Технология производства этилового спирта (пищевого)

МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

                  Кафедра технологий важнейших                                                          отраслей промышленности

ИНДИВИДУАЛЬНАЯ РАБОТА

на тему: Технология производства этилового спирта (пищевого)

Студент                           (подпись)                                                 В.А. Супрунюк

ФМ, 1 курс, ДКП-2         (дата)                                              

Руководитель                 (подпись)                                                  В.А. Тарасевич

Кандидат техн. наук        (дата)

Минск, 2014

Реферат

Индивидуальная работа : 21 страниц, 2 таблицы, 7 рисунков, 4 формулы

ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ, РЕКТИФИКАТ, СПИРТ ЭТИЛОВЫЙ АБСОЛЮТИРОВАНЫЙ, СПИРТ МЕДИЦИНСКИЙ, БРОЖЕНИЕ, ДИНАМИКА ТРУДОЗАТРАТ

     Изучена и описана технология производства этилового спирта (пищевого) методом брожения. Дана характеристика сырья и получаемой продукции.

     С целью определения варианта  развития технологического процесса проведен анализ затрат живого и прошлого труда. Установлено, что вариант развития – рационалистический, вид развития - трудосберегающий, тип отдачи дополнительных затрат-убывающий.

     Для выявления  путей и закономерностей развития  технологического процесса последний  разбит на составляющие его элементы (переход, ход). Определены границы рационалистического развития технологического процесса и уровень технологии.

    Показано место технологии производства этилового спирта (пищевого) в социальной  сфере.

Содержание

Введение

       В настоящее время этиловый спирт по объему производства занимает одно из первых мест среди продуктов органического синтеза. Он широко используется в пищевой, медицинской и парфюмерной промышленности, а также в качестве растворителя, антифриза, компонента горючего жидкостных ракетных двигателей и полупродукта основного органического синтеза при получении ацетальдегида, хлороформа, уксусной кислоты, диэтилового эфира; синтетического каучука, искусственного шелка, бездымного пороха и т.п. В последнее время резко возросло потребление этанола в микробиологической промышленности при производстве кормовых дрожжей для животноводства. Мировое производство спирта составляет около 4 млн. тонн в год. В связи с этим, производство этилового спирта относится к разряду крупнотоннажных, что следует учитывать при выборе способа производства, которое должно отвечать экологическим требованиям и быть экономически оправданным.

1.Технологический  процесс производства этилового  спирта

1.1 Характеристика получаемой продукции

   Этиловый спирт (этанол) СН3СН2ОН является бесцветной жидкостью со жгучим вкусом и характерным запахом, имеет температуру плавления 114,5  °C, температуру кипения—78,4°C. Спирт, содержащий 4—5 % воды, называют ректификатом, а содержащий только доли процента воды — абсолютным спиртом. Этанол делится на 2 вида: пищевой спирт-сырец и технический (рис.1.1).

            Рис.1.1. Классификация этанола

        Технический спирт применяется для производства мночисленных видов продукции, например топливо. Также применяется для двигателей внутреннего сгорания, бытовых, походных и лабораторных нагревательных приборов (т.н. "спиртовок"), грелок для туристов и военнослужащих (каталитическое автоокисление на платиновом катализаторе). Широко применяется как растворитель (в лакокрасочной промышленности, в производстве товаров бытовой химии и многих других областях), является компонентом антифризов и стеклоомывателей. В бытовой химии этанол применяется в чистящих и моющих средствах, в особенности для ухода за стеклом и сантехникой. Является растворителем для репеллентов. В медицине этиловый спирт в первую очередь используется как растворитель, экстрагент. По своему действию этиловый спирт можно отнести к антисептикам, как обеззараживающее и подсушивающее средство. Этанол является противоядием при отравлении некоторыми токсичными спиртами, такими как метанол и этиленгликоль. Этанол является универсальным растворителем различных веществ и основным компонентом духов, одеколонов, аэрозолей и т. п. Входит в состав разнообразных средств, включая даже такие как: зубные пасты, шампуни, средства для душа, и т.д.

     Пищевой спирт является основным компонентом спиртных напитков (водка, вино, джин, пиво и др.). Также в небольших количествах содержится в ряде напитков, получаемых брожением, но не причисляемых к алкогольным (кефир, квас, кумыс, безалкогольное пиво и др.). Содержание этанола в свежем кефире ничтожно (0,12 %), но в долго стоявшем, особенно в тёплом месте, может достичь 1 %.  Растворитель для пищевых ароматизаторов. Может быть использован как консервант для хлебобулочных изделий, а также в кондитерской промышленности.

      Содержание этилового спирта (крепость) выражается в объемных процентах. Под объемным процентом понимают количество миллилитров спирта в 100 мл водно-спиртового раствора при 20 "С.

   Виды и марки этанола:

Ректификат (точнее, спирт-ректификат) — это очищенный путём ректификации этиловый спирт, содержит 95,57 %, химическая формула C2H5OH. Может выпускаться по ГОСТ 18300-72 (Госстандарт СССР, спирт этиловый ректификованный технический, технические условия) и ГОСТ 5964-82; ГОСТ 5964-93. В зависимости от степени очистки технический этиловый ректификованный спирт выпускают марки «Экстра» и двух сортов: высшего и первого

Спирт этиловый абсолютированный — содержание спирта >99,9 %.

Спирт медицинский — содержание спирта 96,4—96,7%.

1.2 Характеристика сырья для производства этилового спирта (пищевого)

         Производство этого спирта основано на ферментативном гидролизе крахмала и спиртовом сбраживании дрожжами образующихся сахаров. По окончании брожения получают жидкость – зрелую бражку с содержанием спирта 8÷10 % об., из которой на брагоперегонных или брагоректификационных аппаратах получают спирт-сырец или, после повторной перегонки, ректификованный спирт. В отходах остается барда, используемая на корм для скота.   Пищевой этиловый спирт – сырец подразделяют на 3 группы: 1 – из зерна, картофеля и их смеси; 2 – из смеси в различных соотношениях зерна, картофеля,сахарной свеклы и мелассы; 3 – спирт из мелассы. На миниспиртзаводах и в домашних условиях спирт получают из фруктов и ягод. Рассмотрим их поочередно.

Фруктово-ягодное сырье

          Основными критериями выбора исходного сырья для изготовления спирта-сырца является доступность и низкая стоимость. Другими критериями могут служить качество готового продукта, скорость изготовления, целевое предназначение и проч. Наиболее просто и быстро спирт-сырец можно получить из сахара. Но это будет нерациональная затрата высококачественного пищевого продукта, получится самый дорогой спирт-сырец. При современном развитии дачного садоводства и огородничества обычно много выращивается разнообразных овощей (картофель, свекла, бахчевые культуры), фруктов и ягод, которые часто оказываются низкого качества (мелкие, подпорченные гнилью или садовыми вредителями, потерявшие товарный вид) или их слишком много и нет сбыта. В этих случаях получение спирта-сырца – одна из возможностей способов переработки. Для получения спирта-сырца высокого качества с хорошими органолептическими показателями часто перерабатывают различное плодово-ягодное сырье: яблоки, груши, сливы, айву, тутовник, рябину, малину, черешню, виноград и др.. Необходимо, чтобы это сырье было зрелым, чистым от земли, мусора, с высоким содержанием сахара.

        Перед переработкой яблокам, айве, грушам необходимо дать полежать или слегка подвялить для дозревания и повышения сахаристости. Некоторые сорта рябины, клюквы, калины становятся сахаристее после промораживания. При недостатке кислотности целесообразно смешивать сладкое и кислое сырье. Виноград используют преимущественно на вина и коньячные спирты. Последние получают перегонкой виноградной мезги. Качество получаемого спирта-сырца и спирта ректификата, а, следовательно, и крепких спиртных напитков определяется видом и качеством сырья. Так, например, спирт-сырец из сахарной свеклы, картофеля, фруктово-ягодных выжимок и обладает резко выраженным, иногда жгучим вкусом или неприятным запахом и не пригоден для использования при изготовлении высокосортных водок. Но его можно использовать для получения настоек с острыми и резкими органолептическими показателями (перцовая, лимонная, мятная, тминная и проч.). Какие-то части (хвостовые) перегонки спирта могут быть использованы в качестве растворителей разнообразных лаков, красок и прочих технических продуктов.

Процессы подготовки крахмалсодержащего сырья

       Подготовка включает в себя мойку, дробление, отваривание, ферментацию. Мойке подвергают картофель, сахарную свеклу, фрукты-падалицу, зерновое сырье, которое отделяют от остатков почвы, нежелательных травянистых и других примесей. Мойка сырья должна быть качественной с обязательным отделением осадков, ополаскиванием и стеканием промывных вод. Промытое сырье целесообразно подвергнуть дроблению для облегчения доступа внутрь воды и пара. Обычно дробление проводят разрезанием ножами,растиранием на терочных машинах разнообразных конструкций, раздавливанием и т.п. Фруктово-ягодное сырье, богатое глюкозой, сахарозой и другими углеводами, легко сбраживается дрожжами и не требует какой-либо дополнительной обработки после мойки и измельчения. Зерно иногда лучше не дробить, а плющить на вальцах. Для переработки крахмалистого сырья после мойки необходима его предварительная ферментация. Для этого используют солод – пророщенные зерна разных злаковых культур (ячменя, пшеницы, риса, овса, кукурузы, проса и проч).

       Если руководствоваться только экономической стороной сырья, без учета  затрат на используемую технологию производства, то можно сделать вывод, что для изготовления спирта-сырца можем использовать оба варианта сырья, как крахмалосодержащее, так и фруктово-ягодное сырью, так как они будут равносильны друг другу по цене, и  их закупка не будет составлять проблемы, так как это сырье находится в избытке в опредленные сезоны.

1.3 Характеристика  технологии производства спирта-сырца

      Производство спирта-сырца – достаточно сложный биотехнологический процесс, в который вовлечены многие вещества (углеводы, вода, белки), а также  живые дрожжи и их ферменты, пары спирта. Этот процесс должен проводиться на каждом этапе по оптимальной, ресурсосберегающей технологии. Необходимо соблюдать оптимальный состав сырья и подготовку его к брожению, оптимальные условия спиртового брожения, требуемые температурные режимы отгонки паров спирта и их конденсации. Должны быть исключены потери паров спирта в окружающую среду, т.к. изготовление спирта-сырца взрывоопасное и пожароопасное производство с вредными условиями труда.

 Блок-схему производства спирта-сырца можно представить следующим     образом:

  - выбор исходного сырья и компонентов, способствующих брожению

  (дрожжей, белкового корма, воды);

  - подготовка сырья (мойка, очистка, дробление, разваривание, соложение);

  - спиртовое брожение жидкости, содержащей углеводы в условиях, ис-

  ключающих попадание воздуха;

  - очистка, часто многократная (ректификация) полученного спирта-сырца;

  - очистка воды для разбавления спирта-сырца;

  - разбавление спирта-сырца и внесение вкусообразующих веществ с це-

  лью придания напитку определенного состава и органолептических по-

  казателей;

  - созревание полученных крепких напитков;

  - фасовка, укупорка

       На всех технологических операциях должно быть строгое соблюдение оптимальных режимов и техники безопасности работы с взрывоопасными парами легкокипящей жидкости. Небрежность и халатность в этом деле может привести к ухудшению качества и товарных свойств, как спирта, так и напитков, изготовляемых на его основе, снижению выхода готового продукта из единицы сырья, увеличению энергозатрат. Это может отразиться на здоровье потребителя, привести к тяжелым и даже смертельным отравлениям, взрывам перегонных аппаратов, пожарам. Поэтому необходимо строгое условий и режимов проведения технологических операций. От правильности проведенной подготовки, в частности, соложения крахмалистого сырья, зависит содержание в браге сахаров и их концентрация. Содержание сахаров одно из главных, но не единственных условий проведения брожения. Важна их оптимальная концентрация в браге, высокая продуцирующая по спирту способность дрожжей в дрожжевой закваске, наличие азотистого питания, витаминов для развития дрожжей, температура, кислотность, продолжительность брожения и некоторые другие факторы. Дрожжи выдерживают концентрацию сахара до 60 %, а концентрацию этилового спирта в браге не более 16 %. При более высокой концентрации алкоголя замедляется, а затем и прекращается продуцирование ими спирта. В таком случае даже при наличии в браге углеводов дрожжи начинают погибать. Выход спирта не будет адекватен количеству затраченного сырья. Схема производства спирта-сырца приведена на рис.1.2;

Рис. 1.2. Схема производства этилового спирта (пищевого)

2 Динамика трудозатрат при развитии технологического процесса производства этилового спирта (пищевого).

Тж. (х) = 2500/(57t2 +5700)

Tп(x) = 0,3003t2 +0,3

 1. Определим вариант развития технологического процесса.

Для этого по  имеющимся  зависимостям  Тж  (t)  и  Тп  (t)  построим  график (рис 2.1;)изменения затрат живого, прошлого и совокупного труда исходя их данных таблицы 2.1;

                                                                                                                    Таблица 2.1

Рис.2.1. Динамика трудозатрат, обусловленная  развитием технологического процесса производства этанола

         Исходя из  поведения  кривых,  вариант  развития  технологического  процесса

будет являться ограниченным.

2. Выявим характер развития  технологического процесса.  В  данном  случае

при экономии живого труда за счет роста  прошлого  процесс  развития  всегда

имеет трудосберегательный характер.

3. В случае  наличия  ограниченного  варианта  развития  технологического

процесса установим момент времени, до которого такое развитие  целесообразно (т.е. экономический предел накопления прошлого труда). И он будет равен t٭≈4 годам, чтобы это определить нам потребовалось провести перпендикуляр на ось Ох, который проходит через пересечение прямых Тж. и Тп, и соединяет все 3 прямые.

      Для того чтобы аналитически найти экономический предел накопления  
прошлого труда необходимо найти производную функции, выражающую динамику трудозатрат совокупного труда и приравнять ее к нулю. Он будет равен 4,17 лет.

4.Определим тип отдачи  от дополнительных затрат прошлого труда. Из графика на рис.2.2  видно, что при увеличении Тп, Тж. будет уменьшаться. Значит тип отдачи-убывающий.

 
3 Уровень технологии  технологического процесса производства этанола

В этом разделе мы рассчитаем параметры технологического процесса L, B, У для момента времени t=3 года, с помощью таблицы 3.1 оценим состояние технологии, рассчитаем относительный уровень технологии и сопоставим результаты расчета границы рационалистического развития по У*.

Сначала рассчитаем параметры технологического процесса L, B:

Производительность живого труда (L) вычисляется по формуле (3.1):

     (3.1)

Результат вычисления:

L

Технологическая вооруженность (В) вычисляется по формуле (3.2):

     (3.2)

Результат вычисления:

B

Из этого мы можем найти уровень технологий (У) по формуле (3.3):

      (3.3)

Результат вычисления:

У

Согласно таблице  значение У >6, состояние технологии оценивается как высокое  и рекомендацией этой технологии является поддержание режима функционирования предприятия (рационалистическое развитие технологии)

Для того чтобы упростить определение границы рационалистического развития вычислим относительный уровень данной технологии (У*). Он вычисляется по формуле (3.4):

       (3.4)

                                                                                                                 Таблица 3.1

Он будет равен:

У*

Определяя границу рационалистического развития мы видим, что У*>L и поэтому рационалистическое развитие целесообразно.

4 Структура технологического процесса.

Структура технологического процесса строится по принципу «матрешки», т.е.

низшие по иерархии элементы структуры являются составной частью более

высоких. Таким образом, технологический процесс состоит из технологических

операций, которые, в свою очередь, подразделяются на технологические и

вспомогательные переходы. Технологические же переходы включают рабочие и вспомогательные ходы. Теперь дадим графическое изображение пооперационной структуры технологического процесса (рис 4.1;),структуры процесса производства этилового спирта (рис.4.2;), структуры технологического перехода «физико-химическое превращение исходного сырья» (рис. 4.3;).

     По характеру технологического цикла технологический процесс производства этилового спирта является непрерывным. Данный процесс характеризуется одновременным осуществлением и рабочих и вспомогательных действий (они совместны во времени, но разнесены в пространстве). Именно по этой причине такие процессы обладают наивысшей производительностью. Непрерывные технологические процессы компактны во времени, позволяют производить большое количество продукции в единицу времени, поэтому применяются в массовом и серийном производстве товаров. Кроме того, к их преимуществам относятся:  
1.постоянство режимов работы оборудования, улучшающее условия его работы и  удлиняющее срок службы;  
2. возможность максимальной механизации и автоматизации процесса, так как технологические операции и соответствующее оборудование разделено в пространстве;  
3. создание благоприятных условий для использования вторичных энергоресурсов (например, тепла отходящих газов).  
Однако непрерывные процессы имеют и ряд недостатков:  
• большой размер производственных площадей;  
• значительные затраты на создание производства;  
• большее количество перемещений предмета труда, т. е. большая доля вспомогательных действий;  
• непригодность для изготовления крупногабаритных видов продукции, нецелесообразность при единичном производстве, изготовлении пробных партий продукции. 

Революционное развитие. Целесообразные изменения в области рабочих ходов обеспечивают снижение совокупных затрат труда — как правило, в большей степени за счет снижения затрат прошлого труда. Революционное развитие позволяет скачкообразно снизить трудозатраты в технологическом процессе. Только принципиальное изменение рабочих действий позволяет существенно повысить уровень технологии и осуществить значительное снижение трудозатрат. Например, мы можем заменить процесс брожения постностью новой технологией, в которой этанол мы будем получать искусственным способом, без привлечения натурального сырья, этот вариант является более выгодным, для нашего производства.

Рис.4.1; Пооперационная структура технологического процесса производства этилового спирта (пищевого)

                - предметные связи

                - временные связи

Рис. 4.2 Структура процесса производства этилового спирта

                - предметные связи

                - временные связи

Рис. 4.3 Структура технологического перехода «физико-химическое превращение исходного сырья»

                - предметные связи

                - временные связи

5 Анализ перспективных направлений развития технологического процесса

      В данный момент при производстве этилового спирта многие предприятия используют древний способ брожения. Но время не стоит на месте ,идет разработка новых методов, которые были бы более выгодными.

      Впервые на основе обобщения и анализа историко-технического материала прослежено изменение качества синтетического этилового спирта и технико-экономических показателей с момента пуска его производства до наших дней в результате модернизации оборудования и реконструкции производств

      В результате изучении опыта работы первого завода по получению синтетического спирта методом прямой гидратации этилена. Показана перспектива производства, что может быть использовано при проектировании новых установок и модернизации работающих производств на родственных предприятиях. Результаты работы могут быть использованы при создании обобщающих научных трудов, посвященных развитию производства синтетического этилового спирта.

     Славянский народ  находится в тройке лидеров по потреблению алкогольных напитков, поэтому технологии производства этанола уделяли, и будут уделять внимание. Поиск наилучшего соотношения цены и качества, вот тот основной вопрос, который стоит перед ученым данной сферы. Модернизация данной отрасли является необходимостью, так как цены на сырьё постоянно будут расти, предприятия будут вынуждены поднимать цены, и тогда будет развиваться незаконная продажа спиртных напитков, которые не всегда соответствуют тому качеству, которое должно быть.

    В перспективе улучшениями для этой отрасли могли бы стать полный перевод производства из натурального сырья на синтетическое.

Заключение

В данной индивидуальной работе мы рассмотрели несколько видов технологии производства этилового спирта (пищевого), выяснили из чего его делают, какой технологией пользуются,  какой из них более выгоден.

Производство пищевого спирта в лабораторных и домашних условиях наиболее просто из свекловичного сахара, но это будет и самый дорогой спирт по себестоимости. Более дешевым способом является выработка спирта-сырца из некондиционного фруктово-ягодного сырья, картофеля и зернобобовых культур. Эта технология сложнее и требует более тщательной очистки спирта-сырца для изготовления крепких спиртных напитков. При нынешнем паритете цен производство пищевого спирта является еще достаточно экономически выгодным

Литература

1.Производственные технологии: Учебник./Под ред. В.В. Садовского.- Мн.: БГЭУ , 2008

2.Основы технологии важнейших отраслей промышленности: В 2 ч. /Под ред. И.В. Черенцова. Мн., 1898. 
3.Кохно Н.П. Общая экономическая теория технологического развития производства: монография/Н.П. Кохно. – Мн.: БГЭУ , 2003. – 248 с.

4. Грицюк И.Г., Ройтер И.М. Технология ликеро-водочного производства. Мн.:

 Гизлегпищепром, 1953. - 310 с.

5.Иванов А.И. Оборудование спиртового производства. Мн.: Пищевая промышленность, 1972.- 216 с.