Общая технология производства БИОЭТАНОЛА

Назначение и исходные данные

Настоящее технико-коммерческое предложение (далее - ТКП) на поставку технологии производства этанола из зернового сырья разработано ДП «БТС-ИНЖИНИРИНГ» ООО «БИОТЕХСОЮЗ» для:

  1. ознакомления потенциальных партнеров со своими возможностями и подходами к поставкам технологий производства этанола из зернового сырья;
  2. oценки возможности реализации проекта на конкретной площадке для производства этанола из зернового сырья;
  3. оценки возможности производства кормов для скота с использованием отходов производства этанола;
  4. ознакомления потенциальных партнеров с возможностью «надстройки» технологии производства этанола из зернового сырья в производство по комплексной переработке зернового сырья.

Краткое описание технологического процесса

По предварительным договоренностям ТКП сформулировано для следующих условий:

  1. сырье для производства этанола – зерновая кукуруза, отвечающая по своим характеристикам требованиям «Особым условиям поставки хлебопродуктов», утвержденными постановлением Госарбитража СССР от 16.01.75 г. № 102, предприятиям спиртовой промышленности поставляются в первую очередь зерно, непригодное на продовольственные и фуражные цели, со следующими характеристиками:
    (1а) насыпная плотность, г/л - 680 … 820;
    (1b) влажность, % - 13 … 14;
    (1с) содержание примесей в товарном зерне, % - 1,0 … 2,0;
  2. основной товарный продукт – спирт этиловый (дегидратированный, ректифицированый) с целью его дальнейшего использования для производства биотоплива или ликеро-водочных изделий. Суммарная мощность производства по выпуску спирта этилового – 10000 дал в сутки;
  3. полная утилизация послеспиртовой барды и комплексная переработка зернового сырья для получения линейки товарных продуктов, используемых в кормопроизводстве и производстве пищевых продуктов;
  4. полная фильтрация технических потоков для возвращения в технологический процесс.

Общая технология производства

ТКП предлагается известная технология переработки крахмалосодержащего сырья зерна в этанол.

Предлагаемая технология содержит следующие элементы новизны:

  1. комплексная переработка зернового сырья;
  2. использование гидро-ферментативной технологии деструкции крахмалов;
  3. использование, для дистилляции и ректификации спиртовой бражки колонных аппаратов, работающих под избыточным давлением и под вакуумом;
  4. использование мембранной технологии дегидратации этанола;
  5. использование мембранной технологии сгущения продуктов разделения послеспиртовой барды;
  6. использование мембранной технологии фильтрации технических потоков;
  7. систему автоматического контроля и управления производством на всех этапах производства всех товарных продуктов.

Утилизация газов брожения ТКП не рассматривается из-за высокой энергоемкости, но может быть детально разработана при наличии интереса потенциальных инвесторов в производстве углекислого газа на последующих этапах реализации проекта.

Технология комплексной переработки зернового сырья приведена только описательно, но может быть детально разработана при наличии интереса потенциальных инвесторов в производстве линейки пищевых продуктов и кормов на последующих этапах реализации проекта.

Отделение 01 – приемное отделение зерна с автомобильного транспорта. Отделение 02 – зерносклад с отделением подработки

Отделение 01 – приемное отделение зерна с автомобильного транспорта служит для приемки, взвешивания зерна и передачи его в отделение 02 – зерносклад с отделением подработки.
Часовая производительность оборудования отделения 01 должна обеспечить приемку необходимого количества зерна с учетом коэффициентов часовой и суточной неравномерности и составлять НЕ МЕНЕЕ 10,0 … 15,0 тонн, а отделения 02 – очистку и обработку/сушку зерна и его хранение в течении 3 … 12 месяцев в зависимости от местных условий.
Для разгрузки бортовых машин применяются автомобилеопрокидыватели. Разгрузка зерна из автосамосвалов производится самотеком в приемные бункеры.
Все зерно, поступающее на завод с засоренностью более нормированной, должно подвергаться очистке на зерноочистительных машинах до кондиций, отвечающих целевому назначению.
Зерно распределяется по складам СТРОГО по культурам и качественным признакам.
Емкость элеватора или склада напольного хранения зерна должна составлять НЕ МЕНЕЕ 1,5 … 2,0 тыс.тонн.

Отделение 03 – отделение подработки зерна

Основное назначение отделения 03 – подработоки зерна:

  • хранение 3-х суточного запаса зерна, что позволяет создать запас зерна на выходные дни;
  • дробление зерна с образованием муки;
  • приготовление замеса.

Зерно перед поступлением на варку проходит следующую подработку: отделение металлических примесей на магнитном сепараторе, взвешивание, двухступенчатое дробление.
Для приготовления замеса мука со степенью измельчения НЕ МЕНЕЕ 98 … 99% (проход через сито с круглыми отверствиями Ø1мм) смешивается с артезианской водой, пермеатом установки микрофильтрационного разделения и сгущения, а также фильтратом лютерной воды. В емкость для приготовления замеса задают ферментные препараты, разрушающие крахмал до декстринов.

Применнение пермеата и фильтрата решают следующие основные задачи:

  • уменьшение забора артезианской воды на технологические нужды;
  • исключение постоянных технологических сбросов в канализацию;
  • уменьшение потребления технологического тепла.

Отделение 04 – отделение ферментационного расщепления крахмала зерна

Замес из отделения 03 перекачивают в отделение 04, где в аппаратах гидро-ферментационной обработки (ГДФО) под действием тепла и ферментных препаратов, как введенных в замес, так и дополнительно вводимых в ГДФО, происходит разжижение замеса с образованием в нем декстринов. Полученный технологический продукт называют сусло.
Готовое сусло отправляется на ферментацию (спиртовое брожение) в отделение 05 – дрожжебродильное отделение, часть сусла отправляется для культивирования производственных дрожжей.

Отделение 05 – дрожжебродильное отделение

В дрожжебродильном отделении в процессе брожения сусла образуется спиртовая бражка. Принята схема непрерывно-поточного сбраживания в батарее из 10 бродильных аппаратов. Зрелая спиртовая бражка передается в передаточный бродильный аппарат а затем в брагоректификационное отделение для выделения из нее образовавшегося в процессе брожения этанола и примесей.

Отделение 06 – брагоректификационное отделение

Процесс выделения этанола (дистилляции), укрепления и очистки этанола от примесей (эпюраци, ректификации) реализуется на колонных аппаратах, снабженных теплообменниками (дефлегматоры, конденсаторы). Колонные аппараты могут работать как под атмосферным давлением, так и под избыточным давлением или вакуумом, что гарантирует наиболее полную рекуперацию теплоты водно-спиртовых паров.

На выходе из отделения образуется линейка товарных продуктов:

  • этиловый спирт, ректифицированный крепостью 96,3 %об.;
  • сивушное масло;
  • ФГЭС (фракция головная этилового спирта)

Основные отходы отделения:

  • барда послеспиртовая;
  • лютерная вода.

Этанол, полученный в отделении 06 через устройство технологического учета передают либо в сприртоприемное отделение (отделение 07), либо минуя спиртоприемное отделение на дегидратацию (отделение 09). Послеспиртовую барду направляют в отделение 10 для переработки.

Отделение 07 – спиртоприемное отделение

Этанол ректифицированный, сивушкое масло(СМ) и ФГЭС поступают в спиртоприемное отделение (№07), где учитываются и передаются в спиртохранилище (отделение 08). Из спиртохранилища этанол, СМ и ФГЭС отпускается потребителям.

Отделение 08 – спиртохранилище

Спиртохранилище представляет собой ряд емкостей, в которых хранятся спиртосодержащие продукты. Емкость хранилища для хранения этанола ректифицированного рекомендуется принимать не более 2000 м3, что обеспечивает хранение продукта, при паспортной производительности производства, в течении 15 … 250 суток в зависимости от вида продукта. Общий объем заводского склада спирта по требованиям ВНТП 34-93 не должен превышать 2000 м3, что обусловлено высокой пожароопасностью продуктов.

Отделение 09 – отделение дегидратации этанола

Цель дегидратации/абсолютизации этанола – получение этанола с крепостью не менее 99% объемных. На описании технологии дегидратации/абсолютизации следует остановиться более подробно. В настоящее время в промышленных масштабах наиболее широко используются три технологии:

  • дегидратация/абсолютизация с использованием твердых регенерируемых сорбентов, например силикагеля или цеолитов;
  • ректификация тройной смеси – этанол – вода – бензол;
  • разделением водно-спиртовых паров на мембранах типа «молекулярное сито».

Дегидратация/абсолютизация с использованием твердых регенерируемых сорбентов

Процесс дегидратации осуществляется в группе колонных аппаратов – абсорберов загруженных поглощающим воду сорбентом. Периодически каждый абсорбер выводится на регенерацию. В случае применения силикагеля регенерация выполняется продувкой аппарата осушенным паром.

Дегидратация/абсолютизация ректификацией азеотропной трехкомпонентной смеси

Технология дегидратации/абсолютизации основана на явлении образования азеотропной смеси бензол-вода-этанол. Эта смесь имеет наименьшую (64,9оС) температуру кипения из смесей бензол-этанол, этанол-вода и бензол-вода. При ректификации трехкомпонентная смесь испаряется и выводится из ректификационной/абсолютизирующей колонны, а в кубовой части колонны остается компонент с наивысшей температурой кипения - абсолютизированный этанол.

Дегидратация/абсолютизация с использованием мембран

Технология основана на разнице размеров молекул воды и этанола. При прохождении парового водно-спиртового потока через мембрану, она пропускает в трансмембранное пространство молекулы воды, имеющие меньшие в сравнении молекулами этанола размеры, а молекулы этанола накапливаются перед мембраной. Процесс разделения и сгущения ведется в паровом потоке. После сгущения разделенные компоненты конденсируются.
Выбор технологии дегидратации/абсолютизации будет выполнен на основании технико-экономического сравнения вариантов на последующих стадиях реализации проекта.
Следует отметить только повышенную экологическую опасность варианта дегидратации/абсолютизации с ректификацией азеотропной трехкомпонентной смеси, связанную с применением бензола, имеющего токсичные, канцерогенные свойства и высокую, даже в сравнении с этанолом пожарную опасность. Технология дегидратации/абсолютизации с использованием твердых регенерируемых сорбентов отличается высокой энергоемкостью, а дегидратация/абсолютизация с использованием мембран - высокой стоимостью.
Наиболее «чистым» считается использование мембран.
Следует обратить внимание на то, что в любой из рассматриваемых технологий отбор этанола на дегидратацию/абсолютизацию выполняет из отделения 06, минуя отделение 07. Это сделано с целью использования теплоты ректифицированного этанола, т.к. все процессы дегидратации/абсолютизации ведутся при высоких температурах водно-спиртовых растворов и паров.
Дегидратированный /абсолютизированный этанол охлаждается и через отделение 07 отправляют в отделение 08.

Отделение 10 – отделение утилизации послеспиртовой барды

Послеспиртовая барда содержит порядка 6-9% сухих веществ, состав которых входят: сырой протеин, безазотистые экстрактивные вещества, жир, клетчатка, зола, витамины и микроэлементы. Использовать послеспиртовую барду в жидком виде не всегда рационально из-за проблем с хранением, т.к. белки в ходящие в ее состав уже через сутки начинают разлагаться и экономически не выгодно при дальности ее перевозки более 5 … 7 км.
С целью полного использования послеспиртовой барды как высокопитательного корма предлагается ее многоступенчатая переработка с получением целой линейки товарных продуктов, используемых в качестве кормов сельскохозяйственных животных и добавок к концентрированным кормам.
Дополнительно реализация предлагаемой технологии позволяет вернуть в производство жидкую фазу барды и лютерную воду, что существенно снижает забор свежей артезианской воды на технологические нужды. Кроме того, параллельно решается экологическая задача – защита грунтов, поверхностных и грунтовых вод от загрязнения продуктами распада барды, что имеет место при стандартном, на сегодняшний день, методе утилизации послеспиртовой барды – ее выдерживанию в бардохранилище.
Предлагаемая технология утилизации выглядит следующим образом.
Послеспиртовая барда из отделения 06 охлаждается в рекуперативных теплообменниках подогревающих технологические среды и полупродукты, затем поступает на декантеры, где делится на твердую фракцию – кек (40% абсолютно сухих веществ) и жидкую - фугат (5% абсолютно сухих веществ). Кек может отпускаться как товарный продукт, но более эффективна его сушка с целью получения белково-витаминного концентрата – БВК. Фугат для повышения его качества как товарного продукта сгущается на установке микрофильтрации до получения еще одного товарного продукта – концентрата (22 … 25% абсолютно сухих веществ). Возможна реализация концентрата как самостоятельного товарного продукта, но с целью улучшения питательных качеств БВК, концентрат смешивается с кеком и сушиться. Отходы от сгущения фугата – пермеат (1,0 … 1,5% абсолютно сухих веществ) после коррекции его физико-химического состава возвращается в отделение 03 где используется для приготовления замеса.
Лютерная вода из отделения 06, охлаждается в рекуперативных теплообменниках подогревая технологические среды и полупродукты, потом очищается на осмотических мембранах и после коррекции состава фильтрата так же используется для приготовления замеса. Концентрат после осмотических мембран смешивается с фугатом и идет на разделение и сгущение на микрофильтрационной установке.
В полном объеме предлагаемая технология утилизации послеспиртовой барды запущена на биоэтанольном заводе АО «BIOFUTURE» (г. Шилуте, Республика Литва).

Отделение 11 – отделение комплексной переработки зернового сырья

Предложение по организации отделения комплексной переработки зернового сырья носит характер опции, которая может быть реализована с целью существенного повышения технико-экономических показателей проекта. Часть технологии, в масштабе опытного производства, была реализована нашим постоянным партнером - ООО «ОРГАНИКА» (Украина, Тернопольская область, г. Чортков).

Отделение работает на кукурузе и производит:

  • (1) кукурузное масло;
  • (2) крупу кукурузы;
  • (3) кукурузную муку.

Кукурузная мука служит сырьем для производства крахмала. В свою очередь, крахмал служит сырьем для производства этанола, модифицированных крахмалов, высокоосаххаренных сиропов. Модифицированные крахмалы могут служить сырьем высоко ликвидной продукции – биополимеров. Биополимеры – биологически разлагаемые полимерные материалы, используемые для упаковок, одноразовой посуды и прочее.
Отходы производства отделения используются как обогатители кормов. Согласно оценок, технология гарантирует ПОЛЕЗНОЕ использование около 99% массы сырья.