4 9,6
7,0 8,1 9,3
II Materii prime zaharoase Materia primă Zahăr % Zahăr din trestie de zahăr 100 anhidru Sfeclă de zahăr Sfeclă de zahăr Sfeclă de zahăr
12 14 16
45
Sfeclă de zahăr Sfeclă de zahăr Melasă din sfeclă de zahăr Melasă din sfeclă de zahăr Melasă din sfeclă de zahăr Melasă din sfeclă de zahăr
18 20 46 48 50 55
11,5 12,8 29,4 30,7 32,0 35,2
11,2 12,4 28,5 29,8 31,0 34,1
10,8 12,0 27,6 28,8 30,0 33,0
10,4 11,6 26,7 27,8 29,0 31,9
CAP 2. PARTEA DE PROIECTARE
2.1 TEMA PROIECTULUI
Să se dimensioneze dimensioneze o instalație de obținere a alcoolului alcoolului etilic din porumb care prelucrează anual o cantitate de P = 1000 1000 + 100* N t / an unde N = 28
46
Adică : P = 1000 + 100 * 28 = 3800 t/ an
sau
P= Compozi Compoziția porumbului porumbului prelucrat: prelucrat: -
umid um idit itat atea ea u = 10,8 10,8 + 0,1 0,1 * N <=> <=> u = 13,6%
-
amodon odon a = 56,6 6,6 + 0,1 0,1 * N <=> <=> a = 59,4 %
-
impurități ip = 2
-
subst ubstan anță usc uscat atăă s.u s.u.= .= 100 100 – ( u + a + i p ) <=> s.u. = 25 %
47
2.2 SCHEMA FLUX A PROCESULUI TEHNOLOGIC
48
49
50
51
2.3 2.3 BILA BILAN NȚUL DE MATE MATERI RIAL ALE E
D0 = p = 527,78 kg/h P1 -= kg/h D1 = D0 - p1 = 527,78 – 0,53 = 527,25 kg/h 52
P2 -= kg/h D2 = D1 –p2 = 527,25 – 1,05 = 526,2 kg/h
P3 -= kg/h D3 = D2 –p3 = 526,2 – 0,53= 525,67 kg/h
P4 -= kg/h Se supun supun precu precură rățirii 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 53
Înaint Înaint de precură precurățire compozi compoziția porumbul porumbului ui era: -
u = 13,6%..........13,6...........x
-
a = 59,4 %............59,4...........y %............59,4...........y
-
ip= 2 ......................2...............0 ......................2...............0
-
s.u. = 25 %...........25..............z %...........25..............z 100 kg
98 kg
100
După precură precurățire avem următoare următoareaa compoz compoziiție:
-
u = x = 13,88 %
-
a = y = 60,61 %
-
s.u. = z = 25,51 %
P5 -= kg/h D5 = D4 –p5 = 514,64 – 0,51= 514,13 kg/h
P6 -= kg/h D6 = D5 –p6 = 514,13 – 1,03= 513,1 kg/h 54
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 compozi compozi ției după faza de fluidizare Cantitatea care se fluidizează cu A„b7 este este difere diferennța (D6 - p7) = 513,1-0,51 = 512,59
-
u = 13,88 % ...............x
x = 71,15 kg
-
a = 60,61 60,61 %..... %........ ...... ...... ...... ...... ...yy
y = 310 310,68 ,68 kg 55
-
s.u. s.u. = 25,51 25,51 % ...... ......... ...... ...... ...zz
z = 130 130,76 ,76 kg
--------------------------------------100 kg
512,59
La fluidizare la cele 71,15 kg umiditate se adaugă A „ b7 -
u = 71,15+ 2565,5 = 2363,65 kg ...............x
x = 85,66 %
-
a = 310,68 310,68 kg........ kg............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......y .y
y = 10,09% 10,09%
-
s.u. = 130,76 130,76 kg........ kg............. .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .....zz
z = 4,25% 4,25%
-------------------------------------------------------------------3078,09 kg
100 kg
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 3078,09 – 3,08 = 3075,01 kg/h
56
Debitul de enzime de zaharificare D ez și debitul de acid sulfuric D H2SO4 se vor neglija. Faza de zahrificare presupune presupune transformarea amidonului amidonului în zahăr sub acțiunea enzimelor de o zaharificare în mediu de pH acid la t= 55 C. P9 -= kg/h
Din D8 se pierde o cantitate p 9, iar această diferen diferență va suferi procesul procesul de zahrificare. D8 - p9 = 3075,01 – 3,07 = 3071,94 kg/h Randamentul Randamentul de zaharificare este de 90% ceea ce înseamnă înseamnă că 90% din amidonul amidonul con ținut de diferentă, se va transforma în zahăr. -
u= 85,66 85,66 %..... %........ ...... ...... ...... ...... ....x .x a = 10,09% 10,09%... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....y .y
x= 263 2631,4 1,422 kg y= 309 309,96 ,96 kg
-
s.u. s.u. = 4,25%. 4,25%.... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....z .z
z= 130 130,56 ,56 kg
100
3071,94
Din 100 kg amodon 90 de kg se zaharifică, iar 10 kg rămân nezaharificate: Nezaharificat 10 kg..............................x kg..............................x
x= 31 kg
Zaharificat 90 kg....................................y kg....................................y
y= 278,97 kg
.----------------------------------------------------------100 kg
309,96 kg 57
Reacția de zaharif zaharificare icare
[C6H12O5]n + nH2O
n C6H12O6
M C6H12O5= 162
162 kg amidon .........18 kg apă............180 apă............180 kg zahăr
M C6H12O6= 180
278,97 kg......................x................. kg......................x.........................y ........y
MH2O= 18
x = 31 kg apă y = 309,96 kg zahăr
Înainte de zaharificare în masa de reac ție aveam : -
u= 2631,42 kg a = 309,96 kg
-
s.u. = 130,56 kg
Din 309,96 kg kg de amidon amidon o cantitate de 278,97 kg kg se va consuma consuma și va forma 309,96 kg kg de zahăr, iar diferen diferența 309,96 – 278,97 = 30,99 kg amidon va rămâne nedescompus. nedescompus. De asemenea asemenea în reacție se va consuma și o cantitate cantitate de 31 kg de apă. apă. După zaharificare amestecul va con con ține: u = 2631 – 30,99 = 2600,43 kg H 2O a = 309,96 – 278,97 = 30,99 kg amidon nezaharificat s.u = 130,56 kg z = 309,96 309,96 kg zahăr zahăr format în reac reacție
D9= D8 - p9 = 3075,01 – 3,07 = 3071,94 kg
Determina Determinarea rea compoz compozii ției D9 u = 2631 – 30,99 = 2600,43 kg ..........................x ..........................x
x = 84,65 %
a = 309,96 – 278,97 = 30,99 kg ..........................y ..........................y
y = 1,01%
s.u = 130,56 kg....................................... kg....................................................z .............z
k = 4,25 %
58
z = 309,96 kg .............................................. ......................................................k ........k ---------------------------------------------------------------3071,94 kg
100 kg
A p10 se neglijează
P10 -= kg/h D10= D9 - p10
= 3071,94 3071,94 – 3,07 = 3068,87 kg/h
Debitul de drojdii D DR se neglijează P11 -= 59
z = 10,09 %
kg/h D11= D10 - p11 = 3068,87 – 3,07 = 3065,8 kg/h
P12 -= kg/h D12= D11 - p12 = 3065,8 – 3,07 = 3062,73 kg/h
60
În faza de fermentare are descompunerea zahăr zahărulu uluii în alcool alcool etili tilicc cu form formaare CO2. Datorită faptului că CO2 format poate fi valo valori rifi fica catt în alte alte industrii alimentare alimentare el va fi purificat, uscat și îmbuteliat în butelii de 100 L la 20 oC și 100 atm. Din debitul de intrare D 12 se va pierde o cantitate p 13 iar diferen diferența va suferi suferi proces procesul ul de de fermen fermenta tație. P13 -= kg/h D12 – p13 = 3062,73 – 3,06 = 3059,67 kg
Determina Determinarea rea compoz compozii ției cantită cantității supuse supuse fermentă fermentării: rii: 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 restul de 10% nu fermentează, adică
* 308,72 = 277, 85 kg, iar
* 308,72 = 30,87 kg .
Reacția de transformare a zahărului zahărului în alcool alcool și dioxid dioxid de carbon
61
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 .........................x .............................y .............................y
x= 142,01 kg alcool etilic y= 135,84 kg CO 2
CO2 Se va elimina sub formă de gaz deci deci nu se va găsi în masa de reac ție.
Compozi Compoziției debitului debitului Înainte de fermentare
După fermentare
u = 2590,1 kg
u = 2590,1 kg
a = 30,9 kg
a = 30,9 kg
s.u = 130,04 kg
s.u = 130,04 kg
z = 308,72 kg
z ahăr -
30,8 30,877 kg zahă zahărr nefe neferm rmen enta tatt
-
142, 142,01 01 kg alc alcoo ooll eti etili licc
-
135,84 kg 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 kg...................y
y = 1,06 %
62
s.u = 130,04 kg..............k
k = 4,45 %
z = 30,87 kg..................z kg..................z
z = 1,06%
ae = 142,01 kg ...............t
ae = 4,86 %
------------------------------2923,83 kg
100 kg
Calculul numărului de butelii de CO 2 obținute inute într într-o -o oră oră de func funcționare ionare a insta instala la ției 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 .................22,42 L 135840 g CO2.....................................x .....................................x = 69216,65 l CO 2 = V0
=
V= =
= 742, 85 L CO
Numarul de butelii pe oră 1 butelie..................100 l CO 2 x..............................742,85 x..............................742,85 L
x = 7,42 but/h
63
2
la 100 at. și 20oC
În faza de distilare distilare se separă un amestc amestc binar de alcool alcool și apă care va trece în etapa următoare următoare de rafinare. În această această etapă etapă se va mai mai obține un borhot care care nu con ține alcool alcool etilic și care are o cantitate de apă de 90%. P14 -= kg/h Difere Diferennța dintre dintre D13 și p14 se va supune distilării. D13 – – p14 = 2923,83 – 2,92 = 2920,91 kg Compo Co mpozi ziția cantit cantităății supusă supusă distil distilări ăriii u = 88,57 % ................x = 2587,05 2587,05 kg a = 1,06 %...................y %...................y = 30,96 kg s.u = 4,45 %..................k = 129,98 z = 1,06%..................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. etilic. În borhot după distilare trebuie trebuie să se regăsească substan ța uscată, amidonul, zahărul zahărul din amestecul supus supus distilării. s.u = 129,98 a= 30,96 64
z = 30,96 --------------191,90 Dacă la 10 kg ...........................191,9 ...........................191,9 kg 90 kg apă ........................ ........................xx apă = 1727, 1 apă/h apă/h 100 kg .............................y .............................y borhot = 1919 1919 borhot/h borhot/h
Calculul Calculul compozi compoziției borhotulu borhotuluii 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 con conține întreaga cantitate de alcool alcool 1001,91 kg .........142,01 .........142,01 kg alcool alcool 100 kg ....................x = 14,17 14,17 % alcool alcool etilic
65
În faza de rafinare se prelucrează prelucrează un alcool de 14,17 % cu scopul scopul ob ținerii 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 ......................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, .....................................141,83 83 unde x = D 15= 147,74 kg Calculul debitului de reziduu Drez = D 14 – D15 – p15 = 1001,91- 147,74 – 1 = 853,17 kg
P16 -= kg/h
D16= D15 - p16 66
= 147,74 – 0,15 = 147,59 kg/h
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
P18 -=
kg/h
D18= D17 - p18
67
= 147,44 – 0,15 = 147,29 kg/h
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 2.4 BILA BILAN NȚUL TERM TERMIC IC Fazele în care este implicat bilanțul termic sunt: 1. Fluid luidiz izar areea; 2. Răcire cireaa la 55 OC; 3. Răcire cireaa la 30 OC; 4. Răcire cireaa la 20 OC; 5. Disti istila lare reaa; 68
6. Rafin finarea rea;
Bilan Bilanțul termic termic la fluidiz fluidizare are Se dau: -
Enta Entalp lpia ia abur aburul ului ui Hab Hab = 420 420 kJ/k kJ/kgg
-
Căld Căldur uraa spe speci cici cică că pen pentr truu apă apă cpu cpu = 4 J/k J/kgg oK
-
Căld Căldur uraa spec specic icic icăă pent pentru ru ami amido donn cpa= cpa= 5 J/k J/kgg oK
-
Căld Căldur uraa spec specif ific icăă pent pentru ru sub subst stan anșa usca uscată tă cps cpsu= u= 3 J/k J/kgg oK
-
Căld Căldur uraa spec specif ific icăă pent pentru ru zah zahăr ăr cpz cpz= = 2 J/kg J/kg oK
-
Căldu Căldura ra spec specifi ifică că pent pentru ru alco alcool ol cpae cpae = 2,5 2,5 J/kg J/kg oK
t6 = 20 OC
și
t 0 = 0 oC
Ecua Ecuația de de bila bilannț : Qin 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 =
=
o
J/kg K
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 unde cpD7 =
= 4,0584 J/kg oK 69
= 4,351
QD7 = QD6 + Q A”b7 - Qp7 ( 3)
Din rel (1) =
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
Bilan Bilanțul termic termic la răcirea răcirea la 55oC
Ecua Ecuația de bilan bilanț :
Qin = Qex QD7 + Q Ap8IN= QD8 + Qp8 + Ap8EV
QD7 = 1122115,58 kJ/h Q Ap8IN = Ap8 *cpu* t 8,1 = A p8 * 4 * 15 = 60 A p8 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* t 8,2 =
A p8 * 4 * 55 = 220 A p8
Din ecua ecuația de bilanț 160 Ap8 = QD7 - QD8 - Qp8 Ap8 = 2406,54 kg
Bilan Bilanțul termic termic la răcirea răcirea la 30oC Qin = Qex 70
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 * t 10.1 = A p10 *4*15= 60A 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 * t 10.2
= A p10 *4*30= 120 Ap10
Din ecua ecuația de bilanț 60Ap10 = QD9 - QD10 - Qp10 Ap10 = 4815,31 kg
Bilanțul termic termic la răcirea răcirea la 20 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 * t 11.1 = A p11 *4*15= 60A 60Ap10 QD12 = D12* cpD12* t12 71
= 3062,73* 3,7658 * 20 = 230672,57 kJ/h Qp12 = p12* cpp12 * t11 =
3,07 * 3,7658 * 30 = 346,83 Q Ap11EV = Ap11 * cpu * t 11.2
= A p11 *4*20= 80 Ap10
Din ecua ecuația de bilanț 20Ap10 = QD11 - QD12 - Qp12 Ap11 = 5766,81 kg
Bilanțul termic termic la distil distilare are Se dau: -
entalpia va vaporului h” = 3100 kJ/kg
-
Entalp talpia ia cond condeensul nsuluui h’ = 600 kJ/kg
Ecua Ecuația de bilan 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
Qp14 = p14* cpp14 * t13 =
2,92 * 3,872 * 20 = 226,12 72
Q A’14 = A’14* h’ = 600A’14 QDBT = DBT * cpBT* t 14 = 1919 * 3,9161* 3,9161* 80 = 601199,67 601199,67 kJ/h unde cpDBT = =
= 3,9161 J/kg oK
Din ecua ecuația de bilanț 2500 A’14= QD14 + Qp14 + QDBT - QD13 A’14 = 271,34 kg
Bilanțul termic termic la distilar distilaree la rafinare rafinare
Ecua Ecuația de bilan 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
= 853,17 * 4* 85 = 290077,8 kJ/h
73
Din ecua ecuația de bilanț 2500 A’15= QD15 + Qp15 + QDrez - QD14 A’15 = 7,67 kg
2.5
CALCULUL PR PREȚULUI DE DE FA FABRICAȚIE ȘI DE DE VÂ VÂNZARE PENTRU PRODUSUL FINIT
Porumb 527,78 kg/h..............................294, kg/h..............................294, 58 sticle/h X kg/h..................................... kg/h.......................................1 ..1 sticlă X = 1,7916 kg/h X * 0,35 lei = 0,68 lei / sticlă Energie electrică 37,5 kWh ........................... 527,78 x kWh................................... kWh...................................11 sticlă x = 0,0071 x * 5 lei = 0,0355 lei/sticlă Salarii directe 872 000 S/an ...........294,58 ...........294,58 * 24 * 300 300 sticle/an x..................................1 x..................................1 sticlă x = 0,4111 lei /sticlă Contribu Contribuții angajator angajator 100 lei SD SD .............................29 .............................29 lei lei contribuție angajat 0,4111 SD....................................... SD........................................x .x X = 0,1192 lei SD Gaz metan QA b7 = 2565,5 * 420 = 1077510 kJ/h QA14 = 271,34 271,34 * 3100 = 841154 kJ/h kJ/h QA15 = 7,67 * 3100 = 23777 kJ/h 74
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 ............................................ ............................................11 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 sticlă.........x = 2,25 lei/sticlă lei/sticlă
Pierderi de apă A p8 = 2406,54 kg A p10 = 4815,31 kg A p11 = 5766,81 kg A’14 = 271,34 kg A’15 = 7,67 kg -------------------------------Total: 12267,67 kg/h.....................294,58 kg/h.....................294,58 * 24 sticle/zi x .........................................1 .........................................1 sticlă x = 0.1735 kg/h x * 1.3 lei = 0.1735 0.1735 * 3 lei = 0.5205 lei /sticlă /sticlă Sticle 294,58 * 24 * 300 *3....................................34 *3....................................3462540 62540 1 sticlă 1 sticlă .......................................................x .......................................................x = 0,5441 lei / sticlă
Total costuri: 4.58 lei/sticlă
75
Adaos comercial 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
76
77
78
79
80
81
82
BIBLIOGRAFIE 1. Banu Constantin, Manualul inginerului de industrie alimentară , vol. II, Ed. Tehnică Bucu Bucure rești 2002 2002;; 2. Băisan I. Tehnologii în industria alimentară, Universitatea Tehnică “Gh. Asachi” Iaşi, 1999
83
84
85
